Разработка изолирующего усилителя для диагностических систем плазменной установки

Диагностический комплекс каждой плазменной установки состоит из отдельных диагностических систем. Они позволяют определить значения параметров плазмы в различные моменты времени и в разных областях объема плазменного шнура. Как правило, диагностический комплекс средней установки включает 20-40 диагностик.

Глобальная задача диагностического комплекса состоит в получении информации о пространственно-временной картине изменения плазменных параметров в процессе эксперимента [1, с.2].

Для того чтобы можно было анализировать значения параметров плазмы, необходимо применение аналого-цифрового преобразования (АЦП) сигналов и методов регистрации быстропротекающих процессов.

Для защиты АЦП и дорогостоящей регистрирующей аппаратуры от наводок и повреждений в результате попадания аварийного напряжения на элементы конструкции экспериментальной установки в системах диагностики плазмы тем или иным способом реализуется гальваническая развязка. Её классическое определение — передача энергии или сигнала между электрическими цепями без электрического контакта. Полную гальваническую развязку позволяют обеспечить изолирующие усилители (ИУ), которые представляют собой специальный тип усилителей, обеспечивающие полную изоляцию между входным и выходным сигналом.

Очевидно, что очень важно понимать, как происходит регистрация показаний первичных датчиков на диагностике. Общая схема измерительного тракта любой диагностики на токамаке представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Измерительный тракт: ПД – первичный датчик; ИУ – изолирующий усилитель; АЦП – аналого-цифровой преобразователь; ПК – персональный компьютер

В настоящее время в системе регистрации экспериментальной установки Токамак Т-10 используются изолирующие усилители с полосой пропускания (ПП) 120 кГц. Такая ПП достаточна для большинства диагностик, однако, для таких диагностик, как Ленгмюровские зонды или магнитные зонды, желательно иметь ПП не хуже чем 1 МГц.

Целью данной работы являлась разработка ИУ с ПП не хуже 1 МГц, и линейностью не хуже существующего ИУ с ПП до 120 кГц.

Изолирующие свойства ИУ достигаются за счет трансформаторной или оптической связи входного сигнала с выходным, при этом обеспечивается изоляция до 3 кВ. ИУ с импульсным трансформатором имеют хорошую линейность, но довольно узкую полосу пропускания 0-120 кГц, кроме того, есть ряд недостатков, связанных с чувствительностью трансформатора к помехам и риску искажений при работе с короткими входными импульсами. Усилители с оптической связью могут обеспечить ПП свыше 1 МГц, но обычно уступают в линейности усилителям с трансфор­маторной связью. Необходимость в линейности усилителя обуславливается тем, что задача усилителя заключается не только в том, чтобы повысить мощность сигнала, но и одновременно максимально сохранить его “форму”. Например, если имеется некий усилитель напряжения, усиливающий напряжение в 2 раза, то в штатных условиях он должен его усиливать именно в 2 раза, независимо от того какой именно величины в него пришел сигнал.

Одна из самых основных проблем, с которой с самого начала можно столкнуться при обработке сигналов – это проблема выбора интервала дискретизации выборки [3, с.14].

Теоретически обосновано, что по ряду значений выборки можно достоверно воспроизвести только одну синусоиду (при условии, что её период больше чем в два раза превышает интервал выборки). Исходя из этого ясно, что интервал дискретизации выборки должен быть меньше половины периода. Если установить связь выборки с частотой, то получится, что по отношению к синусоиде с частотой f необходимо следование значений выборки с частотой, большей чем 2f. Эта частота выборки 2f называется частотой Найквиста [3, с.26].

Исходя из вышеизложенного, для правильной регистрации сигнала с диагностик нужна гальваническая развязка, обеспечивающая ПП не хуже 1 МГц. Если частоту дискретизации мы берем 2 МГц, то ПП развязки будет соответствовать 1 МГц.

Для создания нового ИУ был выбран фотодиодный оптрон HCNR201. HCNR201 – высоко-линейный аналоговый оптрон, состоящий из высококачественного AlGaAs светодиодного излучателя, который освещает два одинаковых близкорасположенных фотодиода: входной и выходной (рис. 2). Входной фотодиод может использоваться для отслеживания и стабилизации оптической мощности светодиода, в результате чего практически устраняется нелинейность и разброс параметров светодиода.

Рисунок 2. Схема оптрона HCNR201: LED – светодиод; PD1 – входной фотодиод; PD2 – выходной фотодиод; 1-8 - контакты

Перед тем как собрать схему изолирующего усилителя, необходимо было проверить рабочие диапазоны HCNR201. Для начала нужно было убедиться в линейности его работы. Использовалась схема как на рис. 3. Здесь выходной сигнал снимался отдельно для одного фотодиода и отдельно для другого.

Рисунок 3. Схема подключения оптрона HCNR201

Сопротивления резисторов R1 и R2 рассчитаны исходя из номинальных значений в документации оптрона HCNR201. R2, равное 37,5 кОм, был подобран под напряжение питания U = 5 В, R1, равное 94 Ом – по входному току. В описании оптрона указаны рекомендованные входящий ток - до 20 мА и пиковый входящий - 35 мА. U_LED – напряжение на светодиоде, которое предварительно измеряется.

Питание на вход было подано от 0 до 5 В от источника постоянного напряжения. А на вход/выход подключен вольтметр (в данном случае подключен осциллограф для точности измерений). Стоит заметить, что токи на входе и на выходе одинаковы, тогда коэффициент передачи по току равен 1.

График получился линейным (рис. 4) на выходе как с одного фотодиода, так и с другого (U_вых1 и U_вых2), что говорит нам о высокой линейности оптрона даже без цепи обратной связи.

Рисунок 4. График U_вых=f(U_вх) для оптрона HCNR201

Блок-схему проведённых в данной работе измерений на разных схемах с ИУ можно увидеть на рис. 5. Входной сигнал в ИУ подавал генератор сигнала, а выходной регистрировался осциллографом.

Рисунок 5. Блок-схема измерения ФЧХ и АЧХ ИУ

Для построения амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик (АЧХ и ФЧХ соответственно) применялись следующие соотношения:

f – частота сигнала, кГц;

dB=20*lg(U/U₀) – усиление в дБ, где U – амплитудное значение напряжения, В; U₀=5 – входящее напряжение, В;

φ=2πfΔt – угол фазового сдвига между сигналами, градусы, где Δt = 4 мкс – отставание фазы.

Предварительно рассматривались две схемы на оптроне HCNR201 (рис. 6 и рис. 7). Так как в будущем предполагается иметь более 500 каналов ИУ, было принято решение, что ИУ на первой схеме более подходит для этой цели, так как она проще и дешевле. Эта схема, собранная на макетной плате, состоит из 4 транзисторов 2N3906, и 7 резисторов. Вторая схема имеет двуполярное питание в отличие от первой, имеющая однополярное питание. В результате было принято решение не тратить время на макетирование второй схемы, а сосредоточиться на первой. Результаты измерений показаны на рис. 8 и рис. 9.

Рисунок 6. Схема ИУ на основе HCNR201 с биполярными транзисторами: Q1, Q3 – транзисторы 2N3906; Q2, Q4 – транзисторы 2N3904; Vin, Vout – вход и выход сигнала соответственно; Vcc1, Vcc2 – напряжение питания (+5 В); R1-R7 – резисторы с различными номиналами

Рисунок 7. Схема ИУ на основе HCNR201 с ОУ: input bnc – вход сигнала; output bnc – выход сигнала; C1-C6 – конденсаторы; А1, А2 – ОУ LT1097; Vcc1, Vcc2, V_EE1, V_EE2 – напряжения питания (15 В)

Рисунок 8. Зависимость усиления от частоты входящего сигнала для ИУ с HCNR201 (АЧХ)

По рис. 8 видно, что на уровне 3 дБ достигается необходимая частота 1 МГц, этого достаточно для работы с этой схемой ИУ [2].

Рисунок 9. Зависимость угла фазового сдвига от частоты входящего сигнала для ИУ с HCNR201 (ФЧХ)

Таким образом, был собран макет схемы ИУ с обратной связью и в результате измерения АЧХ и ФЧХ данной схемы было установлено, что такой ИУ позволяет обеспечить необходимую ПП до 1 МГц и выше.

В дальнейшем на основе выбранной схемы планируется изготовить опытный образец 8 канальной платы ИУ, и провести испытание на токамаке Т-10.