Transoptor - sprawozdanie ćw 4 SEM 3 PDF

Preview

Summary

Download Transoptor - sprawozdanie ćw 4 SEM 3 PDF

Description

Spis treści 1. Cel ćwiczenia.....................................................................................................................................2 2. Przebieg ćwiczenia.............................................................................................................................2 2.1 Pomiar charakterystyki wejściowej..............................................................................................2 2.2 Pomiar rodziny charakterystyk wyjściowych..............................................................................2 2.3 Pomiar charakterystyki przejściowej transoptora........................................................................3 3. Opracowanie wyników.......................................................................................................................4 3.1 Wyznaczenie optymalnego punktu pracy.....................................................................................4 3.2 Wyznaczenie współczynnika transmisji CTR..............................................................................5 3.3 Wyjaśnienie przyczyny powstawania opóźnień i zniekształceń sygnału w transoptorze............5 3.4. Wykresy...........................................................................................................................................5 4. Spis przyrządów laboratoryjnych.......................................................................................................7 5. Wnioski..............................................................................................................................................7 6. Literatura i załączniki.........................................................................................................................8

1

1. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie z wyznaczaniem charakterystyk stycznych i wybranych parametrów transoptora.

2. Przebieg ćwiczenia 2.1 Pomiar charakterystyki wejściowej Aby dokonać pomiaru charakterystyki wejściowej transoptora należało zmontować układ przedstawiony na rysunku 1.

Rys. 1. Schemat ideowy do wyznaczania charakterystyki wejściowej transoptora [1] Poniżej przedstawiono tabele 1 z pomiarami charakterystyki wejściowej badanego transoptora. W załączniku 1 przedstawiono wyniki pomiarów w postach wykresu. Tab. 1. Pomiar charakterystyki wejściowej transoptora.

Ui [V] Ii [mA]

0,892 0,02

0,921 0,05

0,996 0,20

1,035 0,50

1,097 2,00

1,117 3,00

1,170 8,00

1,198 12,0

1,233 18,0

1,242 20,0

2.2 Pomiar rodziny charakterystyk wyjściowych Na rysunku 2 przedstawiono schemat do pomiaru charakterystyk wyjściowych transoptora.

Rys. 2 Schemat ideowy do wyznaczenia charakterystyki wyjściowej transoptora [1]

2

Poniżej w tabeli 2 zanotowano pomiary charakterystyk wyjściowych transoptora. W załączniku 2 przedstawiono wykres rodziny charakterystyk wyjściowych badanego transoptora. Tab. 2. Pomiar rodziny charakterystyk wyjściowych transoptora.

Ii [mA] 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0

U0 [V]

I0 [mA]

0,20 7 0,68 1,38 1,78 2,05 2,24

0,4

0,6

1,0

2,0

3,0

4,0

6,0

7,0

8,0

0,74 2,42 3,72 4,64 5,38

0,75 2,55 4,30 5,50 6,42

0,76 2,60 4,60 6,70 8,00

0,78 2,60 4,70 7,00 9,50

0,88 2,63 4,82 7,20 9,50

0,90 2,65 4,90 7,30 9,75

0,92 2,70 4,90 7,50 10,00

0,92 2,74 5,02 7,50 10,15

0,92 2,75 5,00 7,50 10,25

2.3 Pomiar charakterystyki przejściowej transoptora Na rysunku 3 przedstawiono schemat układu pomiarowego do pomiaru charakterystyki przejściowej transoptora.

Rys. 3. Schemat ideowy do wyznaczania charakterystyki przejściowej transoptora [1] W tabelach 3 i 4 przedstawiono wyniki pomiarów do wyznaczenia charakterystyki przejściowej transoptora. Tab. 3 Charakterystyka przejściowa transoptora dla rezystancji 1 kΩ

RO1 = 1 kΩ, Uo= 8 V

1,00 0,90

Ii Io

2,00 2,70

3,00 4,90

4,00 7,00

5,00 7,60

6,00 7,75

7,00 8,00

8,00 8,00

9,00 8,20

Tab. 4 Charakterystyka przejściowa transoptora dla rezystancji 5 kΩ

RO2 = 5 kΩ, Uo= 8 V

Ii Io

1,00 0,80

2,00 1,60

3,00 1,62

4,00 1,62

5,00 1,62

6,00 1,62

7,00 1,62

8,00 1,62

9,00 1,64

3

3. Opracowanie wyników Do wyników pomiarów z punktu 2 można wyznaczyć charakterystyki oraz dokonać odpowiednich obliczeń w celu opracowania wniosków.

3.1 Wyznaczenie optymalnego punktu pracy Przy projektowaniu i obliczaniu układów z wykorzystaniem transoptora często korzysta się z uproszczeń. Jednym z takich uproszczeń jest prosta obciążenia, która służy do wyznaczenia optymalnego punktu pracy dla danego obciążenia. Aby wyznaczyć prostą obciążenia wystarczy 2 prawo Kirchhoffa oraz wzór na funkcję liniową. Korzystając z 2 prawa Kirchhoffa można zapisać równie dla drugiej części transoptora, czyli fotodetektora: U CC =U RO +U CE

(1.1)

Korzystając przy tym z 2 prawa Kirchhoffa zapisujemy następujące równanie: U CC =I O ∙ RO +U CE

(1.2)

Po prostych przekształceniach otrzymamy: IO =

U −1 ∙U CE + cc RO RO

Kolejnym krokiem jest przyrównanie Io = 0, i rozwiązanie równia: −U CE U cc ∙+ 0= RO RO Z poniższa równość jest punktem A na charakterystyce wyjściowej: U CC =U CE U CC =U CE =8 V Teraz wystarczy wyznaczyć punkt B, aby tego dokonać trzeba spełnić równość podstawić do równania: IO =

U cc −1 ∙ 0+ RO RO

IO =

U cc 8 =8 mA = R O 1000

(1.3)

(1.4)

(1.5) U CE =0

i

(1.6)

Proste obciążenia dla obu wartości rezystancji zaznaczono na wykresie rodziny charakterystyk wyjściowych transoptora znajdującej się na rysunku 5. Na wykresie zaznaczono również optymalne punkty pracy dla dwóch obciążeń 1 kΩ oraz 5 kΩ.

4

3.2 Wyznaczenie współczynnika transmisji CTR Współczynnik transmisji CTR można wyznaczyć na podstawie wzoru (1.7). Poniżej oddano kilka wyznaczonych współczynników dla obu rezystancji 1 kΩ oraz 5 kΩ. CTR=

Io ∙100 % Ii

(1.7)

Tab. 5 Współczynniki CTR dla rezystancji Ro1 oraz Ro2

CTR dla obciążenia RO1 = 1 kΩ

CTR dla obciążenia RO1 = 5 kΩ

0,90 ∙ 100 %=90,0 % 1,00

0,80 ∙ 100 %=80,0 % CT R1= 1,00

4,90 ∙100 %=163 % 3,00

1,62 ∙ 100 %=54,0 % CT R3= 3,00

7,60 ∙ 100 %=152% CT R5= 5,00

1,62 ∙ 100 %=32,4 % CT R5= 5,00

CT R1=

CT R3=

3.3 Wyjaśnienie przyczyny powstawania opóźnień i zniekształceń sygnału w transoptorze. Jak wiadomo szybkość przełączania sygnałów w transoptorach określa częstotliwość. Graniczna częstotliwość przenoszonych sygnałów – od kilkudziesięciu kHz dla fototranzystorów nawet do 100 MHz dla fotodiod. Przyczyną opóźnień są parametry czasu, które określają czas reakcji diody na załączenie (td), czas reakcji diody na wyłączenie (ts) oraz czas narastania sygnału wyjściowego(tr), czas opadania sygnału wyjściowego(tf). Dane parametry powinny być załączone w specyfikacji transoptora. Jeżeli mowa o układach z transoptorem to za zniekształcenia sygnału odpowiada pojemność pasożytnicza, która sprzęga wejście z wyjściem.

3.4. Wykresy Poniżej przedstawiono wykresy charakterystyk badanego transoptora. 25

Ii [mA]

20 15 10 5 0 0.85

0.9

0.95

1

1.05

1.1

1.15

1.2

1.25

1.3

Ui [V]

Rys. 4. Charakterystyka wejściowa transoptora 5

11 10 9 8

Ii = 1,0 mA Ii = 2,0 mA Ii = 3,0 mA Ii = 4,0 mA Ii = 5,0 mA

Io [mA]

7 6 5

P1

4 3 2 1 P2

0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Uo [V]

Rys. 5. Rodzina charakterystyk wyjściowych transoptora Optymalne punkty pracy dla danego obciążenia: P1 = ( Io = 4,85 mA, Uo = 3,15 V) dla Ro1 =1 kΩ P2 = ( Io = 0,90 mA, Uo = 3,57 V) dla Ro2 =5 kΩ Na rysunku 5 zaznaczono proste obciążenia, które poprowadzono między punktem A oraz punktami B1, B2. Pozwoliły one wyznaczyć optymalne punkty pracy dla obciążenia Ro1 =1 kΩ oraz Ro2 =5 kΩ. 9 8 7

Io [mA]

6 5 4

Ro1 = 1kΩ

3

Ro2 = 5kΩ

2 1 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Ii [mA]

Rys. 6. Charakterystyki przejściowe transoptora dla odpowiednich rezystancji obciążenia 6

4. Spis przyrządów laboratoryjnych         

Amperomierz magnetoelektryczny kl. 0,5 3805144.81 LM-3 Amperomierz magnetoelektryczny kl. 0,5 N-00022937 LM-3 Multimetr BM 257s N-00061281 Dzielnik napięcia Typ DNa-18 kl 0,1 Rezystor dekadowy DR4b-16 Transoptor (obiekt badany) Dwa zasilacze KPS 3010D N-00063894, N-00063895 Rezystor suwakowy 103Ω Rezystor dekadowy D-501 kl. 0,1

5. Wnioski 

Charakterystyka wejściowa transoptora przedstawiona na rysunku 4, pokazuje zależność prądu przewodzenia fotodiody od napięcia na fotodiodzie. Na początku przy zwiększaniu napięcia prąd nie płynie, czyli fotodioda nie przewodzi. Jak można zaobserwować na wykresie, dopiero przy pewnej wartości napięcia przez diodę zaczyna płynąć prąd i przechodzi ona w stan przewodzenia. Napięcie przewodzenia dla badanej diody w transoptorze wynosi około UF = 1,2 V, gdzie na charakterystyce wejściowej występuje nagły wzrost wartości prądu.



Charakterystyka wejściowa transoptora przedstawiona na rysunku 4 jest charakterystyką diody w kierunku przewodzenia. Wejście transoptora stanowi dioda świecąca.



Wykres na rysunku 5 przedstawia rodzinę charakterystyk wyjściowych transoptora, na której wykreślono proste obciążenia i zaznaczono optymalne punkty pracy dla obciążeń Ro1 =1 kΩ oraz Ro2 =5 kΩ. Optymalny punkt pracy, czyli wartość prądu kolektora i napięcia kolektor-emiter dla poszczególnych wartości prądów wejściowych Ii.



Współczynnik CTR określa procentowe wzmocnienie prądu wyjścia Io względem prądu wejścia Ii. Patrząc charakterystyki przejściowej transoptora umieszczone na rysunku 6 można zaobserwować, że współczynnik CTR dla obciążenia Ro1 =1 kΩ rośnie liniowo ( mniej więcej do osiągnięcia wartości Ii = 4 mA), następnie wzmocnienie maleje. Przy rezystancji obciążenia Ro2 =5 kΩ początkowo można zaobserwować mały wzrost wzmocnienia, a następne zaczyna spadać linowo.



W tabeli 3 przy pomiarach charakterystyki przejściowej zmierzono prąd na wyjściu Ii = 8,20 mA przy napięciu Uo = 8 V i rezystancji obciążenia Ro1 =1 kΩ. Powołując się na prawo Ohma stwierdzono nieprawidłowości w odczycie napięcie Uo, którego wartość zapisana w tabeli nie jest prawdziwa dla ostatniego pomiaru. Zapewne pomiary przeprowadzono przy trochę wyższej wartości napięcia Uo = 8,2 V.



Analizując rysunek 5 przedstawiający rodzinę charakterystyk wyjściowych transoptora można stwierdzić, że jest on również wykresem rodziny charakterystyk wyjściowych tranzystora bipolarnego, gdzie prąd kolektora jest zależny od wartości napięcia kolektor – emiter przy sterującym prądzie bazy.

6. Literatura i załączniki 7

     

Protokół do ćwiczenia Instrukcja do ćwiczenia „Badanie transoptora” [1] Augustyn Chwaleba, Bogdan Moeschke, Grzegorz Płoszajski -„Elektronika” file:///C:/Users/user/Desktop/Wplyw_pojemnosci_pasozytniczych_transoptora.pdf http://mikrokontrolery.blogspot.com/p/spis-tresci.html https://ea.elportal.pl/bipolarne.html? fbclid=IwAR0nJ93rDcbosdAK7R89Fwd1Q4MaIUvSMVofZ4WexIhradKPt69GCqGuL4

8...