15 Оптроны (Лабораторный практикум)

Оптоэлектронная пара. Оптопарой называется прибор, содержащий светоизлучатель и фотоприёмник, связанные через оптическую среду, но развязанные гальванически.

Принцип действия оптопары основан на двойном преобразовании энергии. В светоизлучателе энергия входного электрического сигнала преобразуется в оптическое излучение, а в фотоприёмнике это оптическое излучение преобразуется в выходной электрический сигнал. Световой поток от светоизлучателя к фотоприёмнику распространяется сквозь оптическую среду. Очевидно, что спектральные характеристики светоизлучателя, оптической среды и фотоприёмника должны совпадать или в значительной степени перекрываться.

В качестве излучателя в большинстве оптопар используется инжекционный светодиод, обладающий хорошими спектральными и надёжностными характеристиками, однако в быстродействующих оптопарах с временем включения до 10^-10 с применяется полупроводниковый лазер. В качестве фотоприёмников в оптопарах используются фотодиоды, фоторезисторы, фототранзисторы и фототиристоры. Тип оптопары определяется по типу фотоприёмника. Передача информации возможна только в направлении от излучателя к приёмнику. Высокая степень гальванической развязки входной и выходной цепей достигается за счёт диэлектрических свойств оптической среды.

На практике основные свойства оптопары определяются передаточной характеристикой и быстродействием. На рисунке 1 приведены передаточные характеристики диодного, транзисторного и тиристорного оптронов как зависимость I_вых = f(I_вх) и резисторного оптрона как зависимость R = f(I_вх).

Рисунок. 1.

Быстродействие оптронов оценивается по длительности фронтов выходного сигнала при подаче на вход импульса прямоугольной формы в соответствии с рис. 2.

Рисунок. 2.

Описание лабораторной обстановки.

Схема лабораторной установки для исследования статических передаточных характеристик оптронов приведена на рисунке 3, установки для исследования инерционности диодного и резисторного оптронов – на рисунке 4.

На верхней панели стенда расположены два миллиамперметра для измерения входных и выходных токов оптронов в режиме исследования характеристик. Переключателем «Род работы» устанавливается режим снятия передаточных характеристик (положение «Характеристики» ) или режим исследования инерционности оптронов (положение «Параметры» ). Нажатием кнопки «Осц.» обеспечивается подключение осциллографа к входной цепи оптрона. Кнопочный переключатель с обозначениями «Диод» , «Резист.» и «Тирист.» обеспечивает коммутацию диодного, резистивного или тиратронного оптронов с измерительными элементами схемы стенда. Кнопка «Тирист.выкл.» служит для выключения тиристора.

Лабораторная установка позволяет исследовать: статистическую передаточную характеристику диодного оптрона; статистическую передаточную характеристику резисторного оптрона; статистическую передаточную характеристику тиристорного оптрона; время включения и выключения диодного оптрона; время включения и выключения резисторного оптрона.

Порядок выполнения работы

1. Изучите расположение и назначение измерительных приборов и органов управления на стенде и приборов лабораторной установки. Установите регуляторы источника питания «U_вых1 » и «U_вых2 » в положение минимального напряжения (против часовой стрелки до упора) и включите источник питания.

2. На стенде нажмите кнопку «Характеристики» .

3. Подключите к измерительной схеме диодный оптрон, нажав на стенде кнопку «Диод». При этом в качестве фотоприёмника ФП в схему эксперимента подключается обратносмещённый фотодиод.

4. Установите в выходной цепи оптрона U_вых2 = 15 В. Регулятором напряжения U_вых1 установите максимальное входное напряжение оптрона (U_{вых1 макс}) и определите максимальное значение I_{вых диод макс}. Установите регулятор источника питания «U_вых1 » в положение минимального напряжения (против часовой стрелки до упора). Изменяя регулятор источника питания «U_вых1 » изменяйте величину входного тока оптрона с шагом 0.1 I_{вых диод макс} и фиксируйте величину выходного тока оптрона (не менее 10 значений). Результаты измерений занесите в таблицу. По результатам измерений рассчитайте статический коэффициент передачи по току диодного оптрона К_I = I_вых/ I_вых, результаты занесите в таблицу 1.

Таблица 1.

5. По окончании измерений регуляторы «U_вых1 » и «U_вых2 » установите в положение минимального напряжения.

6. Подключите к измерительной схеме резисторный оптрон, нажав на стенде кнопку «Резист.». При этом в качестве фотоприёмника ФП в схему эксперимента подключается фоторезистор.

7. Установите в выходной цепи U_вых2 = 10 В. Регулятором напряжения U_вых1 установите максимальное входное напряжение оптрона (U_{вых1 макс}) и определите максимальное значение I_{вых резист макс}. Установите регулятор источника питания «U_вых1 » в положение минимального напряжения (против часовой стрелки до упора). Изменяя регулятор источника питания «U_вых1 » изменяйте величину входного тока оптрона с шагом 0.1 I_{вых резист макс} и фиксируйте величину выходного тока оптрона (не менее 10 значений). Результаты измерений занесите в таблицу. По результатам измерений рассчитайте статический коэффициент передачи по току диодного оптрона R = U_вых2 / I_вых, результаты занесите в таблицу 2.

Таблица 2.

8. По окончании измерений регуляторы «U_вых1 » и «U_вых2 » установите в положение минимального напряжения.

9. Подключите к измерительной схеме тиристорный оптрон, нажав на стенде кнопку «Тирист». При этом в качестве фотоприёмника ФП в схему эксперимента подключается фототиристор.

10. Установите в выходной цепи U_вых2 = 10 В.

11. Регулятором «U_вых1 » на источнике постоянного напряжения изменяйте входное напряжение оптрона. По показаниям приборов на стенде фиксируйте входной и выходной токи оптрона (не менее 10 значений). Зафиксируйте момент включения тиристорного оптрона и измерьте I_{вх вкл.}. Результаты измерений занесите в таблицу 3.

Для выключения тиристора нужно установить I_вх = 0 и нажать кнопку «Тирист. выкл.».

Таблица 3.

14. По окончании измерений регуляторы «U_вых1 » и «U_вых2 » установите в положение минимального напряжения.

15. В одной системе координат по данным таблицы постройте графики следующих зависимостей:

а) для диодного оптрона I_вых = f(I_вх) и К_I = f (I_вх);

б) для резисторного оптрона R = f(I_вх);

в) для тиристорного оптрона I_вых = f(I_вх), отметив значение I_{вх вкл.}.

16. На стенде нажмите кнопку «Параметры». Включите питание генератора импульсов и осциллографа. Инерционность оптронов оценивается по измеренным значениям времени включения t_вкл. и времени выключения t_выкл.. Подключение к измерительной схеме диодного или резисторного оптронов осуществляется нажатием кнопок «Диод» или «Резистор» на стенде. Амплитуда выходного сигнала генератора импульсов U_ген. должна быть достаточной для создания номинального тока светодиода во входной цепи диодного оптрона или для запуска формирователя сигнала U_ф для резисторного оптрона (пределы U_ген. = (2…6) В). Длительность импульса с выхода генератора устанавливают исходя из ожидаемой величины t_вкл. и t_выкл. диодного оптрона (пределы τ_и = (40…80) мкс). Время задержки импульса от начала развёртки на осциллографе τ_з = 0,1 τ_и. Частота повторения импульса выбирается из величины ожидаемой инерционности оптрона (для диодного F_и = (1…5) кГц, для резисторного F_и = (10…30) Гц). Нажатием на стенде кнопки «Осц.» осциллограф подключают к светодиоду оптрона, что позволяет оценить форму входного сигнала. Подбирая оптимальные значения постоянного напряжения U_вых1 и U_вых2, получите на экране осциллографа выходные импульсы, форма которых позволяет измерить t_вкл. и t_выкл..

17. Зарисуйте осциллограммы входных и выходных сигналов диодного и резисторного оптронов. По осциллограммам графически измерьте инерционность оптронов (t_вкл. и t_выкл.).

ОТЧЕТ

по лабораторной работе студент:

группа:

дата: