ungelöst Mehrere Quellen in einem Schema

[beldowsk]

Hallo,

zur Simulation eines Photomultipliers benötige ich 2 Quellen in einem Schema. Zum einen eine Hochspannungsversorgung (DC), üblicherweise als Spannungsquelle, zum anderen eine Signalquelle, vermutlich am besten als Stromquelle mit einer EXP-Funktion. (siehe dazu auch ungelöst - Mathematische Funktion in LTspice nachbilden)

Über die Anode fließt kein Gleichstrom ab, daher spielt R13 für die Spannungsdifferenz zwischen Anode und Dynode 10 keine Rolle, sie wird nur durch R11 bestimmt.

Das Signal entsteht an der Anode, seine Höhe wird durch R13 bestimmt. Der Kondensator C3 trennt das Signal von der Hochspannung.

Zuerst hatte ich das Problem, das die Hochspannung an der Anode eingebrochen ist, scheinbar floss Gleichspannung über die Signalquelle ab. Das ließ sich durch einen Kondensator zwischen Signalquelle und GND verhindern.

Mein aktuelles Problem:

Das Signal überlagert sich mit der Hochspannung auf der Anodenleitung, auch im Strom von R13 ist das Signal zu finden, danach aber nicht mehr. Das Signal fließt also über die Spannungsquelle und nicht durch R1 bis R12 ab. Entspricht das der Realität? Gilt das für alle Arten von Hochspannungsquellen?

Ich hatte bisher angenommen das das Signal durch die ganze Reihe von Widerständen abfließt. Das war wohl verkehrt?

Gruß Andreas

 

[RudiS]

Mal abgesehen davon, dass ich mich auf dem Gebiet überhaupt nicht auskenne. . .
Wasser sucht sich immer den Weg des geringsten Widerstandes: bevor es über den Berg klettert, fliesst es lieber durch ein Loch (Tal) im Berg (am Berg vorbei).
Analog dazu würde ich fragen: welchen seriellen Widerstandswert hat denn Deine DC-HV-Quelle? Geringer als die Spannungsteilerkette?

 

[beldowsk]

Ich hab meiner DC-HV-Quelle keinen Widerstand gegeben. Bei meiner realen DC-HV-Quelle muss ich erst einmal ermitteln wieviel Innenwiderstand sie hat.
Andererseits: Eine Quelle ist eine Quelle und keine Senke! Wo fließt das Wasser einer Quelle in eine andere Quelle hinein? OK, das ist wohl zu viel Analogie!
Außerdem: Die DC-HV ist positiv, der Puls aus der Signalquelle geht nach minus. Ob das auch mit einem positiven Puls so funktioniert muss ich mir gleich Mal simulieren ;-).

 

[beldowsk]

Anbei ein Vergleich mit und ohne Innenwiderstand in der HV-Quelle.
Als HV-Quelle verwende ich ein Modul das sich selbst nachregelt (HAMAMATSU C10940). Das Datenblatt nennt keinen Innenwiderstand und gegen die Regelung werde ich keinen sinnvollen Innenwiderstand messen können.
Ob der Puls nach Plus oder Minus geht spielt (in der Simulation) keine Rolle.

 

[Udo]

zu #1: Muss R13 mit der Hochspannungsquelle verbunden werden?
Stichwort "Überlagerung"

 

[beldowsk]

Ja, R13 muss zwischen Hochspannungsanschluss und Anode sitzen. R13 ist in der Theorie der Lastwiderstand, mit der die Höhe des Signals bestimmt werden kann. Da über die Anode keine Hochspannung abfließt fällt dort auch nichts von der Hochspannung ab und an der Anode liegt - trotz R13 - die volle Hochspannung an.
Soweit ich das inzwischen sehe, gilt das aber nur, wenn der Innenwiderstand der DC-HV-Quelle gleich Null ist!
Wenn der Innenwiderstand größer ist, fließt der Signalstrom nicht allein durch R13 und die DC-HV-Quelle, sondern auch durch die Widerstände R1 bis R12 ab. Die Größe des Signals wird dann nicht alleine durch R13 bestimmt. Außerdem liegt dann an der Anode nicht mehr die volle HV-Spannung an.

Was ich nicht beurteilen kann:
Wenn die DC-HV-Quelle ihre Spannung nachregelt, was bedeutet das für ihren Innenwiderstand? Bleibt er gleich? Verändert er sich mit dem Reglerzustand? Geht er evtl. für einen AC-Strom gegen unendlich?

 

[UBo]

3.3m heißt aber Milliohm; ich gehe mal davon aus, daß du 3.3meg meinst - sonst muß deine HV-Quelle mal locker 25A liefern.
Die HV-Quelle hat natürlich einen kleinen Innenwiderstand - ist ja ne Spannungsquelle. Statt zu messen reicht die Schätzung z.B.: 50W ; 1000V => 20kOhm
Gruß

 

[beldowsk]

Ja, es sind 3,3MOhm zwischen den Dynoden. Von anderer Seite bin ich auf diese Seite verwiesen worden: Der Innenwiderstand von Spannungsquellen Für die eine meiner beiden HV-Quellen bin ich dabei auf 2,24 MOhm Innenwiderstand gekommen. Die anderer Quelle enthält ein Modul, das die Spannung regelt, damit gibt es keine Spannungsdifferenz und ein Innenwiderstand ist so nicht zu ermitteln.
Gruß

 

[UBo]

Das ist so nicht ganz richtig. Du mußt da statisch und dynamischen Widerstand unterscheiden - bei beiden Quellen. Statisch zählt wie oben, was die Quelle max als Leistung abgibt (max Ri). Dynamisch ist (fast) immer ein C am Ausgang als Energiespeicher. Der schließt Wechselgrößen faktisch kurz => der Ri ist viel kleiner, auch bei deiner HV-Quelle. Was willst du eigentlich simulieren?

Gruß

 

[beldowsk]

Hallo,

für ältere Szintillationsdetektoren gibt es Baupläne für Divider (Beschaltung der PMT) und PMT-Adapter (zieht das PMT-Signal so weit in die Länge, dass es mit einer Soundkarte digitalisiert werden kann). Ich habe nun einen Szintillationsdetektor, der ein viel höheres Signal abgibt. Dieses Signal überfordert die PMT-Adapter, die Signale werden verfälscht, das daraus erzeugte Histogramm ist kaum zu interpretieren. Die bisher beste Lösung ist ein Widerstand in der Signalleitung. Er reduziert den Input für den PMT-Adapter, dieser arbeitet annährend im linearen Bereich, das Histogramm sieht einigermaßen plausibel aus.

Dies ist aber möglicherweise nicht der optimale Arbeitspunkt für den Detektor.

Zusätzliche Schwierigkeit: Ich besitze kein Oszilloskop mit dem ich mir den PMT-Output direkt ansehen kann (für eine Digitalisierung mit der Soundkarte ist das Signal zu schnell/hochfrequent). Sporadisch kann ich ein Oszilloskop nutzen, das geht nur an bestimmten Tagen und ich muss meine ganze Technik dorthin schaffen.

Mit LTspice habe ich zunächst versucht, aus einem digitalisierten Impuls (vom PMT-Adapter-Output) auf den Impuls am PMT-Output zu schließen. Bestes Ergebnis: Eine Stromquelle mit EXP-Funktion an der Anode des PMT. Leider ist die Näherung ziemlich unabhängig von „Rise Tau“, dieser Wert kann sogar gegen Null gehen. Ich weiß leider nicht, was das bedeutet?! Habe aber Angst, dass ich genau für diesen Wert eine realistische Größe bräuchte.

Letztendlich will ich mir einen passenden PMT-Adapter für meinen Szintillationsdetektor entwickeln (zunächst simulieren).

Gruß

 

[UBo]

Hey,
deine Schaltung hat da ein paar Schwachstellen
Die Quelle mit csv-Datei sieht doch gut aus.
das du bei den Anstiegszeiten kaum Unterschiede siehst ist ganz normal. R6+C2 und R4+C3 sind je ein Tiefpass. 1Meg *22p ergibt eine Zeitkonstante von 22µs. Ein Signalanstieg von wenigen ns sind Frequenzen von einigen 100MHz. Im Grunde mußt du in Energie rechnen.
Ein kurzer Impuls wird in die Länge gezogen und hat dann logischerweise geringere Amplitude.
Die Stromversorgung wird so nicht funktionieren.
- der OV kann keine 6V
- die Symmetrierung mit 2 x 1k ist nicht ausreichend, da die neg. und pos. Ströme nicht gleich sind und gleichzeitig so groß, daß sich der Mittelpunkt verschiebt. Zumindest fehlt das C zu V+ entsprechend C15.
Deine BNC-Buchsen werden einen Wellenwiderstand von 50Ohm haben. Fallst du ein Kabel benutzen willst, brauchst du ein 50Ohm Koaxkabel, um den Impuls überhaupt zu übertragen. Daher sollte der "Lastwiderstand" auch 50Ohm haben.
Ich versuche mal Dateien anzuhängen, was aber bisher nicht funktionierte. In der 1. habe ich deinen Schaltplan etwas umgezeichnet, für ein besseres Verständnis.
Gruß

 

[beldowsk]

Hallo UBo,

zunächst vielen Dank für deine ausführliche Beschäftigung mit meinen Problemen. Die vergangenen Tage war ich in Sachen Familie unterwegs, also nicht zu Hause. Erst in den kommenden Tagen habe ich die Zeit mich mit deinen Anregungen intensiv zu beschäftigen.

Gruß Andreas

 

[beldowsk]

Hallo UBo,

anbei zunächst der Originalschaltplan, mein KiCad-Schaltplan und -Leiterplatte sowie die Platinen, die ich habe fertigen lassen. Ursprünglich war eine 5V-Versorgung über ein USB-Kabel vorgesehen. Ich hab aber immer Angst mir aus einem Steckernetzteil Störungen einzufangen und arbeite daher lieber mit Batterie/Akku. Zurzeit sind 4 AAA-Batterien eingebaut, die aber auch sehr lange halten. Das Datenblatt des LMP7731 will aber tatsächlich nur max. 5V haben. Sollte ich besser mit 4 AAA-Akkus arbeiten?

Zur Symmetrierung ist auf der Platine ein Poti eingebaut. Das Signal vom PMT kommt als negativer Puls. Meine Meinung war daher, das GND für das Signal gar nicht mittig liegen muss, dass es möglicherweise sogar Vorteile bring es nach Plus zu verschieben (damit für negative Signale eine größere Bandbreite da ist). Ich hab damit aber noch nicht experimentiert. Gibt es Gründe die Lage von GND stabiler zu machen? Und wie mache ich das?

Die 4 Kondensatoren C9 bis C12 im Originalschaltplan sollen möglichst nah an den Anschlüssen der LMP7731 sitzen. C10 und C11 (nach Originalschaltplan) hab ich dann aber weggelassen, möglicherweise versehentlich, weil sie mir für LTspice überflüssig erschienen waren?! Sollten diese 4 Kondensatoren eingebaut werden? Und wenn ja: Wo muss der andere Anschluss hin, an den Minuspol der Batterie (virtGND im LTspice-Schema) oder an GND des Signals?

Mit deinem Hinweis „Im Grunde mußt du in Energie rechnen“ bin ich leider nicht weit gekommen. Beim googlen nach „Energie“ und „Impuls“ lande ich vorrangig bei der Relativitätstheorie. Wo erfahre ich mehr zum „rechnen mit Energie“?

Gruß Andreas

 

[UBo]

Hallo Andreas,
ich spiel mal ein bißchen den Klugsch...
mit deine Schaltung ist faktisch ein Tiefpass. Mit dem kannst du die kurzen Impulse einzeln nicht sehen. Zum Lernen ist das alles super.
Ich habe mal die Daten mit angenommenen (idealisierten) Impulsen anghängt. Dort siehst du, daß deine "Quelle" so nur 5 Femtojoule liefern kann.c Das wäre deine Energie. Diese wird in die Kondensatoren übertragen. Da kommt aber pro Impulse an C1 nur 6e-19J an. Der Rest ist Wärme an den Rs. Das wäre der physikalische Hintergrund. (Für Physiker ist der Energieerhaltungssatz heilig und den "Rest" kann man ableiten). Du kannst das natürlich einfacher mit der Signaltheorie rechnen. Du siehst in der Simulation, daß du Impulsfolgen messen kannst. Du kannst aber nicht unterscheiden, ob es kurze Stromimpulse mit hohem Strom oder längere mit weniger Strom, solange die Energie gleich ist.
Zu deiner Schaltung nachher mehr, wenn ich vor dem Fernseher sitze.
Gruß Uwe

 

[UBo]

Batterie ist recht einfach und hat den Vorteil des eingebauten Verpolschutzes.

 

[beldowsk]

Hallo UBo,

anbei zur Veranschaulichung eine 5-Minuten-Aufzeichnung des PMT-Adapter-Outputs (mit 10 MOhm in der Signalleitung, sonst gibt es Übersteuerungen). Die Digitalisierung erfolgt mit 32Bit Auflösung und 192 kHz Samplingrate (USB-Audio-Interface steinberg UR22C). Beim Impuls ist jeder Samplingwert als Punkt dargestellt. Es sehen nicht alle Impulse so wohlgeformt aus, die Software „Theremino MCA“ selektiert fragwürdige Impulse aus.

Wie gesagt, der GND für das Signal muss nicht mittig liegen, aber er darf sich unter der Belastung eines Impulses sicher nicht verändern. Die Wahl eines 2kOhm-Poti war recht willkürlich. Würde mir mehr Widerstand hier mehr Stabilität bringen?

Gruß Andreas

 

[beldowsk]

Hallo UBo,

nun habe ich die 4 AAA-Batterien (6V) durch 4 Akkus (4,8V) ersetzt. Danach habe ich ein Standard-BNC-Kabel durch eines mit 50 Ohm Impedanz ersetzt. Der Effekt durch den Batterie-/Akku-Wechsel (braun und blau) ist geringer als durch den Kabelwechsel (blau und grün). Durch den Kabelwechsel reduziert sich das Signal um ca. 2,3dB, im Histogramm wird die Auflösung bei den niedrigen Energien geringer, der 10 MOhm-Signalleitungswiderstand ist zu groß.

Gruß Andreas

 

[UBo]

ein gesundes und erfolgreiches Jahr 2026,
da ich ab heute offiziell Renter bin, kann ich mich etwas mehr um den Techniknachwuchs kümmern.
Das mit der Batterie ist so ja bestens. Für ein NT-Versorgung ist eine Schaltung angehängt. Ich benutze allerdings seit 30 Jahren den: TLE2426 Datenblatt, Produktinformationen und Support | TI.com
Zu deiner Frage - zur Symmetrierung müssen die Rs möglichst klein sein und die Cs möglichst groß. Daher besser aktive Lösungen. Deine 2 x 1k sind aber schon gut, nur die Cs nicht vergessen, da die Impulsenergien da raus kommen. Für die Cs möglichst keine ELKOs nutzen; auch 100µ gibt es mittlerweile als MLCC.: https://www.mouser.de/ProductDetail/Murata-Electronics/GRM21BR60J107ME15L?qs=qSv5qXjCIG0V4cgMTBuIkA==

Bei deinem Kabel gibt es sicher noch mißverständnisse. Was ist hier das Standartkabel?
Das 50Ohm-Kabel nützt nicht viel, da dein ganzer Aufbau fehlangepasst ist. Was das bedeutet schick ich dir mal als Simulation. Die Datei "Anpassung" nutze ich immer zur Erklärung. Die Datei "Fehlanpassung" ist deine Schaltung und du kannst ja damit etwas spielen. Das ganze funktioniert nur, weilbei allen Reflektionen am Ende die Energie in den C landet und die beiden Tiefpass-Schaltungen die Impulse "schlucken".
Mit R8 an U1 stellst du due Verstärkung ein. Da kannst du nach Bedarf ändern . das ist unkritisch. Nicht bei U2!!!
Falls es übersteuert, mach ein R am Eingang nach Masse, nicht in Reihe. Damit beinflußt du das Tiefpassfilter nicht und du hast ja faktisch ein Stromquelle.
In dein Layout sind ein paar "acid trap" eingebaut - Grundregel: keinen spitzen Winkel und immer schön auf DRC drücken.
Wenn du alles bei deinem Aufbau verstanden hast, kommst du auch locker durch ein ET-Studium.

Noch ein Thema: Soundkarte mit 192ks uns 32bit Auflösung
Die ist damit natürlich gut geeignet.
Die 32bit sind aber pseudo. Für Messschaltungen ist immer das Rauschverhalten wesentlich. Deine 1MOhm ergeben hier schon eine Rauschspannung von ca.20µV (siehst du hier: Resistor Noise / Widerstandsrauschen ). Beim Nachrechnen siehst du, daß 16bit das gleiche Ergebnis bringt. Gleichzeitig ergibt sich ja auc, das dein rauscharmer OV eigentlich nichts bringt.

Gruß, viel Spaß und viel Erfolg

 

[beldowsk]

Hallo,

nun sind die Feiertage vorüber und ich kann mich wieder meinen Hobbies zuwenden.

Zum Thema des Thread:
Wohl aus Mangel an Erfahrung hatte ich lange Zeit nicht damit gerechnet, dass eine Quelle im Schema zur Senke für eine zweite Quelle wird. Das das so ist, habe ich beim „spielen“ mit LTspice und mit genauem Hinsehen auf Ströme und Spannungen im Netzwerk erkannt.

Für mein „kleineres“ HV-Netzteil (nach theremino, max. 1000 V, max. 50 uA) konnte ich nach Der Innenwiderstand von Spannungsquellen den Innenwiderstand zu ca. 4 MOhm ermitteln (mit einem 20x13MOhm-Widerstandsarray 4,06 MOhm, und mit einem 100x-Tastkopf 3,84 MOhm).

Mit dem „größeren“ HV-Netzteil (HAMAMATSU C10940, max. 1200 V, max. 600 uA) geht das so nicht, das regelt die Spannung über einen großen Lastbereich nach.

Daher folgende Idee:
mit dem anliegenden Schema müsste sich der Innenwiderstand der Hochspannungsquelle berechnen lassen zu:

Ri = U(TP2) * RL * 12 * RDy / ( U(TP1) * 12 * RDy – U(TP2) * ( RL + 12 * RDy ) )

Sollte Ri = 0 sein, so müsste auch U(TP2) = 0 sein.

Geht das so, oder bin ich da auf dem Holzweg? Ist der Innenwiderstand evtl. vom Reglerzustand und damit von der Last abhängig?

Gruß Andreas

 

[UBo]

Hallo Andreas
erstmal zu Deiner Ausrüstung: das beste Preis/Leistung zum Löten im Labor (benutze ich seit 30Jahren):

JBC BT-2BWA Lötstation - Welectron, 309,00 €

Analoge Lötstation 140/75W, 90 450 °C, "Weidinger Edition" inkl Lötspitze (C245-907 2,2x1,0 mm)

www.welectron.com

Die Aussage, daß sich an U(TP2)=0 ergibt ist korrekt. Aber egal welcher Ri für die Quelle - die praktische Schaltung hat intern einen Ausgangs-C der für die kurzen Impulse als Kurzschluß wirkt=> Ri~0.
Die Simulation stimmt aber so eigentlich nicht, da du keine 2 Quellen hast. Das PMT kann nur liefern, was deine Hv hergibt. Die logischere Lösung habe ich mal angehängt. Falls mir mal langweilig ist, versuche ich mal ein Modell vom PMT zu schreiben. Mit der eingeblendeten Abtastrate siehst du, daß diese für die Genauigkeit wichtiger ist als die Auflösung der Sounkarte, da die Software ja den Spitzenwert suchen muß.
Das ganze Konstrukt funktioniert nur, wenn die Impulsfolge so gering ist, daß der Ausgangsimpuls abgeklungen ist.
Gruß