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.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN KỸ THUẬT HẠT NHÂN VÀ VẬT LÝ MÔI TRƯỜNG -o0o - 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 Lớp Giáo viên hướng dẫn : Lê Kế Dương : KTHN K56 : ThS Bùi Ngọc Hà Hà Nội - 2017 LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu, chế tạo đồ án tốt nghiệp trung thực chưa sử dụng để bảo vệ học vị Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Sinh viên thực : Lê Kế Dương MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ: GIỚI THIỆU CHƯƠNG I:TỔNG QUAN VỀ NGUỒN CAO ÁP CHO ĐẦU DÒ 1.1 Giới thiệu loại đầu ghi 1.1.1 Đầu dò chứa khí 1.1.2 Đầu dò nhấp nháy 1.1.3 Giới thiệu Nguồn nuôi cao áp dải 0-2000v hãng CANBERRA : 1.2 Các phương pháp biến đổi điện áp 1.2.1.Biến đổi AC-AC 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 thị 39 CHƯƠNG III: LẮP RÁP, HOÀN CHỈNH SẢN PHẨM 41 3.1 Lắp ráp 41 3.2 Đánh giá sản phẩm cuối 45 KẾT LUẬN 48 TÀI LIỆU THAM KHẢO 49 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, VIẾT TẮT - AC : dòng điện xoay chiều - DC : dòng điện chiều DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ: Hình 1.1: Cấu tạo buồng ion hóa…………………………………… Hình 1.2: Sơ đồ ngun lý ống đếm nhấp nháy……………………… Hình 1.3: Sơ đồ khối thiết bị ghi đo xạ……………………… Hình 1.4: Biến áp………………………………………………………9 Hình 1.5: Nguồn xung vng………………………………………….10 Hình 1.6: Buck converter………………………………………………12 Hình 1.7: Boost converter………………………………… …………13 Hình 1.8: Sơ đồ Flyback Converter………………….…….14 Hình 1.9: Mạch tương đương S đóng…………………………… 15 Hình 1.10: Mạch tương đương S thơng……………………………16 Hình 1.11: Mạch tương đương biến áp Flyback………………… 18 Hình 2.1 Sơ đồ khối mạch cao áp cho đầu dò…………………….19 Hình 2.2 : Sơ đồ ngun lý…………………………………… …….21 Hình 2.3: IC LM7805………………………………………………….23 Hình 2.4: Sơ đồ lược giản LM7805 ………………………………24 Hình 2.5: Sơ đồ nguyên lý khối nguồn ni………………………… 24 Hình 2.6: Cấu trúc bên TL494………………………………….26 Hình 2.7: Trạng thái xung TL494…………………………………….28 Hình 2.8: Sơ đồ ngun lý Mạch tạo dao động……………………….29 Hình 2.9: Dạng sóng đầu chân 10…………………………….29 Hình 2.10: Cấu trúc LM723………………………………………….30 Hình 2.11: Sơ đồ ngun lý khối nguồn ni điều chỉnh … .31 Hình 2.12: Khối Khuếch đại cơng suất ………………………… .32 Hình 2.13 : Dạng xung Transistor Q1 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 bảng mạch dán .42 Hình 3.3: Quá trình hàn mạch kiểm tra 43 Hình 3.4: Khối cấp nguồn ±5V, 12V 44 Hình 3.5: Sản phẩm cuối 44 Hình 3.6: Điện áp khối cấp nguồn ±5V, 12V .45 Hình 3.7: Xung chân chân 10 khối tạo dao động 46 Hình 3.8: Điện áp sau phân áp 1000 lần .47 GIỚI THIỆU Phần lớn đầu ghi xạ sử dụng nguồn cao áp để hoạt động Chất lượng nguồn nuôi cao áp ảnh hưởng đến trực tiếp đến khả ghi đo xạ đầu ghi xạ Vì nguồn ni cao áp cho đầu dò khối quan trọng thiết bị ghi đo xa Đây lý sinh viên chọn đề tài ‘Nghiên cứu chế tạo nguồn ni cao áp dải 0V÷1500V cho đầu ghi xạ’ làm đồ án tốt nghiệp Nhiệm vụ sinh viên nghiên cứu kỹ thuật sử dụng để chế tạo nguồn cáo áp, thiết kế chế tạo nguồn cao áp thực tế sử dụng cho đầu ghi xạ Nội dung đồ án gồm có chương Chương trình bày tổng quan nguồn cao áp cho đầu dò Trong giới thiệu loại đầu ghi, phương pháp biến đổi điện áp sử dụng để tạo nguồn cao áp Chương phần thiết kế nguồn ni cao áp, phân tích ngun lý hoạt động khối nằm nguồn cao áp, tính tốn số thơng số Chương mơ tả q trình lắp ráp mạch , đo đạc kết sản phẩm cuối Đồ án sinh viên hướng dẫn tận tình giáo viên hướng dẫn Thạc sĩ Bùi Ngọc Hà thực Phòng thí nghiệm, Viện Vật lý hạt nhân kỹ thuật môi trường CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VỀ NGUỒN CAO ÁP CHO ĐẦU DÒ 1.1 Giới thiệu loại đầu ghi Đầu ghi xạ thiết bị chế tạo để phát hiện, đo đếm tia xạ Các đầu dò kết hợp với phận khác để tạo nhiều thiết bị máy đo liều, thiết bị quan trắc cảnh báo phóng xạ mơi trường, máy phân tích phổ lượng xa,… Nguyên lý hoạt động hầu hết detector đo xạ dựa tương tác tia xạ với vật chất ion hóa kích thích nguyên tử vật chất Đầu dò chế tạo nhiều kỹ thuật khác phù hợp với mục đính sử dụng tính kinh tế Phân loại đầu dò 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 buồng ion hóa mơ tả hình Hình 1.1: Cấu tạo buồng ion hóa Nguyên tắc ghi xạ detector chứa khí dựa vào tượng ion hố xảy mơi trường chất khí xạ vào detector Hạt xạ phần lượng dw chất khí điện cực buồng tạo N cặp điện tích với điện tích tồn phần 𝑄 = ±𝑁𝑒 Do có điện trường hai điện cực, hạt tích điện chuyển động điện cực tương ứng tạo nên dòng Ik mạch ngồi Điện trường buồng ion hoá tỉ lệ với hiệu điện ngồi Uk điện trường cần phải đủ lớn để loại bỏ tái hợp hạt điện tích đủ nhỏ để triệt tiêu hiệu ứng, dẫn tới gia tăng số lượng hạt mang điện tự phát ion hoá va chạm Điện trường buồng ion hóa tạo từ nguồn ni cao áp điều chỉnh Tùy theo thiết kế mà buồng ion hóa chọn từ dải 200V đến 2000V 1.1.2 Đầu dò nhấp nháy Tương tác xạ với vật chất ngồi gây ion hố ngun tử phân tử dẫn tới kích thích chúng Kết kích thích làm phát sáng Detector nhấp nháy hoạt động dựa sở biến đổi photon phát từ chất nhấp nháy kích thích 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 đầu ghi dạng buồng ion hóa Đầu dò nhấp nháy NaI 2×2 hãng Canbera sử dụng nguồn cao áp 1000V Đa số loại đầu ghi hoạt động dựa nguồn nuôi cao áp 35 Tuy nhiên, theo thiếtkế, mạch có cuộn sơ cấp quấn ngược Mỗi nửa chu kỳ cuộn thứ cấp thay làm việc Hàm truyền đạt toàn mạch là: 𝑉𝑜𝑢𝑡 𝑉𝑠𝑒𝑐 2𝑁𝑡𝑜𝑛 2𝑁𝐷𝑇𝑠𝑤 2𝑁𝐷 = = = = (1 − 𝐷)𝑇𝑠𝑤 − 𝐷 𝑉𝑖𝑛 𝑉𝑎𝑑𝑗 𝑡𝑜𝑓𝑓 (2.8) Ta có D=0.5 N=40 , suy ra: 𝑉𝑠𝑒𝑐 × 40 × 0.5 = = 80 𝑉𝑎𝑑𝑗 − 0.5 (2.9) 2.2.5 Mạch nhân áp Mạch nhân áp thiết kế để nhân lần điện áp Hình 2.14 : Mạch nhân áp Nguyên lý hoạt động: Điện áp qua biến áp điện áp xoay chiều Ở nửa chu kỳ, dòng điện tích điện cho tụ Xét nửa chu kỳ đầu tiên, giả sử nửa chu kỳ điện áp từ cuộn thứ cấp có điện áp âm (𝑉𝑠𝑒𝑐 ≤ 0) Lúc cực mass cuộn thứ cấp cực dương, dòng điện từ 36 cực mass, qua điốt D1 nạp cho tụ C6 Tụ C6 tích điện có mức điện áp 𝑉𝑠𝑒𝑐 Đến nửa chu kỳ tiếp theo, cực mass trở thành cực âm, Dòng điện theo chiều ngược lại qua tụ C6, điốt D2 , qua C7 trở mass Lúc tụ C7 nạp từ nguồn 𝑉𝑠𝑒𝑐 tụ C6 nạp trước đó, C7 nhận mức điện áp 2𝑉𝑠𝑒𝑐 Tiếp theo đến nửa chu kỳ thứ 3, dòng điện qua tụ C7, điốt D3, tụ C8 C6 Dòng điện khơng qua điốt D1 C6 tích điện áp 𝑉𝑠𝑒𝑐 nên 𝑈𝐷1 = Tụ C8 tích điện C6 nhận mức điện áp 2𝑉𝑠𝑒𝑐 Tương tự thế, vào nửa chu kỳ thứ 4, tụ C9 tích điện 2𝑉𝑠𝑒𝑐 Nguồn cao áp lúc lấy nhờ tích trữ lượng tụ C7 C9, 4𝑉𝑠𝑒𝑐 Đơn giản hơn, nguyên lý hoạt động mạch nhân áp biểu diễn hình 2.15 Hình 2.15 : Nguyên lý hoạt động mạch nhân áp Về thiết kế, ta chọn điốt có khả làm việc với điện áp cao 1N4007, tụ cao áp có trị số cao tốt để giảm dung kháng, làm tăng nội trở nguồn Chọn tụ cao áp 10nF Nguồn cao áp HV sau qua nhân áp tăng lên lần Ta có : 𝐻𝑉 𝑉𝑠𝑒𝑐 =4 = × 80 = 320 𝑉𝑎𝑑𝑗 𝑉𝑎𝑑𝑗 (2.10) Hay: HV = 320.𝑉𝑎𝑑𝑗 (2.11) 37 Nguồn Điện áp nuôi 𝑉𝑎𝑑𝑗 điều chỉnh dải 0V ÷ 10V , ta có nguồn cao áp điều chỉnh dải 0V ÷ 3200 V Tuy nhiên, thiết kế chưa tính đến sụt áp nguồn, cơng suất khối cấp nguồn yếu, làm giảm hệ số khuếch đại điện áp nguồn cao áp 2.2.6 Ổn áp Nguồn cao áp xuất độ mấp mơ điện áp định Ngun đến từ bên ngồi dòng điện đầu vào không ổn đinh Hoặc vấn đề nội mạch điện dung ký sinh, mạch RC làm xuất thông cao, Việc ổn áp cho nguồn cao áp quan trọng Phương pháp chung việc ổn áp trích phần dòng cao áp mạch phân áp, đưa so sánh với điện áp chuẩn Sự sai lệch điện áp chuyển thành tín hiệu để thay đổi nhằm ổn định mạch Có thể tác động đến độ rộng xung, tần số, biên độ xung Trong phần thiết kế này, ta chọn thay đổi biên độ xung để ổn áp Thay đổi biên độ xung điều chỉnh nguồn cấp cho transistor đóng ngắt 𝑉𝑎𝑑𝑗 Thiết kế ổn áp mô tả hình : 38 Hình 2.16 : Khối ổn áp R9, R10, R11, R12 có chức phân áp cho nguồn HV Theo lý thuyết: Do 𝐻𝑉 = 320 𝑉𝑎𝑑𝑗 (2.12) nên hệ số phân áp để có điện áp tham chiếu 𝑉𝑟𝑒𝑓 vào cỡ 𝑉𝑎𝑑𝑗 : 𝑠= 𝑉𝑟𝑒𝑓 𝑅9 = 𝐻𝑉 𝑅9 + 𝑅10 + 𝑅11 + 𝑅12 (2.13) Theo lý thuyết s = 320 ,tuy nhiên ta lấy s thực nghiệm sau xác định trở cho mạch phân áp 𝑉𝑟𝑒𝑓 sau phân áp đưa chân để tham chiếu Nếu HV tăng, Vref tăng, IC LM723 so sánh đưa tin hiệu điều chỉnh giảm 𝑉𝑎𝑑𝑗 từ 39 giảm HV Nếu HV giảm ngược lại Như nguồn HV điều chỉnh để điện áp trì giá trị ổn định 2.2.7 Khối thị ICL 7107 IC có chức chuyển đổi tín hiệu tương tự thành tín hiệu số, điều khiển led ICL 7107 sử dụng để thiết kế khối thị nguồn cao áp Mạch thiết kế hình 2.17: R19, R20 có chức phân áp cho HV R19, R20 chọn phải đủ lớn có hệ số phân áp khoảng 1000 lần Chọn R19 = 2MΩ , R20 = 1KΩ Hiệu chỉnh biến trở R17 để đạt thông số đo xác ICL 7107 sử dụng nguồn nuôi ± 5V DC Nguồn +5v cấp vào chân nguồn -5V cấp vào chân 26 ICL 7107 đèn Led chon loại led catot 40 Hình 2.17 : Sơ đồ thiết kế khối hiển thị 41 CHƯƠNG III: LẮP RÁP, HOÀN CHỈNH SẢN PHẨM 3.1 Lắp ráp Sản phẩm lắp ráp hoàn thiện Phòng thí nghiệm, Viện kỹ thuật hạt nhân vật lý môi trường Khối thị điện áp sử dụng ICL7107 tiến hành lắp ráp trước Sau tới khối tạo dao động, mạch nguồi nuôi thay đổi được, tự quấn biến áp xung, khối khuếch đại công suất, nhân áp, Biến áp xung tự quấn tiến hành đo đạc: Hình 3.1 Biến áp xung tự quấn 42 Lắp thự nghiệm bo mạch cắm trước: Hình 3.2: Lắp ráp bảng mạch dán 43 Tiến hành hàn linh kiện vào bảng mạch: Hình 3.3: Quá trình hàn mạch kiểm tra 44 Lắp thêm khối nguồn ni ±5V, 12V đóng hộp: Hình 3.4: Khối cấp nguồn ±5V, 12V Hình 3.5: Sản phẩm cuối 45 3.2 Đánh giá sản phẩm cuối Hình 3.6: Điện áp khối cấp nguồn ±5V, 12V Điện áp thực tế : Nguồn +5V 4,799 V Nguồn -5V -5.421 V 46 Nguồn 12V 11.74 V Xung lối chân chân 10 khối tạo dao động: Hình 3.7: Xung chân chân 10 khối tạo dao động Kiểm tra thực tế cho thấy, khối cấp nguồn 𝑉𝑎𝑑𝑗 cho điện áp điều chỉnh dải 0.6V ÷ 6.8 V Dải điện áp HV điều chỉnh dải 140 V ÷ 1680V Hệ số khuếch đại điện áp mà mạch thực tế ghi nhân HV= 247 𝑉𝑎𝑑𝑗 Trong lý thuyết HV= 320 𝑉𝑎𝑑𝑗 Phân áp nguồn HV xuống 100 lần để xét độ mấp mơ điện áp.Xung hình 3.5 Độ mấp mô: ∆𝐻𝑉 ∆𝑉𝑘 𝑉𝑝 − 𝑉𝑘 4.680 − 4.633 = = = = 1,01% 𝐻𝑉 𝑉𝑘 𝑉𝑘 4.633 (3.1) Trong : Vk điện áp trung bình HV sau phân áp 47 Vp điện áp đỉnh HV sau phân áp Hình 3.8: Điện áp sau phân áp 1000 lần Nuồn cáo áp chế tạo đạt kết quả: - Đều chỉnh dải 140V÷1500V - Độ mấp mô điện áp khoảng 1% 48 KẾT LUẬN Thực đồ án tốt nghiệp đề tài ‘Nghiên cứu chế tạo nguồn ni cao áp dải 0V÷1500V cho đầu ghi xạ’ giúp sinh viên nắm số phương pháp chế tạo nguồn cao áp ứng dụng nhiều Sinh viên chế tạo nguồn cao áp điều chỉnh dải 140V÷1500V, độ mấp mơ điện áp khoảng 1% Tuy có dải hoạt động chưa đạt so với thực tế sản phẩm hồn tồn sử dụng để dùng cho số đầu ghi xạ buồng ion hóa, ống đếm tỷ lệ Những hạn chế khắc phục có thời gian thực Đây tiền đề để sinh viên nghiên cứu phương pháp khác để chế tạo nguồn cao áp chất lượng tốt 49 TÀI LIỆU THAM KHẢO Võ Minh Chính, Phạm Quốc Hải, Trần Trọng Minh (2008), Điện tử công suất, NXB KH&KT Trần Trọng Minh (2012), Giáo trình Điện tử cơng suất, NXB Giáo dục Việt Nam Ngô Tiến Phán, Giáo trình Điện tử Hạt nhân, Đại học Bách khoa Hà Nội ... ĐOAN Tôi xin cam đoan số liệu kết nghiên cứu, chế tạo đồ án tốt nghiệp trung thực chưa sử dụng để bảo vệ học vị Hà Nội, ngày tháng năm 2017 Sinh viên thực : Lê Kế Dương MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ... thị điện áp có vơn kế, đo dạc nguồn cao áp thị lên dãy đèn led 2.2 Thiết kế sơ đồ nguyên lý Sơ đồ nguyên lý nguồn nuôi cao áp dải 0V-1500V thiết kế hình 2.2 21 Hình 2.2 : Sơ đồ nguyên lý 23 2.2.1... đầu ghi xạ’ làm đồ án tốt nghiệp Nhiệm vụ sinh viên nghiên cứu kỹ thuật sử dụng để chế tạo nguồn cáo áp, thiết kế chế tạo nguồn cao áp thực tế sử dụng cho đầu ghi xạ Nội dung đồ án gồm có chương