Малошумящий широкополосный дифференциальный оптоизолятор для Зондов Ленгмюра

Малошумящий широкополосный дифференциальный оптоизолятор для
Зондов Ленгмюра
Ведущая лаборатория физики плазмы,
отдел современной физики,
научная школа, научно-технологического
университета, Китая,Хэфэй
АННОТАЦИЯ: В этой статье обсуждается конструкция малошумящего
широкополосного оптоизолятора. Представлены критически важные вопросы
проектирования оптоизолятора и результаты, полученные экспериментально.
Для уменьшения синфазных помех до амплитуды менее 1 мВ, используются
дифференциальные каналы и согласованная оптопара. Оптоизолятор
гарантирует полосу пропускания 2 МГц с пиковым напряжением 4 В.
Отклонение постоянного тока ниже 25 мВ, что показывает, что оптоизолятор
очень стабилен. Каждый оптоизолятор имеет свой источник питания
посредством выпрямления индустриального стандартного источника питания.
Шумы 50 Гц от промышленной электросети устранены. Эти характеристики
делают его надежным оптоизолятором для зондов Ленгмюра в устройствах
магнитного удержания.
Введение
На сегодняшний день, считается общепризнанным, что причиной
аномального
переноса
является
вызванная
многочисленными
неустойчивостями турбулентность плазмы. Для исследования основного
механизма турбулентного переноса зонды Ленгмюра [1] являются одним из
основных инструментов во многих термоядерных и не термоядерных
устройствах. В крупных плазменных экспериментах, из-за высоких рабочих
напряжений и токов, контуры (замкнутые цепи) заземления часто вызывают
очень сильные шумы в сигналах зонда Ленгмюра, поэтому они представляют
собой серьезную проблему, которую необходимо решать. Также должны быть
устранены перекрестные помехи между разными каналами. Для получения
высококачественных
сигналов
с
высоким
отношением
сигнал/шум
необходимо иметь хорошую электрическую изоляцию наряду с надежной
передачей сигнала. Самый простой способ — использовать изолирующие
детали, такие как оптические изоляторы.
На рынке доступно множество микросхем оптоизоляторов. Но такие
микросхы-оптоизоляторы,
как
светоизлучающий
диод,
интенсивность
которого регулируется напряжением сигнала, и фотодиод/фототранзистор,
который обнаруживает свет от светодиода, имеют нелинейное усиление.
Метод,
позволяющий
избежать
этой
нелинейности,
заключается
в
преобразовании напряжения сигнала в частоту, с последующим обратным его
преобразованием, после оптоизоляции. Такую схему легко спроектировать, но
пропускная способность её сильно ограничена. Широко используемый
оптоизолятор подробно описан в источнике [2]. Очевидно, что этот тип
оптоизолятора не подходит для диагностики зонда Ленгмюра в устройствах
магнитного удержания, поскольку обычно он имеет только узкую полосу
пропускания менее 100 кГц. В этой статье будет представлена конструкция
недорогого оптоизолятора с низким уровнем шума и широкой полосой
пропускания более 2 МГц. Такие оптоизоляторы, в настоящее время, работают
в качестве основных изоляторов ленгмюровских зондов в устройствах
двойного функционального назначения КТ-5 [3, 4], ХТ-7 [5], ВОСТОК [6] и на
токамаках ХЛ-2А [7]. Основная идея изолятора представлена в следующем
разделе.
Характеристики
оптоизолятора
вместе
с
некоторыми
экспериментальными результатами представлены и кратко обсуждены в
разделе 3, показывая особенности этого оптоизолятора.
Основные идеи оптоизоляторов
Основная трудность при разработке оптоизолятора для ленгмюровских зондов
в устройствах магнитного удержания связана с широкой полосой пропускания
плазменной турбулентности. Как известно, частоты турбулентности в плазме
колеблются от очень низких частот, близких к нулю, до сотен герц, вплоть до
порядка мегагерц. Хотя коммерческие оптоизоляторы имеют довольно
хорошее линейное усиление при небольшом сигнале переменного тока ,
паразитная емкость наносит смертельный удар необходимой широкой полосе
пропускания. Неблагоприятное влияние паразитной емкости будет быстро
возрастать с увеличением частоты. В этом случае, хотя петля постоянного
тока отключается из-за высокого импеданса постоянного тока, петля
переменного тока, особенно высокочастотная - не отключается. С другой
стороны, выходной ток оптического диода настолько мал, (всего на уровне
десятков мА или даже ниже), что оптоизолятор легко улавливает
высокочастотные синфазные помехи от контура заземления. На рис. 1 четко
показана типичная шумовая помеха 50 Гц от сети питания линейной частоты.
Рисунок 1. Форма выходного сигнала оптоизолятора, показывающая
неблагоприятный дефект, вызванный паразитной емкостью.
Коммерческие оптоизоляторы имеют хороший линейный коэффициент
усиления только при малом входном переменном токе, например, несколько
мА, тогда как сигналы ленгмюровских пробников обычно порядка нескольких
вольт. Это напряжение настолько велико, что мы не можем найти на рынке
подходящий широкополосный оптоизолятор. Для того, чтобы получить
широкополосный оптоизолятор, мы приняли три меры. Во-первых, был
выбран подходящий вид микросхемы оптопары. После сравнения мы выбрали
чипы Agilent Technologies HCNR201 [8]. HCNR201 имеет низкую
нелинейность менее 0,01%. Типичное усиление передачи составляет 100%
(5%). Полоса пропускания варьируется от постоянного тока до более 1 МГц.
Во-вторых, мы разработали дифференциальный канал для оптоизолятора,
чтобы увеличить коэффициент подавления синфазного сигнала. Этот метод
успешно устраняет синфазные помехи на разные частоты. На рис. 2 показана
дифференциальная схема. Две микросхемы оптопары используются для
передачи дифференциальных сигналов и подавления синфазных помех
переменного тока.
На входе использованы комплементарные транзисторы для построения
двухкаскадного дифференциального канала усиления и усиление хорошо
контролируется цепями глубокой отрицательной обратной связи. На выходе
сигнал с оптического диода усиливается дифференциальным каналом, а затем
выходной сигнал передается двухтактной схемой. Компенсация емкости
также используется для улучшения высокочастотного отклика. В-третьих, мы
тщательно подобрали микросхемы HCNR201. Мы измерили кривые
выходного тока наряду с различными входными токами каждого чипа, а затем
выбрали два чипа с параллельными выходными кривыми в качестве
согласованной пары, чтобы гарантировать одинаковый коэффициент
передачи. Наконец, дифференциальный выход каждой пары выбранных
микросхем был протестирован с синусоидальным входом. Если выход был
нулевым, сопоставление прошло успешно.
Батареи использовались в качестве источников питания для оптоизоляторов в
ранней конструкции. В экспериментах с плазмой одновременно
использовалось большое количество оптоизоляторов. Как только
оптоизоляторы были включены, они обычно продолжали работать в течение
очень долгого времени. Очень неудобно было замените батареи. В более
позднем дизайне мы отказались от батареи и вместо этого исправили
стандартную мощность для оптоизоляторов. Схема источника питания для
одной ветви оптоизолятора показана на рис. 3. Аналогичная схема для другой
дифференциальной ветви здесь для простоты не показана. Каждая ветвь
каждого оптоизолятора имеет свой трансформатор и сетевой фильтр. В
экспериментах с плазмой единственное, что нам нужно сделать, это включить
оптоизоляторы, и они заботиться о себе.
3. Результаты
3.1 Основные возможности оптоизолятора
Подавление синфазных помех на разных частотах было реализовано путем
тщательного выбора согласованной пары HCNR201 и отладки схемы. На рис.
4 показаны синфазные помехи от длинного кабеля, подключенного к пылесосу
КТ-5. Помехи подавлялись до порядка 1 мВ, что соответствовало уровню
белого шума. Модулированные помехи частотой 50 Гц также были устранены.
Figure 4. The common mode interference from the long cable when the input end of
the differential optoisolator is linked to the KT-5 vacuum.
Эти оптоизоляторы были протестированы с синусоидальным входным
напряжением 2 В пик-пик. На рис. 5 показана одна из кривых зависимости
усиления от частоты.
Figure 5. The gain-frequency curve showing the 2 MHz bandwidth of the differential
optoisolator.
Как видно, полоса пропускания схемы превышала 2 МГц. Оптоизоляторы
могут гарантировать полосу пропускания 2 МГц при пиковом напряжении 4
В. Прямоугольная волна частотой 100 кГц также подавалась в оптоизолятор
для проверки отклика на быстрый сигнал ступенчатой функции. Алгоритм
быстрого преобразования Фурье (БПФ) использовался для анализа амплитуды
отклика. Как показано на рисунке 6, нарастающий и спадающий фронты были
менее 1 мс.
Figure 6. The fast Fourier transform analyzing of a 100 kHz square wave input and
the output of the optoisolator.
Анализ БПФ также показал, что он имел довольно фиксированный
коэффициент усиления по напряжению ниже 100 кГц, а точка 3 дБ превышала
1 МГц. Для проверки стабильности оптоизоляторов мы записывали размах
постоянного тока до и после каждого выстрела плазмы. Максимальный
выброс 70 мВ был обнаружен в период более пяти лет, а выброс обычно
оставался ниже 25 мВ. Это отклонение было незначительным по сравнению с
сигналом зонда, который был порядка 1 В.
3.2. Результаты экспериментов с плазмой
Эти оптоизоляторы в настоящее время используются в граничной диагностике
зонда Ленгмюра в КТ-5,
Токамак HT-7, EAST и HL-2A. Для простоты на рис. 7 показаны только
сигналы с датчиков прибора HT-7. Видно, что мешающий сигнал контура
заземления отсутствует, что говорит о хорошей помехозащищенности
оптоизоляторов.
Figure 7. Simultaneous signals of optical isolated triple-probe in the device of HT7.
Эта работа поддерживается Национальной программой фундаментальных
исследований Китая в рамках гранта
№ 2008CB717800, Программа ИТЭР-Китай по гранту № 2010GB107000 и
Национальный
Фонд естественных наук Китая по гранту № 11105144.
References
[1] I. Langmuir, The interaction of electron and positive ion space charges in cathode
sheaths, Phys. Rev.
33 (1929) 954.
[2] J. Ghosh et al., Simultaneous measurements of plasma parameters in the Saha
Institute of Nuclear
Physics Tokamak using a new low cost optoisolator, Rev. Sci. Instrum. 71 (2000)
3377.
[3] Y. Yu et al., Dual-electrode biasing experiments in KT5C device, Plasma Sci.
Technol. 8 (2006) 91.
[4] Y. Yu et al., Compatible operation of the power system for steady state and pulse
modes in a magnetic
torus KT-5D, Rev. Sci. Instrum. 77 (2006) 123502.
–5–
2012 JINST 7 P08018
[5] X. Gao et al., High density operation on the HT-7 superconducting tokamak,
Nucl. Fusion 40 (2000)
1875.
[6] Y. Wan et al., First engineering commissioning of EAST tokamak, Plasma Sci.
Technol. 8 (2006) 253.
[7] Y. Liu et al., Recent advances in the HL-2A tokamak experiments, Nucl. Fusion
45 (2005) S239.
[8] Avago Technologies, High-linearity analog optocouplers, Avago Technologies,
(2011).