PSOC4でガイガーカウンタ作成

PSOC4のKITでガイガーカウンタを作成しましたので以下に紹介します。

穴あき基板で作ったのであまり綺麗ではありませんが、以下をつくりました。
画像


















仕様
1、写ルンですの使い捨てカメラのフラッシュのトランスを使用
2、10uSのパルス幅の1KHzをPSOC4のPWMを作って高圧のスイッチングに使用
3、5VでMOSFETでスイッチして高圧を作る。
4、200MΩと510KΩでFB回路を作り、PSOC4のオペアンプに入力してコンパレータでPSOC4のVREF1.024Vと比較して400Vを作成。400V以上でPWM出力をマスクして、400V未満になると出力する回路としている。
PWMパルスがでたときにFBが400Vより低いとラッチさせて10uSパルスとANDを取っています。そしてヒゲ防止で半相ずらしたクロックで叩き直しています。
5、ガイガー管は8MΩの抵抗と33KΩ抵抗で接続して、15pFの高圧コンデンサで取り出してPSOC4に入力してカウント。
6、カウントして線量に変換したデータはUSBシリアルを通してPCに通知。
7、PSOC4 KITの基板上の青LEDに放射線がはいると100mS点灯させる。

ガイガー管
SI-180G 360 - 420V バックグランドは30~35/1分でした。

この回路ブロックを以下に示します。
(2017/08/20 ブロック図を修正しました。ソース自体は変更なしです。VREF入力がP1_5で、ADのVREF出力がP1_7です。外部で短絡してコンデンサ追加となります。回路図上はエラーでだめでした。)
画像

















高圧部をフィードバック回路でコンパレータで基準電圧と比較する電圧の安定化回路をつくってみましたが、期待通り動きました。
うつるんですのトランスの最大効率が得られるようにパルス幅を10uS固定にしたので、巻き数比が1:250のようなので単純計算では1000V以上取れますが、平滑コンデンサの容量が0.047uFと大きいので1回のスイッチングで上昇する電圧が抑えられて、1回で2.13Vであることが確認できたので、単純に巻き数比の電圧にいきなり上昇しません。
電圧測定は別の私の書いたブログで”安価なテスターを使ったHIインピーダンスの高圧源電圧測定 ”があるのですが、この時作ったプローブをオシロにつないで電圧測定しています。オシロのインピーダンスが1MΩなので、直結すると1:1000となります。
電圧値は380Vで、設定値の400Vより低くなったのですが、これはフィードバック回路の抵抗値の200MΩは100MΩx2個直列でつくったのですが、精度は10%で、誤差が大きく、抵抗値が200MΩより大きかったことになります。ガイガー管の推奨動作範囲が360V~420Vなので、範囲に入っているので無調整でもOKですが、今回は調整して400Vにあわせてみました。調整は510KΩの抵抗を調整して470KΩでちょうど400Vとなりました。

オシロで高圧の立ち上がり波形を取ってみました。
まず、立ち上がり時間ですが、0.047uFの平滑コンデンサで187mSでした。
したがっておおよそ400V/187mS=2.13Vとなります。
つまり、1KHzのスイッチング1回で2.13V上げる力があることになります。
逆に言えばリプル電圧は2.13Vプラスαとなりますね。
これはコンデンサ容量を0.1uFにすると1V程度になりそうです。
GND波形にギザギザがみられますが、これは電灯線のノイズがオシロのプローブに乗ってしまっているからです。

FBで約1/400で1Vにして比較しているので400V以上だとパルスがストップし、400V未満だとONします。DCDCでいうパルススキップ方式ですね。
もっと安定化させるにはパルス幅を制御すると良いことがわかります。
単純にみると10uSで2.13Vなら5uSなら約半分になりそうです。
効率も考えると、低線量時は2uS程度にして高線量で10uSにする手もありそうです。
さらに高線量時は効率は悪化しますが、1KHzでなく、2KHzとか高い周波数にしてもよいですね。
現状の10uSでの全体の消費電流は5Vで25mA程度でした。USBシリアルも動いているので、高圧部が特別高率が悪いこともなさそうです。


画像

















オシロの電圧は400mVで400Vとなります。(1/1000となっています)
画像
















また、放射線に反応したときの高圧波形を取得してみました。
この波形はガイガー管のGNDと高電圧部の電圧をオシロで測定しています。
実際には400Vですが、8MΩの抵抗がはいっているので、5V程度電圧降下が見られます。
(1000MΩと1MΩでオシロで波形を見ているため)
約1mSのパルス幅になっています。これから見ると最大のパルス数は1秒で1000回が限界と思われます。
また割り込み信号も一緒にとってみました。
割り込み信号は20uS程度の信号になっています。
波形的には安定していてごみは無さそうです。
また、放射線パルスが入ったときの電圧の落ち込みもわからない程度です。400V/8MΩ=0.5mAで0.047uFと時定数となり、多分1V以内だとは思います。



画像



















割り込み信号(TRの出力)
画像





















高圧の動作はおおむね問題なさそうです。
カウンタ動作も正常で、1分で35回バックグランドがとれました。
自分の住んているところの線量は大体45nSv/hなので比率をかけて線量表示しています。
表示は
時間(秒)
CPS
CPM
1秒毎のnSv/h(1分間分1秒毎に60データ合計して表示。古いデータを上書き)
5分毎のnSv/h
10分毎のnSv/h
60分毎のnSv/h
を表示します。
115.2KbpsのUSBシリアルから、1を入力すると単位の表示がなくなり、0を入力すると復活します。
EXCELのCSV形式となるので、PCで処理ができます。

抜粋ですが以下のような出力となります。
No,CPS,CPM,LEVEL(nSV/h)SEC,LEVEL(nSV/h)5MIN,LEVEL(nSV/h)10MIN,LEVEL(nSV/h)60MIN
13532 SEC,0 CPS,36 CPM,46 nSv/h,52 nSv/h,51 nSv/h,48 nSv/h
13533 SEC,1 CPS,37 CPM,48 nSv/h,52 nSv/h,51 nSv/h,48 nSv/h
13534 SEC,1 CPS,36 CPM,46 nSv/h,52 nSv/h,51 nSv/h,48 nSv/h
13535 SEC,0 CPS,36 CPM,46 nSv/h,52 nSv/h,51 nSv/h,48 nSv/h
13536 SEC,1 CPS,35 CPM,45 nSv/h,52 nSv/h,51 nSv/h,48 nSv/h
13537 SEC,0 CPS,35 CPM,45 nSv/h,52 nSv/h,51 nSv/h,48 nSv/h
13538 SEC,0 CPS,34 CPM,44 nSv/h,52 nSv/h,51 nSv/h,48 nSv/h
13539 SEC,1 CPS,35 CPM,45 nSv/h,52 nSv/h,51 nSv/h,48 nSv/h
13540 SEC,1 CPS,35 CPM,45 nSv/h,52 nSv/h,51 nSv/h,48 nSv/h
13541 SEC,1 CPS,35 CPM,45 nSv/h,52 nSv/h,51 nSv/h,48 nSv/h
13542 SEC,0 CPS,35 CPM,45 nSv/h,52 nSv/h,51 nSv/h,48 nSv/h
13543 SEC,0 CPS,35 CPM,45 nSv/h,52 nSv/h,51 nSv/h,48 nSv/h

消費電流もUSBシリアル動作時で5Vで25mAでした。
ノートやタブレットで持ち歩いても電流ほとんど気にならない程度です。


参考のソースコードを以下にいれました。
余分な個所多いので、作り直してください。あくまでも参考ということで・・・・・・。
PSOC4 ガイガーカウンタソース  

"PSOC4でガイガーカウンタ作成" へのコメントを書く

お名前
メールアドレス
ホームページアドレス
コメント