Schaltung mit SBM-20 Zählrohr

[DO1MUE]

Hallo,

der ein oder andere erinnert sich vielleicht noch an meinen letzten Thread in diesem Sub-Forum.

Hab ein bißchen was erweitert, und ich denke das rechtfertigt ein neues Thema (da ich nun auch komplett zu SBM-20 Rohr gewechselt bin).

Kurzdemo:

https://youtu.be/1Dynqv0Iu4U

Technisches Konzept ist immer noch dasselbe, aber ich werde mich beizeiten mal mit den Vorschlägen von DG0MG auseinandersetzen (Impulse an der Anode abnehmen, Spannungsstabilisierung etc.; danke übrigens auch für deine Antwort im Thread "Anfangsspannung").

Nun, wie man im Video hört die Spule fiept recht störend. Gibt es da eine mögliche Abhilfe?

Auch mit den LEDs gefällt mir noch nicht so sehr. Die Impulse sind sehr kurz (ungefähr 0.3ms). Da kann ich aber vielleicht in der SW was drehen. Momentan gehe ich den Weg über IRQs; ist ein C-Programm auf einem Raspberry Pi Pico µC welcher sowohl die PWM erzeugt wie auch "zählt".

Mehr Details gibt es hier:

https://hackaday.io/project/184266-geiger-counter-with-z1a-or-sbm-20-tube

Grüße und schönen Sonntag

[DG0MG]

Nun, wie man im Video hört die Spule fiept recht störend. Gibt es da eine mögliche Abhilfe?

Ich hör' zwar nichts, aber es ist ist technisch sowieso nicht mehr "best practice", die Hochspannungserzeugung dauerhaft durchlaufen zu lassen. Bestes Beispiel ist ein batteriebetriebenes Foto-Elektronenblitzgerät, das hat schon vor mindestens 40 Jahren und auch in der DDR den Transverter abgeschalten, wenn der Kondensator aufgeladen war. Mit der von Dir gewählten Schaltung kann man locker auch 1000 Volt erzeugen, wenn Spule, Strom, Transistor und Pulslänge es hergeben. Dass Du also die gewünschten 400 V am Zählrohr hast, ist reiner Zufall - bzw. hast Du es mit dem PWM-Ratio so hingebogen. Eine geringste Änderung der Umgebungsbedingungen lässt die Spannung dann weglaufen. z.B. sinkende Batteriespannung, höhere Belastung der HV weil größere Dosisleistung (=mehr Impulse), Temperatur. Ziel kann sein, dass nur noch 1-3 Impulse pro Sekunde auf die Spule die Hochspannung aufrecht erhalten. Dann fiept auch nichts mehr.
Dazu muss der Prozessor eine Information bekommen, ob am Ladekondensator 400 V anliegen, oder nicht. Wenn sie anliegen, braucht er die Spule gar nicht mehr oder nur in zeitlich verlängerten Abständen ansteuern.

[NuclearPhoenix]

Nun, wie man im Video hört die Spule fiept recht störend. Gibt es da eine mögliche Abhilfe?

Kannst du in der Firmware vom Pi die PWM Frequenz ändern? Höher bei geringerem Duty Cycle zB, ich hoffe du hast irgendein Spannungs-Feedback an den µC zurück. Das wäre das erste was mir einfallen würde. Ansonsten evtl. eine andere Spule probieren (?). Die Last wirst du ja nicht wirklich ändern können, deswegen hat das auch so seine Limitierungen.

[DO1MUE]

Nun, wie man im Video hört die Spule fiept recht störend. Gibt es da eine mögliche Abhilfe?

Kannst du in der Firmware vom Pi die PWM Frequenz ändern? Höher bei geringerem Duty Cycle zB, ich hoffe du hast irgendein Spannungs-Feedback an den µC zurück. Das wäre das erste was mir einfallen würde. Ansonsten evtl. eine andere Spule probieren (?). Die Last wirst du ja nicht wirklich ändern können, deswegen hat das auch so seine Limitierungen.

Ja, PWM-Frequenz ändern geht natürlich (hier übrigens der Quellcode: https://github.com/Florian-Wilhelm/Raspberry-Pi/blob/main/Project-6/geigerPWM_triggeringLED.c ). Duty cycle und Frequenz sind empririsch, hab so lange herum manipuliert bis ich so um die 400V erzeugen konnte .

Bei >2 kHz bricht die Spannung sehr schnell ein. Somit konnte ich hier leider nicht viel drehen.

Aber eine Spannungsregelung im eigentlichen Sinne gibt es nicht. Ich denke das Rohr verhält sich ja in einem weitem Spannungsrange gleich (Plateaubereich), somit bin ich davon ausgegangen dass es nicht so das kritische Thema ist. Fürs Erste zumindest. Kommt aber auf die To-Do list.

Die 9V von der Batterie werden von einem 5V Spannungsregler L7805 heruntergeregelt. Die 5V Versorgung sollten daher eigentlich lange Zeit konstant sein (ausser die Batterie ist fast leer natürlich).

Naja, so weit so gut. Das nächste Ziel wäre erstmal ein Display dranzuhängen, die LEDs kann ich mir dann sparen. Ein OLED-Display über C anzusteuern ist eigentlich einfach...

Grüße

[Turbo-Tom]

Der Spannungseinbruch bei höheren Frequenzen liegt an der ungeeigneten Gleichrichterdiode (1N4007). Diese hat eine Sperrverzugszeit in der Gegend von 2µs. Das bedeutet, wenn der Ladeimpuls (Selbstinduktion) bei höherer Frequenz (kürzere Ladestromflussdauer) immer kürzer wird, dann kann, bis die Diode wieder sperrt, mehr Ladung zurück fließen als in den Kondensator hineingeladen wurde. Es stellt sich dann ein Gleichgewicht bei niedrigerer Spannung ein.

Ich würde eine schnelle Diode (z.B. UF4007, trr ~ 50ns) verwenden. Dann hätte ich noch ein simples "digitales" Feedback eingebaut (Z-Diodenkette und Serienwiderstand), um (zur Sicherheit über einen Transistor) dem Microcontroller "Ladespannung erreicht" signalisieren zu können. Danach wird das PWM einfach auf Null gesetzt, und bei Bedarf wieder aktiviert.

Der PWM "tröpfelt" dann, um je nach Strombedarf die Spannung am Zählrohr konstant zu halten. Das klingt eher wie ein Rauschen als ein Pfeifen, und wenn durch die schnelle Diode der Ladestrom durch die Drossel reduziert werden kann (kürzere ED), wird's auch viel leiser.

[NuclearPhoenix]

Genau das was @Turbo-Tom sagt. Diode wechseln, dann funktionieren die höheren Frequenzen besser.

Du könntest evtl statt dem digitalen Feedback auch einfach einen Spannungsteiler aus mehreren hohen (~10M oder so) Widerständen basteln um die Zielspannung +-bisschen auch am ADC zwischen 0 und 3.3V zu haben, so könntest du ständig die Spannung überwachen und direkt den Duty Cycle darüber regulieren. Sowas ähnliches habe ich auch schon mal gemacht mit einem ATTiny84a. Das einzige worauf man achten muss ist, dass man die Spannungsquelle nicht wieder selbst zu stark belastet und eben mehrere Widerstände, damit nicht über einem die ganzen 400V liegen.

[DO1MUE]

Ah das ist interessant. An die Diode hätte ich nun überhaupt nicht gedacht.

Danke, melde mich demnächst mal mit ein paar neuen Versuchen zurück  .

[DO1MUE]

Hier zunächst noch eine LCD-Version meines Geiger-Zählers, für die die es interessiert.

https://youtu.be/3AXAFBmc7Pw

[DO1MUE]

So, nun mit IoT Fähigkeiten. Die SW habe ich noch nicht komplett im Griff, aber rein von der HW her funktioniert es.

Das auf den Pico aufgesteckte Modul das man auf dem Bild hoffentlich gut erkennt kostet etwa 15 Euro und basiert auf dem ESP8266.

Wenn man alle Kosten zusammenzählt (einschließlich die des Zählrohrs und der hier nicht angeschlossenen Flüssigkristallanzeige) kommt man auf ca. 60€ (genausoviel wie der GZ in der Make https://www.heise.de/news/Selbstgebauter-Geigerzaehler-gibt-Mail-Alarm-bei-ansteigender-Radioaktivitaet-7103138.html).

[DO1MUE]

Für alle die es noch interessiert, hier mal mein letzter Stand. HW ist fast gleich, aber SW ist anders. SW-Änderungen dauern recht lange bei mir bis die implementiert sind (insbesondere C-Code), bin ja nur ein dummer Maschinenbauer .

[DO1MUE]

Dann hätte ich noch ein simples "digitales" Feedback eingebaut (Z-Diodenkette und Serienwiderstand), um (zur Sicherheit über einen Transistor) dem Microcontroller "Ladespannung erreicht" signalisieren zu können. Danach wird das PWM einfach auf Null gesetzt, und bei Bedarf wieder aktiviert.

Nun zum Thema Rückkopplungsschleife bzw. Regelung, d.h. HW.

Zufälligerweise gab es dazu auch was in der Elektor Mai/Juni 22 (habe das mal abfotografiert; btw. "GRAD03 Projekt" kennt das hier wer?).



Mein kleiner Aufbau vom Wochenende:

https://hackaday.io/project/184266-geiger-counter/log/213365-hv-measurement

Ich würde das nun irgendwie weiterverfolgen, bei mir poppen allerdings 2 Fragen auf:

1. "Hohe Impulszahlen" - kann ich mit meinen Mitteln nicht erzeugen. Was ist damit überhaupt gemeint? Halte ich das Uranglas an das Rohr, sehe ich natürlich die kurzen Spannungseinbrüche (0.3ms Dauer, Oszi-Messung) aufgrund des Zählereignisses, aber die Hochspannung selbst bleibt konstant soweit ich das beurteilen kann

2. "Individuelle Abstimmung jedes Gerätes" - das Plateau für das SBM-20 Rohr geht von 350V bis 475V. Selbst wenn sich die Spannung einige zehn Volt von der Mitte entfernt (Streuungen in den Bauteilwerten o. Ä) darf das ja für die Zählung keine Rolle spielen, solange das Rohr innerhalb der Spezifikation ist

Natürlich besteht nach wie vor das ästhetische Problem, dass die Spule pfeift. Womit ich im Prinzip leben kann da mein GZ eigentlich nicht für den Dauerbetrieb gedacht ist. Somit sehe ich den Aufwand für eine Rückkopplung im geringen Verhältnis zum Nutzen.

Ideen? Anmerkungen?

[DG0MG]

Elektor Mai/Juni 22 (habe das mal abfotografiert;

Warum auch immer kann man sich den Artikel als PDF hier herunterladen: https://www.elektormagazine.de/magazine/elektor-257/60476

[DL8BCN]

Moin, wegen dem "Pfeifen" der Spule:
Versuche doch mal das Teil in Gießharz einzugießen.

[DG0MG]

1. "Hohe Impulszahlen" - kann ich mit meinen Mitteln nicht erzeugen. Was ist damit überhaupt gemeint? Halte ich das Uranglas an das Rohr, sehe ich natürlich die kurzen Spannungseinbrüche (0.3ms Dauer, Oszi-Messung) aufgrund des Zählereignisses, aber die Hochspannung selbst bleibt konstant soweit ich das beurteilen kann

Damit ist gemeint, dass je "radioaktiver" der Prüfling ist, desto mehr Entladungen finden ja im Zählrohr statt,  desto höher ist natürlich die Impulsrate, also die Anzahl der Impulse, die das Zählrohr pro Zeiteinheit liefern muss. Je mehr Impulse pro Zeiteinheit kommen, desto mehr Strom muss die Hochspannungserzeugung liefern können. Wenn man das durchdenkt, dann ist klar, dass es eine obere Grenze geben muss, wenn nämlich das Zählrohr dauerhaft ionisiert ist und ständig leitfähig ist. Dann wird der Strom nur durch den Anodenwiderstand begrenzt und man man kann ihn ausrechnen: R=U/I, I=U/R, I=400 Volt/5 MOhm, I=80 µA.
Wenn Du also Dein Zählrohr testweise überbrückst und vor dem Anodenwiderstand immer noch 400 V hast, dann ist die Hochspannungserzeugung für alle Fälle gewappnet. Das ist aber dann schon mehr, als wirklich nötig ist, denn der maximale Strom durch ein SBM-20 darf nur 20 µA sein, wir hatten die Diskussion schonmal irgendwo.

Bei 2 Zählrohren - wie im Elektorartikel - muss die Ergiebigkeit der HV-Quelle dementsprechend höher sein.

In Deinem eingekringelten Textteil begründen die Autoren des Artikels, warum sie sich (zu Recht!) für eine Hochspannungserzeugung mit Regelschleife entschieden haben. Warum haben sie das getan? Die Extreme der Belastung liegen ja zwischen gar keiner Last (keine Impulse oder kein ZR angeschlossen) und wie oben dargestellt, quasi Kurzschluss. Früher hat man die Hochspannungserzeugung einfach so konstruiert, dass dem "oberen" Kriterium, also der Stromergiebigkeit Genüge getan wurde. z.B. gab es Schaltungen in denen die HV mit einem umgedrehten Netztrafo erzeugt wurde. Das hat aber den Nachteil, dass die primärseitige Stromaufnahme unnötig hoch ist (Batteriebetrieb!) und man nur hoffen kann (aber nicht weiß) dass die Hochspannung innerhalb der Spezifikationen des Zählrohres liegt. Die Erfordernis einer "Abstimmung" auf das jeweilige ZR bezieht sich auf die Variante ohne Regelschleife. Diesen Weg sind die Autoren ja nicht gegangen.

Deshalb ist eine Schaltung mit einer Regelschleife besser, die die Hochspannungserzeugung nur genau soweit "aussteuert", dass genau die geforderte Spannung erzeugt wird. Das hat zur Folge, dass der Inverter nur unter Last mehr arbeiten muss. Also auf der Primärseite im Normalbetrieb auch wenig Strom aufnimmt. Bestes Beispiel dafür ist der GammaScout mit einigen µA dauerhafter Stromaufnahme.


Bei Dir ist das Pfeifen ein Zeichen dafür, dass die HV-Erzeugung dauerhaft unter Volldampf arbeitet. Das sollte wie dargestellt nicht nötig sein.

[DO1MUE]

Erstmal vielen Dank für die Antworten!

Nach dem guten Input von DG0MG hab ich mich nochmals hingesetzt und eine experimentelle SW für die Regelung kreiert.

Die Zusatz-HW (kleine Lochrasterplatine) ist analog zur Elektorschaltung ebenfalls modifiziert (mit IRF530 FET).

Wenn man im Video genau hinhört wird man bemerken, dass das Fiepen weg ist - Zählung funktioniert aber!

Ist alles noch quick&dirty natürlich, und muss ordentlich getestet werden.