1

KATEDRA OPTOELEKTRONIKI

ĆWICZENIE 7

Badanie statycznych i dynamicznych charakterystyk

transoptorów

2

1. Wprowadzenie

Transoptor stanowi izolowaną elektrycznie parę: źródło promieniowania –

fotodetektor, sprzężoną optycznie i umieszczoną we wspólnej obudowie. W transoptorach

jako źródło promieniowania stosuje się diody elektroluminescencyjne, natomiast jako

fotodetektory wykorzystuje się krzemowe fotodiody, fototranzystory, fototyrystory,

fotodarlingtony oraz specjalne struktury, takie jak: foto-FET, fotodiak, fototriak.

Transoptor przenosi sygnały zarówno stałoprądowe, jak i zmiennoprądowe (analogowe

i cyfrowe), przy czym pasmo przenoszenia zależy przede wszystkim od rodzaju użytych

elementów. Transoptory stosuje się w aparaturze pomiarowej i medycznej, w układach

automatyki przemysłowej, głównie w celu eliminacji zakłóceń wprowadzanych przez układy

współpracujące ze sobą, bądź do sprzęgania układów o różnych potencjałach, a także

w charakterze wyłączników optoelektronicznych.

2. Parametry transoptorów

Transoptor może być zamknięty, monolityczny (scalony) i wtedy promieniowanie

wysyłane przez źródło światła przenika przez warstwę materiału elektroizolacyjnego (np.

szkło, żywica epoksydowa), w transoptorze otwartym, szczelinowym (tzw. transmisyjnym)

oraz odbiciowym (refleksyjnym) — światło transmitowane jest przez warstwę powietrza,

w której znajduje się ruchomy element przerywający lub ustanawiający sprzężenie optyczne

między źródłem promieniowania i fotodetektorem.

Jak już wspomniano transoptory mogą przenosić sygnały stałoprądowe i zmiennoprądowe.

Pasmo przenoszenia transoptora zależy od rodzaju wykorzystanego źródła promieniowania

oraz fotodetektora i wynosi od składowej stałej do kilku MHz. Ponieważ źródło

promieniowania i fotodetektor są elektrycznie izolowane, co przedstawiono na rys.1, więc

dopuszczalna różnica potencjałów pomiędzy wejściem a wyjściem, zależnie od wykonania,

wynosi od kilkuset woltów do kilkudziesięciu kilowoltów.

Rys. 1. Uproszczony schemat budowy transoptora z jego najważniejszymi parametrami

gdzie: A – źródło promieniowania, B – fotodetektor, R

ISO

– rezystancja izolacji >> M

Ω,

U

I/O

– napięcie przebicia >> kV.

A

B

wejście

wyjście

R

ISO

U

I/O

3

Transoptory można scharakteryzować zespołem parametrów wejściowych, wyjściowych,

transmisyjnych oraz statycznych i dynamicznych.

Do parametrów wejściowych transoptora należy zaliczyć moc strat, typowe napięcie

przewodzenia, maksymalne napięcie wsteczne, maksymalną wartość prądu przewodzenia oraz

szczytową wartość impulsu prądowego dla danej długości impulsu i częstotliwości

powtarzania, a także parametry dynamiczne – charakterystyka amplitudowa, charakterystyka

fazowa, czas narastania oraz czas opadania impulsu.

Przykładowa charakterystyka wejściowa U

F

= f(I

F

) transoptora przedstawiona została na rys.2.

Przebieg tej charakterystyki U

F

= f(I

F

) zależy od temperatury otoczenia.

Parametry wyjściowe transoptora zależą od rodzaju fotodetektora i zazwyczaj podaje się tylko

dane, najbardziej istotne z punktu widzenia projektanta układów. Należą do nich: maksymalna

moc strat, maksymalne napięcie kolektor-emiter, maksymalny prąd kolektora i prąd ciemny

(50 nA przy 50

°C).

Charakterystykę wyjściową I

C

= f(U

CE

) transoptora przedstawia rys.3.

Parametry transmisyjne charakteryzują transoptor pod względem zdolności przenoszenia

sygnałów. Zdolność tę określa stałoprądowy współczynnik transmisji. Z powodu stosunkowo

dużych różnic mocy promieniowania diod elektroluminescencyjnych oraz różnych odległości

pomiędzy źródłem światła a fotoodbiornikiem, wynikających z tolerancji montażowych,

występuje znaczny rozrzut wartości tego współczynnika, przy czym stosunek jego minimalnej

wartości do wartości maksymalnej może być jak 1:5.

Rys. 2. Charakterystyka wejściowa transoptora z fototranzystorem

4

Rys. 3. Charakterystyka wyjściowa transoptora z fototranzystorem

3. Opis stanowiska pomiarowego

W ćwiczeniu należy przebadać właściwości czterech różnych grup transoptorów: FDA

215E, LDA 101E, LDA 210E, LOC 110. Wykorzystane transoptory charakteryzują się

różnymi konfiguracjami źródeł promieniowania oraz odmiennymi elementami

wykorzystanymi jako fotodetektory.

Transoptory z grupy LOC są wszechstronnie wykorzystywane do pracy z sygnałami

analogowymi, jak i cyfrowymi. Charakteryzuje je szeroki zakres pracy (>200 kHz), wysoka

stabilność oraz niska moc pracy. Stosowane są powszechnie jako izolatory w telefonii

cyfrowej, izolatory czujników medycznych oraz w łączach sygnałów audio.

Seria transoptorów LDA zapewnia optyczną izolację obwodu. Stosowane są wszędzie

tam, gdzie elektryczna izolacja kontroli zespołu obwodów jest decydująca. Każdy komplet

zawiera jeden lub dwa fototranzystory, połączone w układ Darlingtona oraz jedną lub dwie

diody elektroluminescencyjne, zapewniając możliwość doprowadzenia wymuszenia do

wybranej diody.

Grupa transoptorów FDA stanowi elektrycznie izolowaną parę: dioda

elektroluminescencyjna – fotoogniwo, z otwartym obwodem napięcia równym 5 V oraz

niskim obwodem prądu równym 3,5

µA. Znalazły one zastosowanie w telekomunikacji, do

sterowania elementów MOSFET oraz jako elementy kontrolujące.

Na rys.4. przedstawiono schematy badanych układów scalonych.

5

Rys. 4. Symbole graficzne transoptorów, a – LOC 110, b – LDA 101E, c – LDA 210E, d – FDA 215E

Stanowisko pomiarowe składa się z części, w skład której wchodzą transoptory oraz wszystkie

elementy elektroniczne tworzące układ pomiarowy oraz części pomiarowej składającej się z

pinów, do których podłączany jest: zasilacz stabilizowany, generator, oscyloskop oraz

multimetry. Dodatkowo na zewnątrz obwodu drukowanego wyprowadzono zwory, dzięki

którym dokonywany jest wybór obciążenia.

4. Pomiary charakterystyk transoptorów

4.1.

Pomiar statycznych charakterystyk transoptorów

4.1.1. LDA 210E

W celu pomierzenia statycznej charakterystyki transoptora LDA 210E należy za

pomocą zwory Z1 wyselekcjonować układ do badania. Do pinów (-3,3V) oraz (+9V) należy

doprowadzić napięcie z zasilacza. Z zasilacza stabilizowanego, poprzez piny (1) i (2), należy

doprowadzić napięcie sterujące. W tak przygotowanym układzie należy zbadać zależność

prądu wyjściowego I

wyj

(amperomierz 2) od natężenia prądu wejściowego I

wej

(amperomierz

1). Źródłem promieniowania w transoptorze LDA 210E jest dioda elektroluminescencyjna,

natomiast fotodetektorem, fotoranzystory w układzie Darlingtona.

1

2

3

4

5

6

7

8

a

8

7

6

5

4

3

2

1

c

2

1

3

4

5

6

7

8

P

P

V

V

d

2

1

3

4

5

6

b

6

Natężenie prądu wejściowego może być regulowane za pomocą zasilacza stabilizowanego w

granicach od 60

µ

A do 0,6 mA.

Ze względu na maksymalną moc fototranzystora wynoszącą 150 mW, prąd wyjściowy może

być badany w granicach od 10

µ

A do 50 mA. Pomiar prądu powyżej wartości 50 mA grozi

uszkodzeniem elementu.

4.1.2. LDA 101E

Transoptora LDA 101E to element, który stanowi izolowaną elektrycznie parę: dioda

elektroluminescencyjna – fototranzystor. W układzie tym sygnał wyjściowy podawany jest

przez pojedynczy fototranzystor, inaczej jak w transoptorze LDA 210E, gdzie sygnał

wyjściowy podawany był przez parę fototranzystorów w układzie Darlingtona.

Za pomocą zwory Z1 należy wyselekcjonować układ do pomiaru statycznych parametrów

transoptora LDA 101E. Do pinów (+5V) oraz (+9V) należy doprowadzić napięcie z zasilacza,

poprzez szeregowo włączone w obwód amperomierze. Z zasilacza stabilizowanego, poprzez

piny (1) i (2), należy podać podano napięcie sterujące. Przy pomocy zwory Z2 można

zmieniać wartość obciążeni (R

18

= 60 k

Ω) i (R

19

= 20 k

Ω). W tak przygotowanym układzie

należy zbadać zależność prądu wyjściowego I

wyj

(amperomierz 2) od natężenia prądu

wejściowego I

wej

(amperomierz 1) dla dwóch rezystancji obciążenia.

4.1.3. FDA 215E

Transoptor z grupy FDA jest izolowaną elektrycznie parą: dioda

elektroluminescencyjna – fotoogniwo. Element ten ze względu na swoje właściwości może

służyć jako sterownik układów MOSFET.

Przy większych obciążeniach, w granicach od kilku do kilkudziesięciu k

Ω, a więc w zakresie

mniejszych napięć wyjściowych, fotoogniwa można traktować jako źródła prądowe o bardzo

dużej rezystancji wewnętrznej. W pracy wykorzystano obciążenia: R

7

= 51 k

Ω oraz R

8

= 6,4

k

Ω. Sugeruje to, że fotoogniwo w transoptorze FDA 215E stanowi źródło prądowe. Rys.5.

przedstawia schemat zastępczy fotoogniwa pracującego jak źródło prądowe.

R

w

– rezystancja wewnętrzna,

R

OBC

– rezystancja obciążenia,

U – napięcie

Rys. 5. Schemat zastępczy fotoogniwa pracującego jako źródło prądowe

Pomiar statycznej charakterystyki transoptora FDA 215E polega na zmianie napięcia

wyjściowego pod wpływem zmian prądu wejściowego. Na podstawie zmierzonego napięcia

R

W

R

OBC

U

7

wyjściowego należy wyznaczyć prąd wyjściowy I

wyj

, będący wynikiem dzielenia napięcia

wyjściowego przez wartość rezystancji obciążenia. Za pomocą zwory Z1 należy

wyselekcjonować układ do pomiaru statycznych parametrów transoptora FDA 215E. Do pinu

(+9V) należy doprowadzić napięcie z zasilacza, poprzez szeregowo włączony w obwód

amperomierz. Z zasilacza stabilizowanego, poprzez piny (1) i (2), należy podać napięcie

sterujące, natomiast przy pomocy zwory Z3 zmienić wartość rezystancji obciążenia: (R

7

= 51

k

Ω) i (R

8

= 6,4 k

Ω).

4.1.4. LOC 110

Transoptor LOC 110 to element, który charakteryzuje się wysoką stabilnością oraz

niską mocą pracy. Jest szeroko stosowany do pracy z sygnałami analogowymi, jak i

cyfrowymi. Charakterystyka statyczna dla transoptora LOC 110 opisywana jest jako zależność

napięcia wyjściowego w funkcji napięcia wejściowego. W pomiarach tych należy

wykorzystać zasilacz stabilizowany, zasilacz (+9 V, -9V) oraz dwa woltomierze.

4.2.

Pomiar charakterystyk dynamicznych transoptorów

Do pomiaru charakterystyk dynamicznych transoptorów należy dodatkowo

wykorzystać generator przebiegu sinusoidalnego o zmiennej częstotliwości oraz cyfrowy

oscyloskop dwukanałowy. Z generatora należy podać na wejście układu sygnał o amplitudzie,

przy której transoptor pracuje w liniowej części charakterystyki prądowej. Na wyjściu

fotodetektora należy przebadać międzyszczytową wartość amplitudy sygnału U

p-p

. Wartość

skuteczna napięcia wyjściowego można obliczyć z zależności:

2

2

2

1 ⋅

⋅

=

− p

p

sk

U

U

gdzie: U

p-p

– amplituda międzyszczytowa napięcia wyjściowego.

Charakterystykę dynamiczną najwygodniej jest przedstawić jako logarytmiczną

charakterystykę amplitudową, która przedstawia wykres zależności logarytmu amplitudy

podanego w decybelach od częstotliwości wyrażonej w skali logarytmicznej.

A

log

= 20 log A(f)

gdzie: A – amplituda, f – częstotliwość.

6. Opracowanie sprawozdania

1) Na podstawie pomiarów wykreślić charakterystyki statyczne transoptorów.

2) Określić przekładnie prądowo-prądową badanych transopotrów.

3) Określić jakie zmiany powodowało wykorzystanie różnych obciążeń transoptora.

8

4) Na podstawie pomiarów wykreślić charakterystyki dynamiczne transoptorów.

5) Obliczyć pasmo 3 dB-owe badanych transopotrów.

6) Skomentować otrzymane charakterystyki i wyniki.

Literatura

1. J. Siuzdak, „Wstęp do współczesnej telekomunikacji światłowodowej”, Wydawnictwa

Komunikacji i Łączności, Warszawa, 1997.

2. A. Pawlaczyk, „Elementy i układy optoelektroniczne”, Wydawnictwa Komunikacji i

Łączności, Warszawa, 1984.

3. M. Polowczyk, “Elementy i przyrządy półprzewodnikowe powszechnego zastosowania”,

Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, Warszawa, 1986.

4. www.clare.com