Sistema de Alta Tensão

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
1
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.
2
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%
3
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.
4
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.
5
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
6
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:
7
Projeto da Fonte Chaveada
8
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
9
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
10
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.
11
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;
12
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
13
A Escolha do MOSFET - 2
IRFD110 – Fabricante: International Rectifier
14
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
15
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
16
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
17
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.
18
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
19
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
20
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
21
a) Estágio de Potência e Saída
Formas de onda da tensão e corrente na carga
22
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
23
a) Estágio de Potência e Saída – Ripple da Fonte
Tensão de ondulação na carga, sem filtro R1,C3 para Vin = 11Volts: 350 mVpp.
24
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
25
b) PWM
Circuito empregado na simulação
(a)
(b)
( c)
(d)
26
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
27
Circuito Final
28
PIC4550 na placa PICDEM FS USB
29
Protótipos Construídos
30
Medidas nos protótipos
Diagrama de blocos da bancada de testes
Esquema para medir o ripple e a tensão de saída.
31
A Bancada de Testes
32
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% )
33
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
34
com 13Volts.
Ensaios com a Base do PMT em Bancada
Regulação de linha: 0.1%
35
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%
36
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)
37
Ensaios com a Base e o PMT no Tanque Auger
Regulação de linha: 0.1%
38
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
39
PMT Test Setup
40
Pulse Amplitude peak / valley (mV) = 2.7 (HV = 1600 Volts)
41
Relação pico-vale para carga de saída para fóton simples
incidente na PMT R5912 polarizada a 1750V
42
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.
43
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 ?.
44
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)
45