Couverture ElectroniqueS n°127

En minimisant la génération des rayonnements radioélectrique et magnétique, et en mettant en œuvre des techniques appropriées de filtrage et de blindage, complétées par une séparation efficiente des circuits générant du bruit de ceux qui y sont particulièrement sensibles, il est possible d'obtenir des performances optimales de détection de la lumière de faible intensité. L orsqu'il est question de détection de lumière de faible intensité, les exigences de performance conduisent souvent à opter pour des dispositifs ayant une sensibilité supérieure à celle des photodiodes classiques, ou même des dispositifs à couplage de charge (CCD). Les détecteurs spécialisés tels que les photodiodes à avalanche (APD), les tubes photomultiplicateurs (PMT) et les plaques à microcanaux (MCP) sont souvent préférés pour ces applications qui exigent une haute précision. Les appareils à haute sensibilité apportent avec eux un ensemble de considérations nécessaires dans la conception électronique pour optimiser les performances du système. Les applications nécessitant une détection de lumière de grande sensibilité incluent la spectroscopie, la détection de radia-tions, la vision nocturne, les télémètres laser, les télécommunications à longue distance par fibre optique, les analyseurs de sang, la tomographie par émission de positrons et la physique des particules, pour n'en citer que quelques-unes. Ces dispositifs convertissent la lumière entrante en un signal électronique via l'effet photoélectrique, les électrons étant alors éjectés lorsque les photons frappent une surface photosensible. La surface photosensible est fréquemment maintenue à un potentiel de tension élevé, généralement compris entre environ 100V et environ 6 000 V, qui dépend généralement du potentiel de la tension négative. Une quantité extrêmement faible de lumière incidente entraîne un flux d'électrons (d'où leur sensibilité élevée) et la détection d'un seul photon est possible. Même des dérives infimes d'amplitude de tension, de bruit ou d'instabilité sur la surface photosensible ont un impact direct négatif sur les performances du détecteur. De plus, les PMT sont particulièrement sensibles aux interférences électromagné-tiques (IEM). Les champs magnétiques sont à même d'influencer et déformer les trajectoires des électrons, dégradant ainsi le gain du détecteur. Les circuits électroniques non-PMT ne sont quant à eux pas immunisés et peuvent également voir leurs performances dégradées par les interférences RF et électromagnétiques. Pour ces raisons, une attention particulière doit être portée aux circuits électroniques. Or, la nature des hautes tensions impliquées complique le problème. À l'intérieur du convertisseur, la tension continue entrante (généralement 5, 12 ou 24 V) est convertie en une tension alternative via un onduleur. Cette tension est augmentée grâce à un transformateur haute tension, puis redressée et filtrée pour récupérer à nouveau une tension continue. La génération de la haute tension de polarisation est le travail de l'alimentation haute tension. Celle-ci prendra souvent la forme d'un petit convertisseur DC-DC haute tension ( voir photo ci-dessous ). À l'intérieur du convertisseur, la tension continue entrante (généralement 5, 12 ou 24V) est convertie en une tension alternative via un onduleur. Cette tension est augmentée grâce à un transformateur haute tension, puis redressée et filtrée pour récupérer à nouveau une tension continue ( voir figure 1 ). GARY BOCOCK (XP POWER) Membre de l'IET (Institution of Engineering and Technology), Gary Bocock a 30 ans d'expérience dans le domaine des alimentations électriques. Au sein de XP Power, une société qu'il a rejointe il y a plus de 20 ans, il a occupé différentes fonctions d'ingénierie et de management. Il occupe aujourd'hui le poste de directeur technique. < Les alimentations haute tension conçues pour la polarisation de détecteurs sensibles utilisent des circuits à faible bruit, des transformateurs blindés et des boîtiers en acier pour réduire l'ondulation résiduelle, les interférences électromagnétiques et les interférences radio. Se protéger contre les IEM et les rayonnements RF L'ondulation résiduelle sur la sortie haute tension, imputable au circuit de redressement, n'est pas souhaitable dans les applications exigeant une grande stabilité et un faible bruit. Les émissions électromagnétiques (IEM) et radiofréquences (RFI) sont indésirables, pour les raisons exposées ci-dessus. S'il est vrai qu'un filtrage et un blindage efficaces sont nécessaires pour atténuer ces problèmes, ces étapes sont rendues moins difficiles si le générateur haute tension est conçu de manière à minimiser la génération des interférences RF et électromagnétiques. Avec l'avènement des alimentations à découpage et leur omniprésence sur le marché, la question des problèmes de bruit et d'interférences liés aux commutations forcées s'est posée. La commutation de signaux rectangulaires génère des harmoniques et des pics de courant de forte amplitude, qui produisent des interférences à des fréquences élevées. Il est souvent difficile de filtrer ces fréquences et de s'en protéger par un blindage, en particulier dans les systèmes compacts où la présence d'une haute tension complique les choses. De plus, en raison de la néces-sité d'une tenue en tension appropriée, les transformateurs haute tension ont tendance à présenter des éléments parasites importants, en particulier une capacité. De ce fait, ils constituent souvent une source majeure d'interférences RF et électromagnétiques rayonnées. Les éléments parasites inhérents aux transformateurs haute tension se traduisent par une fréquence de résonance à bande étroite avec un facteur Q élevé. Cette fréquence de résonance peut varier d'un appareil à l'autre, ainsi qu'en fonction des variations de la charge, de la tension d'entrée, de la tension de sortie et de la température. Un désaccord de fréquence entre un signal de commande à fréquence fixe modulé en largeur d'impulsion (PWM) et la fréquence de résonance naturelle du transformateur entraîne des pointes de courant, du stress et des tensions transitoires élevées. Pour ces raisons, les topologies à découpage sont jugées indésirables dans les environnements sensibles au bruit, notamment lorsqu'il est question de détection de lumière à faible intensité. Ces inconvénients sont évités avec une topologie de convertisseur résonant, telle que mise en œuvre dans la gamme de modules de conversion DC vers DC haute tension (DC-DCHV) de XP Power. L'histoire des circuits résonants remonte au XIX e siècle. En résonant automatiquement à la fréquence de résonance naturelle du transformateur, les problèmes tels que les pointes de courant de grande amplitude, les tensions transitoires et les harmoniques bruyantes sont minimisés. L'adoption de cette topologie est très avantageuse dans les applications à faible bruit. Le rayonnement électromagnétique est constitué de champs électriques et magnétiques couplés et de champs électrostatiques avec présence de haute tension. Les méthodes adoptées pour minimiser le bruit au niveau du convertisseur DC-DCHV comprennent l'adoption de géométries de noyau magnétique blindées, la mise en œuvre de techniques de commutation douces et de schémas de suppression de bruit, un filtrage haute performance et un excellent blindage vis-à-vis des interférences RF et électromagnétiques. Lorsque ces éléments sont correctement mis en application, le générateur haute tension peut être situé très près du détecteur, sans dégrader les performances, tout en permettant des boîtiers compacts. La localisation d'une petite source haute tension à proximité du détecteur élimine le besoin de câblage haute tension provenant d'une source d'alimentation volumineuse et encombrante. Il est important de noter que les boîtiers en plastique et en aluminium couramment adoptés s'avèrent peu adaptés au confinement des IEM et des interférences RF. Le plastique, bien sûr, n'a aucun effet protecteur. Les métaux non ferreux tels que le cuivre, le laiton et l'aluminium ont une perméabilité identique à celle de «l'espace libre», c'est-à-dire une perméabilité relative égale à un. L'acier doux commun a une perméabilité d'environ 2000. L'acier étant sujet à l'oxydation et difficilement soudable, un placage (tel que le zinc) est souvent employé. Opter pour des sources haute tension du commerce Des sources haute tension miniatures sont disponibles dans le commerce et offrent une régulation précise, une programmation et un contrôle à distance, tout en autorisant une relecture en direct. Le circuit de régulation interne maintient la haute tension stable, quelles que soient les variations du courant de charge, de la tension d'entrée, de la température et dans le temps. Cela permet d'intégrer facilement l'alimentation haute tension dans le sys-tème en utilisant uniquement des signaux d'E/S basse tension. Le recours a des modules miniatures montés sur PCB évite les délais, les coûts et les risques associés à la fourniture d'une alimentation personnalisée via des méthodes traditionnelles, ou au développement d'une alimentation à partir de zéro. Vous pouvez aisément modifier les niveaux de tension et de courant, même en fin de phase de développement, car les empreintes standard simplifient le changement de module. Ces modules haute tension sont déjà produits en grande série. Leur fiabilité est donc établie et les nouveaux utilisateurs bénéficient des économies d'échelle en termes de coût et de délai. Les agréments des agences de sécurité sont déjà en place, ce qui réduit encore les risques de conception et les délais de développement. Les sources haute tension montées sur carte électronique côté composants sont disponibles via la distribution en ligne, pour un prototypage rapide. À la sortie du détecteur, un circuit amplificateur électronique sensible est de mise pour fournir un signal robuste en vue d'un traitement ultérieur. Ces éléments sont souvent protégés des IEM et des rayonnements RF pour éviter les interférences et la dégradation des performances. Des techniques de mise à la terre adéquates minimiseront les interférences des circuits générateurs de bruit, tels que les alimentations. Une séparation étudiée des zones d'alimentation, de contrôle et de protection réduira les interférences dans les applications sensibles. Il existe généralement trois types de masse dans un système d'alimentation haute tension : celle de la source d'alimentation d'entrée, celle des circuits de commande et de surveillance basse tension et celle de retour de la haute tension. Ces trois terres devraient avoir leurs propres voies de retour de courant indépendantes et être connectées en étoile ( voir figure 2 ). n

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