Entwurf für Hochspannungsversorgung (PMT, Geiger etc.)

[Jan K. (drj)]

Hallo zusammen!

Ich bin gerade dabei eine Hochspannungsversorgung für 
Sekundärelektronenvervielfacherröhren (SEV, PMT) und Geiger-Müller 
Zählrohre zu entwerfen (für mich privat, kein Produkt!). Die Anforderung 
sind eine einstellbare, stabile Ausgangsspannnung von 300-900V (ja, 
positiv!) bei max. 1mA sowie eine Restwelligkeit <1mVpp. Erster Gedanke 
war natürlich die Application Note 118 von Jim Williams 
(http://cds.linear.com/docs/en/application-note/an118fa.pdf). Habe mir 
da ein paar Anregungen geholt und einen ersten Entwurf in LTspice 
gemacht. Grundlage ist die Schaltung in Fig.20 aus AN-118, allerdings 
mit einem CCFL Trafo 
(http://www.mouser.com/ds/2/87/BUS_Elx_PM_4303_CCFL_Transformers-334586.pdf) 
sowie einem Impedanzwandler im FB-Pfad. Sieht in der Simulation schon 
ganz ok aus, allerdings bin ich mir bei einigen Dingen nicht 100% 
sicher:

1. Habe - denke ich - nicht alle Daten des Trafos, ist der so richtig 
simuliert?
2. Die FB Spule am Trafo wird nicht benötigt, bleibt die einfach offen?
3. Sind die Ströme erträglich für den LT3580? Ich sehe da einige 
Spitzen, bin mir aber nicht sicher ob das in der Realität dann auch so 
ist (Stichwort 'parasitics')?
4. Ich möchte die Ausgangsspannung per externer Kontrollspannung regeln 
können, meine erste Idee war ein Subtrahierer zwischen Impedanzwandler 
und FB Eingang, bin aber offen für andere Vorschläge!

Bin noch recht neu in LTspice und auch bei den Sperrwandlern, wäre schön 
wenn jemand von euch mal drauf schauen könnte! Layout ist danach noch 
eine ganz andere Baustelle... Vielen Dank!

Jan

[Pandur S. (jetztnicht)]

Was soll der LT1006 denn bringen?
Eine Restwelligkeit von 1mV halte ich fuer voellig illusorisch.
Ist der Primaerkreis auf 12V begrenzt, oder ist das einfach mal ne 
Annahme ? Falls 24V moeglich waeren, waer das einfacher. Da sich die 
Einschaltzeit verdoppelt. Der Crestfaktor wird kleiner.
Bei welcher Frequenz soll gearbeitet werden ? Ist der Trafo fuer die 
Frequenz dimensioniert ?

[Jan K. (drj)]

Jetzt Nicht schrieb:
> Was soll der LT1006 denn bringen?
Die Impedanz des Hochspannungsteilers ist sehr hoch, man kann auch wie 
in der AN-118 vorgeschlagen, den Teiler mit der internen Impedanz des FB 
Einganges bauen, aber mit dem LT1006 habe ich dann noch die Möglichkeit 
(über einen Subtrahierer) eine Steuerspannung vorzugeben.

> Eine Restwelligkeit von 1mV halte ich fuer voellig illusorisch.
AN-118 spricht von '300uVpp wideband noise', aber nicht ripple. Evtl. 
habe ich da was durcheinander gebracht. Ziel ist 'low noise'.

> Ist der Primaerkreis auf 12V begrenzt, oder ist das einfach mal ne
> Annahme ? Falls 24V moeglich waeren, waer das einfacher. Da sich die
> Einschaltzeit verdoppelt. Der Crestfaktor wird kleiner.
Auch möglich, aber da es am Ende portabel sein soll, dachte ich an 
Versorgung über 3S LiPo Akkus.

> Bei welcher Frequenz soll gearbeitet werden ? Ist der Trafo fuer die
> Frequenz dimensioniert ?
Sehr gute Frage! Der Entwurf ist für 200kHz, der Transformator will aber 
40-80kHz, ok, da muss ich nochmal ran! Danke für den Hinweis!

[Michael K. (Gast)]

Je höher die Pri Spg. hochschwingen darf um so kleiner muß das 
Wicklungsverhältnis sein. Der LT3580 beschränkt das völlig unnötig auf 
42V.

Bei einem hohen Wicklungsverhältnis ist der K wert weit jenseits von 1.
Du wirst wahnsinns Überschwinger an Pri habe die Du nicht als Sek.Spg. 
siehst.

Warum der 10K am Sek ?
Die willst doch die Energie in den Kondensator reinbekommen und nicht 
möglichst hohe Spannungen produzieren die Du nicht nutzen kannst.

Wozu U2 ?

Die GDS200W pfeift Dir bei 300V ab wenn der Peak Forward Current die 
nicht vorher killt.

etc.pp.

[Jan K. (drj)]

Ok, danke! Da war ich wohl etwas voreilig, aber so lernt man!

Mein erster Gedanke war die Schaltung in Fig. 11, Seite 5 in AN-118 
(http://cds.linear.com/docs/en/application-note/an118fa.pdf) so zu 
modifizieren, dass ich erstens eine positive Spannung bekomme und 
zweitens diese auch noch in einem gewissen Bereich einstellen kann (700V 
+-150V).
Die o.g. Schaltung kam dann daher zustande, dass ich es nicht geschafft 
habe, die Schaltung aus Fig. 11 korrekt zu simulieren. Egal was an FB 
passiert, die Ausgangsspannung konvergiert immer zu etwa -960V, selbst 
mit FB nicht angeschlossen. Kann mir das jemand erklären? Danke!

[Kai B. (kaib)]

Ja tausche + und - von dem Gleichrichter (D2-D5).
Dann kann auch auf U2 verzichtet werden der dein FB invertiert.

[Jan K. (drj)]

Hi Kai!

Hab ich so gemacht, aber irgendwas stimmt noch nicht mit der Regelung 
durch den FB pin, die Spannung an diesem geht über die 1.25V Referenz 
hinaus ohne einen Effekt (blaue Kurve ist Spannung an FB). Was stimmt 
denn noch nicht?

[Jan K. (drj)]

Ok, da war die Ungeduld und der langsame Computer schuld, nach knapp 
200ms hat sich die ganze Schaltung eingeschwungen und gibt eine 
einstellbare Spannung aus (siehe Bilder, blau Spannung an FB pin, grün 
Ausgangsspannung)! Jetzt bleiben bei mir noch ein paar Fragen:

1. Ich habe 1uH als Induktivität für die feedback-Wicklung des 
Transformators angenommen da ich keine Daten dafür im Datenblatt 
gefunden habe, ist das realistisch? Bzw. sind die Werte für den Trafo so 
korrekt?

2. Wie kann ich den Überschwinger beim Einschwingen dämpfen?

3. Über den Ausgangsspannungsteiler auf FB kann ich ja theoretisch alle 
Spannungen einstellen, wie bestimme ich praktisch (in der Simulation) 
die Grenzen der Spannungseinstellung?

Vielen Dank für eure Hilfe!!!

Jan

[Michael K. (Gast)]

Rechne Dir mal den Übertrager aus.
Wie viele KM Kupfer wolltest Du da raufwickeln und welchen gigantischen 
Kern brauchst Du um das alles da raufzubekommen ?
Wie sieht dann Dein Rac und Deine Wicklungskapazität bei einer so langen 
Sek. Wicklung aus und wieviel kommt damit überhaupt noch an ?

Dein Flyback von Anfang war schon der richtige Weg, nur falsch 
umgesetzt.

Flybacks gehören zu den einfachsten, unkompliziertesten Wandlern 
schlechthin.
Mit den alten UC3844/45 super hinzubekommen.
44/45 weil größer 50% duty cycle instabil ist.

Sowas wickelt man mit am Drain verbundenen Wicklungen wenn man damit 
leben kann das Uout nicht kleiner Uin werden kann.
Die Kopplung wird besser und Uout ist Udrain + Usek.

Lass es zu das Deine Drainspannung weit nach oben schwingen kann indem 
Du einen passenden Fet benutzt.
Um so kleiner muss die Sek Wicklung sein.

Wichtig:
Setze reale Kopplungsfaktoren, Windungskapazitäten, Streuinduktivitäten, 
ESRs etc. pp. ein sonst ist Deine Simulation vollkommen wertlos.
Die sagt Dir dann wirklich garnichts darüber wie sich die Schaltung 
später verhalten wird und selbst wenn Du das alles einträgst bleibt ein 
riesiges Feld übrig wo Simulation und Realität nicht übereinstimmen.

LTspice kümmert sich nicht darum wo Du Bauteilgrenzen überschreitest.
Die Modelle sind extrem simplifiziert um das in endlicher Zeit berechnen 
zu können.
Eine Simulation ist nie besser als der der simuliert.

[Jan K. (drj)]

Hallo Michael!

Den Übertrager wollte ich eigentlich fertig kaufen, die für CCFL 
Beleuchtungen scheinen mir dafür angemessen. Das Bild im Anhang zeigt 
ein Teil des Datenblatts mit dem Übertrager CTX210609-R:

Primär: 20uH, 0.132Ohm, max. 13Vrms
Windungsverhältnis: 1:100, 40-80kHz Betriebsfrequenz
Sekundär: 200mH (weil quadratisch mit Windungsverhältnis), 176Ohm

Liege ich da völlig falsch? Der Übertrager sieht noch recht klein und 
handlich aus, kostet auch nicht die Welt...

In der Simulation habe ich jetzt knapp 11Vpp primär bei ~50kHz.
Der Kompromiss scheint jetzt in der Größe von Vc zu liegen, bei den 15uF 
am Anfang dauert das Einschwingen ewig mit großem Überschwinger, bei 
kleineren Werten steigt der ripple wieder an...

Ich versuche alles so gut wie möglich in die Simulation zu geben - Du 
hast recht, besser als sein Benutzer wird die Simulation niemals sein, 
aber es gibt zumindest einen Anhaltspunkt und ist besser als drauflos 
löten und dann hier im Forum zu fragen warum es nicht geht. Aber leider 
fehlen mir zu dem Übertrager einige Werte, das Datenblatt ist da sehr 
bescheiden. Am meisten vermisse ich die Induktivität der FB SPule und 
die Kopplungsfaktoren...

[Michael K. (Gast)]

Hast Du Dir mal mehr angeschaut als die Ausgangsspannung ?
Passt die Schwingfrequenz der Transistoren irgendwie zum Ausgang des LT 
?

Da schwingt irgendwas und irgendwie führt das zu einer steigenden 
Ausgangsspannung und irgendwie kann der LT die Schwingung auch 
zusammenbrechen lassen was irgendwie zu so einer Art Regelung führt.
Durch den 15u bedämpfst Du nur diese an/aus Bügeleisenregelung auf Dir 
erträgliche Werte.

Kaum füge ich zu den idealen Spulen mal die im Datenblatt angegebenen 
Serienwiderstände und geschätze Wicklungskapazitäten (10p + 47p) ein ist 
sofort Schluss mit dem Zauber.

Ströme fliessen jede Menge und überall da wo man die nicht haben will.
Schau Dir alles an und nicht nur das Ergebniss.
2,7uV am Ausgang bei 6W Aufname habe ich jetzt in der Simulation.

Hör mit diesen komischen Selbstschwingern auf, die bekommt man nie 
sauber zum laufen bei veränderlichen Bedingungen.

Der Übertrager scheint bei den mikroskopischen Strömen die Du brauchst 
okay zu sein. Das Elfenhaar könnte man nicht selber wickeln selbst wenn 
man die Mehrkammerwickelkörper kaufen könnte, daher meine Auslassungen 
zum Kern.

Die CCFL Übertrager funktionieren als Selbstschwinger bei exaker 
Anpassung auf die Röhre und sonst nicht.
Bau einen sauberen Sperrwandler mit dem UC3844/45.

Jan K. schrieb:
> und ist besser als drauflos
> löten und dann hier im Forum zu fragen warum es nicht geht.
Schaltungshopping zu machen und dann die Simulation nicht korrekt 
aufzusetzen und nicht zu analysieren ist aber auch nicht besser.

Du lernst nur etwas aus Simulationen wenn Du sie Dir auch anschaust und 
überprüfst ob das was im Detail passiert auch das ist was Du erwartest 
und verstehst.

[Jan K. (drj)]

Ok, habe mich wohl etwas von dem AN-118 blenden lassen :-) Habe schon 
einiges gelernt, daher scheint das 'spielen' mit der Simulation doch 
nicht so schlecht zu sein. Sperrwandler in allen Details lernt man nicht 
an einem Tag :-(

Der UC3844 scheint einfach und gut zu verstehen zu sein, gibt es noch 
etwas Spezielles das ihn für meine Anwendung besonders macht?

Danke für die Abschätzungen zum Trafo, habe jetzt noch die äquivalenten 
Serienwiderstände und Parallelkapazitäten (danke dafür!) eingefügt, 
tatsächlich bricht die Simulation jetzt ab ('time step too small', hat 
anscheinend in der Berechnung der Transistoren jetzt Probleme).
Der Trafo sollte so aber auch mit dem UC3844 gehen, oder?

Jetzt suche ich erstmal das Datenblatt zum UC3844/45 (OnSemi oder TI hat 
jeweils eins, werde beide lesen) und danach ein Model für mein LTspice. 
Dann gehts auf zur nächsten Schaltung, werde aber versuchen es besser zu 
verstehen! Ist einfacher wenn man weiss, dass es prinzipiell gehen 
müsste!

Vielen Dank und schönen Abend,

Jan

[Achim H. (anymouse)]

Die Idee mit AN-118 dürfte wohl sein, den LT1533/LT1534 etc. zu 
promoten.
Dessen "Vorteil" soll die Oberschwingungsarmut sein und damit weniger 
Noise auf der Ausgangsspannung sein.

[Jan K. (drj)]

Das an sich ist ja auch ein Vorteil wenn man eine möglichst rauscharme 
Ausgangsspannung möchte... Danach habe ich gesucht und bin dann auf die 
AN-118 gestoßen. Da ich mich aber aufgrund der einfachen Verfügbarkeit 
für den CTX210609 Übertrager entschieden habe (bin offen für 
Gegenvorschläge!!!), muss ein Wandler mit Frequenzen zwischen 40kHz und 
80kHz her. Der von Michael vorgeschlagene UC3844 passt, wie das mit den 
Oberschwingungen dort aussieht wird er mir sicher auch sagen :-)

[Michael K. (Gast)]

Jan K. schrieb:
> wie das mit den
> Oberschwingungen dort aussieht wird er mir sicher auch sagen :-)

Ausschnitt aus dem LT Datasheet:
Ultralow noise and EMI are achieved
by providing user control of the output switch slew rates.
Voltage and current slew rates can be independently pro-
grammed to optimize switcher harmonic content versus
efficiency.

Das die Begrenzung der Anstiegsgeschwindigkeit weniger Oberwellen 
produziert zu Lasten der Effizienz ist ja ein ziemlich alter Hut.
Das kann man natürlich beim urzeitlichen 3844 auch über den Gate 
Vorwiderstand machen.

Was gibt es zum 3844 zu sagen.
Nicht viel, weil der brutal einfach ist.
Halte den I-Shunt induktionsarm und binde den kurz über Tiefpass an.
Steht im wesentlichen alles in den Applikationsschriften.

Da der Übertrager gegeben ist beschränkt sich das darauf im Layout nicht 
zuviel Mist zu machen und aufmerksam die zahlreichen 
Applikationsschriften zu lesen.

Du must rausfinden wann der Übertrager Prim Seitig in Sättigung geht.
Das steht natürlich nicht da, weil nur obskure Angaben über 
Resonanzbetrieb getroffen werden.
Irgendwas in der Größenordnung Isek(max) x TR x 1.41 und dann rantasten.
Der Strom ist dreiecksförmig und fließt nur 50% der Zeit.
Ipeak ist also im Bereich Iavg * 4.

[Michael K. (Gast)]

Nachtrag:
Der Übertrager hat wohl keinen Luftspalt, ist also für Flyback Betrieb 
nur sehr begrenzt einsetzbar.

Anderer Übertrager, oder Gegentaktwandler mit KA3525.

[Jan K. (drj)]

Hallo Michael,

ich habe noch eine andere Quelle für CCFL Übertrager gefunden:

http://www.coilcraft.com/ccfl.cfm

Die Datenblätter geben nicht viel mehr her als die der Coiltronics 
Übertrager, aber evtl. siehst Du hier mehr als ich. Als Gegentaktwandler 
könnte ich auch den LT1533 einsetzen, oder? Der geht runter bis 25kHz 
und ist als Modell in LTspice verfügbar...

[Stefan F. (Gast)]

Wozu soll R6 gut sein? Leuchtet mir gar nicht ein, es sei denn, du 
willst die Energieverluste maximieren.

[Jan K. (drj)]

R6 in der Schaltung vom ersten Beitrag ganz oben? Ist zum Filtern bei 
kleinen Strömen und hohen Spannungen, siehe AN-118 von Linear, Appendix 
A.

[W.S. (Gast)]

Jan K. schrieb:
> Ich bin gerade dabei eine Hochspannungsversorgung für
> Sekundärelektronenvervielfacherröhren (SEV, PMT) und Geiger-Müller
> Zählrohre zu entwerfen (für mich privat, kein Produkt!). Die Anforderung
> sind eine einstellbare, stabile Ausgangsspannnung von 300-900V (ja,
> positiv!) bei max. 1mA sowie eine Restwelligkeit <1mVpp.

Stolzes Vorhaben!
Aber so wird das wohl nix.
Denke du mal lieber an einen Royer-Konverter, wie er für CCFL benutzt 
wird. Anstelle der CCFL kommen dann 2 Dioden: eine gegen Masse und die 
andere gegen deinen ersten Ladekondensator. Das ergibt nen 
Spannungsverdoppler und du mußt mit dem Trafoausgang nicht so hoch 
gehen. Dein Problem sind lediglich die zwei Dioden. Früher gab's mal 
Dioden-Stacks für das Gleichrichten der Beschleunigungsspannung in der 
Zeilenendstufe. Der Vorteil des Royer's ist, daß man es mit 
näherungsweisem Sinus zu tun hat und nicht mit quasi Nadelimpulsen, die 
einem immer das Leben schwer machen.

W.S.

[maltomat (Gast)]

Hallo Jan,
bist du eigentlich weitergekommen mit deiner HV-Versorgung? Würde mich 
sehr interessieren.
Habe kürzlich die 1000V-Schaltung aus AN-118, Fig. 11 genau nachgebaut 
(nur modifiziert auf +1000V und der in der AN vorgeschlagenen 10-fachen 
Vergrößerung der Sieb-Cs). Ich betreibe das Board an einer PMT mit 
12x820k R-String. Die Spannung lässt sich genau einstellen, ist auch 
über mehrere Tage stabil und auf den ersten Blick ziemlich sauber (Pulse 
hinterm Koppel-C sehen sauber aus). Stromverbrauch etwa 250mA @ 5V (zu 
hoch?). Leider noch keine Zeit für detailliertere Messungen und 
Optimierungen gefunden (beschäftige mich z.Zt. mehr mit dem zugehörigen 
MCA). Hast du noch was rausgefunden?

Gruß, Malte

[Matthias S. (Firma: matzetronics) (mschoeldgen)]

Für meinen ehemaligen Röhrenvorverstärker habe ichs mir einfach gemacht:
Man nehme die Innereien einer elektronischen Fliegenklatsche (kostet 
etwa 3 Euro), messe am Ausgang über einen hochohmigen Spannungsteiler 
und regelt damit die Betriebsspannung des HV Generators der Klatsche.
Als Regelung benutze ich dazu den einfachen diskreten Schaltregler nach 
Matjaz Vidmar:
Beitrag "Re: Mit PWM belastbare 3-12V erzeugen"

Das ganze kann man so von etwa 1,5kV bis runter auf 200V regeln.