Encontro Angra Neutrino
Centro Brasileiro de Pesquisas Físicas - CBPF
Sistema de Alta Tensão para Tubos
Fotomultiplicadores do Detector Angra Neutrino
Mário Vaz da Silva Filho
Gabriel Luis Azzi
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Ponto de partida 1
• Necessidade de fontes de alta tensão para
alimentar tubos fotomultiplicadores – PMT com
tensões positivas e negativas, supostamente nas
faixas de -700 a -1000 e +1000 a +1800 volts,
• As fontes de alta tensão serão
conversores CC-CC com:
•ruído e consumo baixos,
•estabilidade e rendimento altos.
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Ponto de partida 2
Protótipo de fonte de alta
tensão para o Projeto Auger
•
Tensão de Alimentação: 11,5V até 14V, +12V típico
•
Corrente de saída máxima: 3mA
•
Consumo máximo de potência: 6,9 W
•
Tensão de ondulação na saída menor que 0.1%
•
Tensão de saída ajustável dentro da faixa de 1700V até
2300V
•
Corrente média prevista para o PMT: 2mA
•
Alta eficiência : > 70%
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Requisitos da Alimentação para PMTs
•
O ganho do PMT é função da alta tensão aplicada no PMT:
G = K. V N α
K é uma constante
N é o n° de dinodos
α depende do material do
dinodo, entre 0.6 e 0.8
• O ganho é extremamente sensível à
variação da alta tensão, e dependente
dos seguintes parâmetros:
- regulação na entrada;
- “ripple” da fonte de alta tensão;
- temperatura;
- regulação na carga.
• O ruído e ripple da fonte geram ruído no sinal do anodo.
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Desenvolvimento
Optou-se pelo desenvolvimento de uma fonte
chaveada CC-CC, com circuito de controle
utilizando a técnica PWM (Pulse Width
Modulation).
Como se deseja altas tensões com baixas
correntes, optou-se por utilizar multiplicadores
de tensão.
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PWM - Modulação por Largura de Pulsos
• A técnica de controle dos dispositivos por chaveamento é denominada
de Modulação por Largura de Pulso, ou PWM (Pulse Width Modulation)
Principais Características:
- O período de chaveamento T permanece constante
- A largura do pulso t1 (intervalo em que a chave conduz) varia, resultando
em um ciclo de trabalho t1/T variável, de forma a compensar variações da
tensão de entrada e da carga.
Vantagens : a) Alta estabilidade da tensão de saída
b) Uso da menor energia possível no chaveamento
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Multiplicadores de Tensão
Retificador de Onda Completa Duplicador de Tensão
Características:
a) Baixa queda da tensão de saída:
b) Baixa ondulação da tensão:
c) Baixa perdas e esforços de tensão e corrente nos semicondutores
d) Redução de custos e volume:
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Projeto da Fonte Chaveada
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Etapas do Projeto
- A Escolha da Topologia
- A Seleção do C.I. PWM
- A Seleção do Dispositivo de Chaveamento
- Dimensionamento do Transformador
- Dimensionamento do Multiplicador de Tensão
- Simulações no Spice
- Testes em bancada com as PMT
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A topologia escolhida:
Conversor Push-Pull
• Aplicações de baixas
e médias potências
• Aplicações de baixas
tensões de entrada
• Filtro de saída mais
compacto: opera em
retificação de onda
completa
• As chaves Q1 e Q2
conduzem alternadamente
em alta frequência
•
Transformador possui
dimensões reduzidas
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A Seleção do C.I. PWM
UC3525 – Texas Instruments
Principais Características:
•
Atende a topologia Push-Pull;
•
Fácil aquisição no mercado;
•
Freqüências de trabalho: 100Hz até 500Khz;
•
Limitação de corrente instantânea;
•
Proteção em tensão: sobre e subtensão;
•
Consumo na faixa de 15mA.
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Seleção do Dispositivo de Chaveamento
SEMICONDUTORES DE CHAVEAMENTO
TRANSISTOR BIPOLAR
MOSFET
IGBT
Optou-se por utilizar MOSFET, já que:
• Opera bem em alta frequência;
• Opera bem em baixa tensão e baixa corrente;
• Comportam-se como chaves ideais de fácil acionamento;
• Consomem pouca energia de acionamento;
• Custo reduzido;
• Grande diversidade de oferta no mercado;
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A Escolha do MOSFET - 1
CDG = Capacitância entre dreno e porta
CISS = CDG+CGS
CGS = Capacitância entre porta e fonte
COSS=CDG+CDS
COSS= Capacitância de saída
Requisitos:
- Menor capacitância de entrada (Ciss): Quanto menor essa
capacitância, mais reduzidas são as perdas no chaveamento.
- Carga de porta Qg pequena: Diretamente relacionado com
a velocidade do chaveamento. Se Qg é pequeno resulta em um rápido
chaveamento e conseqüentemente baixas perdas.
- Resistência de condução Rds(on): Esse parâmetro determina a
máxima corrente e as perdas por condução.
PC= Rds(on)
.
Id2
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A Escolha do MOSFET - 2
IRFD110 – Fabricante: International Rectifier
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Dimensionamento do Transformador:
1) Escolha do material do núcleo
2) Escolha do formato do núcleo
3) Dimensionamento do núcleo
4) Dimensionamento do número de espiras
5) Escolha do Núcleo
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Dimensionamento do Transformador:
1) A Escolha do material do
núcleo
Ferrite
• Baixo Custo;
• Variedade de tamanhos e modelos;
• Faixa de frequência > 10Khz;
• Alta resistividade;
• Alta permeabilidade magnética
2) A Escolha do Formato do
Núcleo
Potcore
• Devido a sua forma fechada, possuem
baixa dispersão de fluxo magnético;
• Compactação;
• Auto-blindagem;
• Fraca dissipação térmica;
• Usados em transformadores para
pequenas e médias potências
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Dimensionamento do Transformador:
3) Dimensionamento do núcleo
O produto WA . AC é um fator que determina o núcleo magnético a ser utilizado;
WA = Área da janela do núcleo em cm2
AC = Área da seção transversal do núcleo em cm2
Psec = Potência de saída
B = Densidade de fluxo magnético
fSW = Freqüência de operação
K'= 0,00528 (valor típico para núcleos Potcores)
4) Núcleo Escolhido
Potcore 2616,
da Thornton do Brasil
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Dimensionamento do Transformador:
5) Dimensionamento do Número de Espiras
• N é o número de espiras no primário;
• V é a Tensão CC aplicada
• T é o período de condução de cada transistor
• ∆B é a densidade de fluxo máximo
• Ac é a área da seção transversal do núcleo utilizado
Enrolamento do Transformador: Technotrafo Ind. Com. Ltda.
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O Dimensionamento do Multiplicador de Tensão
•
A Escolha dos Diodos
a) Frequência;
b) Tempo de recuperação reverso;
c) Alta tensão reversa;
d) Corrente de pico reversa.
Z25UF – Voltage Multiplier Inc.
• A Escolha dos Capacitores
Os capacitores utilizados foram encontrados no mercado nacional, possuem o
dielétrico de polipropileno, baixo RSE (20mΩ) e excelente capacidade de operar em alta
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freqüência.
Projeto dos circuitos
Baseado em simulações pelo PSPICE
e medidas em bancada, ao mesmo tempo
a) Estágio de Potência e Saída
- Formas de onda da tensão e da corrente no regime transitório
e permanente
- Verificar a influência do filtro RC na ondulação da fonte
b) PWM
- Verificar a variação da largura do pulso para situações diferentes
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a) Estágio de Potência e Saída
Tensão no secundário do transformador VLsec e
tensão de saída (Vc1 + Vc2) no regime transitório
Circuito empregado na simulação.
Secundário
Primário
Tensões nos enrolamentos primário e secundário do transformador
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a) Estágio de Potência e Saída
Formas de onda da tensão e corrente na carga
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a) Estágio de Potência e Saída – Ripple da Fonte
Tensão de ondulação sem filtro R1,C3 para Vin = 13,5 V: 1.5Vpp
Tensão de ondulação com filtro R1,C3 para Vin = 13,5 V: 11mVpp
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a) Estágio de Potência e Saída – Ripple da Fonte
Tensão de ondulação na carga, sem filtro R1,C3 para Vin = 11Volts: 350 mVpp.
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Tensão de ondulação com filtro R1,C3 para Vin = 11 Volts: 1mVpp
RIPPLE DA FONTE - RESUMO
Tensão de Ondulação
Entrada
na Carga
(Volts)
Sem Filtro
(Vpp)
Ondulação
na Carga
Com Filtro
(Vpp)
13,5
1,5
0.011
11
0.35
0.001
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b) PWM
Circuito empregado na simulação
(a)
(b)
( c)
(d)
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Formas de onda do oscilador e da tensão nas saídas do SG3525 para diferentes tensões de erro
Resultados Experimentais
•Realização de um Protótipo
Caracterização do Desempenho Fonte
• Ensaios em bancada e no campo
• Estabilidade ao longo do tempo
• Aplicação de Caracterização da PMT Hamamatsu R5912
• Aplicação de Caracterização da PMT Hamamatsu H7546
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Circuito Final
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PIC4550 na placa PICDEM FS USB
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Protótipos Construídos
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Medidas nos protótipos
Diagrama de blocos da bancada de testes
Esquema para medir o ripple e a tensão de saída.
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A Bancada de Testes
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Ensaios em Bancada
Ensaios com carga resistiva simulada para 2mA
Regulação de linha: 0.1%
Regulação da carga: 0.2%
Pior caso:
Ventrada=11volts
η= 71%
( Valor teórico: η= 74% )
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Ensaios em Bancada
Saídas do PWM para bateria
com:
de 11V (CH1); 12V (CH2); 13V
(CH3) e 13,5V (CH4).
Saídas do PWM (CH1 e CH3) e
forma de onda entre os drenos
dos MOSFETs (CH2) p/ Bateria
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com 13Volts.
Ensaios com a Base do PMT em Bancada
Regulação de linha: 0.1%
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Estabilidade ao Longo do Tempo:
1º Ensaio: Tanque Protótipo
2º Ensaio: Laboratório de Inst. e Medidas
3º Ensaio: Laboratório de Eletrônica
Gráfico da estabilidade na primeira hora de funcionamento
Condições:
V entrada = 12Volts
HV = 1900 Volts
I saída= 2mA
Estabilidade: ± 0.1%
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Gráfico da estabilidade no período de 14 horas
Caracterização da Fonte
Especificações
Desempenho
Tensão de Saída
(V)
1700 - 2300
1700 - 2300
Tensão de
Alimentação (V)
11.5 –13.5
11.5 –13.5
Corrente de Saída
Máxima (mA)
3
3
Potência (W)
6.9
6.9
Tensão de
Ondulação
< 0.1%
< 0.1%
Estabilidade
%
± 0.1
± 0.1
Rendimento (%)
>70
71
(pior caso)
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Ensaios com a Base e o PMT no Tanque Auger
Regulação de linha: 0.1%
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Ensaios de teste de PMT Hamamatsu 5912
AngraNote 003-2007
Test Setup to Measure Gains of the
Angra Photomultipliers Using
the Single Photoelectron Technique
AngraNote 003-2007
Measurements of Signals from Muons
Crossing the Hamamatsu R5912 PMT
Enclosure Vertically and Horizontally
W. Raposo, M. Vaz - CBPF, Rio de Janeiro, Brazil
L. Villasenor - UMSNH, Morelia, Mexico
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PMT Test Setup
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Pulse Amplitude peak / valley (mV) = 2.7 (HV = 1600 Volts)
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Relação pico-vale para carga de saída para fóton simples
incidente na PMT R5912 polarizada a 1750V
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Questões 1
•
Poderemos usar um sistema de no-break com banco de baterias seladas
alimentadas por um carregador / retificador de 220 Vac ?
•
Teremos um canal de tensão alimentando uma ou mais PMT?
( agrupar PMT por ganho, uso de splitters com ajuste de tensão individual)
•
Usaremos o cabo de alta tensão para conduzir sinal ?
( redução do número de cabos com o uso de splitters )
•
Quais as PMT ? Esperamos especificações de tensões máxima e mínima,
consumo, ruído/estabilidade da tensão das PMT. Foram feitos dois protótipos,
para caracterizar as PMT Hamamatsu R5912 e H7546A
•
As medidas de caracterização destas PMT mostram as características
principais do conversor: baixo ruído na carga, alta estabilidade, baixo
consumo, excelente regulação e um rendimento de cerca de 84%, para carga
nominal, e sua adequação à trabalhos em bancada ou campo.
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Questões 2
•
Qual o alcance e a resolução da monitoração / controle das
PMT ?
•
Limitação de tensão e corrente (trip)?
•
Rampa de tensão de quanto ? Programável ?
•
Faixas de Operação para temperatura e umidade ?
•
Estratégias para evitar laços de terra e interferências (
compatibilidade eletromagnética )
•
Comunicações – proposta da Bahia, CAN (rede industrial por
fio), ZigBee (rede industrial por RF), TCP/IP Ethernet ?
Controle de painel ?
•
Quais as especificações de confiabilidade para conectores
elétricos ?.
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Last Circuit (by Chuck Lane/Suekane)
Power
supply
filter
Signal splitter
Power supply filter – We have more options there:
higher cap values, two caps instead of one. ..
Few options on ultra stable C0G capacitors:
Testing the splitter with the final power supply will
help to get a better design of the filter.
•KEMET: 3.9nF(4540) to 6.8nF /3000V (5550)
•SYFER: 4.7nF(3640) or 6.8nF/ 2500V (5550)
•AVX: 3.9nF/2500V (3640)
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