Licznik Geigera STS-5 – pomiary

Wpis powiązany z: Porównanie przetwornic do dozymetru, licznika Geigera – mirley.firley.org VS AVT5204

Schemat układu pomiarowego:

Rezystor R3 pracuje jako bocznik, napięcie na nim określa prąd płynący przez lampę detekcyjną (1 V odpowiada 100 μA). Równoległa rezystancja sondy oscyloskopowej 10 MΩ ma pomijalny wpływ.

Pojedyncza detekcja

Czas trwania impulsu to ok. 2,5 μs, po nim występuje względnie powoli opadająca rampa prądu. Impuls prądu sięga 265 μA, co oznacza, że napięcie na lampie spadło do ok. 135V.

Wiele detekcji i czas martwy

Przy pobudzeniu detektora większą liczbą cząstek można zauważyć brak reakcji lampy przez ok. 40 μs.

 

Źródła:

  • https://promieniowanie.blogspot.com/2019/01/licznik-geigera-tuba-sts-5.html
  • https://serwis.avt.pl/manuals/AVT5204.pdf

Porównanie przetwornic do dozymetru, licznika Geigera – mirley.firley.org VS AVT5204

#1 Przetwornica wg mirley.firley.org (MC34063 + mosfet)

Schemat: http://mirley.firlej.org/kieszonkowy_licznik_geigera

Pobór prądu bez obciążenia: 58mA @ 9V (przetwornica nie działa przy niższym napięciu, od razu spada napięcie wyjściowe, co oznacza, że przetwornica nie jest w stanie go stabilizować).

Napięcie jałowe: 372V (zanika po 2s od odłączenia zasilania, kondensator 470nF)


#2 Przetwornica wg AVT5204 (MC34063 + transformator)

Schemat: https://serwis.avt.pl/manuals/AVT5204.pdf

Transformator: https://test.remagas.pl/index.php/pl/elementy-indukcyjne/transformatory-impulsowe/avt-5204-detail

Pobór prądu bez obciążenia: 6mA @ 5V

Napięcie jałowe: 399V (zanika po 20s od odłączenia zasilania,  kondensator wyjściowy 1μF)

Rezystancja źródła*: ∼ 120kΩ,  wydajność prądowa∼590μA

* przy takim obciążeniu przetwornica jeszcze dała radę się uruchomić i stabilizować wyjście, przy większych obciążeniach napięcie spadało, pobór prądu rósł niewspółmiernie, a słychać było niezdrowy objaw piszczenia transformatora.

Maksymalne obciążenie*: 680 kΩ @ 400V ≅ 235mW, wtedy pobór prądu ∼400mW, sprawność  ∼50%

* przy takim obciążeniu przetwornica pracuje bez żadnych problemów.


Wnioski

Przetwornica zbudowana wg AVT5204 jest zdecydowanie lepsza. Pobór prądu 10-krotnie niższy, praca przy niższych napięciach zasilania, stabilne napięcie wyjściowe, brak konieczności użycia nietypowego tranzystora. Jedyną trudnością jest konieczność użycia specjalnego elementu, jakim jest transformator.

Przetwornica Step-up MCP16251/2 – pomiar poboru prądu w stanie jałowym

Przetwornica MCP16251/2 pozwala na realizację zasilania z jednego ogniwa AA/AAA, ponieważ zaczyna pracować już przy napięciu 0.9 V. Zrealizowałem układ dający na wyjściu 3,3 V:

Badany układ z przetwornicą

Schemat układu
Schemat układu

Karta katalogowa deklaruje pobór prądu bez obciążenia nie większy niż 25 uA (typowo 14 uA).

Uzyskane przeze mnie wyniki:

Vin = 1,328 V
I = 17,8 uA
Vin = 1,610 V
I = 14,0 uA

Wyniki zgadzają się z dokumentacją, co oznacza że nie kłamie ona oraz że nie popełniłem znaczących błędów w wykonaniu prototypu.

Pobór prądu na poziomie 25 uA oznacza, iż jedno ogniwo alkaliczne R6/AA o pojemności 2500 mAh (przyjęte na podstawie karty katalogowej Duracell MN1500) wystarczy do podtrzymania życia przetwornicy przez teoretycznie 11 lat (4 lata dla ogniwa AAA o pojemności 1000 mAh). Ponieważ inne procesy, takie jak samorozładowanie ogniwa i korozja skrócą ten czas znaczniej, takim poborem prądu nie trzeba się przejmować.

STM32CubeIDE – aktywacja debugowania w IDE

Co zrobić, żeby debugowanie i programowanie STM32 działało bezpośrednio z STM32CubeIDE?
W Cube IDE uaktywnić na pinach PA13 i PA14 funkcje SYS_JTMS-SWDIO i SYS_JTCK-SWCLK:


A następnie w System Core -> SYS wybrać debug: Serial Wire:


Dla płytki Bluepill warto uaktywnić LED na PC13 jako GPIO output.

Membrana piezo PCA-4B – pomiar impedancji

Wykonałem pomiar impedancji przetwornika piezoakustycznego PCA-4B wykorzystując następujący układ:

Pomiar był wykonywany dla częstotliwości ok. 3,5 KHz, ponieważ taką deklaruje producent jako rezonansową. Ustawiałem potencjometr tak, aby amplituda sygnału na kanale CH2 była równa połowie amplitudy na kanale CH1 (wejściowej). Następnie rozłączyłem układ i odczytałem wartość potencjometru. Wyszło 750 Ω. Przesunięcie fazowe wyniosło 53 stopnie (napięcie na CH2 “opóźnione”). Pomiar multimetrem pojemności membrany dał wynik 90 nF – tak jak w dokumentacji.

Reaktancja kondensatora 90 nF dla częstotliwości 3,5 kHz to 500 Ω. To oznaczałoby, że układ można modelować jako szeregowo połączony kondensator 90 nF oraz rezystor 560 Ω. Dlaczego 560? Bo moduł impedancji to 750 Ω, a reaktancja to 500 Ω. Więc rezystancję należy policzyć z równania pitagorasa sqrt(750^2 – 500^2) = 560? Chyba, już nie pamiętam z teorii obwodów.

 

 

 

Logika wykluczeń

Układ logiczny zabezpiecza przed aktywacją obydwu wyjść. Jedynie jedno wyjście jest możliwe do pobudzenia w danym momencie. Stan wysoki na obydwu wejściach zeruje obydwa wyjścia.

Układ można rozbudować dla n wejść i m wyjść stosując m bramek AND n-wejściowych.

Nie trzeba używać bramek AND gdy dane wyjścia nie są potrzebne.

Przykład zastosowania: sterowanie stycznikami silnika przyciskami przód/tył – zabezpieczenie przed jednoczesnym naciśnięciem dwóch przycisków naraz.

Szum – notatki

Szum rezystora 1kΩ to 4 nV/√Hz. Dla rezystorów o innej wartości wyliczamy pierwiastek rezystancji i odnosimy do tego. Np. dla 100kΩ to będzie √100 = 10 ⋅ 4 nV/√Hz = 40 nV/√Hz. To oczywiście przybliżenie dla normalnej temperatury itp.

Szumy dodaje się nie bezpośrednio, a dodając ich kwadraty i pierwiastkując całość (jak moduł wektora).

Wzmacniacz operacyjny w konfiguracji nieodwracającej / odwracającej.

Szum rezystora w pętli sprzężenia (podłączonego do wyjścia wzm. op.) wchodzi bezpośrednio w skład szumu wyjściowego. Szum drugiego rezystora (podłączonego do masy i wejścia wzm. op.) musimy pomnożyć przez wzmocnienie układu.

Szum napięciowy wzmacniacza z karty katalogowej mnoży się przez wzmocnienie układu.

Szum prądowy wzmacniacza przeliczamy na napięcie odłożone na równoległych obu rezystorach, następnie mnożymy przez wzmocnienie układu.

Przykład:

(https://www.researchgate.net/figure/Example-non-inverting-Op-Amp-circuit_fig3_283082955)

Dane:

  • MCP6002, R2 = 100kΩ, R1 = 1kΩ
  • Wzmocnienie = 101.
  • Noise figure: eni = 28 nV/√Hz; ini = 0.6 fA/√Hz (https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/MCP6001-1R-1U-2-4-1-MHz-Low-Power-Op-Amp-DS20001733L.pdf)

Składowe szumu wyjściowego:

  • Od rezystora R2: √100 = 10; 10 ⋅ 4 nV/√Hz = 40 nV/√Hz
  • Od rezystora R1: 4 nV/√Hz razy wzmocnienie czyli 404 nV/√Hz
  • Od szumu napięciowego wzmacniacza: 28 nV/√Hz ⋅ 101 = 2828 nV/√Hz
  • Od szumu prądowego wzmacniacza: R1||R2 ≅R1 = 1kΩ. 1kΩ ⋅ 0.6 fA/√Hz = 0.6 pV/√Hz i jeszcze razy wzmocnienie ≅ 60 pV/√Hz = 0.06 nV/√Hz.

Suma: √(40²+404²+2828²+0.06²) = 2857 nV/√Hz. Wyznaczyliśmy szum wyjściowy. Szum wejściowy wyznaczymy dzieląc przez wzmocnienie, czyli 2857 nV/√Hz / 101 = 28.3 nV/√Hz.

Jak widać, na poziom szumu w tym układzie główny wpływ ma szum napięciowy wzmacniacza. MCP6002 nie jest wzmacniaczem niskoszumnym, a low-power. Możnaby jeszcze dwukrotnie zwiększyć rezystory R1 i R2, co niewiele pogorszy charakterystykę szumową, a zmniejszy pobór prądu. Przy projektowaniu wzmacniaczy niskoszumnych należy wybrać odpowiednie układy, oraz stosować mniejsze rezystancje w układzie, aby nie pogarszać parametrów wzmacniacza.