Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie zasady działania, właściwości i podstawowych parametrów transoptora.

Podstawy teoretyczne

Transoptor jest półprzewodnikowym elementem optoelektronicznym, składającym się z co najmniej jednego fotoemitera i co najmniej jednego fotodetektora, umieszczonych we wspólnej obudowie rys. 1. Sprzężenie optyczne między fotodetektorem a fotoemiterem umożliwia światłowód. Transoptor pozwala przesyłać sygnały elektryczne z wejścia na wyjście bez połączeń galwanicznych obwodów wejściowego i wyjściowego.

Rys. 1. Transoptor 4N25

W transoptorze rolę fotoemitera w obwodzie wejściowym spełnia zwykle dioda elektroluminescencyjna z arsenku galu GaAs. Na wyjściu transoptora może znajdować się fotodioda lub fototranzystor (rys.1.). Rzadziej stosuje się inne elementy; fototyrystor, fotodarlington (rys.2.), fotodiodę i tranzystor, bramkę logiczną. Fotodetektory obwodu wyjściowego są wytwarzane z krzemu Si. Zapewnia to dobrą korelację charakterystyk widmowych fotoemitera i fotodetektora (dochodzi ona do 90%). Transoptor pracuje w zakresie podczerwieni.

Rys. 2. Fotodarlington

Parametry transoptora charakteryzują właściwości jego elementów składowych, tzn. diody elektroluminescencyjnej i fotodetektora. Typowa wartość rezystancji separującej między źródłem a odbiornikiem wynosi 1011 .

Przekładnia prądowa transoptora:

ID IT

K=%

Wartość CTR zależy przede wszystkim od fotodetektora. Największe wzmocnienie można uzyskać w układzie z fotodarlingtonem, ale ma on najmniejszą częstotliwość graniczną.

Ważnym parametrem jest napięcie stałe izolacji UIO lub napięcie zmienne Uio), tj. dopuszczalna wartość napięcia przyłożonego pomiędzy zwarte końcówki wejściowe i wyjściowe, nie powodująca przebicia elektrycznego izolacji transoptora. Napięcie to wynosi od kilkuset woltów do kilku, a nawet kilkudziesięciu kilowoltów. Produkuje się również transoptory otwarte: refleksyjne i szczelinowe, w których obwód wejściowy jest sprzężony optycznie z obwodem wyjściowym za pośrednictwem przedmiotów zewnętrznych. W transoptorach refleksyjnych promieniowanie wysyłane przez fotoemiter ulega odbiciu od przedmiotu zewnętrznego i powraca do foto fotodetektora. W transoptorach szczelinowych strumień promieniowania może być przerywany mechanicznie przez przedmiot wkładany w szczelinę między fotodetektorem a fotoemiterem.

Transoptory stosuje się do galwanicznego rozdzielania obwodów, np. w technice wysokich napięć, w technice pomiarowej i automatyce, w sprzęcie komputerowym i w sprzęcie telekomunikacyjnym. Spełniają one również rolę potencjonometrów bezstykowych oraz przekaźników optoelektronicznych, wykorzystywanych do budowy klawiatury kalkulatorów i komputerów. W układach sygnalizacyjnych i zabezpieczających są stosowane jako wyłączniki krańcowe, czujniki otworów, czujniki położenia, wskaźniki poziomu cieczy itp.

Badanie właściwości statycznych transoptora:

Charakterystyka wejściowa:

Zdjąć charakterystykę wejściową transoptora metodą punkt po punkcie w układzie pomiarowym jak na rys.1. Zmieniać za pomocą zasilacza DC1 wartość napięcia i odczytywać wartość napięcia (woltomierz V1) oraz prądu (amperomierz A1). Wyniki pomiarów zapisać w tabeli 1.

Rys.1. Schemat układu pomiarowego do badania właściwości statycznych transoptora

Tabela 1.

Iin	[mA]	0,1	0,3	0,5	0,7	1,0	3,0	5,0	7,0	10,0	15,0	20,0
Uin	[V]											

Charakterystyka wyjściowa:

Zdjąć charakterystykę wyjściową transoptora przy w układzie pomiarowym jak na rys.1. Ustawić za pomocą zasilacza DC1 stałą wartość prądu . Zmieniać za pomocą zasilacza DC2 wartość napięcia wyjściowego (woltomierz V1) i odczytywać wartość prądu (amperomierz A2). Wyniki pomiarów zanotować w tabeli 2.

Tabela 2.

Iin	Uout	[V]	0,0	0,1	0,3	0,5	0,7	1,0	2,5	5,0	10,0	15,0
2mA	Iout	[mA]										
7mA	Iout	[mA]										
14mA	Iout	[mA]										
20mA	Iout	[mA]										

Pomiar prądu ciemnego:

Zmierzyć prąd ciemny transoptora przy w układzie jak na rys.2. Odłączyć zasilacz DC1. Za pomocą zasilacza DC2 nastawić Uout=10V (woltomierz V2). Odczytać wartość prądu ciemnego transoptora na amperomierzu A2 (układ poprawnego pomiaru prądu). Prąd ciemny jest prądem generacji termicznej fototranzystora.

UWAGA: Amperomierz A2 ustawić na najmniejszy zakres pomiarowym 20A.

Rys.2. Schemat układu do pomiaru prądu ciemnego I0 transoptora

DODATKOWO:

Wyznaczanie wybranych parametrów diody LED transoptora:

Z tabeli 1. odczytać wartość napięcia wejściowego dla prądu wejściowego . Za pomocą tabeli A określić:

materiał z którego zbudowana jest dioda elektroluminescencyjna LED,

- długość i barwę emitowanej fali elektromagnetycznej.

Odczytane parametry zapisać w tabeli 3.

Tabela 3.

Uin[V] przy Iin=10mA	Długość fali [nm]	Barwa	Typ materiału	Symbol
1,3...1,5	900	podczerwień	arsenek galu	GaAs
1,6...1,8 655 czerwona 2,0...2,2 590 żółta	arsenek-fosforek galu	GaPAs
2,2...2,4	565	zielona	fosforek galu	GaP
3,0...5,0	490	niebieska	azotek galu	GaN
Badana dioda LED transoptora

Badanie właściwości dynamicznych transoptora:

Charakterystyka częstotliwościowa przekładni prądowej CTR:

W układzie pomiarowym jak na rys.3 wyznaczyć charakterystykę częstotliwościową przekładni prądowej CTR określającą właściwości dynamiczne transoptora przy przenoszeniu sygnałów analogowych. Przyłączyć kanał A oscyloskopu do wejścia Y2 (obserwacja przebiegu prądu na rezystorze R1), a kanał B do wejścia Y1 (obserwacja przebiegu prądu na rezystorze R2). Nastawić za pomocą generatora GEN sygnał prądowy sinusoidalny o stałej amplitudzie Iin=10mA, niezmiennej podczas całego pomiaru. Za pomocą zasilacza DC2 ustawić stałą wartość napięcia U2 =15V. Zmieniać częstotliwość sygnału generatora w zakresie (0.1 - 300)kHz i odczytywać wartości amplitudy i częstotliwość prądu wyjściowego na kanale B oscyloskopu. Wartość amplitudy prądów wyliczyć ze wzorów:

gdzie: UA - wartość amplitudy napięcia przebiegu obserwowanego na kanale A oscyloskopu,

UB - wartość amplitudy napięcia przebiegu obserwowanego na kanale B oscyloskopu,

R1=R2=1008.

Wartość przekładni prądowej CTR transoptora obliczyć ze wzoru:

przy = 10mA

Wyniki zanotować w tabeli

Tabela 4.

f	[ kHz]	0,1	1	10	100	125	150	175	200	225	250	275	300
Iout	[mA]												
%	[%]												

Charakterystyki czasów przełączeń transoptora:

W układzie pomiarowym jak na rys.3 wyznaczyć charakterystyki czasu:

narastania przy ,

włączania przy ,

opadania przy ,

wyłączania przy .

Pomiaru czasu przełączeń, określających właściwości dynamiczne transoptora przy przenoszeniu sygnałów cyfrowych, dokonać w oparciu o wyjściową charakterystykę dynamiczną transoptora przy podaniu na jego wejście prostokątnych impulsów prądu . Za pomocą zasilacza DC2 ustawić stałą wartość napięcia U2 =10V. Nastawić za pomocą generatora GEN sygnał wejściowy prostokątny o: częstotliwości f=100kHz, wypełnieniu 50% i amplitudzie wg tabeli 5.

Rys.3. Schemat układu pomiarowego: (Y1 - wejście na kanał A oscyloskopu;

Y2 - wejście na kanał B oscyloskopu; GEN – generator).

Tabela 5.

Iin [mA]	td [s]	tr [s]	ton [s]	ts [s]	tf [s]	toff [s]
0,5						
1,0						
3,0						
5,0						
7,0						
10,0						
15,0						
20,0						

Na podstawie obserwacji odpowiedzi prądowej transoptora (kanał B oscyloskopu) na wejściowy sygnał prostokątny (kanał A oscyloskopu) o amplitudzie Iin=10mA, częstotliwości f=10kHz, wypełnieniu =50%, wyznaczyć czasy:

opóźnienia

narastania ,

włączania ,

magazynowania ,

opadania ,

wyłączania .

Sposób wyznaczania powyższych czasów przedstawiony jest na rys.4. Wyniki zanotować w tabeli 5.

Rys.4.	Sposób wyznaczania czasów przełączeń charakteryzujących odpowiedź transoptora na skok prostokątny prądu wejściowego.

Częstotliwość graniczna:

Metodą graficzną, korzystając z charakterystyki częstotliwościowej przekładni prądowej CTR wykreślonej na podstawie pomiarów wykonanych w punkcie 3.1, wyznaczyć częstotliwość graniczną transoptora według kryterium 3dB spadku – patrz rys.5. Przy częstotliwości granicznej następuje zmniejszenie współczynnika CTR transoptora do poziomu

Wyznaczoną częstotliwość graniczną zapisać w tabeli 6.

Rys. 5. Graficzny sposób wyznaczenia częstotliwości granicznej fg.

Na podstawie zmierzonej w punkcie 3.2 wartości czasu narastania przy Iin=10mA (patrz tabela 5) obliczyć teoretyczną wartość częstotliwości granicznej ze wzoru:

Wynik obliczeń zapisać w tabeli 6.

Tabela 6.

fg [kHz]	fg3dB [kHz]

Badanie transoptorów

Daro

2004-04-01T10:40:00