Module haute tension 6U

​Introduction au chassis universel Mpod 

Module haute tension 6U / Module basse tension 6U

Chaque chassis Mpod, associé à un contrôleur Mpod-C ou CC24, permet d’accueillir un module haute tension 6U, un module basse tension 6U, ou une combinaison de plusieurs modules. Une telle configuration permet d’offrir un nombre élevé de voies qui soient indépendantes et contrôlables individuellement ou par groupes par un slow control adapté au besoin du client. L’avantage du chassis Mpod est le ratio coût / voie, nettement réduit par rapport à une solution au format universel (NIM, VME64, CAMAC, µTCA, etc).

Le rapprochement collaboratif de deux de nos partenaires industriels allemand W-IE-NE-R Plein & Baus et ISEG Spezialelektronik en 2007 a permis de mettre sur le marché un choix étendu de solutions de châssis mixte haute et basse tension Mpod. Dans cette collaboration :

• ISEG vous fait bénéficier de son expertise dans les technologies les plus avancées pour proposer des modules DC haute tension stables, très peu bruités et extrêmement précis, avec des écarts types très faibles autour de la valeur mesurée.
• W-IE-NE-R apporte l’expérience issue d’une longue tradition dans la mécanique et l’électronique de puissance avec des chassis robustes et des modules DC basse tension de forts ampérages.

Quelques informations complémentaires sur notre site partenaire ISEG Spezialelektronik GmbH.

Quelques informations complémentaires sur notre site partenaire W-IE-NE-R Power Electronics.

Caractéristiques des chassis Mpod, Mpod Mini et Mpod Micro 

Les chassis Mpod, développés et fabriqués par W-IE-NE-R, permettent l’insertion de modules HT et BT multivoies DC. Le modèle Mpod Micro-1 offre 1 slot pour l’insertion de 1 module BT ou HT au choix, le modèle Mpod Micro-2 offre 2 slots libres, le Mpod Mini 4 slots et le Mpod 10 slots libres. Héritant du savoir faire unique de W-IE-NE-R dans la construction modulaire de chassis, la série Mpod bénéficie de nombreuses configurations, avec des backplanes équipés de connecteurs DIN-96 et DIN-30, routés et câblés mixte ‘haute tension’ et ‘basse tension’  avec des sorties orientées vers la face avant ou vers la face arrière.

Une version spéciale sert à juxtaposer des modules HT et/ou BT et des modules aux standard internationaux VME64/64x, cPCI et VXS, avec des backplanes différents, et avec une alimentation de puissance commune.

Les modules HT et BT ont, par nature, des contraintes de fonctionnement totalement différentes. Par exemple les modules BT de la série MPV de W-IE-NE-R consomment beaucoup de puissance car ils sont en charge de fournir à leurs sorties 50 W / voie ou 100 W / voie pour un total de 400 W par module. A l’opposé, les modules HT des séries EHS, EBS et ESS d’ISEG fournissent très peu de puissance, de 1 W à 9 W / voie, mais avec une exigence extrême en terme de ripple & noise, de régulation statique et dynamique, de dérive en température, de dérive dans le temps. L’expertise de W-IE-NE-R en électronique de puissance a permis d’intégrer des alimentations qui satisfont à cette double exigence : fournir beaucoup de puissance via un étage primaire conçu autour d’un PFC avec un bus AC de 380 VAC pour alimenter les modules BT, et générer des tensions de + 5 VDC et +/- 24 VDC de puissances intermédiaires de très haute stabilité pour alimenter les modules HT. Cette architecture permet d’offrir une large gamme de puissance, de 600 W pour le modèle Mpod Micro 1 slot jusqu’à 3 kW pour le modèle Mpod 10 slots.

Les chassis Mpod sont équipés en standard du contrôleur Mpod-C de W-IE-NE-R avec communication SNMP sur Ethernet. Mais ils sont désormais compatibles avec le nouveau contrôleur CC24 d’ISEG. Ce dernier embarque une plateforme Linux supportée par un processeur Quad-Core. Le contrôleur CC24 offre encore plus de services tels que : webserver iCS (iseg Communication Server) exécutant le slow control, dans ce cas aucun soft externe n’est à installer, EPICS IOC, service SNMP, autoconfiguration des modules détéctés, etc.

Caractéristiques du module haute tension 6U

Une large variété de choix :

Le module haute tension 6U multivoies dans un format propriétaire est proposé avec une variété de performances très attractives pour les applications de physique. Le choix de l’utilisateur se fait en fonction des caractéristiques suivantes :

• Nombre de voies et leur densité.
• Connectique – multi pin ou single pin – et son câblage.
• Mode de régulation – tension ou courant – et leur performance en stabilité.
• Courant max. débité.
• Consommation en puissance et le rendement.
• Amplitude de ripple & noise.
• Résolution et la précision (déviation / écart type).
• Dérives en température et en temps.
• etc…

3 modes de génération de la haute tension :

Le module haute tension 6U offre des caractéristiques qui correspondent à vos besoins :

Le mode source de tension distincte avec un transformateur par voie. Le module haute tension 6U dans la version STANDARD ou HAUTE PRECISION est équipé de sources distinctes pour chaque voie. Le réglage est extrêmement précis en tension et en courant. La puissance de sortie par voie est de 9 W. La version HAUTE PRECISION est équipée d’une seconde plage de mesure en courant switchée électroniquement et possédant une résolution de 50 pico Amps.

Le mode générateur de tension unipolaire avec un transformateur unique, multi enroulement, dont les secondaires sont redressés et filtrés. Ce mode peut fournir au module haute tension 6U jusqu’à 24 canaux par PCB pour un total de 48 voies par module (deux PCB face to face). L’objectif affiché est le ratio cout / voie le plus attractif possible. Chaque tension est contrôlée entre 1 % * Vnominal au pied de l’échelle et 100 % de la valeur nominale en haut de l’échelle. Une mesure de courant est réalisée avec une résolution satisfaisante de 10(-4) * Inominal. La régulation en courant n’est pas possible, tout dépassement de consigne coupe instantanément la tension. La puissance de sortie est limitée à 1.5W par voie.

Le mode source de tension bipolaire avec un étage de transformateur par voie. Un module haute tension 6U de type distributeur bipolaire possède une source positive et une source négative. Une électronique de charge active autorise les opérations en mode 4-quadrants et en mode « zero crossing » avec passage automatique par la ligne de base (0 volt). Les autres propriétés sont identiques au mode source de tension unipolaire.

Isolation galvanique :

L’isolation galvanique du module haute tension 6U est un autre point technique à prendre en considération. Elle contribue à une réduction notable des bruits parasites remontant des masses communes à travers les autres devices électroniques. Nous en proposons 3 types.

• Le COMMON GROUND (CG). La masse du module haute tension 6U est électriquement liée à la masse du châssis.
• La MASSE COMMUNE FLOTTANTE (CF-GND) indique que toutes les voies ont une masse commune avec le module haute tension 6U et que cette dernière est isolée du châssis à +/- 60 V max.
• La MASSE FLOTTANTE (FG) montre que chaque canal de sortie a sa masse isolée, non seulement par rapport au châssis, mais aussi par rapport aux autres canaux. Le niveau d’isolement est de +/- 25 V ou +/- 2000 V sur demande.

Mécanique compact, rigide et robuste :

Le module haute tension 6U est proposé au format mécanique extrêmement compact avec une profondeur restreinte de 220 mm, assurant la meilleure rigidité et robustesse possible. La largeur du module haute tension 6U fait toujours 1 slot (40,3 mm) quelque soit le nombre de voies, le niveau de tension, l’intensité de courant et la puissance. Nous ne proposons pas de modules « double width board » qui limiterait le nombre de cassettes à insérer dans les châssis et rendrait difficile vos projections de dimensionnement. Nos solutions de modules haute tension 6U offrent un excellent ratio coût / voie.

Veuillez vous reporter à la page dédiée de notre fournisseur Iseg Spezialelektronik GmbH pour avoir une vue de l’ensemble de la gamme.

Modules haute tension NIM EHR Standard et Haute Précision

L’année 2023 voit arriver la toute nouvelle génération de modules haute tension EHR (R = Réversible) multivoies. Ce modèle de tiroir 6U s’appuie sur les développements apportés depuis 2018 avec les modules NHR réversibles et plus tard avec les alimentations de laboratoire SHR réversibles. Elle en reprend les caractéristiques essentielles :

• Module EHR avec polarité réversible, positive (+) ou négative (-), par commutateur haute tension actif (transistor).Le switch haute tension est activé par un signal électronique provenant du processeur central. L’ordre vient de l’utilisateur, soit en mode local avec le display et l’encodeur du châssis de puissance, soit à distance via Ethernet. Avec la gamme EHR, nul besoin de sortir le module de son chassis, nul besoin d’enlever une demi-douzaine de vis du flanc latéral et nul besoin d’inverser un bloc haute tension à 180 ° !
• 3 gammes de tensions et courants. Dans le module EHR le transformateur élévateur est doté de plusieurs enroulements secondaires qui sont commutés en fonction du range sélectionné. Ce mode de génération haute tension supporte les 3 modes distincts 2 kV / 4 mA, 4 kV / 3 mA et 6 kV / 2 mA pour une puissance qui est toujours de 10 W max par range.
• NOUVEAUTE : chaque voie de haute tension possède 4 LED en façade. 1 LED de status module (OK), une LED de l’état On/Off, une LED polarité positive, une LED polarité négative.

Le module EHR existe avec 2 voies ou 4 voies indépendantes. Il existe aussi avec une version simplifiée et limitée à 2 kV, avec pour perspective un cout d’achat inférieur, et une autre version dont le courant de sortie est limité à 100 µA, pour les applications nécessitant une haute résolution.

Avantages de la polarité électronique sur les modules à polarités fixes et les modules à sorties isolées & flottantes

La nouvelle fonction de réversibilité apporte des facilités d’installation dans des grandes expériences de physique nucléaire.

• Plus besoin d’installer des patch panels de redirection des voies HT provenant de plusieurs modules à polarités positives et négatives ou bien de modules à sorties flottantes dont on doit inverser les câbles des pôles (+) et (-). Évitez les longs câblages fastidieux et couteux, avec les risques de court-circuits.
• Plus d’intervention manuelle lorsqu’il s’agit de configurer une nouvelle expérience.
• Grace à la gestion à distance de la bascule des polarités, vos fichiers de configurations dans le contrôle – commande se retrouvent plus facilement, et vous pouvez les mettre en corrélation avec la physique pratiquée sans avoir à vous demander, par exemple, pourquoi le faisceau de particules n’arrive pas, ou pourquoi le détecteur ne renvoit pas de signal.

La réversibilité des polarités concerne de nombreux systèmes dans les grandes installations.

Ou sont utilisés les modules haute tension à polarités réversibles ?

Dans les accélérateurs / faisceaux d’ions : quadrupôles électrostatiques, steerer, RFQ Cooler. Le module EHR Standard est en cours d’installation dans les expériences ELENA et ISOLDE au CERN.

Dans les détecteurs de particules : chambres à fils, silicium.

Module haute tension 6U série EBS Bipolaire 4-Quadrants

Solution unique sur le marché de la haute tension :

Le module haute tension 6U EBS BIPOLAIRE possède une pleine capacité de fonctionnement 4 quadrants, avec un mode source de polarité positive et négative et un mode charge électronique de direction positive et négative. Compte tenu du doublement du nombre de PCBs dans le module – 1 PCB source + 1 PCB charge – le nombre de sorties est limité à 12 et 24.

Solution pour les accélérateurs de particules :

Le module haute tension 6U EBS est très apprécié des groupes de travail sur les faisceaux de particules dans les accélérateurs ou des guidages d’ions par quadripôles ou multi-pôles électrostatiques sont nécessaires. Outre la nécessité de rendre les polarités réversibles (ions positifs et ions négatifs), les plaques de déviations fonctionnent dans des plages de tensions très étendues, à partir de 100 mV et au delà de 2500 V. Le module haute tension EBS a été choisi dans les projets PIPERADE (Piège de PEnning pour des ions RAdioactifs à DEsir) et HRS (High Resolution Separator) @ SPIRAL 2 (GANIL).

Le module haute tension 6U EBS est parfait pour les systèmes optiques électroniques et les charges capacitives.

Avec nos switchs haute tensionde CGC Instruments, les modules haute tension bipolaires EBS sont utilisés dans des applications de physique des ions impliquant des quadripôles électrostatiques, des hexapôles, des steerers bipolaires, des pièges de Penning, des pièges de Paul etc.

Module haute tension 6U série ESS Unipolaire 2-Quadrants

Le dernier né de la famille, le modèle ESS 2 quadrants, dispose d’une seule voie de tension. Il est composé d’un PCB source à résonance et d’un PCB charge électronique. Il a été conçu pour les optiques d’électrons et les charges capacitives. Il est proposé dans le format standard compact 6U / 220 mm / 1 slot avec une connectique haute tension GES ou Kings (Lemo).

Les modules ESS dans leurs versions 10 kV, 20 kV et 30 kV sont mise en oeuvre dans des applications de pièges de Penning dans les faisceaux d’ions. Il est en cours d’installation sur MLL-TRAP à IJCLAB / SPIRAL2 / GANIL.

Module haute tension 6U série EHS Standard

Jusqu’à 32 voies indépendantes :

La série EHS STANDARD offre jusqu’à 32 voies indépendantes qui disposent chacune de 2 boucles de régulation, en tension et en courant. Une consigne de courant est définie et labellisée dans un cas « Ilim » pour limiter et réguler en courant. Elle est labellisée « Itrip » pour faire disjoncter la voie lorsque le courant débité (mesuré) a atteint la consigne. Pour cela, une fonction Kill Enable / Kill Disable permet de passer d’un mode à l’autre.

Une technologie avancée :

Le module haute tension met en œuvre une technologie brevetée de découpage à résonance. Cette technologie est associée à des diviseurs haute tension unique en céramique avec très faible dérive. Elle est complétée de convertisseurs DAC 20 bits et ADC 24 bits au plus proche des étages HT et du processeur central. Le modèle EHS STANDARD possède un niveau de résolution de 2.10(-6) * Vnominal et un niveau de précision inégalé. Il présente une très faible déviation (écart type) définie par la relation +/- (0,01 % Vout + 0,02 % Vnominal).

Le module STANDARD convient aux applications mettant en œuvre des tubes photomultiplicateurs (PM). De facon similaire il alimente des galettes de micro-canaux (MCP), des détecteurs SiliconPM (SiPM) ou Multi-Pixel Photon Counters (MPPC), etc. Il est également utilisé dans les sources d’ions, dans les steerer electrostatiques pour faire de la déviation de faisceaux d’ions.

Module haute tension 6U série EHS FLEX

Jusqu’à 48 voies indépendantes :

La série EHS FLEX offre jusqu’à 48 voies indépendantes qui disposent chacune de 2 boucles de régulation, en tension et en courant. La puissance disponible pour chaque voie est très inférieure à ce qu’elle est pour la version EHS Standard. Elle est ici de 3 W par voie à comparer à 8 W par voie. En conséquence, le module haute tension EHS FLEX est beaucoup plus abordable au niveau de son prix. Il convient, entre autre, à l’alimentation de tubes photomultiplicateurs ou tout autre détecteur nécessitant une intensité de courant de quelques mA.

Extrême flexibilité :

Le module haute tension EHS FLEX est un nouveau concept d’une grande souplesse. Il permet une combinaison presque arbitraire de petits PCB haute tension pour répondre à une multitude d’exigences personnalisées très spécifiques.

Il repose sur le principe d’une carte mère à processeur centralisé sur laquelle sont superposées des cartes filles qui génèrent la haute tension.

On peut mixer les polarités et les valeurs de tensions et courants au sein d’un même module. Par exemple, avec un module 24 voies, il est possible de juxtaposer :

• 12 voies 3 kV positives avec 12 voies 3 kV négatives, ou bien
• 6 voies 500 V positives avec 6 voies 500 V négatives, juxtaposées à 6 voies 2 kV positives et 6 voies 2 kV négatives, ou bien encore
• Plusieurs voies 100 V avec des voies 500 V et de polarités variées.

Module haute tension 6U série EHS Haute Précision

Le haut de gamme des modules haute tension :

La série EHS HAUTE PRECISION propose un maximum de 16 voies avec les régulations en tension et en courant. Elle reprend entièrement les caractéristiques qui font le succès de la série STANDARD. Elle y ajoute un deuxième pied de mesure en courant commuté automatiquement et donnant une résolution de 50 pA dans la gamme de courant allant de 0 à 20 µA. Dans cette plage de fonctionnement, la précision de courant est la plus haute, avec un écart type donné par la relation +/- (0,01 % * Iout + 4 nA). Cette gamme de produit est sollicitée dans de nombreuses expériences.

Applications pointues de R & D et de physique complexe :

Détecteurs Germanium de l’expérience EXOGAM à GANIL, détecteurs gazeux type Micro-Pattern Gaseous Detector (MPGD) au CERN pour lesquelles des courants de fuite doivent être détectés au plus tôt. Ceci permet de limiter les coûts de maintenance, d’éviter l’endommagement et l’usure prématurée des diodes (Ge). Une autre application est la caractérisation de Photodiodes à Avalanches (APD).

Le module haute tension 6U série EHS Haute Précision est mis en œuvre dans le projet PILGRIM (Piège d’Ion Lourd du Ganil pour la Résolution des Isobares en Masse) à GANIL. La version à faible coefficient de température (< 10 ppm au lieu de 50 ppm) été offerte. PILGRIM est un séparateur de masse en temps de vol par multi-réflexions (Multi-Réflections Time-of-Flight Mass Spectrometer, MR-ToF-MS) de haute précision et de haute résolution installé à GANIL dans la collaboration S3 (Super Separator Spectrometer) et son projet S3-LEB (Ligne Basse Énergie).

Module haute tension 6U série EDS Distributeur

FIN DE PRODUCTION Semestre 1 / 2023 : La module haute tension EDS dis ‘Distributeur’ n’est plus fabriqué, il est remplacé par le modèle flexible EHS FLEX. Le module EDS a rendu de nombreux services ou les ratios cout / voie étaient les plus bas, comme cela a été le cas avec l’expérience Superkamiokande (Super-K).