Penggunaan pengganda fotoelektronika adalah cara yang sangat sederhana untuk mendapatkan sensitivitas tertinggi dari seorang photodetector, hingga mendaftarkan foton tunggal dengan kecepatan luar biasa. Dan mengingat massa PMT yang diproduksi di USSR dan masih tergeletak di gudang, itu juga relatif murah (PMT "eksklusif" modern masih mahal untuk penggunaan amatir). Tetapi untuk memasok photomultiplier, sumber tegangan 1-3 kilovolt diperlukan, dan terlebih lagi, sangat stabil.
Faktanya adalah bahwa sensitivitas PMT tergantung pada tegangan anoda secara eksponensial dan sangat tajam: ia meningkat 10 kali dengan peningkatan tegangan sebesar 80-300 V, tergantung pada jenis PMT. Dan jika perlu untuk memastikan stabilitas gain pada tingkat persentase, untuk beberapa PMT perlu bahwa tegangan tidak berubah lebih dari 0,1-0,3 V!
Pada artikel ini, saya memberikan diagram sumber tegangan tinggi untuk PMT, yang telah membuktikan dirinya di laboratorium. Ini memberikan tegangan output beberapa ratus hingga 1500 V dengan arus keluaran hingga 1 mA dan stabilitas tidak lebih buruk dari 0,2 V per jam dengan konsumsi arus konstan setelah pemanasan. Perubahan sederhana meningkatkan batas tegangan atas ke 3 kV, dengan biaya stabilitas yang lebih rendah.
Skema
Basis sumber adalah inverter push-pull yang beroperasi pada transformator untuk lampu CCFL. Inverter dibuat berdasarkan chip domestik untuk ballast elektronik - KF1211EU1. Saya tidak dapat menemukan yang sama pada chip ini yang dijual: ia dapat secara langsung mengontrol gerbang transistor efek medan dan untuk operasi hanya membutuhkan dua elemen eksternal (penghambat waktu dan kapasitor), sementara itu bekerja secara teratur dari 5 V dan murah. Sayangnya, NPO Delta sudah lama tidak memproduksi chip ini, tetapi masih dijual dan tidak sulit untuk mendapatkannya. Microcircuit ini tidak memiliki sarana untuk mengatur siklus tugas, tetapi kami tidak membutuhkannya - tegangan output dikendalikan dengan mengubah tegangan suplai dari tahap output inverter. Elemen kunci adalah transistor ganda n-MOS tipe IRF7341 VT1. Resistor R2 dan R3 membatasi arus masuk saat mengisi ulang gerbang kapasitor.
Inverter beroperasi pada frekuensi 40 kHz. Telah ditetapkan secara eksperimental bahwa pada frekuensi ini transformator yang digunakan bekerja paling baik dan memiliki efisiensi terbaik. Frekuensi ini diatur oleh rantai R1C1.
Saya menggunakan transformator dari seri TMS91429CT, yang memiliki dua belitan primer identik dan dua identik yang terisolasi satu sama lain. Hal ini memungkinkan untuk mengecualikan pengganda tegangan dengan kerugian besar, menggantinya dengan dua penyearah siklus tunggal, tegangan keluaran yang bertambah, membentuk tidak cukup terlihat biasa, tetapi pada dasarnya penyearah dua langkah yang sama. Konfigurasi yang dijelaskan dalam diagram bekerja dengan transformator ini agak lebih baik daripada klasik "dengan ketukan dari tengah." Jika diperlukan voltase yang lebih tinggi, pengganda dapat dipasang di masing-masing βbagianβ.
Resistor R8 dan kapasitor C9 membentuk filter yang mengurangi riak tegangan tinggi. Resistor R10 mengurangi risiko sengatan listrik yang fatal: terlepas dari kenyataan bahwa arus searah yang dihasilkan oleh sumber ini tidak menimbulkan bahaya serius, energi yang disimpan dalam kapasitor C9 cukup untuk membunuh, dan arus puncak pelepasannya terbatas ~ 60 mA pada tegangan maksimum
mengurangi kemungkinan ini (dengan pemaparan jangka pendek - seperseratus detik -, arus ini biasanya tidak berakibat fatal). Namun, pada arus 1 mA, 22 V jatuh pada resistor ini, yang kemungkinan besar tidak dapat diterima. Oleh karena itu, jika arus lebih dari seratus mikroamp diperlukan, itu harus dihilangkan, tetapi dalam kasus ini, ingatlah bahwa tegangan keluaran sumber itu
mematikan . Dengan resistor R10, bagaimanapun juga, tetapi bahayanya tidak terlalu tinggi.
Tegangan output, dibagi dengan pembagi R7R9 500 kali, diumpankan ke input penguat kesalahan pada op amp DA1.2. Tegangan referensi dipasok ke input kedua (melalui repeater pada DA1.1), yang menetapkan tegangan output, yang, sesuai dengan rasio pembagian pembagi R7R9, akan 500 kali lebih tinggi (misalnya, pada tegangan referensi 3 V, output akan menjadi 1,5 kV). Gain dari penguat kesalahan dipilih secara eksperimental. Peningkatannya meningkatkan akurasi stabilisasi, tetapi mengurangi stabilitas. Kapasitor C8 mengkompensasi keterlambatan dalam loop umpan balik dan memastikan stabilitas regulasi. Rasio gain penguat kesalahan dan konstanta waktu dari sirkuit R6C8 adalah kompromi antara akurasi mempertahankan tegangan output dan waktu yang dibutuhkan untuk membangunnya.
Tegangan output dari penguat kesalahan disuplai ke elemen kontrol - p-MOS transistor VT2. Transistor benar-benar tertutup ketika tegangan pada output DA1.2 dekat dengan tegangan suplai (yaitu, jika tegangan tinggi jauh lebih tinggi dari nilai yang ditetapkan), dan sepenuhnya terbuka ketika dikurangi menjadi nol (pada tegangan sangat rendah), yang memastikan pemeliharaannya pada tingkat yang sedikit lebih tinggi tegangan referensi dikalikan dengan faktor pembagian. Tidak semua transistor MOS bekerja dengan baik dalam mode linear, dan yang ditunjukkan pada rangkaian membuat ini cukup dapat diterima. Resistor R4 mencegah ketidakstabilan op-amp ketika beroperasi pada beban kapasitif, yang merupakan gerbang transistor.
Potensiometer multi-belokan yang ditenagai oleh sumber tegangan yang distabilkan dapat digunakan sebagai sumber tegangan referensi, tetapi dengan meningkatnya persyaratan stabilitas mungkin tidak cukup, karena bahkan yang terbaik dari resistor variabel semacam itu "noise" sampai batas tertentu, mengubah resistensi secara acak batas kecil, bahkan jika tombol penyesuaian tidak disentuh. Untuk meningkatkannya, diinginkan untuk membatasi kisaran penyetelan halus hingga 100-200 V dan memperkenalkan sakelar untuk pengaturan voltase kasar diskrit. Pilihan lain adalah membuat ION digital berdasarkan beberapa jenis DAC.
Sirkuit ini memberi tegangan tinggi tanda positif. Lebih mudah untuk menggunakan tegangan suplai negatif dengan anoda ground untuk menyalakan PMT. Untuk ini, rangkaian harus disesuaikan - pertama, dengan mengubah polaritas dioda pada bagian tegangan tinggi. Kedua, perlu untuk memperkenalkan penguat operasional lain ke dalam rangkaian. Alih-alih pembagi R9R7, kami memiliki penguat pembalik dengan gain minus 1/500 pada op amp DA2, dan resistor R9 dan R7 berada dalam sirkuit OOS.
Untuk mendapatkan 3 kilovolt, Anda harus mengganti penyearah di sirkuit sekunder dengan pengganda tegangan dan meningkatkan R9 hingga 100 MΞ©. Pada saat yang sama, stabilitas akan memburuk hampir sama dua kali.
Komponen dan Instalasi
Kapasitor dan resistor ukuran 0805 atau bahkan 0603 dapat digunakan dalam rangkaian bertegangan rendah dan arus rendah Kapasitor C2 adalah tantalum. Kapasitor C4 adalah kapasitor film, karena arus pulsa yang terlihat mengalir melaluinya dan kapasitor SMD keramik akan memanas di sini dan akan cepat rusak.
Dari sisi tegangan tinggi, perlu untuk memasang semua sirkuit AC sesingkat mungkin, karena jika tidak mereka memancarkan kuat (namun, ingatlah untuk mengamati celah isolasi). Dioda dipanggil masing-masing dari dua dioda 1000 seri yang terhubung. Karena kurangnya dioda 1000 V cepat di toko, versi SMD menggunakan dioda keluaran HER1008, dipasang dalam dua seri. Untuk mengurangi panjang terminal, mereka ditekuk di bawah rumah dioda dan terputus, dan dengan demikian, dioda akan diulang dalam SMD. Dalam hal ini, anoda satu dioda berpasangan disolder ke katoda yang kedua secara langsung dan sedekat mungkin dengan keluaran dari keluaran dari rumahan, dan bukan melalui konduktor yang dicetak. Kapasitor C6 dan C7 juga terdiri dari empat kapasitor 0,015 ΞΌF x 1000 V ukuran 1812, dihubungkan secara paralel-seri dan disolder oleh "yang lainnya" di atas satu sama lain. Kapasitor C9 dari jenis arbitrer - Saya menggunakan baterai dari domestik K15-4, diisi dengan senyawa untuk keandalan.
Resistor R8 - ukuran 2512. R10 terdiri dari sepuluh resistor yang dihubungkan secara seri pada papan kecil yang terpisah dan diisi dengan senyawa isolasi. Anda dapat melakukan hal yang sama dengan R9, atau menggunakan resistor dari seri FHV-100. Dan sangat ideal untuk meletakkan pembagi seri Caddock THV10. Penyimpangan tegangan tergantung pada stabilitas termal dari resistor ini (dan dipanaskan oleh arus yang melewatinya). Isolasi termal, meningkatkan waktu yang diperlukan untuk membangun tegangan stabil, namun, secara tajam mengurangi fluktuasi kacau, oleh karena itu
sangat dianjurkan. Juga, selama instalasi, Anda harus memperhatikan kemungkinan jalur kebocoran, yang juga akan secara tajam mengurangi stabilitas. Pada papan sirkuit tercetak, slot dan jendela harus disediakan yang memisahkan sirkuit bertegangan tinggi dari yang bertegangan rendah dan antara konduktor yang berjarak dekat dengan potensi yang sangat berbeda. Dan jangan mengampuni alkohol - sedikit kelembaban, jejak rosin atau jari-jari kecil - dan ketegangan akan berderap seperti mustang liar. Tak perlu dikatakan bahwa seluruh bagian tegangan tinggi harus dibanjiri dengan senyawa, karena jika tidak, kesenjangan harus dibuat sangat besar. Dan celah besar adalah panjang konduktor dan radiasi yang kuat. Ketika bekerja dengan tata letak asli, di mana saya menggunakan kapasitor K78-1, dioda keluaran dengan terminal yang lebih pendek dan celah yang direkomendasikan untuk instalasi cetak di udara - saat idle, sirkuit mengkonsumsi hampir 200 mA pada 1500 V, dan neon membakar 10 cm dari struktur. Tidaklah mungkin untuk melihat bentuk tegangan pada belitan utama transformator - rentang seratus volt diinduksi pada probe osiloskop. Tidak mungkin ada pembicaraan tentang penggunaan praktis dari rangkaian interferensi yang sangat memancarkan ini. Setelah transisi ke SMD dan instalasi yang paling ringkas (yang membutuhkan penuangan - semuanya segera menerobos di udara), arus yang dikonsumsi saat idle turun menjadi beberapa miliamp, dan bola lampu neon hanya terbakar dekat dengan belitan trafo. Tentu saja, perangkat yang sudah selesai harus ditempatkan dalam wadah logam yang dilengkapi dengan konektor tegangan tinggi yang baik (misalnya, dari jenis LEMO).
Tata letak PCB (saya tidak memberikannya sendiri, karena ternyata tidak terlalu sukses dan dalam desain akhir itu ditutupi, seperti cetakan, dengan kantong instalasi berengsel, memperbaiki kesalahan dari desain asli) harus dilakukan dengan mempertimbangkan fakta bahwa VT2 dipanaskan dan menghilangkan panas melalui terminal (disipasi) daya bisa mencapai 2 watt). VT1 tetap hampir dingin selama operasi. Juga, perhatikan tanah, terutama di sekitar transistor utama. Yang terakhir, bersama dengan DD1, ditempatkan dengan nyaman di bawah perut transformator, di mana tanah dapat dipisahkan oleh celah, menghubungkannya dengan sisa bumi pada satu titik di dekat konektor daya.
Dan tentang penggantian. Trafo dapat diganti oleh hampir semua trafo sejenis dengan konfigurasi belitan yang sama (yaitu dua belitan primer identik dan dua belitan tegangan tinggi terpisah) dan daya keseluruhan yang sama, dan mungkin perlu untuk memilih frekuensi switching dan kapasitansi kapasitor C4. Rakitan transistor VT1 dapat diganti dengan transistor n-MOS terpisah yang serupa dengan tegangan sumber-drain setidaknya 20 V dan arus pembuangan minimal 3 A, yang mampu beroperasi dengan 5 V di gerbang. Penggantian VT2 tidak diinginkan.
Sedikit tentang keamanan
Seperti yang saya katakan, perangkat ini sangat
mematikan seumur hidup . Terlepas dari kenyataan bahwa arus beberapa milliamps yang disediakan oleh perangkat ini tidak berbahaya bahkan ketika melewati jalur "bahasa-lengan", pelepasan kapasitansi pada output, bahkan jika tidak dijamin, akan mematikan, tetapi mungkin saja melakukannya, karena arus mencapai
beberapa ampere (!), dan energi pelepasan pada tegangan maksimum sekitar 0,1 J, yang cukup untuk menyebabkan fibrilasi ventrikel pada fase rentan. Jadi berhati-hatilah - terutama selama proses pengaturan. Pada saat ini, saya sarankan mengganti kapasitor C9 dengan yang kurang luas.