Стабильный источник высокого напряжения для питания ФЭУ

Применение фотоэлектронного умножителя — это очень простой способ получить высочайшую чувствительность фотоприемника, вплоть до регистрации единичных фотонов при прекрасном быстродействии. А учитывая массу ФЭУ, выпущенных в СССР и до сих пор лежащих на складах, это еще и относительно недорого (современные «фирменные» ФЭУ все-таки неприлично дороги для любительского применения). Но для питания фотоэлектронного умножителя нужен источник напряжения в 1-3 киловольта, и притом очень стабильный.
Дело в том, что чувствительность ФЭУ зависит от анодного напряжения экспоненциально и очень резко: она увеличивается в 10 раз при увеличении напряжения на 80-300 В, в зависимости от типа ФЭУ. И если нужно обеспечить стабильность усиления на уровне процента, для некоторых ФЭУ необходимо, чтобы напряжение не менялось больше, чем на 0,1-0,3 В!
В данной статье я привожу схему источника высокого напряжения для ФЭУ, который хорошо зарекомендовал себя в лабораторных условиях. Он обеспечивает выходное напряжение от нескольких сотен до 1500 В при выходном токе до 1 мА и стабильности не хуже 0,2 В за час при неизменном потребляемом токе после прогрева. Несложная переделка увеличивает верхний предел напряжения до 3 кВ, правда, ценой меньшей стабильности.

Схема

Основой источника является двухтактный инвертор, работающий на трансформатор для CCFL-ламп. Инвертор выполнен на основе отечественной микросхемы для ЭПРА — КФ1211ЕУ1. Равных этой микросхеме мне в продаже найти не удалось: она может управлять затворами полевых транзисторов непосредственно и для работы ей нужно лишь два внешних элемента (времязадающие резистор и конденсатор), при этом она штатно работает от 5 В и стоит недорого. К сожалению, НПО «Дельта» давно не производит эту микросхему, но она до сих пор есть в продаже и добыть ее не составляет труда. Никаких средств регулирования коэффициента заполнения у этой микросхемы нет, но нам это не нужно — регулирование выходного напряжения осуществляется изменением напряжения питания выходного каскада инвертора. Ключевым элементом является сдвоенный n-МОП-транзистор VT1 типа IRF7341. Резисторы R2 и R3 ограничивают броски тока при перезарядке емкостей затворов.
Инвертор работает на частоте 40 кГц. Опытным путем установлено, что на этой частоте примененный трансформатор работает лучше всего и имеет наилучший КПД. Частота эта задается цепочкой R1C1.
Трансформатор я использовал из серии TMS91429CT, имеющий две одинаковые первичные и две одинаковые изолированные друг от друга вторичные обмотки. Это дает возможность исключить умножитель напряжения с большими потерями, заменив его двумя однотактными выпрямителями, выходные напряжения которых складываются, образуя не совсем обычный на вид, но по сути такой же двухтактный выпрямитель. Нарисованная на схеме конфигурация работает с данным трансформатором несколько лучше, чем классическая «с отводом от середины». Если нужны более высокие напряжения, в каждой из «половинок» можно собрать удвоитель.
Резистор R8 и конденсатор C9 образуют фильтр, уменьшающий пульсации высокого напряжения. Резистор R10 снижает опасность смертельного поражения электрическим током: несмотря на то, что сила постоянного тока, вырабатываемого данным источником, не представляет никакой серьезной опасности, энергия, запасаемая в конденсаторе C9 вполне достаточна для того, чтобы убить, и ограничение пикового тока его разряда до ~ 60 мА при максимальном напряжении эту возможность снижает (при кратковременном — сотые доли секунды — воздействии такой ток обычно не является смертельным). Вместе с тем, при токе 1 мА на этом резисторе падает 22 В, что, скорее всего, недопустимо. Поэтому если нужны токи больше сотни микроампер, его придется убрать, но в этом случае — помнить, что выходное напряжение источника — смертельно опасно. С резистором R10, впрочем, тоже, но опасность не столь высока.
Выходное напряжение, поделенное делителем R7R9 в 500 раз, подается на вход усилителя ошибки на ОУ DA1.2. На второй его вход подается опорное напряжение (через повторитель на DA1.1), которое задает выходное напряжение, которое в соответствии с коэффициентом деления делителя R7R9 будет в 500 раз больше (например, при опорном напряжении 3 В выходное составит 1,5 кВ). Коэффициент усиления усилителя ошибки подобран экспериментально. Его увеличение повышает точность стабилизации, но снижает устойчивость. Конденсатор C8 компенсирует задержку в петле обратной связи и обеспечивает устойчивость регулирования. Соотношение коэффициента усиления усилителя ошибки и постоянной времени цепи R6C8 — вопрос компромисса между точностью поддержания выходного напряжения и временем его установления.
Выходное напряжение усилителя ошибки подается на регулирующий элемент — p-МОП транзистор VT2. Транзистор полностью закрыт, когда напряжение на выходе DA1.2 близко к напряжению питания (то есть если высокое напряжение сильно превышает заданное), и полностью открывается при снижении его до нуля (при сильно заниженном высоком напряжении), что обеспечивает его поддержание на уровне несколько выше опорного напряжения, помноженного на коэффициент деления. Далеко не все МОП-транзисторы хорошо работают в линейном режиме, и указанный на схеме делает это вполне приемлемо. Резистор R4 предотвращает неустойчивость ОУ при работе на емкостную нагрузку, которой является затвор транзистора.
В качестве источника опорного напряжения может быть использован многооборотный потенциометр, питающийся от стабилизированного источника напряжения, но при повышенных требованиях к стабильности его может оказаться недостаточно, так как даже самые лучшие из таких переменных резисторов в той или иной степени «шумят», хаотически меняя сопротивление в небольших пределах, даже если ручку регулировки не трогают. Для ее повышения желательно ограничить диапазон плавной перестройки до 100-200 В и ввести переключатель для дискретной грубой установки напряжения. Другой вариант — сделать цифровой ИОН на основе какого-нибудь ЦАП.
Данная схема выдает высокое напряжение положительного знака. Для питания ФЭУ удобно использовать отрицательное напряжение питания с заземленным анодом. Для этого схему придется скорректировать — во-первых, изменив полярности диодов в высоковольтной части. Во-вторых, придется ввести в схему еще один операционный усилитель. Вместо делителя R9R7 у нас появляется инвертирующий усилитель с коэффициентом усиления минус 1/500 на ОУ DA2, и резисторы R9 и R7 оказываются в его цепи ООС.
Чтобы получить 3 киловольта, придется заменить выпрямители во вторичных цепях на удвоители напряжения и увеличить R9 до 100 МОм. Стабильность при этом ухудшится примерно в те же два раза.

Компоненты и монтаж

В низковольтных и слаботочных цепях можно использовать конденсаторы и резисторы типоразмера 0805 или даже 0603. Конденсатор C2 — танталовый. Конденсатор С4 — пленочный, так как через него протекает заметный импульсный ток и керамический SMD конденсатор здесь будет греться и быстро выйдет из строя.
Со стороны высокого напряжения необходимо монтировать все цепи переменного тока настолько короткими соединениями, насколько возможно, так как иначе они сильно излучают (однако, не забывая соблюдать изоляционные зазоры). Диоды набраны каждый из двух последовательно соединенных диодов на 1000 В. В связи с отсутствием в магазинах быстрых диодов на 1000 В в SMD-исполнении применены выводные диоды HER1008, установленные по два последовательно. Для уменьшения длины выводов они загнуты под корпус диода и обрезаны, и таким образом, диод переделан в SMD. При этом анод одного диода в паре спаивается с катодом второго непосредственно и максимально близко к выходу вывода из корпуса, а не через печатный проводник. Конденсаторы С6 и С7 также набраны из четырех конденсаторов 0,015 мкФ х 1000 В типоразмера 1812, соединенных последовательно-параллельно и спаянных «этажеркой» друг на друге. Конденсатор C9 произвольного типа — я использовал батарею из отечественных К15-4, для надежности залитую компаундом.

Резистор R8 — типоразмера 2512. R10 набран из десяти таких резисторов, соединенных последовательно на отдельной маленькой плате и залитых изоляционным компаундом. Аналогично можно поступить и с R9, либо применить резистор серии FHV-100. От термостабильности данного резистора (а он нагревается проходящим через него током) зависит дрейф напряжения. Теплоизоляция его, увеличивая время установления стабильного напряжения, тем не менее, резко уменьшает его хаотичные колебания, поэтому настоятельно рекомендуется. Также при монтаже следует обратить внимание на возможные пути утечки, которые также резко снизят стабильность. На печатной плате следует предусмотреть прорези и окна, отделяющие высоковольтные цепи от низковольтных и между близко расположенными проводниками с резко различающимися потенциалами. Само собой разумеется, что вся высоковольтная часть должна быть залита компаундом, так как иначе зазоры пришлось бы делать очень большими. А большие зазоры — это большая длина проводников и сильное излучение. При работе первоначального макета, где я использовал конденсаторы К78-1, выводные диоды со слегка укороченными выводами и зазоры, рекомендуемые при печатном монтаже на воздухе — на холостом ходу схема потребляла почти 200 мА при 1500 В, а неонка горела в 10 см от конструкции. Невозможно было даже посмотреть форму напряжения на первичных обмотках трансформатора — на щуп осциллографа наводилась помеха размахом под сотню вольт. Ни о каком практическом использовании столь сильно излучающей помехи схемы не могло идти речи. После перехода на SMD и максимально компактный монтаж (потребовавший заливки — на воздухе все тут же пробивается), потребляемый на холостом ходу ток упал до пары десятков миллиампер, а неоновая лампочка горела только вплотную к обмотке трансформатора. Разумеется, готовый прибор нужно поместить в металлический корпус, снабженный хорошим высоковольтным разъемом (например, типа LEMO).
Разводка печатной платы (свою не привожу, так как она оказалась не слишком удачной и в финальной конструкции покрылась, как плесенью, очагами навесного монтажа, исправляющего ошибки первоначального замысла) должна быть сделана с учетом того, что VT2 греется и отводит тепло через выводы (рассеиваемая мощность может достигать 2 Вт). VT1 остается при работе практически холодным. Кроме того, уделите внимание земле, особенно в окрестностях ключевых транзисторов. Последние вместе с DD1 удобно разместить под брюхом трансформатора, вокруг которого можно отделить земляной полигон зазором, соединив его с остальной землей в единственной точке около разъема питания.
И о заменах. Трансформатор может быть заменен практически любым аналогичным трансформатором с такой же конфигурацией обмоток (то есть две одинаковые первичные обмотки и две раздельные высоковольтные) и такой же габаритной мощностью, при этом может потребоваться подбор частоты коммутации и емкости конденсатора C4. Транзисторную сборку VT1 можно заменить на аналогичные отдельные n-МОП транзисторы с напряжением исток-сток не менее 20 В и током стока не менее 3 А, способные работать с 5 В на затворе. VT2 заменять нежелательно.

Немного о безопасности
Как я уже говорил, данный прибор смертельно опасен для жизни. Несмотря на то, что ток в несколько миллиампер, обеспечиваемый данным устройством, не опасен даже при прохождении по пути «язык-рука», разряд емкости на выходе, пусть не гарантированно убьет, но вполне может это сделать, так как ток при этом достигает нескольких ампер (!), а энергия разряда при максимальном напряжении составляет около 0,1 Дж, чего вполне достаточно для вызывания фибрилляции желудочков в уязвимую фазу. Так что будьте осторожны — особенно в процессе наладки. На это время рекомендую заменить конденсатор С9 на менее емкий.