Stavíme měřič radioaktivity s Geiger-Müllerovou trubicí (část 2/3)

První praktické kroky pro stavbu detektoru/měřáku radioaktivity s Geiger-Müllerovou trubicí.

Toto je druhá část textu. První díl.

---

Kde vzít G-M trubici?

Spousta jich najdete na ebay.

Nebo si můžete na banggood koupit za necelých 600 Kč hotový modul, v němž trubice je také.

V čechách má ještě nějaké trubice Danyk.

---

Jak postavit zdroj 400 V pro trubici?

Tohle je z hlediska výuky nejzajímavější část.

Vstupní požadavky:

• Napájení 5 V z powerbanky.
• Nechci motat transformátor – máme tu hejno různých transformátorů z CFL „žárovek“, z různých LED zdrojů a jiné demontované elektroniky. Určitě nějaký půjde použít.
• Zdroj by měl být efektivní, s malou spotřebou.
• Měl by být samo-nastavovací: nechci, aby tam byl trimr, kterým musí uživatel při oživování ručně nastavit napětí na trubici –  to je dlouhodobě nestabilní řešení.

Většina schémat, na která narazíte, zejména schémata pro nízké napájecí napětí (typicky jedna 1.5 V baterie), používají blokující oscilátor s transformátorem se dvěma primárními vinutími.

Odkazy na ukázková schémata:

• danyk – se zpětnou vazbou a zenerkami
• microgeiger (anglicky) – bez zpětné vazby (= vyšší spotřeba), zenerky pro správné napětí
• hawelson – bez zpětné vazby a bez nastavení napětí zenerkami (to už se mi nelíbí)

Jako jo, blokující oscilátor je krásný svou jednoduchostí a efektivitou. Jenže je to trochu černá magie – je to citlivé na kombinaci parametrů transformátoru, spínacího transistoru, délky a kapacity přívodů. Postavíte na kontaktním poli, funguje. Postavíte podruhé, nekmitá. Vyměníte součástky, kmitá. Dáte tam původní, kmitá taky. Uděláte plošný spoj, osadíte …. a nekmitá.

Navíc se nám vícekrát stalo, že rezonanční frekvence vzniklého oscilátoru byla ve slyšitelném pásmu. Slaboučké vysoké pískání … tak tudy cesta nevede.

Po několika iteracích mne to přestalo bavit a rozhodl jsem se, že použijeme hrubé násilí. Takže když chci, aby oscilátor kmital vždy, nebudu čekat, až se rozkmitá sám. 555 to the rescue!

Nakonec jsme opustili i napěťový násobič zařazený za transformátorem u většiny ze schemat, a udělali tam nejjednodušší čtyřdiodový usměrňovač. Výsledek:

Dioda D4 na vstupu zajišťuje, aby se rušení vzniklé ve zdroji nešířilo přes napájení do ostatních částí měřiče.

Následuje klasický oscilátor s 555 (transistoru T1 si nyní nevšímejte). Frekvence může být kdekoli v řádu 30-60 kHz. Oscilátor svým výstupem řídí MOSFET Q1, který spíná primární vinutí transformátoru.

Může být použit libovolný transformátor se dvěma vinutími s poměrem zhruba 1:100.  Transformátor by měl mít feritové jádro – transformátory s jádrem z plechů na těchto frekvencích nejsou schopny pracovat. My použili transformátor se dvěma primárními vinutími (původně pro blokující oscilátor) z budiče CFL (kompaktní zářivka), jedno vinutí jsme nechali nezapojené.

Za transformátorem je usměrňovač a za ním kondenzátor 100 n/600 V.

Sada zenerek vybraných tak, aby měly dohromady 400 V, funguje jako zpětná vazba. Jakmile napětí na výstupu dosáhne 400 V, zenerky se otevřou, začne jimi téct proud do transistoru T1 a ten vypne oscilátor (změní pracovní bod komparátoru tak, že přestane kmitat).

Jak ověřit, že obvod funguje?

Připojíte multimetr na výstup … a naměříte třeba 120 V, asi to nefunguje? Je potřeba si uvědomit, že ten zdroj je strašně měkký (tedy pokud nepoužijete transformátor s tlustými dráty a výkonový MOSFET). Takže napětí nejde změřit běžným multimetrem – odběr proudu multimetrem je takový, že napětí klesne.

Předpokládám, že multimetr se vstupním odporem >10 M nemáte. Dá se to vyřešit tak, že zapojíte sériově několik běžných multimetrů (u nás stačily dva) a sečtete naměřené hodnoty. Nebo si uděláte měřící sondu 1:11 ze sériově zapojených odporů 1 M a 10 M a naměřené napětí na 1 M odporu vynásobíte 11x.

No a nebo můžete měřit jen vedlejší projevy. To je nejjednodušší. Je na to potřeba osciloskop. Pokud není dosaženo cílového napětí, výstup oscilátoru (nožička 3 u 555) kmitá pravidelně.  Jakmile je na výstupu dosažené správné napětí, zpětná vazba začne vypínat oscilátor. Oscilace začne být nepravidelná. Vypadá to třeba takto:

Pokud tedy oscilátor kmitá nepravidelně, vyhráli jste, na výstupu je 400 V (a není to potřeba měřit napřímo).

POZOR! Pokud to funguje, je na výstupním kondenzátoru 400 V a je tam i dlouho po vypnutí napájení. Dávejte si pozor, ať na obvod nesáhnete při práci; a pokud s ním po vypnutí potřebujete manipulovat, nejprve vývody kondenzátoru zkratujte např. šroubovákem s izolovanou rukojetí. Kapacita kondenzátoru je malá, člověku bez problémů se srdcem by případné sáhnutí nemělo ublížit, ale stejně to bolí.

Bottom line: Pokud byste si stejně chtěli spíše postavit blokující oscilátor, koukněte na toto schéma. Autor používá mírně odlišné schema blokujícího oscilátoru, kde řídící vinutí je sekundární. A detailně to tam vysvětluje. Zajímavý text.

---

Detektor a tvarovač signálu

V této části je naše schéma zbytečně složité, protože původně jsme tam měli zapojeno ještě něco jiného a pak už jsme tuto část obvodu neměnili. Transistory T2 a T3 by se daly vynechat – Danyk zapojuje měřící odpor do 555 napřímo a určitě to je fungující cesta, inspirujte se u něj.

555 je zapojena jako schmittův klopný obvod, tedy vnáší do obvodu hysterezi. Proč? Protože testovací zapojení nám počítalo každý impulz minimálně dvakrát. Při pohledu osciloskopem to bylo vidět takto:

Vlevo je průběh na měřícím odporu. Zvlnění je způsobené pronikajícím rušením z vysokonapěťového zdroje. Vodorovná červená čára je pravděpodobná rozhodovací hladina komparátoru. Takže po správném zpracování impulsu pak následující „vlnka“ rušení ještě překročila limit a byl načten ještě jeden krátký impuls.

Výstup z 555 máme napěťovým děličem zmenšen tak, aby se dal použít pro digitální vstup mikrokontroléru ESP-32, který používá 3.3V logiku.

---

Pokračování: Třetí díl.