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Conversor de tensão para alimentar o tubo fotomultiplicador. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica

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Aqui descrevemos um conversor de tensão projetado para alimentar um tubo fotomultiplicador que faz parte de um complexo radiométrico sensível. As soluções de circuitos incorporadas no conversor podem ser utilizadas no desenvolvimento de fontes de alimentação estabilizadas para muitos outros dispositivos eletrônicos.

O conversor, cujo diagrama é mostrado na Fig. 132, fornece uma tensão de saída de 1000 V. A estabilidade da tensão de saída é tal que quando a corrente de carga flutua de 0 a 200 μA, a mudança na tensão de saída não é detectável por um voltímetro digital de quatro dígitos, ou seja, não não exceda 0,1%.

Conversor de tensão para alimentar um fotomultiplicador
Arroz. 132. Diagrama esquemático de um conversor de tensão (clique para ampliar)

O dispositivo é montado de acordo com um circuito tradicional usando surto reverso de tensão de autoindução. O transistor VT1, operando em modo chaveado, alimenta o enrolamento primário do transformador T1 com a tensão da fonte de alimentação por um tempo igual a 10...16 μs. No momento do fechamento do transistor, a energia acumulada no circuito magnético do transformador é convertida em um pulso de tensão de cerca de 250 V no enrolamento secundário (cerca de 40 V no primário). O multiplicador de tensão, formado pelos diodos VD3-VD10 e pelos capacitores C8 - C15, aumenta para 1000 V.

Os pulsos de controle do transistor VT1 são gerados por um gerador com ciclo de trabalho ajustável, montado nos elementos DD1.1-DD1.3. O ciclo de trabalho dos pulsos é controlado pela tensão de saída do amplificador operacional DA1.

A tensão de saída do conversor através do divisor resistivo R1 - R3 é fornecida à entrada não inversora do amplificador operacional e é comparada com a tensão de referência estabilizada pelo diodo zener com compensação de temperatura VD1. No momento da ligação, o a tensão de saída do conversor é zero e a tensão na saída do amplificador operacional DA1 é próxima de zero. O gerador gera pulsos de duração máxima. Com a relação das resistências dos resistores R9, R11, R12 indicada no diagrama, a relação entre a duração dos pulsos de polaridade positiva na saída do elemento DD1.4 e seu período de repetição (fator de serviço) é próxima de 0,65. Quando a tensão de saída atinge um determinado valor, a tensão negativa na saída do amplificador operacional DA1 aumenta, o ciclo de trabalho diminui e a tensão de saída se estabiliza.

Durante o teste do conversor aqui descrito, a duração dos pulsos sob carga dentro dos limites acima variou de 10 a 12 μs, e sua frequência de repetição variou de 18 a 30 kHz, o que corresponde a um ciclo de trabalho de 0,18 a 0,4. O consumo de corrente aumentou de 22 para 47 mA. Na carga máxima e diminuindo a tensão de alimentação para 10,5 V, a duração do pulso aumentou para 16 μs na frequência de 36 kHz, o que corresponde a um ciclo de trabalho de 0,57. Uma nova diminuição na tensão de alimentação levou a uma quebra na estabilização. Com uma corrente de carga de 100 μA, a estabilização é mantida até uma tensão de alimentação de 9,5 V.

O capacitor C3 forma o braço inferior da parte capacitiva do divisor de tensão de saída. Sem ele, a tensão de ondulação da saída do conversor, igual a aproximadamente 1 V, passaria para a entrada do amplificador operacional DA1 através da capacitância dos resistores R1 e R2 praticamente sem atenuação. O capacitor C4 fornece ao conversor uma operação estável como um todo. O diodo VD2 e o resistor R12 limitam o ciclo de trabalho máximo possível. A duração mínima do pulso e o ciclo de trabalho são determinados pela razão das resistências dos resistores R9 e R11. À medida que a resistência do resistor R9 diminui, o ciclo de trabalho mínimo diminui e pode se tornar zero.

A estabilidade da tensão de saída sob diversas cargas é garantida devido ao alto ganho no circuito de feedback do conversor. Para garantir a operação estável do conversor com tal ganho, é necessário um capacitor C4 de capacitância relativamente grande. Mas isso leva a um aumento na duração do estabelecimento da tensão de saída durante mudanças bruscas na carga.O tempo de estabelecimento pode ser reduzido reduzindo a capacitância do capacitor C4, conectando um resistor com resistência de várias dezenas de quiloohms em série com ou conectando um resistor com resistência de vários megaohms em paralelo com este capacitor.

Todas as partes do conversor podem ser montadas em uma placa de circuito impresso feita de fibra de vidro de um só lado, mostrada na Fig. A placa 133 foi projetada principalmente para instalação de resistores MLT. Os resistores R1 - R3, R5 e R7, dos quais depende a estabilidade a longo prazo do conversor, são estáveis ​​​​C2-29. O resistor ajustado R6 é SPZ-19a. Capacitor C1 - K53-1; C8, C15 - K73-17 para tensão nominal de 400 V, outros capacitores - KM-5, KM-6. A escolha do diodo zener VD1 é determinada pelos requisitos de estabilidade. O diodo VD2 é qualquer diodo de silício de baixa potência e os diodos multiplicadores de tensão (VD3 -VD10) podem ser KD104A. O microcircuito K561LA7 pode ser substituído por K561LE5, KR1561LA7, KR1561LE5 ou similares da série 564.

Conversor de tensão para alimentar um fotomultiplicador
Arroz. 133. Placa de circuito impresso do conversor de tensão

Conversor de tensão para alimentar um fotomultiplicador
Arroz. 134. Circuito de potência do diodo Zener

O transistor VT1 deve ser de alta frequência ou média frequência, com uma tensão coletor-emissor admissível de pelo menos 50 V e uma tensão de saturação não superior a 0,5 V em uma corrente de coletor de 100 mA. Para acelerar a saída do transistor de média frequência da saturação quando desligado, a capacitância do capacitor C6 deve ser aumentada.

O amplificador operacional K140UD6 (DA1) pode ser substituído por um KR140UD6 sem alterar o design dos condutores da placa de circuito impresso ou por qualquer outro com transistores de efeito de campo na entrada.

O transformador T1 é enrolado em um núcleo magnético de anel de tamanho padrão K20 x 12 x 6 feito de ferrite M1500NMZ. O enrolamento primário contém 35 voltas e o enrolamento secundário contém 220 voltas de fio PELSHO 0,2. Para reduzir a capacitância entre enrolamentos, o fio do enrolamento secundário deve ser colocado em uma camada espessa, movendo-se gradativamente ao longo do circuito magnético, com a primeira e a última voltas próximas umas das outras. O enrolamento primário é de camada única e é enrolado no topo do secundário. A polaridade de conexão dos terminais do enrolamento não importa.

O conversor deve ser configurado nesta ordem. Desconecte o enrolamento primário do transformador do transistor e conecte o terminal superior (conforme diagrama) do resistor R3 ao terminal negativo da fonte de alimentação através de dois resistores com resistência total de 140 kOhm. Ao girar o controle deslizante do resistor de sintonia R6, o ciclo de trabalho dos pulsos na saída do elemento DD1.4 (monitor com osciloscópio ou voltímetro de tensão constante conectado entre a saída deste elemento e o fio comum) deve mudar abruptamente de do mínimo (cerca de 0,1 ou os pulsos podem desaparecer completamente) ao máximo (0,65). Fixe o motor do resistor trimmer na posição onde ocorre esse salto.

Em seguida, monte completamente o conversor, conecte um voltímetro com resistência de entrada de pelo menos 10 MOhm à sua saída e ligue a alimentação. A tensão de saída pode ser controlada com o mesmo voltímetro e a tensão no resistor R3 (5 V) ou um microamperímetro conectado em série com este resistor (50 μA). A seguir, ajuste a tensão de saída do conversor com o resistor R6 e verifique a estabilidade de seu funcionamento quando a carga e a tensão da fonte de alimentação mudam.

Para reduzir o ruído emitido pelo transdutor, ele é alojado em uma caixa de latão. Se for necessária maior supressão de ruído, um filtro RC simples pode ser incluído no circuito secundário do conversor, e um indutor DM-0,1 com indutância de 400 μH e um capacitor de passagem pode ser incluído no circuito primário.

O conversor descrito é projetado para operar a partir de uma fonte de alimentação estabilizada de 12 V, na qual o terminal positivo é conectado ao fio comum. Mas sem nenhuma alteração na instalação, você pode conectar o terminal negativo da fonte de alimentação ao fio comum.

A título experimental, foi testada uma versão deste conversor alimentado por uma fonte bipolar de ±12 V. Sua parte principal é montada de acordo com o mesmo circuito, o capacitor C1 (para tensão nominal de 30 V), metade da capacidade, é conectado entre os circuitos de +12 e -12 V, a saída inferior (conforme diagrama) do resistor R14 e a saída do enrolamento primário do transformador T1 são conectadas ao circuito de +12 V. Os valores dos elementos substituídos são: R13 - 1,1 kOhm, C6 - 1600 pF, C7 - 430 pF, R14 - 2 kOhm. Transistor VT1 - KT815G. O número de voltas do enrolamento primário do transformador T1 é duplicado.

Se utilizar uma fonte de alimentação não estabilizada, o coeficiente de estabilização do circuito R4VD1 pode ser insuficiente. Neste caso, o circuito de alimentação do diodo zener deverá ser feito conforme o diagrama mostrado na Fig. 134. O LED HL1 servirá como indicador de ligação.

Autor: Biryukov S.

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