Construcción de una sencilla electrónica para detectores de partículas. Parte 2.

Volver a la primera página

La primera versión de este circuito fue diseñada y construida en 2001 empleando placa de circuito impreso perforada y tiras conductoras. Pensé que no iba a construir muchas placas del mismo y no me tome la molestia de dibujar el circuito impreso. El diseño, incluyendo un selector de 5 gamas de medida quedo muy compacto. Alimentado por una piula de 9 voltios cabía en una caja de pequeñas dimensiones. Con este circuito y un escintillator LUDLUM realice importantes exploraciones. Tengo que destacar en bajo consumo de pilas.

Desde 2001 a 2004 recibí bastantes consultas porque los valores de los componentes en el circuito original dibujado a mano no se leían muy bien. Y muchas preguntas sobre el circuito impreso. Y como últimamente he necesitado varias electrónicas para detectores de partículas me ha animado a realizar un circuito impreso de esta electrónica. He aprovechado para añadir algunas modificaciones.

Realizar el circuito impreso y el esquema de manera mas profesional me ha obligado a aprender a manejar sendos programas de software. No ha sido cosa fácil, primero empecé con el software Electronic Studio 2, y cuando ya tenia hechos los circuitos comprobé que no me satisfacían sus posibilidades de exportación de imágenes, así que probé Proteus. Como los formatos de ambos programas son incompatibles de nuevo tuve que empezar de cero.

Esquema del circuito.

A continuación se representa el esquema del circuito, esta vez no esta realizado a mano alzada. Básicamente se compone de dos secciones prácticamente independientes. La parte de arriba del esquema siguiente es una fuente de alta tensión regulada. La parte de abajo es un detector de pulsos.


Este circuito se basa en un oscilador con un 555 CMOS, cuya salida se invierte mediante el transistor Q1 ( que puede ser cualquier PNP) de baja señal y se aplica a un transistor de media potencia y que aguante al menos 400 voltios de Vce. Este transistor abre y cierra la alimentación al transformador T1 que opera en modo Flyback.

El transistor de alta tensión Q2 entra en conducción durante unos 5 microsegundos. Durante este tiempo circula corriente por el primario del transformador. Cuando se corta la conducción de este transistor en el secundario del transformador aparece un pulso de unos 1000 voltios que a través del diodo en serie carga el condensador. Una resistencia de 10 k y un segundo condensador de 10 n filtran la alta tensión. Si la tensión excede de un cierto nivel, regulable con P1, el zener conduce y polarizan al transistor Q3 para que a través de la resistencia de 68 K drene el condensador de 2 nF que determina el periodo de oscilación de oscilador aestable. En otras palabras, el condensador de alta se carga con pulsos de 10 microsegundos con una frecuencia variable para mantener la tensión de salida.

El transformador es la pieza más delicada de este circuito. No es posible encontrarlo comercialmente por lo que hay que bobinárselo uno mismo aunque no es excesivamente difícil. Es necesario un núcleo de ferrita de aproximadamente 25 x 25 mm de dimensiones exterior que tenga una superficie de núcleo de al menos 30 mm2. El primario es fácil de construir, basta bobinar 50 espiras de hilo de cobre de 0,1 mm de diámetro. El secundario se compone de 500 espiras de hilo de 0,1 mm de diámetro o menos, depende del que se disponga.

En el secundario de este transformador se desarrollan tensiones de mas de 1500 voltios por lo cual hay que cuidar dos cosas: que los hilos de entrada y salida no estén cerca, porque en caso contrario saltaría una chispa y que las capacidades parásitas del bobinado sean bajas, porque en caso contrario las tensiones de salida no serian suficientemente altas. Lo más recomendable es bobinar este transformador de manera cuidadosa, capas con espiras bien colocadas, separadas por capas de papel de celofán u otro aislante, muy fino ya que el transformador es muy pequeño. Si se bobina con hilo de 0,1 mm posiblemente necesitemos 8 o 10 capas. Si empleamos hilo de 0,05 bastara con la mitad. Este procedimiento es pesado pero da unos resultados magníficos, siempre que se cuide de que no haya posibilidad de que salte un arco entre los dos extremos del transformador.

En mi caso lo he bobinado de manera mas desordenada en tres capas separadas con papel y funciona muy bien, todo depende de la habilidad del constructor. Aun así he hecho mas de 3 transformadores y no me ha costado más de 10 minutos hacer cada uno.

A veces parece que el transformado esta bien hecho pero el circuito no funciona bien, lo cual se puede comprobar por un excesivo consumo o por una nula salida de tensión, esto se puede deber o a un arco invisible o a uno inversión de polaridad del primario. Para comprobar que no hay ningún arco conviene mirar el circuito con una lupa en la oscuridad donde es fácil apreciar coronas o chispas. La inversión en polaridad se soluciona mejor cambiando los hilos del secundario.

No se debe mirar con el osciloscopio la salida del transformador, ya que las altas tensiones nos pueden destruir la sonda y además porque la impedancia del osciloscopio se atenúa mucho el voltaje de salida. También puede pasa que el transformado funcione bien pero haga ruido, esto se soluciona barnizando el transformador o impregnándolo de cera o parafina fundida. Esto no solamente quita el ruido sino que mejora el aislamiento del transformador.

La salida del transformador es un pulso de más de 1000 voltios durante un tiempo de unos 50 microsegundos que se rectifica por el diodo D3. Este diodo aguanta 5000 voltios, con una corriente de fugas muy pequeñas. Es barato aunque menos popular que los famosos 1N4007. Si no se dispone de este diodo posiblemente con 3 1N4007 puestos en serie el circuito pueda funcionar bien. Los condensadores C6, C7 y R14 filtran la alta tensión que se aplica al detector a través de R15. El valor de R15 es de 2M2, adecuado para muchos fotomultiplicadores y tubos geiger, pero basta con cambiar esta resistencia para adaptarse a otros tubos.

La tensión almacenada en el condensador se reduce mediante la red formada por R17, RV3 y R16 y a través del zener de 10 V se aplica a la base del transistor Q3. Cuando la tensión de salida supera el nivel prefijado Q3 conduce y hace que la frecuencia de oscilación del 555 baje y por lo tanto que los condensadores de alta tensión reciban menos carga. De esta manera variando la posición de RV3 se puede variar la tensión de salida de entre 700 y 1500 voltios con una razonable estabilidad.

Este circuito esta pensado para alimentar a tubos fotomultiplicadores y tubos geiger en los cuales el consumo de alta tensión es de unos pocos microamperios. Si a este circuito se le exigen mas de 50 microamperios la tensión se viene abajo. Es posible obtener corrientes mas altas con un transformador mas grande.

El pulso de detección de partícula se separa de la continua a través del condensador C8 de 1nF. Este condensador se puede adecuar a los dispositivos detectores igualmente.

El segundo 555 es un detector de pulsos. Esta cableado como un circuito monoestable que se dispara por el pulso que se introduce en el terminal TR. El diodo D1 protege la entrada cuyo nivel de continua y por lo tanto la sensibilidad se ajusta mediante RV1. Cada vez que el monoestable se dispara en la salida aparece un pulso positivo cuyo tiempo de anchura se selecciona mediante las resistencias R4, R5, R6.

La salida se aplica a un altavoz piezoeléctrico que nos da un clic por pulso y un valor de continua que se obtiene mediante R7 y C4 y se aplica a un medidor a través de un potenciómetro para ajustar la escala. El medidor deberá ser un micro amperímetro con una sensibilidad de 50 a 500 microamperios a fondo de escala.

Montaje del circuito.

A continuación puedes descargar el fotolito del circuito impreso. El fotolito esta hecho para una sola cara de cobre en una resolución de 600 DPI, una línea de 100 mm de longitud te da una indicación para saber que lo esta imprimiendo correctamente.

Descargar el circuito impreso.

La colocación de los componentes la puedes ver descargando la distribución de los componentes.

Todas las resistencias salvo las especificadas son de 1/8 W. Todos los condensadores salvo los especificados son de 100 V y los electrolíticos que son de 25 V.

Montar los componentes salvo el tubo detector. Alimentarlo con una tensión de 12 voltios, el circuito no debe consumir mas de 2 o 3  miliamperios salvo que en vez de emplear 555 CMOS se hayan empleado 555 convencionales en cuyo caso el consumo normal será de unos 15 mA. Si consume mas seguramente hay un problema. El consumo es función de la tensión de salida y de la corriente consumida por el tubo detector.

Las tensiones a que habrá que ajustar la tensión de salida dependen del tubo sea geiger o fotomultiplicador. Los geigers suelen tener tensiones de trabajo entre 450 y 800 voltios mientras que los fotomultiplicadores de entre 800 y 1200 voltios.

Como las tensiones de trabajo son muy altas pueden surgir chispas esporádicas en el circuito, por ello una vez en funcionamiento conviene barnizar todo el circuito. Mas aun porque puede darse el caso de que se deposite humedad en el interior que haga que salten arcos entre las pistas de alta tensión. En las tiendas de electrónica venden pulverizadores de barnices tropicalizadores muy buenos.

Ojo a las mediciones !!!!!. La parte de baja tensión puede medirse y observarse con los instrumentos convencionales, es decir con sondas de 10 Mohmios de impedancia, pero sin embargo en la parte de alta estas sondas tienen muy baja impedancia y cargan tanto el circuito que las mediciones no son validas.




Vista del circuito impreso montado con un altavoz piezoeléctrico.

Si se dispone de osciloscopio comprobar que el 555 oscila y produce pulsos, a continuación ver en el colector del transistor de potencia en que deberán aparecer pulsos de unos 150 voltios. Medir el voltaje de alta tensión a entre los extremos del condensador C7.

Como se ha comentado se debe medir con una sonda de al menos 100 M de impedancia. Si no se dispone de una sonda puede construirse una fácilmente conectando 9 resistencias de 10 Megohmios en serie con la entrada de un polímetro estándar con 10 M de impedancia. La lectura en voltios estará dividida por 10.

Si se desea construir una fuente de alta tensión y no se necesita la parte detectora se puede cortar el CI por la línea de masa vertical.



Mas: Construcción de un telescopio de rayos cósmicos. En resumen se trata de fabricar un tubo Geiger plano y grande para detectar el paso de los rayos cósmicos. Debido a su geometría resulta direccional. Un proyecto muy interesante no muy difícil, ampliable y mejorable. Abril 2001 Pg 82.

El Profesor Frank de Copenhague.