Портативный высоковольтный блок питания Thunder-4.2

ВНИМАНИЕ! Если ваши руки растут из жопы, во избежание непредвиденной смерти вследствие поражения электрическим током, СТРОГО ЗАПРЕЩЕНО чтение материала, сборка и применение данного устройства! 

Довольно часто в спектрометрической практике возникает необходимость в мощном высоковольтном блоке питания, для запитки фотоэлектронных умножителей. Но большинство представленных в интернете блоков питания обеспечивают очень маленький ток. Чтобы расширить перечень мощных блоков питания, я решил в очередной раз поделится с вами своими наработками в этой области.

Разберем устройство поблочно:

Подсистема низковольтного питания.

Микросхема U5 обеспечивает зарядку встроенных литиевых аккумуляторов, током 500мА. Микросхемы U7 и U6 обеспечивают рабочее и опорное напряжения для питания цепей генератора и обратной связи.

Повышающий каскад.

Повышающий каскад выполнен на Flyback-преобразователе, основными элементами которого являются: мощный силовой трансформатор T1, ключ VT1, драйвер затвора ключа U2, генератор управляющего напряжения затвора U1, L2, D25,R2,R3,C21,C22, C19, накопитель энергии С23-С36, С56, С57.

Трансформатор выполнен на сердечнике Epcos RM8 на феррите N48 с распределенным немагнитным зазором AL=160. Так как мощность каскада требуется достаточно высокая, первичная обмотка (1 виток) выполнена медным листом 0.4мм во всю ширину шпильки.  Вторичная обмотка 82 витка проводом ПЭТВ-2 0.3мм.

Трансформатор было решено не делать на полное выходное напряжение, поскольку в этом случае возникают значительные проблемы с фильтрацией шумов и изоляцией обмоток. Намного лучше себя показал метод генерации трансформатором переменного напряжения 230 вольт, и дальнейшее его повышение мощным каскадным генератором Халперна. Номиналы и количество ступеней умножения посчитаны исходя из частоты, выходного тока, потерь и шумов. В отличии от генераторов Кокрофта-Уолтона, генераторы Халперна способны обеспечивать несколько большую выходную мощность, однако оба эти вида генераторов очень зависимы от рабочих частот и компонентов.

Поскольку пиковый импульсный ток первичной обмотки достигает 65 ампер, трассы от АКБ до силовых компонентов выполнены полигонами с двух сторон платы из 2-х унцивой меди (35мкм), а также длина трасс сокращена до минимально возможной. АКБ применены высокотоковые, рассчитанные на рабочий ток 20-30 ампер. Но даже несмотря на это, получить необходимый импульсный ток без нарушения режима работы трансформатора невозможно. Поэтому проблема импульсной запитки первичной обмотки была решена шунтированием цепи питания 15-ю конденсаторами Murata 1206 100мкФ 6.3В серии GRM.

Ключу для нормальной работы требуется на затворе потенциал 10-14 вольт, и затворный драйвер, поскольку затворная емкость достаточно большая.

Выходной каскад рассчитан на ток 17 мА при напряжении 1200В, однако, он может обеспечить значительно больший ток как в импульсном, так и в постоянном режиме работы, что может быть смертельно опасно. При неправильной сборке, выходное напряжение может значительно превышать расчетное. Во избежание поражения электрическим током, будьте предельно осторожны. При работе с устройством соблюдайте ВСЕ меры предосторожности, предписанные  для работы с цепями напряжением свыше 10 кВ.

Также стоит отметить, что при неправильной сборке, замыкании выхода или снятой перемычке обратной связи, практически ВСЕ компоненты блока питания сразу выйдут из строя. Керамические конденсаторы треснут, микросхемы и ключи сгорят, в резисторах выгорит резистивный слой. Данные эффекты связанны с тем, что при пробое по превышению допустимого напряжения или при КЗ, возникают очень мощные ЭМ пульсации, гарантированно выводящие из строя всю электронику.

Фильтрующий каскад.

Фильтрующий каскад выполнен на элементах L3, L4, R4, C20, C32, C37, C47-C75, FB1, R22-R25, R21, R14-R17.

Элементы L3, L4, R4, FB1, C20, C32, C37,C47-С49 служат основным фильтром импульсной высокочастотной помехи Flyback-преобразователя. Остальные элементы фильтра гасят помеху на рабочей частоте 85 кГц и служат накопителем энергии. Поскольку найти керамические конденсаторы достаточной емкости на рабочее напряжение свыше 1.5 кВ очень сложно, были применены конденсаторы 100нФ 1кВ с системой балансировки заряда R4, R22, R24, R25, R14-R17, для предотвращения дисбаланса потенциала на конденсаторах. Цепочка R14-R17 также выполняет функцию разряда выходных накопительных емкостей, с целью предотвращения поражения током после выключения устройства. Однако для полной разрядки емкостей требуется около 3 минут.

 

Обратная связь и накачка.

К блокам питания фотоэлектронных умножителей применяются очень жесткие нормы по стабильности выходного напряжения, постольку дрейф питающего напряжения смазывает спектр и ухудшает разрешение при длительном наборе спектра. Поэтому особое внимание уделялось цепи обратной связи. Она выполнена на элементах  U6, R19, R1, C38, R6, R20, C64, U3, образующих компаратор напряжения с настраиваемым приделом. Резисторы R1, R6, R20 выбраны с малым ТКС(50 ppm/C), поскольку от них напрямую зависит дрейф выходного напряжения. Также применен проверенный длительной практикой ИОН U6 с малым ТК.

Операционный усилитель U3 подает сигнал разрешения работы драйвера  PWM U4, R8-R11, C40, который генерирует импульсы накачки Flyback каскада нужной частоты и длительности.

PLS клеммная колодка позволяет выбирать точку подключения ОС к звеньям высоковольтного фильтра, для выбора режима работы. Тем самым выбираются параметры выходного напряжения:

  • контакты 7-8 — минимальные шумы в выходном напряжении 0.3-1.2В пик-пик, но при этом появляется просадка выходного напряжения в зависимости от потребляемого тока 1.28В/1мА.
  • Промежуточные режимы.
  • Контакты 1-2 — отсутствие влияния потребляемого тока, но увеличение шумов на выходе до 3-5В пик-пик.

Шумы в режиме ОС 7-8, при нагрузке 13 мА.

Шумы в режиме ОС 7-8, без нагрузки.

Так-же можно уменьшить шумы пик-пик, если выходной высоковольтный кабель, продеть в кольца Amidon 50-7 и FT50-43, по 4 витка кабеля в каждое кольцо. Это понизит шумы на 5-20%.

Стабильность выходного напряжения при фиксированной температуре.

После пайки все компоненты цепи обратной связи обязательно надо тщательно промыть в УЗ ванне, высушить 2 часа при 80С, а затем сразу покрыть лаком УР-231 с сушкой 8 часов при 70С.

Предполагается, что при необходимости, шумы выходного каскада в зависимости от конкретного применения блока питания буду фильтроваться дополнительными RLC фильтрами.

Температурный контроль.

На элементах U10, U8, R18, R27, U9, C78 — собран термодатчик с компарацией по пределу, срабатывающий при нагреве до 34-36 градусов. Сам сенсор температуры размещен непосредственно под полевым транзистором, являющимся главным источником тепла. При превышении заданного порога температуры, транзистор Q1 включает вентилятор.

Если не удалось найти подходящий вентилятор на 5 вольт, можно сделать небольшую плату DC-DC конвертера на LM2733. Но я не рекомендую подавать на 12В вентиляторы полную мощность, обычно достаточно 9-10 вольт для достаточного охлаждения.

Сборка.

Классически, все компоненты закупаются строго по списку материалов. Пайка осуществляется с флюсом Nordson EFD FluxPlus 6-412-A. Мойка в УЗ-ванне и лакировка лаком УР-231 обязательна.

Далее следуют фотографии устройства версии 4.1, оно имеет незначительные отличия от описанной тут версии 4.2.

При неправильной сборке или снятой перемычке FB_SEL, все компоненты платы выгорают от ЭМИ и требуют полной замены. В случае если все-же произошло непредвиденное, и устройство было повреждено, необходимо искать неисправность в следующей последовательности:

  • Проверить емкость всех высоковольтных емкостей, а так-же внимательно осмотреть их на предмет трещин и последствий взрыва керамики.
  • Проверить сопротивление высоковольтных емкостей.
  • Проверить падение напряжения на всех диодах умножителя.
  • Транзистор Q1, как показывает практика нет смысла проверять, он всегда погибает, его лучше менять сразу.
  • Проверить работоспособность всех микросхем и отсутствие утечек.
  • Проверить силовой транзистор VT1. А так-же проверить не отпаялся ли он, ему это свойственно при коротком замыкании высоковольтной керамики.
  • Проверить сопротивление резисторов R23 и R21, осмотреть их на предмет воздействия плазмы.
  • Если ничего из описанного выше не помогает, надо заново проверить каждый компонент установленный на плату и каждую дорожку на плате.

 

Герберы платы версии 4.2 можно скачать тут.

Технические характеристики:

  • Выходное напряжение: 10-1200В.
  • Выходной ток: не менее 16 мА. (ток может обеспечиваться значительно больший, что может привести к неминуемой смерти)
  • КПД: не менее 50%.
  • Короткое замыкание выходного каскада и нагрузка током свыше 20 мА: не допускается.
  • Стабильность выходного напряжения при T-const: не хуже +-40 ppm.
  • Уровень пульсаций: см описание.
  • Температурный коэффициент: не более 112 ppm/C

 

Фото

Трансформатор

Плата прототипа 4.1. (в новой версии 4.2 убран второй подстроечник, и исправленны мелкие недочеты)

Фильтр на проводе внутри устройства.

Корпусировке особое внимание я решил не уделять, по этому она выполнена несколько по-спартански.

Автор устройства:

Shodan aka Андрей Быканов

Тула, 2018 год.