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GM管用の高圧電源の試作

 今年の4月にガイガーカウンターを作りました。この頃は、福島原発が爆発して放射能の塵が東京まで来てしまい、水道水の汚染まであったのでじっくりと回路の検討をしている余裕は無く、とにかく速く作ることを優先させました。
 外観もかなり適当で、人目に曝すのははばかられるような状態です。

▼以前作ったガイガーカウンター
4月に作ったガイガーカウンター
 本体の寸法は、145×75×28mmで、アマチュアの作品としてはまあまあ小さく出来ていると思います。でも、これを会社の友人に見せると「これー、時限爆弾に似ているので飛行機の中では絶対に人目に曝さないほうがいいすよ~!」と忠告してくれました。そうなんですよね、私もこれを通勤電車の中で取り出す度胸はありません。まあ、あわてて作った物ということでご勘弁を。

 とりあえず私の住んでいる東京の多摩地区では放射能汚染はほとんど問題ありません(局所的にはSc137、134と思われる高濃度の汚染土壌があります)。でも、人目をはばからずに使える、おしゃれな外観のガイガーカウンターがあればいいなーと思ってます。

 前置きが長くなりました。

 おしゃれなガイガーカウンターのケースは今後ゆっくり探すとして、一番難しいのはGM管用の高圧電源です。ネットを探すといろいろな回路が出てきます。でも、どれも一長一短でしっくり来ません。
 そこで、自分なりに試行錯誤してたどりついたのが、この回路。

▼ガイガー管用高圧電源(クリックでもう少し解像度の高い図が開きます)
回路図

特徴は以下の通りです
・トランスとスイッチング用のトランジスタ、整流ダイオードは映るんですの部品を使用。
・出力電圧をフィードバック制御して安定性化。

回路の動作としては、
・発生した高圧を分圧(約1/100)して、オペアンプへ入力。オペアンプは振幅ができるだけ確保できて消費電流の少ないLMC6482(レールtoレール、CMOS)を5Vで使用。

・駆動パルスの周波数は1kHz、パルス幅は最大で8μS程度。もっと周波数を上げると前のサイクルの振動の影響で素直な特性にならない。またパルス幅もこれ以上にすると、トランスの自励振動に干渉して急激に損失が増えるし、単調変化の領域を超えるのでフィードバック制御不能になります。

・U4で基準電圧と比較し、誤差を増幅してタイマーIC(LMC555)のパルス幅にフィードバック。

 細かく説明するときりが無いので、ポイントだけ書くとこんなところです。回路構成をどうするか、という以前の問題として、このトランスの使いこなしが一番難しかったです。

 あと、他の制御方法として、VCOで周波数制御とか、ドライブトランジスタのベース電流制御とかも考えたのですが、自分的にはこの回路が一番作り易いように思います。

▼動作確認中
ブレッドボード
 とりあえずブレッドボードで動作確認。トランス周辺のスイッチング回路はブレッドボードでは再現性の良い動作は危ういので、空中配線で直付けしています。この写真のオシロの波形はQ1のコレクタ電圧です。

特性
・フィードバックがうまく働いていて、VR2の設定値を変更すると軽い振動を伴いながら0.3秒くらいで新しい値に収束します。実は最初からこんなにうまくいったわけではなくて、あちこちの定数をいろいろ調整してます。

・電源に単三2本を使った場合、最大560Vくらいから80Vまでの範囲でサーボがかかります。GM管では電圧は決め打ちで使うのでこんな広い可変範囲は不要ですが、動作マージン確認という意味でチェックしてみました。

・出力にもう一つ100MΩを接続して負荷を2倍にした場合、電圧変動(低下)率は1.8%でした。U4のゲインを上げることが出来ればもっと改善できるはずですが、これ以上上げるとユラユラと発振します。このあたりはもう少し改善の余地がありそうです。誤差アンプの直流ゲインはほどほどにして、積分ゲインを上げる方向で調整したいと思ってます。

・電源の消費電流は、電池2本で駆動するトランスの一次側は6mA。制御系(5V系)は4.7mAでした。結構省エネになっていますが、回路をもっと最適化してもっと減らしてみたいと思います。
 ちなみに、出力電圧400Vで100MΩの負荷とすると消費電力は1.6mW。これを3Vの電池で供給した場合、変換効率が100%なら電池の消費電流は0.53mAで済むはずです。しかし、実際には6mAも喰っているので、まだまだ改善の余地はあると思います。

まとめ
 とりあえず安定化したGM管用の高圧発生回路が完成しました。冒頭に書いたように出来るだけ小型のガイガーカウンターを作りたいので、こんどは電池一本で動作するよう改良してみようかと思っています。

 いつになったら最終型にたどりつけるか全く判りません。この調子でちんたらやっていれば、そのうちヤフオクのGM管の相場も下がってくると思うので、その頃に4本パラとかやっちゃうか!でも大きくなっちゃうなーー
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4パラ・・・

お久しぶりです。複数GMTは想像するよりおもしろいです。単純に計数率が上がるだけでなく、指向性を得られるので、離れたところから検知できますが、そのためのボディー工作も腕のふるいがいがあります。また、計数率アップで得られる測定時間短縮や音によるサーチも、単管とは比較しにくいほどの強力さです。ああ、私も記事を書かなくては・・・。今、軍用のDP-5Vと格闘中です。

Re:4パラ

y.utunomiyaさん、おはようございます。

4パラ、そんなにすごいんですか。やってみたいけど、まずは小さいのを目指したいと思います。

DP-5Vですか、調べてみましたが、ゴツイですね。確かにこれをいじるのは格闘だ,
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