Sistema de Alta Tensão para Tubos Fotomultiplicadores do Detector Angra Neutrino Mário Vaz da Silva Filho Gabriel Luis Azzi

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1 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

2 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 e a volts, As fontes de alta tensão serão conversores CC-CC com: ruído e consumo baixos, estabilidade e rendimento altos. 2

3 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% Ponto de partida 2 Protótipo de fonte de alta tensão para o Projeto Auger 3

4 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 éo n de dinodos 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. α depende do material do dinodo, entre 0.6 e 0.8 O ruído e ripple da fonte geram ruído no sinal do anodo. 4

5 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

6 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 t 1 (intervalo em que a chave conduz) varia, resultando em um ciclo de trabalho t 1 /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

7 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

8 Projeto da Fonte Chaveada 8

9 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

10 A topologia escolhida: Conversor Push-Pull Aplicações de baixas e médias potências Aplicações de baixas tensões de entrada As chaves Q1 e Q2 conduzem alternadamente em alta frequência Filtro de saída mais compacto: opera em retificação de onda completa Transformador possui dimensões reduzidas 10

11 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

12 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

13 A Escolha do MOSFET - 1 C DG = Capacitância entre dreno e porta C GS = Capacitância entre porta e fonte C OSS = Capacitância de saída C ISS = C DG +C GS C OSS =C DG +C DS Requisitos: - Menor capacitância de entrada (C iss ): Quanto menor essa capacitância, mais reduzidas são as perdas no chaveamento. - Carga de porta Q g pequena: Diretamente relacionado com a velocidade do chaveamento. Se Q g 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. P C = Rds (on). I d 2 13

14 A Escolha do MOSFET - 2 IRFD110 Fabricante: International Rectifier 14

15 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

16 Dimensionamento do Transformador: 1) A Escolha do material do núcleo Ferrite 2) A Escolha do Formato do Núcleo Potcore 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 16

17 Dimensionamento do Transformador: 3) Dimensionamento do núcleo O produto W A. A C é um fator que determina o núcleo magnético a ser utilizado; W A = Área da janela do núcleo em cm 2 A C = Área da seção transversal do núcleo em cm 2 P sec = Potência de saída B = Densidade de fluxo magnético f SW = Freqüência de operação K'= 0,00528 (valor típico para núcleos Potcores) 4) Núcleo Escolhido Potcore 2616, da Thornton do Brasil 17

18 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 A c é a área da seção transversal do núcleo utilizado Enrolamento do Transformador: Technotrafo Ind. Com. Ltda. 18

19 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 R SE (20mΩ) e excelente capacidade de operar em alta 19 freqüência.

20 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

21 a) Estágio de Potência e Saída Tensão no secundário do transformador VL sec e tensão de saída (V c1 + V c2 ) no regime transitório Circuito empregado na simulação. Secundário Primário Tensões nos enrolamentos primário e secundário do transformador 21

22 a) Estágio de Potência e Saída Formas de onda da tensão e corrente na carga 22

23 a) Estágio de Potência e Saída Ripple da Fonte Tensão de ondulação sem filtro R 1,C 3 para Vin = 13,5 V: 1.5Vpp Tensão de ondulação com filtro R 1,C 3 para Vin = 13,5 V: 11mVpp 23

24 a) Estágio de Potência e Saída Ripple da Fonte Tensão de ondulação na carga, sem filtro R 1,C 3 para Vin = 11Volts: 350 mv pp. Tensão de ondulação com filtro R 1,C 3 para Vin = 11 Volts: 1mVpp 24

25 RIPPLE DA FONTE - RESUMO Tensão de Entrada (Volts) Ondulação na Carga Sem Filtro (Vpp) Ondulação na Carga Com Filtro (Vpp) 13,5 1,

26 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

27 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 H

28 Circuito Final 28

29 PIC4550 na placa PICDEM FS USB 29

30 Protótipos Construídos 30

31 Medidas nos protótipos Diagrama de blocos da bancada de testes Esquema para medir o ripple e a tensão de saída. 31

32 A Bancada de Testes 32

33 Ensaios em Bancada Ensaios com carga resistiva simulada para 2mA Regulação de linha: 0.1% Regulação da carga: 0.2% Pior caso: V entrada =11volts η= 71% ( Valor teórico: η= 74% ) 33

34 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 com 13Volts. 34

35 Ensaios com a Base do PMT em Bancada Regulação de linha: 0.1% 35

36 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

37 Caracterização da Fonte Especificações Desempenho Tensão de Saída (V) Tensão de Alimentação (V) Corrente de Saída Máxima (ma) Potência (W) Tensão de Ondulação Estabilidade % Rendimento (%) < 0.1% ± 0.1 >70 < 0.1% ± (pior caso) 37

38 Ensaios com a Base e o PMT no Tanque Auger Regulação de linha: 0.1% 38

39 Ensaios de teste de PMT Hamamatsu 5912 AngraNote Test Setup to Measure Gains of the Angra Photomultipliers Using the Single Photoelectron Technique AngraNote 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

40 PMT Test Setup 40

41 Pulse Amplitude peak / valley (mv) = 2.7 (HV = 1600 Volts) 41

42 Relação pico-vale para carga de saída para fóton simples incidente na PMT R5912 polarizada a 1750V 42

43 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

44 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

45 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... Testing the splitter with the final power supply will help to get a better design of the 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) 45