Geigerzähler-Spannungswandler           

            
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Kürzlich bekam ich ein neues Zählrohr von Pollin in die Hände und wollte die passende Schaltung dazu bauen. Und ich hatte schon länger überlegt, wie man eine ganz besonders sparsame Spannungsversorgung hinbekommen kann. Das Vorbild ist der Gamma-Scout, der mit einer eingelöteten Batterie zehn Jahre lang laufen soll. Da kommt man natürlich ins Grübeln, wie das zu schaffen ist.



Jetzt habe ich eine Lösung gefunden. Das Prinzip ist, dass der Spanungswandler nicht permanent läuft, sondern immer nur ganz kurz eingeschaltet wird. Der Sperrwandler muss dann so gebaut werden, dass nichts außer dem Zählrohr den Ladekondensator belastet. Dafür habe ich einen Übertrager aus einem kleinen Tesla-Generator (vgl. Labortagebuch 14.1.16: Ein Hochspannungs-Sperrwandler) genommen. Ähnliche Trafos mit mehreren Wickelkammern findet man in Spannungswandlern für Kaltkathoden-Hintergrundbeleuchtungen. Diese Trafos sind für wesentlich mehr Spannung als 400 V ausgelegt und brauche nur mit wenig Primärstrom angesteuert zu werden.

Der Transistor wird von einem Mikrocontroller angesteuert. Die Länge der Impulse bestimmt den Spitzenstrom in der Primärwicklung und damit die Ausgangsspannung. Mit 7 µs entstehen aus 3,7 V gerade 400 V. Bei kleinerer Batteriespannung kann man die Impulse verlängern, 13 µs bei 2 V ergeben auch wieder 400 V. So könnte der Mikrocontroller eine sinkende Batteriespannung kompensieren. Im Moment arbeitet das Programm aber noch ungeregelt. Die Steuerung übernimmt ein ATtiny13.

Beim ersten Einschalten erzeugt das Programm eine Serie von 60000 Impulsen um den Hochspannungskondensator einmal vollständig zu laden. Danach schaltet sich der Controller einmal pro Sekunde kurz an und erzeugt 50 Impulse. Das ist mehr als genug um die Spannung von 400 V zu erhalten. Ein besonders hochwertiger Folienkondensator und zwei Dioden 1N4007 in Reihe machen es möglich. Es gibt so gut wie keine Selbstentladung. Sogar fünf Minuten nach dem Abschalten der Batterie arbeitet das Zählrohr noch.

Der mittlere Stromverbrauch liegt bei etwa 70 µA. Der Li-Akku mit 700 mAh sollte also ein Jahr Dauerbetrieb schaffen. Der Controller befindet sich die meiste Zeit im Powerdown-Modus und braucht in der Zeit etwa 30 µA. Einmal pro Sekunde wird er durch den Watchdog aufgeweckt und erzeugt dann im Normalfall 50 Impulse in 5 ms, hat also eine Einschaltdauer von 0,5%. Wenn man B4 über einen Jumper an GND legt, geht der Generator in den Dauerbetrieb und braucht dabei 8 mA. Der mittlere Verbrauch des Spannungswandlers liegt also bei 40 µA. Beim ersten Einschalten hält der Kondensator an B4 die Spannung noch klein, was der Controller erkennt und die Startsequenz ausführt. Später ist der Kondensator beim Start schon geladen, sodass nur die kurzen Nachladeserien ausgeführt werden. Über einen Jumper kann man allerdings den Dauerbetrieb erzwingen.

Die Anzeige war mal ein Schrittzähler. Der Schwingkontakt wurde ausgebaut und dafür ein Eingang geschaffen. Das kleine Zählrohr 70014 stammt aus alter DDR-Produktion und wurde bei Pollin gekauft. Es hat eine Nullrate von etwa einem Impuls pro Minute und eignet sich für den Nachweis von Gamma- und Betastrahlung an Mineralien und Leuchtfarben. An einer alten Armbanduhr wurden mehr als 10000 Impulse an einem Tag gefunden. 




'Geiger13.bas mit Watchdog
$regfile = "attiny13.dat"
$crystal = 1200000
$hwstack = 8
$swstack = 4
$framesize = 4

Dim N As Word
Config Portb = &B00001111
Portb.4 = 1

Config Watchdog = 1024


If Pinb.4 = 0 Then
  For N = 1 To 60000
    Portb.3 = 1
    Waitus 7
    Portb.3 = 0
    Waitus 40
  Next N
End If

For N = 1 To 50
  Portb.3 = 1
  Waitus 7
  Portb.3 = 0
  Waitus 100
Next N

Start Watchdog
Powerdown
End

Spannungswandler mit dem Timer 555




Der Timer 555 ersetzt hier den bisherigen Mikrocontroller und erzeugt ebenfalls kurze Impulse mit geringer Frequenz. Der Vorteil ist, dass man die Schaltung besser an vorhandene Transformatoren anpassen kann. Die Impulslänge ist mit einem Trimmer einstellbar, sodass die Ausgangsspannung beliebig eingestellt werden kann. In diesem Fall stammt der Trafo aus dem Hochspannungsteil eines Laserdruckers, ebenso wie die Gleichrichterdioden und die Hochspannungskondensatoren. Mit diesen Bauteilen wurde bei einer Betriebsspannung von 9 V eine Ausgangsspannung bis 2 kV erreicht.

Das sehr kleine Puls-Pausenverhältnis ergibt sich aus dem Verhältnis des Ladewiderstands 1 M zum Entladewiderstand 0...10 k. Es entstehen also seltene, kurze Impulse. Am Ausgang (Pin 3) des 555 ist der Ruhezustand high und die Impulse sind low. Der Trafo kann hier nicht direkt angeschlossen werden, weil die Induktionsspannung abgeschnitten würde. Deshalb wurde ein NPN-Transistor an seinem Emitter angesteuert. Zusammen mit dem Ausgangstransistor im 555 ergibt sich eine Kaskodenschaltung. Am Kollektor entstehen am Ende des Impulses Induktionsspannungen bis ca. 50 V, die auf der Sekundärseite des Trafos entsprechend hochtransformiert erscheinen.




Geigerzähler mit SBM-20 von S.Schneider


Inzwischen ist die SMB-20 eingetroffen und ich habe herumexperimentiert um den Stromverbrauch weiter zu minimieren. Da ich mit den Atmel-µC keine Erfahrung habe, habe ich einen PIC genommen, da gibt es die LF-Serie die mit Watchdog im Sleep typisch unter 1 µA kommen (ich habe einen PIC10LF322 genommen). Die Zeiten und Impulszahlen musste ich natürlich an meinen Trafo anpassen und so komme ich bei 3,3 Volt als Mittelwert zwischen 25 und 30 µA (200 Impulse 8 µs, Pause 10 µs, = 3,6 ms, Strom dabei 25-30 mA, dann ca 4 s Pause im Sleep). Auf der Unterseite ist noch ein Kerko 100 µF direkt an Transistor und Trafo und ein Kerko 100 nF am PIC. Interessanterweise spielt auch der Transitor eine Rolle, mit dem BC547 oder KSC5207 erreichte ich sehr gute Werte, mit BC107 oder STX616 deutlich schlechter.

Nachtrag: Anpassung an einen ESP32 von S.Schneider

Ich wollte den Geigerzähler mit einem ESP32 verbinden, um die Werte weiter zu verarbeiten. Leider ging das mit der bisherigen Schaltung mit dem NPN-Transistor nicht, denn am Kathodenwiderstand (R2, s.u.) entsteht bei einem Impuls des Zählrohres nicht nur die typische Entladekurve (bei 2,2 MOhm für R2 sind es 80-100 Volt).



Es entstehen an R2 auch Störungen in der Grössenordnung von +-10 Volt durch die Ladeimpulse des CCFL-Transformators und da reagierte der ESP32 auch.



Also habe die bisherige Schaltung modifiziert: statt des bisherigen Kathodenwiderstandes R2 habe ich einen Spannungsteiler R2/R3 eingebaut; R3 wird so ausgelegt, dass die Störungen weit unterhalb des Zählimpulses liegen.


Bei mir ergab sich mit 47 kOhm für R3 ein ausreichender Abstand von 3 Volt vs. 0,6 Volt. Ein Schmitt-Trigger 74HC14 hat eine Schwelle von knapp 2 Volt bei 3,3 Volt Betriebsspannung und liefert ein sauberes Signal, das problemlos weiter verarbeitet werden kann.



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