Patent (1980): Zasilacz do fotopowielacza o znikomym poborze mocy

 Patent (1980): Zasilacz do fotopowielacza  o znikomym poborze mocy

 Zasilacze wysokiego napięcia HV prądu stałego małej mocy są masowo stosowane w odbiornikach telewizyjnych kolorowych i czarno białych. Są też stosowane w oscyloskopach, które są najbardziej uniwersalnym przyrządem pomiarowym oraz do zasilania lamp Geigera Millera w rentgenoradiometrach oraz do zasilania fotopowielaczy. Używane są też w urządzeniach testowych w produkcji półprzewodników. Używane są w noktowizorach we wzmacniaczach obrazu.
Blok odchylania poziomego H-Out wytwarzający także wysokie napięcie dla anody kineskopu kolorowego jest najdroższym w całym odbiorniku TVC. Decyduje on o poborze mocy i niezawodności odbiornika.

W odbiorniku telewizyjnym szerokość obrazu przy stałym napięciu zasilania systemu H-Out jest odwrotnie proporcjonalna do napięcia anodowego. Ponieważ oporność wewnętrzna źródła HV jest duża im większy jest prąd kineskopu czyli jasność obrazu tym jest on szerszy. Przykre zjawisko to zaobserwowano już odbiornikach czarno – białych z napięciem anodowym 12-18 kV ale maksymalny pobór prądu do 200 uA nie stwarzał jeszcze wielkich problemów. Natomiast w odbiornikach TVC z lampowym stopniem H-Out i lampowym prostownikiem HV zjawisko to przy Ia przekraczającym 1 mA  zwalczano pobierając sumarycznie stały prąd przez kineskop i specjalną triodę obciążenia HV. Dużych wymiarów trioda oprócz potężnej emisji ciepłą emitowała też promieniowanie rentgenowskie X. Toteż w kolejnej generacji zastosowano drogi powielacz napięcia anodowego. Transformator odchylania poziomego i HV dostarczał powielaczowi znacznie mniejszego napięcia zmiennego co skutkowało konstrukcyjnie znacznym zmniejszeniem rozmiaru uzwojenia HV oraz indukcyjności rozproszenia oraz pojemności rezonansowej uzwojenia HV czyli finalnie zmniejszeniem oporności wewnętrznej źródła HV.
Nowością jest transformator FBT z uzwojeniem HV podzielonym na szeregowe części dla napięcia stałego (ale nie zmiennego dla którego pracują równolegle )  z diodami po każdym uzwojeniu. W istocie częstotliwość rezonansowa takiego złożonego uzwojenia nie odbiega mocno od pojedynczego uzwojenia na napięcie 1/3 pełnego. Zastosowanie tego doskonałego rozwiązania wymaga opanowania masowej produkcji szybkich diod wysokiego napięcia ( struktur diod na sobie jest ponad 12 ) w małych obudowach mogących pracować z podwyższoną temperatura w uzwojeniu FBT.   
 
Pierwszy fotopowielacz, taki jako obecnie znamy, skonstruowano w 1937 roku w laboratoriach koncernu RCA, który przez długi okres czas praktycznie monopolizował badania i produkcje. RCA szeroko udostępnił książkę ( Photomultiplier Handbook  ) będąca na lata kompendium wiedzy o fotopowielaczach.
Dużą popularność zdobył niedrogi 9 dynodowy fotopowielacz typu 931 firmy RCA wprowadzony w latach czterdziestych. Następnie był i jest produkowany we wszystkich cywilizowanych krajach świata. Ma on wzmocnienie do 1000 000 razy i umiarkowane maksymalne napięcie zasilania 950V. W oryginalnym układzie zasilania szeregowym elementem regulacyjnym zasilacza była pentoda EL81. Zasilacz był ciężki, drogi i energożerny. Napięcie zasilania egzotycznych  fotopowielaczy sięga 2300 V ale z reguły wynosi do 1200 V.
Typowy fotopowielacz ma czas odpowiedzi w granicach 1.5-15 ns ale są tez typy szybsze. Jest niskoszumny i w tym względzie nie do pobicia. Na jedna dynodę nominalnie przypada do ca 150V napięcia.
Fotopowielacz jest stosowany w dalmierzach laserowych dalekiego zasięgu, różnych spektrometrach, mikroskopii, przeróżnych urządzeniach pomiarowych, medycynie ( z filtrami optycznymi w analizatorach krwi ) i skanerach telewizyjnych. Jest koniem roboczym atomistyki i fizyki cząstek.

Producenci często proponują dwa dzielniki do niektórych (!) swoich fotopowielaczy. Dzielnik A daje maksimum wzmocnienia i 1% liniowość dla dużego impulsowego prądu wyjściowego 20 mA. Dzielnik B jest optymalny dla szybkości i próg 1% liniowości ma przy impulsowym prądzie wyjściowym 80mA. Dzielnik B wymaga jednak napięcie wyższego o 10 % niż dzielnik A.
Średnia wartość prądu wyjściowego fotopowielacza jest często w zakresie mikroamperowym.

Maksymalna oporność rezystorów dzielnika wynika  z wielkości prądu wyjściowego fotopowielacza. W zastosowaniach impulsowych dzielnik jest zablokowany kondensatorami. Dla polepszenia liniowości dzielnik może być zbuforowany wtórnikami emiterowymi.
W dzielniku rezystorowym wydziela się niebagatelna moc a podgrzewanie fotopowielacza jest szkodliwe. Rezystory muszą być stabilne czyli drogie.

W dalmierzu laserowym promień lasera impulsowego przez układ optyczny kierowany jest na obiekt. Odbity strumień promieniowania poprzez układ optyczny trafia na katodę fotopowielacza. Za fotopowielaczem umieszczamy wzmacniacz szerokopasmowy który komparatorem uruchomi bramkę dla licznika zliczającego czas od emisji impulsu lasera do powrotu promieniowania odbitego Układ Automatycznej Regulacji Wzmocnienia ustala napięcie zasilania fotopowielacza na takim poziomie aby szumy zawsze istniejącego promieniowania tła nie otwierały za często bramki. Z kolei napięcie na pierwszej czy pierwszych dynodach fotopowielacza po impulsie lasera stopniowo podnosimy ( w istocie podnosimy wzmocnienie tak samo jak w radarach impulsowych) tak jak wzrasta tłumienia toru optycznego do i z obiektu. Przy dużych odległościach szumy są już podobne jak słabieńki impuls odbity. Toteż przy każdym otwarciu bramki licznik przepisuje dane do pamięci procesora.
W czołgowym dalmierzu laserowym strzelec przy dalekim obiekcie może sobie szybko wybrać jeden z trzech wyników pomiarów lub ustawić zakres automatycznej preselekcji, po jednym impulsie lasera, który uważa za najbardziej prawdopodobny. Komputer momentalnie właściwie ustawi serwomechanizm armaty na podstawie pomiaru odległości, temperatury, wilgotności, siły i kierunku wiatru oraz położenia kadłuba czołgu i wektora jego prędkości. Strzelenie do poruszającego się dalekiego obiektu jest trudniejsze ale możliwe z właściwym programem komputera pętli regulacji.

Wzmocnienie fotopowielacza bardzo mocno zależy od napięcia zasilania. Wolną  regulacje wzmocnienia przeprowadza się zmieniając napięcie zasilające a szybką regulacje przeprowadza się regulując napięcie na ostatniej czy ostatnich dynodach i celowo wprowadza silną asymetrię tych napięć co daje silną redukcje wzmocnienia.
Zwróćmy uwagę że także czułość Widikonu reguluje się napięciem stałym przyłożonym do jego płytki sygnałowej.

Fotopowielacze są bardzo użyteczne w przenośnych przyrządach pomiarowych. Koszt energii z baterii czy akumulatora jest bardzo wysoki na tle energii z sieci energetycznej. Urządzenie nie powinno też być ciężkie. Fotopowielacze są używane w przyrządach umieszczonych na satelitach gdzie energia elektryczna i waga jest szczególnie droga.

Pożądana „sztywność” napięć z prostowników HV jest tym lepsza im mniej zwoi i mniejszą grubość ma uzwojenie wtórne. Z jednej strony maleje indukcyjności rozproszeni a z drugiej jego pojemność dająca szkodliwe rezonanse.
Robocza wielkość indukcji rdzenia ferrytowego jest duża przy symetrycznym prądzie bez podmagnesowania rdzenia i najmniej 2 razy mniejsza przy pracy z podmagnesowującym prądem stałym ( jak układ Flyback) na częściowej pętli histerezy.
Zatem konieczna jest praca z symetrycznym napięciem i bez składowej stałej prądu.

W PROPONOWANYM i sprawdzonym rozwiązaniu transformatorek HV ma dzielone uzwojenie wtórne tak jak innowacyjny FBT w TVC ale pracuje z napięciami symetrycznymi i z każdego uzwojenia powstają w prostownikach dwa identyczne z przeciwnymi znakami  napięcia. Ponieważ w prostownikach nie ma żadnych przepięć komutacyjnych stosowane mogą być bardzo szybkie diody na niewielkie napięcia co daje bardzo wysoka sprawność.

 Gdy fotopowielacz potrzebuje 10 napięć stosujemy 5 uzwojeń wtórnych z prostownikami pojemnościowymi. Ponieważ kondensatorki pracują przy niewielkich napięciach są rozmiarami małe i tanie. Współbieżność napięć na prostownikach pod obciążeniem fotopowielaczem jest zdumiewająco dobra pod warunkiem że kolejne uzwojenia wtórne w stosunku do uzwojenia pierwotnego są coraz bardziej oddalone przy coraz mniejszych prądach dynod. Napięcia stałe (!) między kolejnymi uzwojeniami wtórnymi są niewielkie i nie jest wymagana ekstra izolacja.
Nie są stosowane dzielniki rezystorowe i nie ma strat mocy.
Rezystor próbkujący napięcie ( z pierwszego od GND prostownika) dla pętli stabilizacji napięcia musi mieć dużą wartość aby niepotrzebnie nie pobierać mocy. 
Tranzystory w zasilającym uzwojenie pierwotne samo-oscylującym układzie przeciwsobnym są załączane tylko przez około 60% swojej połowy cyklu aby z kondensatorem rezonansowym C ( uzwojenie pierwotne jest bifilarne dla minimalizacji indukcyjności rozproszenia ) między kolektorami powstawało gładkie, spłaszczone quasi-sinusoidalne napięcie bez wzbudzania harmonicznych w uzwojeniach wtórnych. Napięcie dla przetworniczki może być regulowane ciągle lub impulsowo co wobec bardzo małego poboru mocy i płytkiej regulacji nie ma większego sensu.
Tam gdzie fotopowielacz pracuje z bardzo małym prądem możliwa jest praca przetworniczki  impulsami co jakiś czas. Czas przerwy jest odwrotnie proporcjonalny do średniego prądu wyjściowego powielacza. 
Pojemność kondensatorów prostowników musi być wybrana kompromisowo jako że przy zmniejszaniu napięcia obciążeniem jest tylko obciążający prąd upływu diod i prąd pobierany przez fotopowielacz który może być bliski zeru.
Ilość dynod fotopowielacza jest ograniczona ilością wyprowadzeń dla uzwojeń stosowanego karkasu transformatorka.
Pracujący układ jest kompletnie zimny a pobór prądu jest znikomy.
Transformatorek z diodami i kondensatorkami może być umieszczony na podstawce zamiast dzielnika rezystorowego. W tym wypadku aby oszczędzić na liczbie przewodów połączeniowych trzeba zastosować inną przetworniczkę ( półmostek lub mostek ) z pojedynczym uzwojeniem pierwotnym transformatorka.