Диодные оптопары




Скачать 206.81 Kb.
НазваниеДиодные оптопары
Дата конвертации26.02.2013
Размер206.81 Kb.
ТипМетодические указания


Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет - УПИ


ДИОДНЫЕ ОПТОПАРЫ

Методические указания к лабораторной работе

по дисциплине "Электротехника и электроника"

для студентов всех форм обучения специальностей

210100 – "Управление и автоматика в технических системах",

220100 – "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети",

220200 – "Автоматизированные системы обработки информации и управления"


Екатеринбург 2005

УДК 621.38

Составители: канд. техн. наук, доцент В.А.Матвиенко

канд. физ.-мат. наук Ю.Н.Секисов

Научный редактор: канд. техн. наук, доцент В.И.Паутов

ДИОДНЫЕ ОПТОПАРЫ: Методические указания к лабораторной работе по дисциплине: "Электротехника и электроника" / В.А.Матвиенко, Ю.Н.Секисов. – Екатеринбург: Изд-во УГТУ–УПИ, 2005. – 15 с.

В методических указаниях изложены краткие теоретические сведения по диодным оптопарам, приведены программа и методика их исследования, даны рекомендации по составлению отчета, предложены контрольные вопросы. В приложениях приведены основные термины и определения по ГОСТ 27299-87 и справочные данные диодных оптопар. Методические указания предназначены для студентов всех форм обучения специальностей 210100 – "Управление и автоматика в технических системах", 220100 – "Вычислительные машины, комплексы, системы и сети", 220200 – "Автоматизированные системы обработки информации и управления".

Библиогр.: 9 назв. Рис. 5. Прил. 3.

Подготовлено кафедрой "Автоматика и управление в технических системах"

© ГОУ ВПО Уральский государственный технический университет, 2005

ДИОДНЫЕ ОПТОПАРЫ

Составители Матвиенко Виталий Александрович

Секисов Юрий Николаевич

Редактор

Подписано в печать

Формат

Бумага

Печать

Усл. печ. л.

Уч.-изд. л.

Тираж

Заказ

Цена "С"

Издательство УГТУ-УПИ

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19

Типография __________________________

  1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Экспериментальное исследование характеристик и параметров диодных оптопар. Изучение методов и приобретение практических навыков измерения параметров диодных оптопар. Ознакомление с номенклатурой и техническими характеристиками диодных оптопар.


  1. ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ

Изучите принцип действия и конструкцию диодных оптопар
[1-8]. Ознакомьтесь с номенклатурой диодных оптопар и их техническими характеристиками (см. прил. 2 и 3). Ответьте на контрольные вопросы.


  1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

Оптопарой называется оптоэлектронный прибор, содержащий конструктивно объединенные и оптически связанные источник и приемник излучения. На рис. 1 изображен один из вариантов конструкции оптопары. Источник излучения преобразует входной электрический сигнал в световой поток или поток инфракрасного излучения, которые через оптическую среду передаются к приемнику излучения, осуществляющему обратное преобразование потока излучения в выходной электрический сигнал.

Связь источника и приемника излучения только через оптическую среду обеспечивает очень высокую электрическую изоляцию входа и выхода оптопары и однонаправленность передачи сигнала. Эти свойства обусловливают широкое применение оптопар в качестве элемента гальванической развязки вместо трансформатора. В отличие от трансформатора оптопара передает не только переменную составляющую входного сигнала, но и его постоянную составляющую, т.е. полоса пропускания оптопары начинается с нулевой частоты, что является ее существенным преимуществом.

Источником излучения в оптопарах служат лампы накаливания, светоизлучающие диоды и инфракрасные излучающие диоды. Приемниками излучения могут быть фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, однопереходные фототранзисторы, фототиристоры. В качестве оптической среды используются стекла, полимерные оптические клеи, лаки, которые должны быть оптически прозрачны в спектре излучения источника и иметь высокую электрическую прочность, а их показатель преломления и температурный коэффициент расширения должны быть близки к соответствующим параметрам источника и приемника.

Поскольку свойства оптопары в основном определяются свойствами приемника излучения, то в основу классификации оптопар положен тип приемника излучения, в зависимости от которого различают резисторные, диодные, транзисторные оптопары и оптопары на однопереходных транзисторах.

В диодных оптопарах в качестве приемника излучения используется кремниевый фотодиод, а в качестве источника излучения – инфракрасные излучающие диоды на основе арсенида галлия или твердого раствора галлий-алюминий-мышьяк. Максимум спектральной характеристики излучения таких диодов приходится на длину волны около 1 мкм, что хорошо согласуется со спектральной характеристикой кремниевого фотодиода.

Как элемент электрической цепи фотоприемник диодной оптопары может работать в фотодиодном (фотопреобразовательном, вентильном) и фотогальваническом (фотогенераторном) режимах. В фотодиодном режиме выходным параметром оптопары является ток фотодиода, смещенного в обратном направлении, а в фотогальваническом режиме – фотоэлектродвижущая сила, генерируемая фотодиодом, или ток в нагрузке при отсутствии на фотодиоде напряжения смещения.

В системе параметров диодных оптопар можно выделить три группы (определения основных параметров диодных оптопар по ГОСТ 27299-87 [9] приведены в прил. 1):

  • входные параметры – входное напряжение оптопары Uвх при заданном входном токе Iвх, максимальный входной постоянный ток Iвх.макс, максимальный входной импульсный ток Iвх.и.макс, максимальное обратное входное напряжение Uвх.обр.макс, входная емкость Свх. Входные параметры характеризуют режим работы источника излучения;

  • выходные параметры – выходной ток оптопары Iвых в заданном режиме, импульсный выходной ток Iвых.и, ток утечки на выходе оптопары Iут.вых, максимально допустимое обратное выходное напряжение Uвых.обр.макс, фотоэлектродвижущая сила оптопары Uф, выходная емкость Свых. Выходные параметры характеризуют режим работы приемника излучения;

  • параметры изоляции оптопар – напряжение изоляции оптопары Uиз, импульсное напряжение изоляции оптопары Uиз.и, сопротивление изоляции оптопары Rиз.

Основными характеристиками диодной оптопары являются:

  • входная статическая вольт-амперная характеристика
    Iвх = f(Uвх);

  • выходная статическая вольт-амперная характеристика
    Iвых = f(Uвых.обр) при Iвх = const;

  • передаточная характеристика в фотодиодном режиме работы
    Iвых = f(Iвх) при Uвых.обр = const (Uвых.обр  0);

  • передаточная характеристика в фотогальваническом режиме
    Iвых = f(Iвх) или Uф = f(Iвх) при Uвых.обр = 0;

  • нагрузочная характеристика в фотогальваническом режиме
    Uф = f(Iвых).

Передаточная характеристика диодных оптопар в фотодиодном режиме близка к линейной, поэтому они используются как в цифровой, так и в аналоговой технике. Отметим также, что диодные оптопары являются наиболее быстродействующим типом оптопар.


  1. ИСПОЛЬЗУЕМАЯ АППАРАТУРА

Лабораторный стенд с регулируемыми источниками питания, сменный модуль с оптопарой, цифровой вольтметр постоянного тока, стрелочные измерители постоянного тока.


  1. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

    1. Убедитесь, что тумблер включения питания лабораторного стенда находится в положении "Отключено". Соберите схему, изображенную на рис. 2, подключив вольтметр PV к выводам источника питания Ек.

    2. Снимите входную и передаточную характеристики оптопары в фотодиодном режиме, для чего:

  • у
    становите регуляторы напряжения источников питания Е1 и Ек в крайнее положение против часовой стрелки, что соответствует минимальным напряжениям этих источников;

  • включите питание лабораторного стенда;

  • регулируя напряжение источника питания Ек, установите с помощью вольтметра PV обратное выходное напряжение оптопары Uвых.обр = 5 В и вдальнейшем не меняйте положение этого регулятора;

  • переключите вольтметр PV от источника Ек ко входу оптопары, как показано на рис. 2;

  • регулируя напряжение источника питания Е1, устанавливайте следующие значения входного тока:

Iвх = 0; 0,5; 1; 2; 4; 6; 8; 10; 15; 20 мА,

измеряя при каждом значении Iвх входное напряжение Uвх (вольтметром PV) и выходной ток оптопары Iвых (микроампер-метром РА2). Результаты измерений сведите в таблицу.

    1. Снимите выходную статическую вольт-амперную характеристику диодной оптопары при Iвх = 10 мА, для чего:

  • установите регуляторы напряжения источника питания Е1 и Ек в крайнее положение против часовой стрелки;

  • переключите вольтметр PV со входа оптопары к выходу источника питания Ек, как показано на рис. 2;

  • регулируя напряжение источника питания Е1, установите по миллиамперметру РА1 заданное значение входного тока Iвх = 10 мА;

  • регулируя напряжение источника питания Ек, устанавливайте следующие значения выходного обратного напряжения:

Uвых.обр = 0; 0,5 ; I; 2; 3; 4; 5; 10; 15 В,

измеряя при каждом значении Uвых.обр выходной ток оптопары Iвых. Результаты измерений сведите в таблицу.

    1. Убедитесь в отсутствии передачи сигнала с выхода оптопары на ее вход, для чего, изменяя напряжение источника питания Ек от 15 В до нуля, наблюдайте по миллиамперметру PA1 за входным током Iвх. Закончив эксперимент, установите регуляторы напряжения источников питания Е1 и Ек в крайнее положение против часовой стрелки.

    2. Снимите зависимость выходного тока короткого замыкания Iвых.к.з от входного тока Iвх оптопары (передаточная характеристика диодной оптопары в фотогальваническом режиме), для чего:

  • соберите схему, изображенную на рис. 3;


  • регулируя напряжение источника питания Е1, устанавливайте последовательно значения входного тока Iвх, указанные в п. 5.2, измеряя при каждом значении Iвх выходной ток Iвых. Результаты измерений сведите в таблицу;

  • установите регулятор напряжения источника питания в крайнее положение против часовой стрелки.

    1. Снимите зависимость фотоэлектродвижущей силы Uф от входного тока Iвх (передаточная характеристика диодной оптопары в фотогальваническом режиме), для чего:

  • соберите схему, изображенную на рис. 4;

  • регулируя напряжение источника питания Е1, устанавливайте последовательно значения входного тока Iвх, указанные в п. 5.2, измеряя при каждом значении Iвх фотоэлектродвижущую силу Uф (вольтметром РV). Результаты измерений сведите в таблицу;

  • установите регулятор напряжения источника питания Е1 в крайнее положение против часовой стрелки.

    1. С
      ммА

      нимите нагрузочную характеристику диодной оптопары в фотогальваническом режиме при Iвх = 10 мА и Iвх = 2 мА, для чего:

  • соберите схему, изображенную на рис. 5;

  • регулируя напряжение источника питания Е1, установите по микроамперметру РА1 входной ток Iвх = 10 мА;

  • изменяя сопротивление нагрузки резистором R2, последовательно устанавливайте значения выходного тока Iвых от нуля до максимума с шагом 50 мкА, измеряя при каждом значении Iвых выходное напряжение оптопары Uф. Результаты измерений сведите в таблицу;

  • а
    налогичным образом снимите нагрузочную характеристику диодной оптопары в фотогальваническом режиме при Iвх = 20 мА и отключите питание стенда.

    1. Постройте графики всех снятых характеристик. Графики передаточных характеристик Iвых = f(Iвх) в фотодиодном (п.5.2) и фотогальваническом (п.5.5) режимах изобразите в одной системе координат. Нагрузочные характеристики, снятые в п.5.7, постройте в одной системе координат.

Все рисунки следует пронумеровать и снабдить подрисуночными подписями. На графиках необходимо нанести экспериментально снятые точки в виде кружочков или других фигур. Графики желательно снабдить масштабной сеткой или нанести масштаб на оси координат короткими рисками, около которых (левее оси ординат и ниже оси абсцисс) необходимо проставить соответствующие числовые значения. По осям координат должны быть указаны буквенные обозначения отложенных величин и единицы их измерения.

    1. По входной вольт-амперной характеристике определите входное напряжение оптопары Uвх и входное дифференциальное сопротивление rвх = Uвх /Iвх при входном токе Iвх = 10 мА. Полученное значение Uвх сравните со справочными данными (см. прил. 2).

    2. По выходной вольт-амперной характеристике оцените выходное дифференциальное сопротивление диодной оптопары
      rвх = Uвх /Iвх при Uвых.обр = 10 В.

    3. По передаточной характеристике оптопары в фотодиодном режиме (см. п. 5.2) рассчитайте зависимость коэффициента передачи по току от входного тока Iвх. Результаты расчета сведите в таблицу. Постройте график зависимости КI = f(Iвх). Сравните полученные значения КI со справочными данными (см. прил. 2).

    4. По результатам проведенного исследования составьте схему замещения оптопары в фотодиодном режиме по постоянному и переменному току.

    5. По нагрузочным характеристикам диодной оптопары в фотогальваническом режиме определите ее выходное дифференциальное сопротивление в режимах холостого хода и короткого замыкания.




  1. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ

    1. Оцените изменения входного напряжения диодной оптопары при изменении входного тока от 0,5 до 20 мА. Почему входная цепь оптопары должна питаться от источника тока, а не от источника напряжения?

    2. Опишите характер зависимости Iвых = f(Uвых.обр) диодной оптопары в фотодиодном режиме. Что можно сказать о диапазоне напряжений Uвых.обр при использовании диодной оптопары в аналоговых устройствах?

    3. Отметьте характерные особенности передаточных характеристик Iвых = f(Iвх) диодной оптопары в фотодиодном и фотогальваническом режимах. Каковы значения коэффициента передачи по току КI? Как соотносятся между собой коэффициенты передачи по току в указанных режимах? Как зависит коэффициент передачи по току KI от входного тока Iвх?

    4. Опишите вид передаточной характеристики Uф = f(Iвх) диодной оптопары в фотогальваническом режиме. Каковы значения фотоэлектродвижущей силы, генерируемой на выходных зажимах диодной оптопары?

    5. Сравните вид передаточных характеристик диодной оптопары в различных режимах работы. Какие режимы работы диодных оптопар можно использовать в аналоговых устройствах?

    6. Проанализируйте нагрузочные характеристики диодной оптопары в фотогальваническом режиме. Как изменяются Uф в режиме холостого хода и Iвых в режиме короткого замыкания при изменении Iвх от 10 до 20 мА? Как изменяется выходное дифференциальное сопротивление оптопары в режимах холостого хода и короткого замыкания при изменении входного тока Iвх от 10 до 20 мА?




  1. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет должен содержать:

  • цель работы;

  • задачи экспериментов;

  • схемы измерения;

  • таблицы с результатами измерений и расчетов;

  • графики экспериментально снятых и рассчитанных зависимостей;

  • выводы по работе, написанные в виде ответов на вопросы, поставленные в разделе 6.




  1. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

  1. Что такое оптопара? Назовите типы оптопар.

  2. Какие физические явления используются в оптопарах?

  3. Каковы основные достоинства и недостатки оптопар?

  4. Какова роль оптического канала в оптопаре?

  5. Какими свойствами должна обладать оптическая среда в оптопаре?

  6. Укажите основные характеристики и параметры диодных оптопар?

  7. Для чего необходимо согласование спектральных характеристик источника и приемника излучения?

  8. Чем отличаются фотодиодный и фотогальванический режим работы фотодиодной оптопары?

  9. Почему светодиод оптопары должен быть включен в цепь с высоким внутренним сопротивлением?


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1. Миловзоров В.П. Элементы информационных систем: Учебник для вузов по спец. "Автоматизированные системы обр. информ. и упр." – М.: Высш.шк., I989. – 440 с.

  2. Булычев А.Л., Лямин П.М., Тулинов Е.С. Электронные приборы. – М.: Лайт Лтд., 2000. – 416 с.

  3. Верещагин И.К., Косяченко Л.А., Кокин С.М. Введение в оптоэлектронику: Учебное пособие для втузов. – М.: Высш. шк., 1991. – 191 с.

  4. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника: Учебное пособие для приборостроит. спец. вузов. – 2-е изд., перераб и доп. – М.: Высш. шк., 1991. – 622 с.

  5. Скаржепа В.А., Луценко А.Н. Электроника и микросхемотехника. Ч.1. Электронные устройства информационной автоматики: Учебник / Под общ. ред. А.А.Краснопрошиной. – Киев: Вища шк. Головное изд-во, 1989. – 431 с.

  6. Электронные приборы: Учебник для вузов / В.Н.Дулин, Н.А.Аваев, З.П.Демин и др.; Под ред. Г.Г.Шишкина. – 4-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 495 с.

  7. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов / Под ред. В.А.Лабунцова. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 576 с.

  8. Иванов В.И., Аксенов А.И., Юшин А.М. Полупроводниковые оптоэлектронные приборы: Справочник, – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1989. – 448 с.

  9. ГОСТ 27299-87. Приборы полупроводниковые оптоэлектронные. Термины, определения и буквенные обозначения параметров.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ОСНОВНЫЕ ТЕРМИНЫ, ОПРЕДЕЛЕНИЯ И БУКВЕННЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ОПТОПАР ПО ГОСТ 27299-87

Входное напряжение оптопары Uвх (UI)* – значение напряжения на входе оптопары в заданном режиме.

Напряжение изоляции оптопары Uиз (UIO) – значение напряжения, приложенного между входом и выходом оптопары, при котором обеспечивается ее электрическая прочность.

Входной ток оптопары Iвх (II , IF) – значение тока, протекающего во входной цепи оптопары.

Импульсный входной ток оптопары Iвх.и (IM, IFM) – наибольшее мгновенное значение тока, протекающего во входной цепи оптопары, при котором обеспечиваются заданные параметры.

Сопротивление изоляции оптопары Rиз (rIO) значение активного сопротивления между входом и выходом оптопары.

Проходная емкость оптопары Cпр(СIO) – значение емкости между входом и выходом оптопары.

Ток утечки на выходе оптопары Iут.вых (Is) – значение тока, протекающего в выходной цепи оптопары в заданном режиме в закрытом состоянии.

Время задержки оптопары tзд (td) – интервал времени между 10% значения входного сигнала и 10% значения выходного сигнала оптопары, измеренными по фронту импульсов.

Время нарастания выходного сигнала оптопары tнр (tr) – интервал времени, в течение которого выходной сигнал оптопары изменяется от 10 до 90 % своего максимального значения.

Время включения оптопары tвкл (tоп) – интервал времени, равный сумме времени задержки и времени нарастания выходного сигнала оптопары, измеренный между 10% значения входного сигнала и 90% значения выходного сигнала.


* Здесь и далее в скобках приведено международное буквенное обозначение параметра

Время спада выходного сигнала оптопары tсп (tf) – интервал времени, в течении которого выходной сигнал оптопары изменяется от 90 до 10% своего максимального значения.

Время сохранения оптопары tсохр (ts) – интервал времени между 90% значения входного сигнала и 90% выходного сигнала, измеренными по спаду импульсов.

Время выключения оптопары tвыкл (toff) – интервал времени, равный сумме времени сохранения и времени спада выходного сигнала оптопары, измеренный между 90 % значения входного сигнала и 10 % значения выходного сигнала.

Фотоэлектродвижущая сила диодной оптопары Uф – электродвижущая сила на выходе диодной оптопары в вентильном режиме работы фотоприёмного элемента при заданном входном токе.

Выходной ток оптопары Iвых (I0, IR) – значение тока, протекающего в цепи нагрузки оптопары в заданном режиме.

Импульсный выходной ток оптопары Iвых.и – наибольшее мгновенное значение выходного тока оптопары.

Коэффициент передачи по току оптопары КI (CTR) – отношение разности выходного тока и тока утечки на выходе оптопары к вызвавшему его входному току.

Рассеиваемая мощность оптопары Ррас – наибольшее значение мощности, которую способна рассеять оптопара в заданном режиме при длительной работе.


ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ДИОДНЫХ ОПТОПАР В МЕТАЛЛОСТЕКЛЯННЫХ
И ПЛАСТМАССОВЫХ КОРПУСАХ

Параметр

АОД101А

3ОД101А

АОД101Б

3ОД101Б

АОД101В

3ОД101В

АОД101Г

3ОД101Г

АОД101Д

АОД107А

3ОД107А

АОД107Б

3ОД107Б

АОД107В

3ОД129А

3ОД129Б

АОД130А

Входное напряжение при
Iвх = 10 мА, В, не более

1,5

1,5

1,5

1,5

1,5

1,8

1,5

1,5

1,5

1,5

1,5

1,5

Коэффициент передачи по току
при Iвх = 10 мА, % , не менее

1,0

1,5

1,2

0,7

1,5

1,0

5,0

3,0

1,0

1,0

0,5

1,0

Время нарастания и спада выходного импульса

при Iвх = 10 мА, нс, не более

при Iвх = 20 мА, нс, не более



100



500



1000



500



500



250



500



300



300

30



30



100



Ток утечки на выходе, мкА,
не более

2

8

2

10

2

5

5

5

5

2

1



Сопротивление изоляции, Ом,
не менее

109

109

109

5109

109

109

1010

1010

1010

1010

1010

1011

Проходная емкость, пФ,
не более

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

2

0,5



ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПРЕДЕЛЬНЫЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ ДИОДНЫХ ОПТОПАР
В МЕТАЛЛОСТЕКЛЯННЫХ И ПЛАСТМАССОВЫХ КОРПУСАХ

Параметр

АОД101А

АОД101В

АОД101Г

АОД101Д

3ОД101А

3ОД101В

АОД101Б

3ОД101Б

3ОД101Г

АОД107А

АОД107Б

АОД107В

3ОД107А

3ОД107Б

3ОД129А

3ОД129Б

АОД130А

Входной постоянный ток, мА

20

20

20

20

20

20

20

Входной импульсный ток

при и = 10 мкс, мА

при и = 100 мкс, мА



100



100



100











100

100



Входное обратное напряжение, В

3,5

3,5

3,5

2,0

2,0

3,5

3,5

Выходное обратное напряжение, В

15

100

40

15

15

10

30

Напряжение изоляции, В











500

1500

Диапазон рабочей температуры
окружающей среды, С

– 60 
 70

– 60 
 70

– 60 
 70

– 40 
 85

– 60 
 85

– 60 
 80

– 45 
 70



Добавить в свой блог или на сайт

Похожие:

Диодные оптопары iconВопросы к экзамену по курсу ”Информационно-измерительная техника и электроника. Часть 2” для студентов специальности эс, заочное отделение
Оптоэлектронные приборы. (фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, фототиристоры. Оптопары)

Диодные оптопары iconВысокоэффективные высокомощные диодные лазеры нового типа
В многомодовом режиме при ширине полоска 10мкм и 50 мкм получены, соответственно, мощности излучения 1,3 Вт и 3,0 Вт с малыми углами...

Диодные оптопары iconИнформационный бюллетень перспективные технологии
В обеих работах эффективную электролюминесценцию кремния удается получать при больших уровнях туннельной инжекции носителей в диодные...

Диодные оптопары iconДиодные лазеры в стоматологии
Даже при использовании других лазеров, со2 применяют для контроля кровотечения, путем проведения луча лазера по поверхности операционного...


Разместите кнопку на своём сайте:
lib.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©lib.convdocs.org 2012
обратиться к администрации
lib.convdocs.org
Главная страница