NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO NGUỒN CAO ÁP DẢI 0V÷1500V CHO ĐẦU GHI BỨC XẠ

Phần lớn các đầu ghi bức xạ sử dụng nguồn cao áp để hoạt động. Chất lượngnguồn nuôi cao áp ảnh hưởng đến trực tiếp đến khả năng ghi đo bức xạ của đầughi bức xạ. Vì thế nguồn nuôi cao áp cho đầu dò là một khối quan trọng trongthiết bị ghi đo bức xa. Đây là lý do sinh viên chọn đề tài ‘Nghiên cứu và chếtạo nguồn nuôi cao áp dải 0V÷1500V cho đầu ghi bức xạ’ làm đồ án tốt nghiệpcủa mình.Nhiệm vụ của sinh viên là nghiên cứu các kỹ thuật sử dụng để chế tạo nguồncáo áp, thiết kế và chế tạo ra nguồn cao áp thực tế có thể sử dụng được cho đầughi bức xạ.Nội dung đồ án gồm có 3 chương. Chương 1 trình bày tổng quan về nguồncao áp cho đầu dò. Trong đó giới thiệu về các loại đầu ghi, và các phương phápbiến đổi điện áp được sử dụng để tạo nguồn cao áp. Chương 2 là phần thiết kếnguồn nuôi cao áp, phân tích nguyên lý hoạt động của các khối nằm trongnguồn cao áp, tính toán một số thông số cơ bản. Chương 3 mô tả quá trình lắpráp mạch , đo đạc kết quả sản phẩm cuối cùng.Đồ án này sinh viên được sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫnThạc sĩ Bùi Ngọc Hà và được thực hiện tại Phòng thí nghiệm, Viện Vật lý hạtnhân và kỹ thuật môi trường.

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU VÀ CHẾ TẠO NGUỒN CAO ÁP DẢI

0V÷1500V CHO ĐẦU GHI BỨC XẠ

Sinh viên thực hiện : Lê Kế Dương

Giáo viên hướng dẫn : ThS Bùi Ngọc Hà

Hà Nội - 2017

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan số liệu và kết quả nghiên cứu, chế tạo trong đồ án tốt nghiệp này là trung thực và chưa hề được sử dụng để bảo vệ một học vị nào

Hà Nội, ngày 6 tháng 6 năm 2017

Sinh viên thực hiện : Lê Kế Dương

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 1

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT 2

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ: 3

GIỚI THIỆU 5

CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ NGUỒN CAO ÁP CHO ĐẦU DÒ 6

1.1 Giới thiệu về các loại đầu ghi 6

1.1.1 Đầu dò chứa khí 6

1.1.2 Đầu dò nhấp nháy 7

1.1.3 Giới thiệu Nguồn nuôi cao áp dải 0-2000v của hãng CANBERRA : 8

1.2 Các phương pháp biến đổi điện áp 9

1.2.1.Biến đổi AC-AC 9

1.2.2 Biến đổi DC-DC 10

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ SƠ ĐỒ CAO ÁP CHO ĐẦU DÒ 19

2.1 Phân tích sơ đồ khối 19

2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý 20

2.2.1 Khối nguồn nuôi 23

2.2.2 Khối tạo dao động 25

2.2.3 Khối khuếch đại công suất 29

2.2.5 Mạch nhân áp 35

2.2.6 Ổn áp 37

2.2.7 Khối hiện thị 39

CHƯƠNG III: LẮP RÁP, HOÀN CHỈNH SẢN PHẨM 41

3.1 Lắp ráp 41

3.2 Đánh giá sản phẩm cuối cùng 45

KẾT LUẬN 48

TÀI LIỆU THAM KHẢO 49

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT

- AC : dòng điện xoay chiều

- DC : dòng điện một chiều

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ:

Hình 1.1: Cấu tạo buồng ion hóa……… 6

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý ống đếm nhấp nháy……… 7

Hình 1.3: Sơ đồ khối của thiết bị ghi đo bức xạ……… 8

Hình 1.4: Biến áp………9

Hình 1.5: Nguồn xung vuông……….10

Hình 1.6: Buck converter………12

Hình 1.7: Boost converter……… …………13

Hình 1.8: Sơ đồ cơ bản của Flyback Converter……….…….14

Hình 1.9: Mạch tương đương khi S đóng……… 15

Hình 1.10: Mạch tương đương khi S thông………16

Hình 1.11: Mạch tương đương của biến áp Flyback……… 18

Hình 2.1 Sơ đồ khối của mạch cao áp cho đầu dò……….19

Hình 2.2 : Sơ đồ nguyên lý……… …….21

Hình 2.3: IC LM7805……….23

Hình 2.4: Sơ đồ lược giản của LM7805 ………24

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn nuôi……… 24

Hình 2.6: Cấu trúc bên trong TL494……….26

Hình 2.7: Trạng thái xung TL494……….28

Hình 2.8: Sơ đồ nguyên lý Mạch tạo dao động……….29

Hình 2.9: Dạng sóng đầu ra chân 9 và 10……….29

Hình 2.10: Cấu trúc LM723……….30

Hình 2.11: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn nuôi điều chỉnh được … 31

Hình 2.12: Khối Khuếch đại công suất ……… 32

Hình 2.13 : Dạng xung ra tại Transistor Q1 và Q2 ……… 33

Hình 2.14 : Mạch nhân áp 35

Hình 2.15 : Nguyên lý hoạt động mạch nhân áp 36

Hình 2.16 : Khối ổn áp 38

Hình 2.17 : Sơ đồ thiết kế khối hiển thị 40

Hình 3.1: Biến áp xung tự quấn 41

Hình 3.2: Lắp ráp trên bảng mạch dán 42

Hình 3.3: Quá trình hàn mạch và kiểm tra 43

Hình 3.4: Khối cấp nguồn ±5V, 12V 44

Hình 3.5: Sản phẩm cuối cùng 44

Hình 3.6: Điện áp khối cấp nguồn ±5V, 12V 45

Hình 3.7: Xung ra tại chân 9 và chân 10 khối tạo dao động .46

Hình 3.8: Điện áp sau khi phân áp 1000 lần 47

GIỚI THIỆU

Phần lớn các đầu ghi bức xạ sử dụng nguồn cao áp để hoạt động Chất lượng nguồn nuôi cao áp ảnh hưởng đến trực tiếp đến khả năng ghi đo bức xạ của đầu ghi bức xạ Vì thế nguồn nuôi cao áp cho đầu dò là một khối quan trọng trong thiết bị ghi đo bức xa Đây là lý do sinh viên chọn đề tài ‘Nghiên cứu và chế tạo nguồn nuôi cao áp dải 0V÷1500V cho đầu ghi bức xạ’ làm đồ án tốt nghiệp của mình

Nhiệm vụ của sinh viên là nghiên cứu các kỹ thuật sử dụng để chế tạo nguồn cáo áp, thiết kế và chế tạo ra nguồn cao áp thực tế có thể sử dụng được cho đầu ghi bức xạ

Nội dung đồ án gồm có 3 chương Chương 1 trình bày tổng quan về nguồn cao áp cho đầu dò Trong đó giới thiệu về các loại đầu ghi, và các phương pháp biến đổi điện áp được sử dụng để tạo nguồn cao áp Chương 2 là phần thiết kế nguồn nuôi cao áp, phân tích nguyên lý hoạt động của các khối nằm trong nguồn cao áp, tính toán một số thông số cơ bản Chương 3 mô tả quá trình lắp ráp mạch , đo đạc kết quả sản phẩm cuối cùng

Đồ án này sinh viên được sự hướng dẫn tận tình của giáo viên hướng dẫn Thạc sĩ Bùi Ngọc Hà và được thực hiện tại Phòng thí nghiệm, Viện Vật lý hạt nhân và kỹ thuật môi trường

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ NGUỒN CAO ÁP

CHO ĐẦU DÒ 1.1 Giới thiệu về các loại đầu ghi

Đầu ghi bức xạ là những thiết bị được chế tạo để phát hiện, đo đếm những tia bức xạ Các đầu dò được kết hợp với cái bộ phận khác để tạo ra rất nhiều các thiết bị như máy đo liều, thiết bị quan trắc và cảnh báo phóng xạ môi trường, máy phân tích phổ năng lượng bức xa,…

Nguyên lý hoạt động của hầu hết các detector đo bức xạ dựa trên sự tương tác của tia bức xạ với vật chất là ion hóa hoặc kích thích các nguyên tử trong vật chất

Đầu dò được chế tạo bằng nhiều kỹ thuật khác nhau phù hợp với mục đính sử dụng và tính kinh tế của nó

Phân loại các đầu dò bức xạ:

-Đầu dò chứa khí: buồng ion hóa, ống đếm tỉ lệ, ống đếm Geiger-Muller, -Đầu dò bán dẫn

-Đầu dò nhấp nháy

1.1.1 Đầu dò chứa khí

Cấu tạo của buồng ion hóa được mô tả trong hình dưới

Hình 1.1: Cấu tạo buồng ion hóa Nguyên tắc ghi bức xạ của các detector chứa khí dựa vào hiện tượng ion hoá xảy ra trong môi trường chất khí khi bức xạ đi vào detector Hạt bức xạ

sẽ mất một phần năng lượng dw của mình ở trong chất khí giữa các điện cực của buồng và tạo ra N cặp điện tích với điện tích toàn phần 𝑄 = ±𝑁𝑒

Do có điện trường giữa hai điện cực, các hạt tích điện sẽ chuyển động về các điện cực tương ứng tạo nên dòng Ik trên mạch ngoài Điện trường trong buồng ion hoá tỉ lệ với hiệu điện thế ngoài Uk và điện trường đó cần phải

đủ lớn để loại bỏ được sự tái hợp của các hạt điện tích và đủ nhỏ để triệt tiêu được các hiệu ứng, dẫn tới sự gia tăng số lượng hạt mang điện do sự tự phát hoặc ion hoá do va chạm

Điện trường trong buồng ion hóa được tạo ra từ nguồn nuôi cao áp có thể điều chỉnh được Tùy theo thiết kế mà buồng ion hóa có thể chọn từ dải 200V đến 2000V

1.1.2 Đầu dò nhấp nháy

Tương tác của các bức xạ với vật chất ngoài gây ion hoá nguyên tử và phân

tử còn dẫn tới sự kích thích chúng Kết quả của sự kích thích làm phát sáng Detector nhấp nháy hoạt động dựa trên cơ sở biến đổi các photon phát ra từ chất nhấp nháy do sự kích thích của bức xạ thành tín hiệu điện

Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lý ống đếm nhấp nháy Dải cao áp mà ống đếm nhấp nháy sử dụng thường cao hơn các đầu ghi dạng buồng ion hóa Đầu dò nhấp nháy NaI 2×2 của hãng Canbera sử dụng nguồn cao áp là 1000V Đa số các loại đầu ghi đều hoạt động dựa trên nguồn nuôi cao

áp

Sơ đồ khối cơ bản của một thiết bị ghi đo bức xạ được thể hiện như sau:

Hình1.3: Sơ đồ khối của thiết bị ghi đo bức xạ

Mỗi đầu dò cần một nguồn nuôi cao áp với yêu cầu khác nhau Giá trị cao

áp có thể từ vài trăm vôn đến hàng nghìn vôn Điều quan trong của một nguồn nuôi cao áp cho một đầu dò bức xạ là nguồn nuôi phải thật ổn định Một nguồn cao áp không ổn định có thể làm sai lệch các tín hiệu mà đầu dò ghi nhận được, ảnh hưởng đến sự chính xác của thiết bị

Nguồn điện mà chúng ta đang có là nguồn 220V AC, 50Hz Nguồn nuôi cao áp là 1 thiết bị chuyển đổi từ dòng 220V AC sang nguồn cao áp DC để cấp cho đầu dò hoạt động

1.1.3 Giới thiệu Nguồn nuôi cao áp dải 0-2000v của hãng CANBERRA :

Đây là nguồn nuôi cao áp dùng cho các đầu ghi đo bức xa, được sử dụng rất phổ biến trong các phòng thí nghiệm

Tính năng cơ bản :

- Dải cao áp ± 2000 V , dòng ra 1 mA dc

- Đổ ổn định < 3mV đỉnh đến đỉnh

1.2 Các phương pháp biến đổi điện áp

1.2.1.Biến đổi AC-AC

Đối với dòng điện AC, phương pháp cơ bản để biến đổi điện áp là sử dụng Biến áp

Biến áp cấu tao gồm có các cuộn dây sơ cấp và thứ cấp được quấn lần lượt

𝑛1, 𝑛2 vòng quanh 1 lõi sắt từ

Hình 1.4: Biến áp Biến áp không làm thay đổi tần số của 𝑉𝑖𝑛

Bằng cách thay đổi 𝑛1, 𝑛2 ,ta có thể điều chỉnh được điện áp ra mong muốn

1.2.2 Biến đổi DC-DC

Nguồn điện dân dụng 220V 50Hz vốn cho dòng điện không ổn định Qua

Hình 1.5: Nguồn xung vuông

các mạch chuyện đổi, ta dễ dàng tạo ra các dòng DC có điên áp ổn định hơn,

độ mấp mô trong giới hạn cho phép Các chuyển đổi AC-DC thường cho ta các nguồn điện áp thấp, trong khoảng ±30V Một kỹ thuật được xây dựng để biến đổi từ dòng 1 chiều DC sang dòng DC khác có điện áp thấp hoặc cao hơn, được gọi là DC-DC converter

Từ Nguồn DC điện áp không đổi, ta tạo ra 1 nguồn xung bằng các linh kiên đóng ngắt như transistor hoặc transistor trường FET hoặc MOSFET được điều khiển bằng một mạch dao động Sử dụng các mạch khuếch đại công suất để tăng công suất cho nguồn Nguồn Xung được đưa vào các mạch DC-DC converter để chuyển đổi sang nguồn DC khác Có 3 loại mạch chính, được ứng dụng nhiều là Buck, Boost, FlyBack

a, Biến đổi Buck

Buck converter hay còn gọi là step-down converter là mạch DC DC converter

cơ bản nhất, sử dụng một transistor mắc nối tiếp băm xung điện áp vào, đưa vào

bộ lọc LC trước khi ra tải Diode có nhiệm vụ dẫn dòng liên tục trong cuộn cảm

L Điện áp đầu ra luôn nhỏ hơn điện áp đầu vào

Hàm truyền của Buck converter:

𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑖𝑛 = 𝑇𝑜𝑛

𝑇𝑜𝑛+𝑇𝑜𝑓𝑓 = 𝐷 ( 1 2 )

Hình 1.6: Buck converter

b, Biến đổi Boost

Hình 1.7: Boost Converter

Boost Converter hay còn gọi là Step-up Converter là mạch DC DC converter cơ bản có thể đưa ra điện áp lớn hơn điện áp vào Khóa S được mắc song song với điện áp vào Khi S đóng, năng lượng được tích trữ vào cuộn cảm, đồng thời diode D khóa Khi S khóa, D dẫn và năng lượng này được truyền đến đầu ra Hàm truyền của Boost Converter :

𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑖𝑛 ≡ 1

Hình 1.8: Sơ đồ cơ bản của Flyback Converter

Flyback converter được phát triển từ Buck-Boost Converter, với thành phẩn cuộn cảm tích lũy năng lượng được thay bằng cuộn sơ cấp của máy biến áp Máy biến áp

được đấu ngược đầu như hình vẽ Diode D được nối vào sau cuộn thứ cấp

Phân tích hoạt động của Flyback Converter

Hình 1.9: Mạch tương đương khi S đóng Khi S thông:

Khi khóa S thông, dòng điện chạy qua cuộn sơ cấp máy biến áp Cuộn cảm trong mạch không cho dòng tăng đột ngột mà tăng dần từ Ivalley đến Ipeak theo

tỉ lệ dI/dt = Vin/LP.Với thời gian dẫn là ton, ta có:

(1.4)

Ở phía thứ cấp, do cực Anode của D được nối vào đầu âm của cuộn thứ cấp (máy biến áp mắc ngược) nên D khóa, cuộn thứ cấp không có dòng điện Ta có mạch tương đương như hình 1.9

Lúc này điện áp ra được duy trì nhờ năng lượng tích trữ trên tụ C từ trước,

do đó điện áp phân cực ngược của D:

(1.5) Với N =1/n = N2/N1

Khi S khóa :

Khi S khóa, để đảm bảo không thay đổi dòng đột ngột trên cuộn sơ cấp, điện

áp trên cuộn sơ cấp ngay lập tức bị đảo ngược, và trên cuộn thứ cấp điện áp cũng đảo chiều, dẫn đến việc D phân cực thuận và ta có mạch tương đương sau: Điện áp trên cuộn thứ cấp lúc này bằng điện áp ra Vout và cuộn sơ cấp sẽ cảm ứng một điện ápVr = Vout/N Do đó, điện áp rơi trên cực D và cực S của MOSFET là:

(1.6)

Hình 1.10: Mạch tương đương khi S thông

Vr được gọi là điện áp phản xạ, nhằm nói đến việc điện áp trên cuộn thứ cấp

đã gây ra điện áp trên cuộn sơ cấp Đây cũng là nguồn gốc của cái tên Flyback

Converter

Điện áp trên cuộn sơ cấp làm cho dòng qua nó giảm theo tỉ lệ dI/dt = -Vr/Lp

Do đó ta có:

(1.7)

Kết hợp hai phương trình quan hệ Ivalley và Ipeak ta có:

Đây là hàm truyền đạt của Flyback Converter Nó có dạng tương tự như của

Buck-Boost Converter nhưng thêm hệ số N Việc điều chỉnh D sẽ có thể đưa ra

điện áp ra lớn hoặc bé hơn điện áp vào một cách tùy ý

Flyback Transformer

Biến áp của mạch Flyback không hoạt động như các biến áp thông thường Có

thể thấy cuộn sơ cấp và cuộn thứ cấp không bao giờ cùng dẫn dòng Sự hiện diện

của biến áp ở đây chỉ có ý nghĩa tích trữ năng lượng trên cuộn sơ cấp và cách ly

input/output mà thôi Vì vậy, trong một số chương trình mô phỏng, hoặc để dễ

hiểu, người ta thường vẽ biến áp Flyback như sau:

Hình 1.11: Mạch tương đương của biến áp Flyback

Trong sơ đồ này, biến áp lý tưởng thông thường được sử dụng và cuộn cảm Lms để đại diện cho mặt tích trữ năng lượng của biến áp

Một điểm cần chú ý khác là trong biến áp Flyback chỉ hoạt động trên 1 nửa của đường cong từ hóa B-H nên cần có khe hở không khí lớn để tránh bão hòa

từ Điều này dẫn đến thể tích của biến áp sẽ tăng rất lớn đối với các mạch có công suất cao Đó là một hạn chế của Flyback Converter

Nhờ những ưu điểm như đơn giản, giá thành thấp, an toàn, phù hợp với những ứng dụng dân dụng có công suất không cao và không yêu cầu khắt khe về độ đập mạch nên ta lưa chọn mạch flyback là mạch nguồn nuôi cao áp cho đầu ghi

CHƯƠNG II THIẾT KẾ SƠ ĐỒ CAO ÁP CHO ĐẦU

DÒ 2.1 Phân tích sơ đồ khối

Hình 2.1 Sơ đồ khối của mạch cao áp cho đầu dò

Mạch cao áp cho đầu dò được xây dựng theo kỹ thuật biến đổi điện áp DC

DC converter, dùng kỹ thuật biến đổi Flyback để tạo cao áp

Khối nguồn DC có vai trò tạo ra các điện áp DC khá ổn định từ dòng điện 220V dân dụng Khối nguồn này ngoài chức năng tạo ra các nguồn xung dao động còn dùng để làm nguồn nuôi cấp cho khối khuếch đại công suất, khối ổn

Nguồn xung sau khi đưa qua bộ khuếch đại công suất tiếp tụng được khuếch đại điện áp bằng biến áp xung Biến áp xung làm việc tốt với các nguồn xung

có tần số cao

Khối nhân áp có 2 chức năng, vừa nhân biên độ điện áp ra lên nhiều lần,vừa

có tác dụng san bằng điện áp.Nguồn xung cao áp trở thành nguồn nguồn DC khá ổn định

Do độ mấp mô vẫn còn lớn, Nguồn cao áp sẽ được trích ra một phần đưa về khối ổn áp Khối ổn áp sẽ tham chiếu dòng cao áp, so sách với điện áp chuẩn

để tự động điều chỉnh khối khuếch đại công suất Nếu Uout tăng, khối ổn áp sẽ giảm biên độ xung vào và ngược lại

Khối hiện thị điện áp có như 1 vôn kế, đo dạc nguồn cao áp và hiện thị lên dãy đèn led 7 thanh

2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý

Sơ đồ nguyên lý của nguồn nuôi cao áp dải 0V-1500V được thiết kế như hình 2.2

Hình 2.2 : Sơ đồ nguyên lý

2.2.1 Khối nguồn nuôi

Khối nguồn nuôi có nhiệm vụ cung cấp nguồn DC 12V, ±5V.Nguồn DC 12

sẽ được cấp cho khối tạo dao đông, khối khuếch đại công suất Nguồn DC ±5V dùng đẻ cấp cho Khối hiện thị điện áp

Khối nguồn nuôi sử dụng các IC LM 7812, LM 7805, LM7905

Dòng IC LM 78xx , 79xx là các IC ổn áp thông dung,được ứng dụng rất nhiều cho các mạch nguồn điện áp thấp.Họ LM 78xx cho điện áp dương, LM79xx cho điện áp âm.Về nguyên lý hoạt động, 78xx và 79 tương đối giống nhau.Ta sẽ xem xét cấu tạo của IM7805

LM7805 có 3 chân

-Chân 1: 𝑉𝑖𝑛 Chân nguồn đầu vào

-Chân 2: GND Chân nối đất

-Chân 3: 𝑉𝑜𝑢𝑡 Chân nguồn đầu ra

Hình 2.3: IC LM7805

Về cơ bản, các dòng LM 78xx dùng Diode Zener để ghim điện áp và transistor

để khuếch đại dòng.Vì dùng Diode Zener cho dong điện rất nhỏ ≤ 20mA

Hình 2.4: Sơ đồ lược giản của LM7805 Nguyên lý ổn áp: Thông qua R và transistor, giả sử khi điện áp chân E của Trasistor giảm thì khi đó điện áp 𝑈𝐵𝐸 tăng.Dòng qua Trasistor sẽ tăng → Làm cho điện áp chân E của Trasistor tăng và ngược lại

Sơ đồ thiết kế khối nguồn nuôi được thể hiện như sau:

Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn nuôi Khối nguồn nuôi sử dụng biến áp đối xứng 15V 3A, Mạch chỉnh lưu cầu để

có dòng điện áp nủa chu kỳ +15 V cấp vào chân 1 của LM7805, LM7812 và