GM管用高圧電源のシミュレーション(6)

2011/06/18

※このシミュレーション、ほんとにお遊びです。実際の回路はかなりの高電圧が発生しますので、シミュレーションの結果を盲信しないようご注意下さい。

<倍圧回路のダイオード電流の確認>

まず、電流が安定していると思われる1ms~3msの間のみログを取るよう設定を変えます。

そして、LTspice IVの”Edit”-"SPICE Directive"を使って、以下のコマンドを追加します。

.meas tran d1p rms i(d1)

.meas tran d2p rms i(d2)

これは、D1、D2それぞれに流れる電流について、ログを残した期間の2乗平均平方根を求めるコマンドになります。

そしてシミュレーションを実行し、LTspice IVの"View"-"SPICE Error Log"を開くと、D1、D2に流れた平均(RMS)電流が計算されていますので、それを確認します。

2MΩ負荷の場合、

オープンの場合、

多くても、D1は3.5mA、D2は6.2mA程度ですので、まあ大丈夫でしょう。

<おまけ>

出力電圧のシミュレーション結果の中に、動作中にリップルというには大きいドロップが発生することがありました。2次側が発振しかかっている感じです。この辺りはなんとかしないとまずいような気がします。

また、このインバータ、電源電圧の変動で、出力電圧がかなり動きます。なので、何かしら5Vの電源を安定化しておかないといけないのですが、これを逆手に取って、出力電圧のフィードバック制御を考えています。

ちなみに、2MΩ負荷の時なら5.5V、負荷オープンの時なら4Vにすると、出力が900V程度になります。

PQ20RX11あたりを使って、出力が900Vで安定するよう制御できそうです。

 

さて、ここから先は実際に作ってみましょうか。

 

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GM管用高圧電源のシミュレーション(5)

2011/06/18

※このシミュレーション、ほんとにお遊びです。実際の回路はかなりの高電圧が発生しますので、シミュレーションの結果を盲信しないようご注意下さい。

<GM管動作時のシミュレーション>

では、インバータにこの2MΩの負荷を付けて出力電圧を見てみます。

そしてまたシミュレーション。

うわあ、リップルでかすぎ。C1が不足してるんでしょう。

かなりひどいので、C1を680pFに変更してシミュレーション。収束が遅くなるので、3msまでシミュレーションしています。

結構ましになりましたが、リップルが大きいのと、途中0.9ms付近でへんな挙動があるのが気になります。なお、リップルは22Vp-p程度です。

同じように考えて、バックグランド放射のみ受けてる場合を考えます。

データシートの1ページ目よりバックグランドのみだと50~100cpm、よって1カウント/秒とします。

先ほどのグラフより、カウント数が低い場合パルスの振幅は12Vp-pで上限に達するようなので、

12[V]×500[pF]×1[cps]×2 = 0.012[uA]

よって、インバータから見た負荷は、900V÷0.012uA、75GΩ、ほぼオープンです。

これでまたシミュレーション。

リップルは小さくなりましたが、VRでクリップされているせいかも。とりあえず動作電圧としては結果オーライです。

最後に、ダイオードに流れる電流のチェックだけしておきます。

 

GM管用高圧電源のシミュレーション(4)

2011/06/18

※このシミュレーション、ほんとにお遊びです。実際の回路はかなりの高電圧が発生しますので、シミュレーションの結果を盲信しないようご注意下さい。

<GM管周辺のモデリング>

CK1026のデータシートの3ページ目に、CPM vs. 出力パルス電圧のグラフと、その評価回路が描かれています。

このグラフと評価回路から、高圧電源に要求される電流量を見積もります。

まず、強い放射を受けて、頻繁にパルスが発生している状況を想定します。

グラフより、Rs=1MΩの際、30000cpmの時の出力振幅が0.85V。30000cpmがCK1026の出すことのできる最大パルス数と仮定して、

0.85[V]×500[pF]×30000[cpm]÷60[sec]×2 = 425[uA]

よって、この評価回路の場合の、インバータから見た負荷を、900V÷425uA、ざっくり2MΩの抵抗とみなす事にします。

ところで、こちらのページの方がCK1026のキャリブレーション結果を出されています。

http://ameblo.jp/notsu0816/entry-10909081361.html#main

先ほど想定した30000cpmって、このキャリブレーション結果から換算すると、450uSv/h相当になります。まあ、ちょっとその辺りを調べるという意味では、十分なレンジでしょうか。

一通りモデリングできたので、次はインバータにこの負荷を付けて出力電圧を見てみます。

 

GM管用高圧電源のシミュレーション(3)

2011/06/18

※このシミュレーション、ほんとにお遊びです。実際の回路はかなりの高電圧が発生しますので、シミュレーションの結果を盲信しないようご注意下さい。

<倍圧回路のモデリング>

倍圧整流を行う部分をモデリングします。

まだ部品が決まってませんが、秋葉原で部品を集めるとして入手しやすそうな高耐圧ダイオードというと、1N4007あたりでしょうか。秋月や千石で安く売っています。

http://akizukidenshi.com/catalog/g/gI-00934/

ダイオードのモデルは、以下のサイトで検索すると見つかります。

http://www.diodes.com/

コンデンサは、とりあえず手前のコンデンサのコピーで済ませて、シミュレーション。

あららら、全然昇圧できてません。

1N4007はのデータシートを見ると、接合容量が15pF程度あるようなので、トランス2次側の容量が20pFでは足りないのかもしれません。

手に入りそうな高耐圧のコンデンサだと、若松3Fの店頭に、2kV耐圧の150pF、220pF、680pFというのがありました。

まずは2次側の容量を150pFに増やして、シミュレーションしてみます。

ダイオードの耐圧(VR)でしっかりクリップされてしまいました。CK1026のデータシートのグラフによれば、800V弱~1000V強の範囲であれば問題なく動作しそうなのはいいのですが、ツェナーじゃないので電圧の精度は無いでしょうし、逆方向電流に耐えられるかどうか。

とりあえず昇圧はできたことにして、対応はあとで考えることします。

次はインバータから見た、GM管周辺回路に相当する負荷のモデリングします。

 

GM管用高圧電源のシミュレーション(2)

2011/06/18

※このシミュレーション、ほんとにお遊びです。実際の回路はかなりの高電圧が発生しますので、シミュレーションの結果を盲信しないようご注意下さい。

<インバータ回路のモデリング>

といっても、トランスの特性がわからないので、大きさから1次側を10uH(5+5uH)と適当にセット。

こちらのページによれば、トランスをモデリングする際、2次側は、インダクタンス比が巻数比の2乗になるとのこと。

http://ayumi.cava.jp/audio/pctube/node26.html

100倍昇圧だとして、2次側は10uF*(100^2)で100mH。スイッチング用のインダクタンスは、適当に1/10と仮定して、10uF*(0.1^2)=0.1uFとしました。

あとは、各部品の抵抗成分を適当に入れておきましょう。インダクタは0.1Ω前後、コンデンサ0.5Ω。

ことごとく適当ですが、一旦これでシミュレーション。

 

お、発振したw。まずは解放時の発振周波数を比較。

上記の実測されたブログの記事によれば98kHz程度。シミュレーションだと165.5kHz。

ふむ、じゃあ1次側のインダクタンスを3倍(≒(165/98)^2)の30uF(15+15uF)にしてもう一度シミュレーション。

おお、98kHz。1次側のインダクタンスはこれでよし。このときの2次側の出力電圧は、peakで650V。大体あってる。

先ほどの実測ブログによれば、安定時の冷陰極管の負荷はほぼ95kΩの抵抗に見えるとのことだったので、

95kΩ程度の負荷を付けて、さらにシミュレーション

冷陰極管点灯時の周波数が85kHz程度とのことなので、負荷時の発振周波数も大体いっしょです。発振波形のひずみ方も、実測波形と同様、三角波気味。

次は、倍圧回路です。

 

GM管用高圧電源のシミュレーション(1)

2011/06/18

※このシミュレーション、ほんとにお遊びです。実際の回路はかなりの高電圧が発生しますので、シミュレーションの結果を盲信しないようご注意下さい。

地震で原発がトラぶって以来、ガイガーカウンタを自作するという話を、Twitterやブログでよく見かけてます。

少し前の話ですが、巡回コースの千石電商でGM管(CK1026)を発見しました。