Alimentatore Switching step-up 12V 2000V Geiger Application by Roberto Chirio

Step-Up 2000V

Giugno 2010

Questo alimentatore DC-DC serve per generare una tensione quasi statica, cioè senza assorbimenti particolari, in quanto deve solo polarizzare il campo dei tubi Geiger usati nei contatori per radiazioni ionizzanti. (Geiger Counter)

Lo studio è fatto in funzione di ottenere buoni risultati utilizzando componenti facili da reperire, inoltre l'induttore L1 che potrebbe essere il componente più critico, è facilmente recuperabile dalle lampade basso consumo esaurite o rotte.

Quindi la realizzazione non comporta particolari difficoltà.

La tensione di ingresso deve essere compresa tra 9,0 e 16V e la tensione in uscita è regolabile tramite trimmer da 200-2000V.

Per non complicare la costruzione, con questo innalzatore di tensione, non vengono usati trasformatori, ma solo un induttore, seguito da uno stadio moltiplicatore di tensione a valore 5X.

Lo stadio moltiplicatore di tensione, è una configurazione semplice, costituita da diodi e condensatori, viene usata per innalzare la tensione alternata quando l'assorbimento in uscita è di pochi mA. E' possibile configurare moltiplicatori a 2X...3X.....ecc ecc.

Descrizione

- Il circuito funziona con tensioni da 9 a 16V, il consumo massimo è di 100mA pertanto è possibile alimentare con una piccola batteria.

- Il driver UC1843 inizia a funzionare a 8,4V e si ferma a 7,6V. Perfetto quindi per un impiego con batterie 12V, o anche solo da 9V. La frequenza di lavoro, viene determinata da: f=1.72/(R1 C5)

- In questa applicazione, si lavora a 1500Hz, pilotando PWM il MosFet da 2A 600V. La frequenza è mantenuta bassa per via dell'utilizzo dei diodi comuni 1N4007, utilizzando diodi fast è possibile salire a 25Khz migliorando le prestazioni, come maggiore tensione e corrente all'uscita.

- Il partitore resistivo sull'uscita riporta il controllo di tensione al piedino 2, se la tensione aumenta, il pilotaggio viene ridotto, pertanto la stabilizzazione della tensione HV è molto buona, migliore del 1%

- E' bene usare per la R7 un trimmer a 20giri da 1Mohm, così da avere una precisa regolazione del valore in uscita.

- Lo Zener D6 serve di protezione per bloccare l'alta tensione che potrebbe danneggiare il driver.

- L'HV viene generata con la tecnica della carica induttore ed successiva apertura veloce, non potendo fisicamente con un semplice step-up superare il valore di 15-20 volte la tensione di ingresso, viene utilizzato un circuito Voltage Quintupler che ci permette facilmente di superare i 1800V con poco più di 300V generati ai capi del MosFet.

- E' presente un limitatore di corrente per proteggere il Mosfet, la resistenza R3 limita il picco di assorbimento a circa 100mA.

Realizzazione

La realizzazione dello Switching Power Supply comporta avere delle conoscenze di elettronica, è necessaria un'attrezzatura ed esperienza nei montaggi elettronici.

Non si risponde per danni a cose e persone e per un uso improprio della realizzazione.

Attenzione che in uscita è presente una tensione di 2KV anche se di bassissima energia, può essere pericolosa per chi non esperto.

Ecco come si presenta il prototipo montato su una piastra millefori.

Per la sezione a bassa tensione, non ci sono particolari problemi per sistemare i componenti, mentre nella sezione HV prestare attenzione alle distanze e alla disposizione dei componenti e alle saldature sulle piazzole che devono avere distanza tra di loro, lasciare almeno 1 foro libero tra due punti HV.

Induttore L1

L'induttanza da 2,2mH serve per generare gli impulsi ad alta tensione fino ad un valore di 400V di picco, è facile da trovare in quanto presente all'interno del driver di tutti i tubi neon basso consumo, risparmio energia.

L'induttanza presente nelle lampade a basso consumo, può avere un valore da 1 a 4mH, è da provare, in genere valori da 2 a 3 mH vanno benissimo per questa applicazione. Importante che sia una bobina impregnata con vernice e resina, questo per garantire un buon isolamento.

Taratura
- Collegare un voltmetro ad alta impedenza sull'uscita e dare alimentazione a 12V. - Il circuito non richiede particolari tarature, deve funzionare subito, girando il trimmer, la tensione deve salire fino a 1800V. - Prestare attenzione alla corrente assorbita, in quanto fino a 1600V l'assorbimento è di poche decine di mA. Salendo oltre i 1600V siamo al limite e l'induttore tende a saturare e tutto porta ad un aumento di assorbimento. - Il circuito di protezione dovrebbe limitare il picco di assorbimento oltre i 100mA evitando un eccessivo riscaldamento del Mosfet.

In mancanza di un Voltmetro ad alta impedenza si può realizzare un ottimo strumento utilizzando un multimetro con 10M ohm impedenza di ingresso, aggiungendo il partitore per alta tensione dello schema che segue. Versione semplificata del voltmetro HV, da collegare direttamente a un Multimetro (DMM). Sulla portata 2V, leggeremo x1000 quindi KVolt. Il trimmer cermet multigiri, serve per tarare con precisione il rapporto 1000:1. Importante: il DDM deve avere 10Mohm di impedenza d'ingresso, alcuni di basso costo hanno solo 1Mohm. La resistenza da 300Mohm si può acquistare ma e difficile da trovare, si può realizzare facilmente mettendo 30 resistenze da 10Mohm in serie, meglio se SMD.

A questo punto non è difficile realizzare un semplice Geiger Counter, abbiamo già un ottimo generatore HV, basta realizzare il circuito discriminatore e collegare un cicalino.

- Una volta realizzato, potremo collegare e testare ogni tipo di tubo Geiger Muller, dai tubi Russi a 400V, ai tubi GM da 900V fino ai tubi Fotomoltiplicatori (scintillatori) da 1200-1600V

- Sull'ingresso HV, si collega lo step-up 2000V, con il Voltmeter Alta impedenza si legge e si setta il valore di tensione richiesto dal tubo sotto esame, attraverso il condensatore C1 vengono rivelati gli impulsi e ripuliti dal circuito di trigger composto da 4093, l'ultimo stadio è un astabile che genera gli impulsi a tono fisso che verranno applicati al cicalino.

- E' presente l'uscita audio da utilizzare per il collegamento al PC oppure a un contatore digitale in grado di visualizzare i CPM. I dati dei tubi vengono in genere caratterizzati con i conteggi per minuto (CPM), in presenza di determinate sostanze campione.

- La resistenza RLoad in genere è opzionale, eventualmente è da mettere del valore consigliato dal Datasheet del tubo usato.

- Per caratterizzare tubi geiger sconosciuti, consiglio di iniziare con tensioni basse e salire lentamente fino a trovare il valore minimo per il quale iniziano i conteggio, Il valore nominale di lavoro si ottiene aumentando di un 40-50V la tensione minima di conteggio, senza il rischio di perforare il tubo.

- E' possibile aumentare la tensione di uscita, aumentando la frequenza di lavoro a 20Khz ed usando diodi veloci per il circuito duplicatore tipo i FR4007 da 600V. Il Mosfet deve essere montato su dissipatore. Portare la R3 al valore di 1 OHM.

- Realizzando il Geiger Counter, con l'ausilio di un buon tubo Pancake si ottiene un ottimo strumento per la ricerca di minerali radioattivi, anche solo utilizzando il cicalino, chiaramente dedicato per basse dosi di radiazione, di poco superiore al valore di fondo (300-400CPM). Per segnali maggiori è necessario avere un preciso contatore in grado di dare valori attendibili....

POWER SUPPLY SWITCHING STEP-UP

DC-DC in: 9-16V out: 200-2000V max 0,1mA

Geiger application

Forme d'onda
- Pilotaggio Mos-fet con 400V out e ingresso 12,0V tempo di conduzione=31us
- Pilotaggio Mos-fet con 1600V out e ingresso 12,0V tempo di conduzione=170us