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Sistema de Alta Tensão para Tubos
Fotomultiplicadores do Detector Angra Neutrino
Gabriel Luis AzziMário Vaz da Silva Filho
Encontro Angra NeutrinoCentro Brasileiro de Pesquisas Físicas - CBPF
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• 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,
Ponto de partida 1
• As fontes de alta tensão serãoconversores CC-CC com:•ruído e consumo baixos,
•estabilidade e rendimento altos.
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• 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 até2300V
• Corrente média prevista para o PMT: 2mA
• Alta eficiência : > 70%
Ponto de partida 2
Protótipo de fonte de alta tensão para o Projeto Auger
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• O ganho do PMT é função da alta tensão aplicada no PMT:
Requisitos da Alimentação para PMTs
• O ganho é extremamente sensível àvariação da alta tensão, e dependentedos 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.
G = K. V N αK é uma constante
N é o n° de dinodos
α depende do material do dinodo, entre 0.6 e 0.8
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Desenvolvimento
Optou-se pelo desenvolvimento de uma fonte chaveada CC-CC, com circuito de controle utilizando a técnica PWM (Pulse WidthModulation).
Como se deseja altas tensões com baixas correntes, optou-se por utilizar multiplicadoresde 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
a) Baixa queda da tensão de saída:
b) Baixa ondulação da tensão:
Características:
c) Baixa perdas e esforços de tensão e corrente nos semicondutores
d) Redução de custos e volume:
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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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• 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
A topologia escolhida:
Conversor Push-Pull
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UC3525 – Texas Instruments
• 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.
Principais Características:
A Seleção do C.I. PWM
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TRANSISTOR BIPOLAR MOSFET IGBT
SEMICONDUTORES DE CHAVEAMENTO
Seleção do Dispositivo de Chaveamento
Optou-se por utilizar MOSFET, já que:
• Opera bem em baixa tensão e baixa corrente;• Comportam-se como chaves ideais de fácil acionamento;
• Custo reduzido;• Grande diversidade de oferta no mercado;
• Consomem pouca energia de acionamento;
• Opera bem em alta frequência;
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A Escolha do MOSFET - 1
CDG = Capacitância entre dreno e porta
CGS = Capacitância entre porta e fonte
COSS= Capacitância de saída
- 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.
CISS = CDG+CGS
COSS=CDG+CDS
Requisitos:
- Resistência de condução Rds(on): Esse parâmetro determina amáxima corrente e as perdas por condução.
PC= Rds(on). Id
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Dimensionamento do Transformador:
3) Dimensionamento do núcleo
4) Dimensionamento do número de espiras
1) Escolha do material do núcleo
2) Escolha do formato do núcleo
5) Escolha do Núcleo
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1) A Escolha do material do núcleo
2) A Escolha do Formato do Núcleo
• Baixo Custo;
• Variedade de tamanhos e modelos;
• Faixa de frequência > 10Khz;
• Alta resistividade;
• Alta permeabilidade magnética
• 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
PotcoreFerrite
Dimensionamento do Transformador:
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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 magnéticofSW = Freqüência de operaçãoK'= 0,00528 (valor típico para núcleos Potcores)
3) Dimensionamento do núcleo
4) Núcleo Escolhido
Potcore 2616, da Thornton do Brasil
Dimensionamento do Transformador:
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Dimensionamento do Transformador:
• 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
5) Dimensionamento do Número de Espiras
• 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.
• 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 freqüência.
Z25UF – Voltage Multiplier Inc.
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Projeto dos circuitos
a) Estágio de Potência e Saída
- Formas de onda da tensão e da corrente no regime transitórioe permanente
- Verificar a influência do filtro RC na ondulação da fonte
b) PWM
- Verificar a variação da largura do pulso para situações diferentes
Baseado em simulações pelo PSPICE e medidas em bancada, ao mesmo tempo
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Secundário
Primário
Tensões nos enrolamentos primário e secundário do transformador
Circuito empregado na simulação.
a) Estágio de Potência e Saída
Tensão no secundário do transformador VLsec e tensão de saída (Vc1 + Vc2) no regime transitório
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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
a) Estágio de Potência e Saída – Ripple da Fonte
24Tensão de ondulação com filtro R1,C3 para Vin = 11 Volts: 1mVpp
Tensão de ondulação na carga, sem filtro R1,C3 para Vin = 11Volts: 350 mVpp.
a) Estágio de Potência e Saída – Ripple da Fonte
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0.0010.3511
0.0111,513,5
Ondulação na CargaCom Filtro
(Vpp)
Ondulação na CargaSem Filtro
(Vpp)
Tensão de Entrada(Volts)
RIPPLE DA FONTE - RESUMO
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b) PWM
(a) (b)
( c) (d)
Formas de onda do oscilador e da tensão nas saídas do SG3525 para diferentes tensões de erro
Circuito empregado na simulação
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Resultados Experimentais
• Ensaios em bancada e no campo
•Realização de um Protótipo
• Estabilidade ao longo do tempo
• Aplicação de Caracterização da PMT Hamamatsu R5912
Caracterização do Desempenho Fonte
• Aplicação de Caracterização da PMT Hamamatsu H7546
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Diagrama de blocos da bancada de testes
Esquema para medir o ripple e a tensão de saída.
Medidas nos protótipos
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Ensaios com carga resistiva simulada para 2mA
Ensaios em Bancada
Regulação de linha: 0.1%Regulação da carga: 0.2%
Pior caso:Ventrada=11volts η= 71%
( Valor teórico: η= 74% )
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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
com 13Volts.
Ensaios em Bancada
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Estabilidade ao Longo do Tempo:
1º Ensaio: Tanque Protótipo
3º Ensaio: Laboratório de Eletrônica
Estabilidade: ± 0.1%
Condições:V entrada = 12VoltsHV = 1900 VoltsI saída= 2mA
2º Ensaio: Laboratório de Inst. e Medidas
Gráfico da estabilidade no período de 14 horas
Gráfico da estabilidade na primeira hora de funcionamento
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Caracterização da Fonte
± 0.1± 0.1Estabilidade %
1700 - 23001700 - 2300Tensão de Saída (V)
71 (pior caso)
>70Rendimento (%)
< 0.1%< 0.1%Tensão de Ondulação
6.96.9Potência (W)
33Corrente de Saída Máxima (mA)
11.5 –13.511.5 –13.5Tensão de Alimentação (V)
DesempenhoEspecificações
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Ensaios de teste de PMT Hamamatsu 5912
AngraNote 003-2007Test Setup to Measure Gains of the Angra Photomultipliers Usingthe Single Photoelectron Technique
W. Raposo, M. Vaz - CBPF, Rio de Janeiro, BrazilL. Villasenor - UMSNH, Morelia, Mexico
Measurements of Signals from Muons Crossing the Hamamatsu R5912 PMT Enclosure Vertically and Horizontally
AngraNote 003-2007
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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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• 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.
Questões 1
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• Qual o alcance e a resolução da monitoração / controle dasPMT ?
• 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 porfio), ZigBee (rede industrial por RF), TCP/IP Ethernet ? Controle de painel ?
• Quais as especificações de confiabilidade para conectoreselétricos ?.
Questões 2
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Last Circuit (by Chuck Lane/Suekane)
Signal splitter
Power supply filter
Few options on ultra stable C0G capacitors:
•SYFER: 4.7nF(3640) or 6.8nF/ 2500V (5550)
•KEMET: 3.9nF(4540) to 6.8nF /3000V (5550)
•AVX: 3.9nF/2500V (3640)
Power supply filter – We have more options there: higher cap values, two caps instead of one. ..
Testing the splitter with the final power supply will help to get a better design of the filter.