Разработка модуля сенсора бета-гамма излучения СБМ-20. Часть №1
Столкнувшись с задачей измерения уровня радиации (%%\beta%% и %%\gamma%%), довольно скоро упёрся в то, что датчики либо дороги, либо требуют к себе несколько усложнённого подхода, поскольку являются артефактами времён технологий холодной войны 20 века.
В то время, в ожидании ядерной войны, было разработано и произведено бесчисленное количество средств измерения. К этой эпохе относится и упоминаемый мной сенсор: СБМ-20. Вот он — наш герой:
![изображение датчика]
Датчик обладает неплохими характеристиками (даже по нынешним временам), однако и не лишён особенностей. К ним относится сравнительно высокое рабочее напряжение питания сенсора. По непонятной для меня причине, в интернет довольно распространено несколько заблуждений относительно этого датчика. например, почему-то везде пишется о питании в 400В, хотя мне не удалось найти ни одного паспорта этого устройства, где хотя бы упоминалось о том, что это напряжение безопасно для его работы.
Напротив, все без исключения документальные свидетельства говорят, что “рабочее плато” этого датчика находится в интервале 260-320В постоянного тока.
Дальнейшее увеличение напряжения приводит к постепенному выходу за пределы точности, хотя и оставляют датчик в рабочем состоянии.
Проведённые мной самостоятельно исследования показали, что датчик переходит в рабочий режим, фактически, от 120-150В и остаётся в нём, как минимум, до 450В. Выше поднимать не было ни смысла ни желания.
Большая часть самодельных схем, по всей видимости, и работает в диапазоне до 250В, не смотря на то, что пишут авторы этих самых схем.
Эта особенность: высокое рабочее напряжение, нетипичное для современной элементной базы, является тем обстоятельством, что разрабатываемая плата должна использовать некоторые технологии прошлого века, в сочетании с современной элементной базой, чтобы быть применимой для использования в современных устройствах (чтобы это ни значило).
Альтернатива
Уже потратив кучу времени и изготовив изделие, мне удалось найти более изящное и современное решение этой проблемы на базе довольно редких, но современных компонентов.
Правда, следует отметить, что без трансформатора всё-равно не обошлось, хоть его масса-габаритные размеры и намного меньше и явно предназначены для миниатюрного исполнения. Однако, в этой новой элементной базе явно указано неприменимость для медицинского и/или военного применения. Наши устройства, напротив, рассчитаны и на то и на другое.
Итак, решение описано здесь, в документации Linear Technology страница AN118-8, на базе регулятора LT3580, а трансформатор компании TDK LDT565630T-041.
Подход, однако, отличается не сильно. Решить такую задачу без трансформатора можно, однако, решение едва-ли будет отличаться энергетической эффективностью.
Исходя из этого, первоначальная задача сводилась к максимальной замене элементной базы на ту, что можно найти сейчас и миниатюризации блока питания сенсоров. Однако, решение этой задачи вылиллось в увлекательное исследование, которое может быть интересно кому-нибудь кроме меня самого.
Дело в том, что, в отличии от вопросов программирования на различных языках (которые являлись предметом моих интересов с детства, полученной профессией и сутью работы много-много лет), я — диллетант в вопросах схемотехники и занимаюсь этим в хоббийных целях. Мне потребовалось очень много времени, чтобы решить задачу с приемлемым результатом, потому что я могу уделять решению лишь небольшое количество времени, а ещё, потому что изучение схемотехники осуществляется мной самостоятельно, с существенными перерывами, вызванными рабочими проблемами и другими обстоятельствами.
Хотел бы сказать несколько слов об инженерах прошлого. Честь им и хвала. Некоторые устройства, которые были изучены, чтобы найти решение, показались мне просто гениальными. Аналоговая схемотехника выглядит почти бесконечно сложной, потому что в большинстве схем, все компоненты влияют друг на друга, а общая работа системы основана на тонком понимании физики процесса. Очевидно, это существенно отличается от нынешнего подхода.
Чтобы сделать своё решение понятнее, я буду комментировать его подробно, поясняя как, по моему мнению, оно функционирует.
Это повествование будет производиться дилетантом и для дилетантов. Понятным языком и максимально подробно. Если Вы увидите ошибку, я буду благодарен за возможность её исправить. Моё острое желание заключается в том, чтобы мой опыт был кому-то по-настоящему полезен.
Поэтому все схемы, способы рассчётов, объяснения принципов работы и подходы будут рассмотрены максимально подробно.
Это первое сообщение такого рода, но я готовлю следующие, шаг за шагом обясняющие принцип работы “модуля”.
Постановка задачи
Несмотря на всеобщее заблуждение относительно рабочего напряжения питания, про который было написано выше, разрабатываемый модуль будет рассчитан на рабочее напряжение 290В. В сущности, нам следует решить два вопроса:
- Как получить рабочее напряжение питания нескольких сенсоров в 290В из имеющихся 1.8-6В и при этом, сделать это на минимально возможных (на моём уровне понимания) токах. Другими словами — сделать решение энергоэффективным.
- Как произвести измерение результатов.
Со вторым пунктом, вообще, интересно. Почти везде считается самоочевидной задача измерения напряжения такого устройства. Однако, прямое измерение невозможно: ведь омическое сопротивление любого измерительного прибора будет НИЖЕ чем цепи (датчик СБМ20 имеет почти бесконечное сопротивление до “пробоя/регистрации заряженной частицы”). Для решения этой задачи нам потребуется вспомнить из школьного курса физики закон Ома для участка цепи. Но об этом я буду говорить подробно позже.
Подход в решении задачи
Общий подход в решении задачи сводится к поиску некоего компромиса: с одной стороны следует делать плату не на мусоре, который случайно оказался в распоряжении, не был куплен на свалке или выпаян из утилизированных приборов, а на тех компонентах, которые можно купить. Они(компоненты) должны быть дешевыми или, по крайней мере, сопоставимы с ценой самих датчиков. С другой стороны, мы можем использовать артефакты прошлой эпохи, если они официально есть в продаже. Другими словами, не следует создавать себе помех. При этом массо-габаритные устройства, его собственное потребление, следует сделать минимальными.
Изучив множество схем в Сети, паспорта на дозиметры прошлых лет и разработки энтузиастов/хоббистов последних лет, я пришёл к выводу: люди лгут — эти устройства либо не работают вовсе, либо, чаще всего, работают не совсем так, как написано. Второе, что мне удалось выяснить: часть элементов, использующихся в прошлых схемах, уже недоступна. Однако, в продаже есть “аналоги” (условно), на которые можно попробовать опереться.
Погрустив, удалось скомбинировать нечто среднее, из всех изученных вариантов.
Итак, схема работает приблизительно так:
- Полученное напряжение на входе устройства поступает на повышающий преобразователь, разработанный компанией texas instrument TPS6104x (причём, подойдёт и TPS61041 и 61040). Он не новый (2002 года), но обновлённый (в 2015 году). Он доступен на нашем засанкционированном рынке (по крайней мере пока) и имеется в товарных объёмах в большом количестве магазинов. Его задача: получить на выходе 15-16В (минимум/оптимум). Схема, для рассчёта работы этого элемента имеется в его официальной технической документации.
- Полученные 15В мы поставляем на вход блокинг-генератора. Я не знаю кто изобрёл блокинг генератор, но это был гений. Отдельно (для интересующися, типа меня) опишу принцип работы этой части схемы. Его задача — получить на первичной обмотке малюсенького трансформатора ТОТ-32 (те самые осколки прошлой электроники) колебания. С вторичной обмотки этого трансформатора мы снимем “переменный ток” с аплитудой 100В с большой скважностью. Большая скважность будет означать, что длительность импульса будет мала, относительно периода колебаний. Другими словами, после прохождения импульса будет “тишина” в колебаниях и она будет больше, чем длительность самого импульса. Природу и принцип работы “блокинг-генератора” опишу позже и детальнее.
- Эти “колебания” мы подадим на вход классическому блоку умножителя напряжения, построенному на диодах и конденсаторах, защищённому двумя встречно-включёнными стабилитронами (защищая схему от перенапряжений). Принцип работы такого умножителя легко найти в бесчисленном количестве мест.
На выходе этого умножителя мы и получим искомые 290В постоянного тока.
Итак, повторю три шага:
- ”Разогнать” входное напряжение до возможного с помощью DC-DC преобразования.
- С помощью блокинг-генератора получить из постоянного, переменный ток.
- С помощью “классического” умножителя напряжения увеличить его до искомых параметров.
Всё это только часть нашего модуля: впереди ещё “блок подкачки” для увеличения эффективности блока питания на время прихода импульса (чтобы не проседало напряжение) и формирователь счётных импульсов нормального (5V) напряжения, делающих всю плату пригодной для повторного использования в составе других устройств.
Наша цель — получить готовое к использованию в составе более сложных устройств изделие, работающее в логике, которую удобно использовать для цифровых устройств на микроконтроллерах, типа Arduino, mbed, Energia, всякие stm32 и т.п.
Соорудив такой модуль измерений, нам нужно будет убедиться, что он работает правильно. И первая задача: проверка — будет ли источник повышающего напряжения работать корректно, выдавая искомые 260-320В.
Измерения
Чтобы замерить работу схемы, мы соберём измерительную последовательную цепочку из сопротивлений.
Внимание! Не следует доверять номиналу. Следует измерить точно величину сопротивлений.
Она должна включать как минимум 100 мОм для больщого участка(у меня получилось 98.12 мОм) + отдельно включённый последним 100кОм резистор (у меня получилось 102.3 мОм).
Включение этой измерительной цепочки мы осуществляем (с больших сопротивлений) в точке, где мы рассчитываем получить высокое напряжение, а с другой стороны цепочка включается на землю, причём в точке подачи питания на устройство.
Измерение напряжения (%%U_1%%) следует производить на участке маленького сопротивления (%%R_1%%). Омическое сопротивление измерительного прибора намного выше, чем измеряего участка, и это гарантирует нам точность. У меня результат измерения составляет 0.300-0.310 В. Поскольку, сила тока в этом проводнике одинакова для большого по сопротивлению (%%R_2%%) и малого по сопротивлению участков, по закону Ома для участка цепи, мы можем вывести элементарную формулу:
%%\frac{U_1}{R_1} = \frac{U_2}{R_2}%%
откуда, интересующее нас напряжение %%U_2 = \frac{R_2}{R_1}\times U_1 = \frac{98.12}{0.102}\times0.300=288.5%%.
Итого, величина полученная на выходе нашего умножителя напряжения составляет 288-292В. Расчётная величина, в общем-то.
Далее я подробно буду рассказывать как работает блокинг-генератор, какое решение используется для того, чтобы не допустить проседания по вольтажу, если частиц устройство регистрирует много (автоподстройка под внешние условия), буду подробно рассматривать вопрос энергоэффективности, показывать как формируется счётный импульс, сообщу подробные сведения о том, как изготавливался начальный прототип платы, как он был изменён, результат, полученный при промышленном производстве и т.д.
(продолжение следует)
Опубликовано 7 июля 2016 г.