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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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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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• 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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A Escolha do MOSFET - 2

IRFD110 – Fabricante: International Rectifier

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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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Formas de onda da tensão e corrente na carga

a) Estágio de Potência e Saída

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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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Circuito Final

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PIC4550 na placa PICDEM FS USB

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Protótipos Construídos

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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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A Bancada de Testes

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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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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

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 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 003-2007Test 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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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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• 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.