Badanie przyrządów optoelektronicznych

Politechnika
Białostocka
Wydział Elektryczny
Katedra Automatyki i Elektroniki
Instrukcja
do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu:
ELEMENTY ELEKTRONICZNE
TS1C300 018
Badanie przyrządów optoelektronicznych
BIAŁYSTOK 2013
Katedra Automatyki i Elektroniki
Badanie przyrządów optoelektronicznych
__________________________________________________________________________________________
1. Wprowadzenie
Półprzewodnikowe elementy i podzespoły optoelektroniczne można sklasyfikować w
sposób następujący:
- diody elektroluminescencyjne (LED),
- diody laserowe,
- wyświetlacze LED (linijkowe, matrycowe, siedmiosegmentowe, alfanumeryczne),
- wyświetlacze LCD i VFD,
- podczerwone moduły zdalnego sterowania i transmisyjne,
- fotodiody i matryce fotodiodowe,
- fototranzystory,
- fotorezystory,
- fotokomórki,
- przetworniki światło-napięcie i światło-częstotliwość,
- czujniki optoelektroniczne,
- przełączniki optoelektroniczne,
- transoptory.
Celem ćwiczenia jest zbadanie właściwości elektrycznych oraz weryfikacja informacji
dotyczących funkcjonowania wybranych elementów w zastosowaniach praktycznych.
Studenci (w zakresie określonym przez prowadzącego przed rozpoczęciem zajęć) dokonują
pomiarów następujących układów:
- zespołu diod LED,
- wyświetlacza siedmiosegmentowego LED,
- przetwornika światło-napięcie,
- transoptora analogowego.
2. Opis stanowiska badawczego
Stanowisko badawcze wykonane jest w formie kasety pomiarowej, zasilanej
zewnętrznie napięciem około +/-10V/1A. Do realizacji ćwiczenia niezbędne jest zastosowanie
następującej, dodatkowej aparatury pomiarowej:
- oscyloskopu dwukanałowego,
- dwóch multimetrów (do pomiaru napięć i prądów DC),
- przestrajanych generatorów: sinusoidalnego i prostokątnego TTL,
- częstościomierza.
2
Katedra Automatyki i Elektroniki
Badanie przyrządów optoelektronicznych
__________________________________________________________________________________________
Na płycie czołowej kasety pomiarowej (widok płyty w pliku kaseta.doc format ) umieszczono
elementy niezbędne do zaprojektowania i połączenia układu pomiarowego. Szczegółowy opis
poszczególnych modułów zawarto w dalszej części instrukcji.
2.1 Układ zasilania kasety
Schemat układu zasilania przedstawiono na rysunku 1. Kaseta jest zasilana napięciem
stałym około +/- 10V/1A z zasilacza zewnętrznego. Diody D10 i D11 zabezpieczają układ
przed uszkodzeniem w przypadku niewłaściwej polaryzacji. Napięcie wejściowe obniżane są
do napięcia +/- 5V w układzie podwójnego stabilizatora trój-końcówkowego (LM7805 i
LM7905). Właściwą pracę obwodu zasilania sygnalizuje świecenie diod D1 (zielona napięcie +5 V) i D2 (czerwona - napięcie -5 V).
Rys. 1 Schemat układu zasilania kasety pomiarowej
Wszystkie układy pomiarowe zasilane są wewnętrznie, stąd w trakcie wykonywania ćwiczeń
nie jest możliwe uszkodzenie układu zasilania.
2.2 Układy pomocnicze
+5V
a) Regulowane źródło napięcia odniesienia
R1
630
Schemat ideowy regulowanego napięcia odniesienia
3
(wykorzystywanego min. do zdejmowania charakterystyk
przedstawiono
na
rysunku
2.
Zawiera
on
układ
potencjometrycznej regulacji złożony z rezystorów R1 i R2 oraz
R2
6k3
1
statycznych - oznaczonego na płycie czołowej jako Vreg )
P1
5k
2
Wy1
C5
100 nF
potencjometru wieloobrotowego P1. Wartości elementów są tak
dobrane, aby wartość napięcia wyjściowego zawierała się w
przedziale od około 0V do +4.5V.
-5V
Rys.2 Źródło nap. odniesienia
3
Katedra Automatyki i Elektroniki
Badanie przyrządów optoelektronicznych
__________________________________________________________________________________________
b) Regulowane źródło prądu
Schemat ideowy układu przedstawiono na rysunku 3.
Wy2
Zbudowany ona jest na bazie układu scalonego LM334 National
4
2
3
6
7
V+
VVVV-
1
R
3
LM334
P2
1k
2
Semiconductor [6]. Umożliwia regulację prądu wyjściowego w
zakresie od 10 µA do około 10 mA. Układ służy do prądowego
sterowania diod elektroluminescencyjnych oraz pojedynczych
1
R5
segmentów wyświetlacza siedmiosegmentowego. Źródło na płycie
15
czołowej oznaczone jest jako Ireg.
Rys. 3 Źródło prądowe
c) Bufor wejściowy
Element służy do buforowania wejścia układu badanego podczas sterowania z
generatora zewnętrznego. Schemat ideowy układu
+5V
100 nF
buforującego przedstawiono na rysunku 4. Układ
zbudowany jest na bazie bufora MAX4205 firmy
B3
MAX4205
Maxim [5]. Pasmo przenoszenia układu wynosi
1
G3
Wy3
1
2
75
100 nF
2
około 720 MHz.
C6
C7
-5V
Rys. 4 Schemat bufora wejściowego
d) Układ sterowania zespołów LED
Do sterowania wyświetlacza siedmiosegmentowego oraz zespołu diod LED można
...
A7
+5V
A1
A0
A0
+5V
+5V
A1
A7
wykorzystać
układ
przestawiony
na
Podświetlany
sterowania
rysunku
zespół
5.
ośmiu
R28
potencjału
masy
lub
jedynek
3
R27
4
R16
3
R15
4
R14
3
4
R13
przełączników umożliwia podanie
...
1
Stan
(świecenie
wyłącznika)
włączenia
1
elementów.
2
D17
620nm
Rys. 5 Schemat układu sterowania
oznacza
niski poziom wyjściowy.
2
D11
...
620nm
D10
620nm
2
2
1
1
2
1
1
2
logicznych na katody badanych
[7]
4
Katedra Automatyki i Elektroniki
Badanie przyrządów optoelektronicznych
__________________________________________________________________________________________
e) Układ wyjściowy przetwornika światło-napięcie
Moduł służy do podłączenia przetwornika napięcie-światło poprzez złącze Z1 do
układu pomiarowego. Gniazdo
+5V
+5V
C10
Z1F
Z1F
umieszczone
na
płycie
C8
1
1
B2
100nF
1
2
4
1
3
1
100nF
1
2
75
Wy4
G4
C11
100nF
100nF
-5V
dostarcza
napięć
zasilających do układu OPT101
MAX4205
C9
czołowej
oraz
służy
sygnału
wyprowadzenia
wyjściowego,
proporcjonalnego do mocy
-5V
promieniowania optycznego
Rys. 6. Układ wyjściowy przetwornika Φ/V
oświetlającego powierzchnię aktywną fotodiody. Bufor B2 separuje układ pomiarowy od
gniazda wyjściowego. Układ nie zmienia charakterystyk częstotliwościowych przetwornika
światło-napięcie (częstotliwość graniczna około 700 MHz) jak również amplitudy napięcia
wyjściowego (wzmocnienie jednostkowe). Wbudowany rezystor 75 Ω dopasowuje
impedancję wyjściową do wyjścia koncentrycznego.
2.3 Zespół diod elektroluminescencyjnych (UB1)
Moduł zawiera 6 diod LED oraz złącze Z2 do podłączenia dodatkowego elementu.
Rezystory R6 ÷ R12 ograniczają maksymalny prąd płynący przez element do około 20 mA.
+5V
D4
430nm
2
D5
565nm
2
2
D6
590nm
R11
100
R12
150
1
R10
150
1
1
R9
150
D7
620nm
2
D8
645nm
2
2
D9
850nm
R8
150
1
R7
180
1
1
R6
63
1
2
Z2
D3
Rys. 7 Schemat modułu diod elektroluminescencyjnych [7]
Każda z diod umieszczona została w oprawce oksydowanej, umożliwiającej sprzężenie
optyczne z modułem przetwornika światło-napięcie. Katody elementów można zasilać ze
źródła prądowego bądź układu sterowania (Rys. 5).
5
Katedra Automatyki i Elektroniki
Badanie przyrządów optoelektronicznych
__________________________________________________________________________________________
2.4 Wyświetlacz siedmiosegmentowy (UB2)
Badany moduł zawiera wyświetlacz siedmiosegmentowy 57 mm, 630nm o wspólnej
anodzie. Od strony katod włączone zostały rezystory 150Ω
150
R14
1k
R13
R15
D10
1k
620nm
2
T1
TTLLS
4
1
BC313
6
do około 20 mA. Wspólną anodę można łączyć za pomocą
przełącznika S1 do napięcia zasilającego +5V lub kluczować
1
+5V
3
ograniczające maksymalny prąd poszczególnych segmentów
sygnałem TTLLS, podłączonym do gniazda wejściowego za
sygnalizuje przełączenie w pozycję kluczowania. Katody
wyświetlacza można zasilać z układu sterowania (Rys. 5) bądź
selektywnie - regulowanym źródłem prądu. Amplituda
napięcia z zewnętrznego generatora powinna odpowiadać
poziomom TTL.
2
R16-R23
WA
8x150
a
b
c
d
e
f
g
kp
5
S1
pośrednictwem bufora wejściowego. Świecenie przełącznika
a
b
f
g
c
e
kp
d
Rys. 8 Moduł wyświetlacza siedmiosegmentowego [7]
2.5 Transimpedancyjny układ pracy fotodiody (UB3 - przetwornik światło-napięcie)
Układ umieszczony został w oprawce umożliwiającej optyczne sprzężenie z diodami
elektroluminescencyjnymi, eliminującej
OPT101
wpływ
3pF
Połączenie
1M
Z1M
1
4,5
+
3
8
światła
z
rozproszonego.
kasetą
pomiarową
następuje za pośrednictwem giętkiego
1
przewodu zakończonego wtykiem Z1M.
2
Układ zawiera fotodiodę zintegrowaną
3
ze wzmacniaczem transimpedancyjnym
4
[4],
dokonującym
konwersji
prądu
fotodiody na napięcie wyjściowe.
Rys. 9 Schemat modułu przetwornika światło-napięcie.
6
Katedra Automatyki i Elektroniki
Badanie przyrządów optoelektronicznych
__________________________________________________________________________________________
2.6 Transoptor analogowy (UB4)
Schemat ideowy układu pomiarowego przedstawiono na rysunku 9. Zawiera ona układ
+5V
C14
HCNR 200 IL 300
100nF
MAX4205
B1
1
2
R25
+5V
10M
2
T1
+5V
100nF
R27
+
W1
MAX477
160
R28
10k
Wy7
C13
100nF
-5V
-5V
100k
1
C12
-
G1
+5V
100nF
We1
R26
Wy5
C15
10M
+5V
R24
75
MAX477
+
R29 10k
C16
100nF
Wy6
G2
W2
C17
R30
100nF
100k
-5V
Rys. 10 Schemat ideowy układu pomiarowego transoptora analogowego
badany HCNR 200 IL 300 [8] oraz układy pomocnicze. Układ jest sterowany napięciem
(stałym lub zmiennym) od strony wejścia We1. Wyjście Wy7 służy do pomiaru spadku
napięcia na diodzie wejściowej oraz rezystorze R27. Wzmacniacz różnicowy W2
wzmacniania 10-krotnie sygnał napięciowy na rezystorze R27, proporcjonalny do prądu diody
wejściowej. Bufor wyjściowy B1 separuje wyjście (spadek napięcia na rezystorze R25,
proporcjonalny do prądu fotodiody wyjściowej) transoptora od pomiarowych gniazd
wyjściowych.
3. Zadania pomiarowe
Studenci przed rozpoczęciem zajęć powinni zapoznać się z literaturą przedmiotu
(wyspecyfikowaną w dalszej części instrukcji) oraz zaprojektować zadane układy pomiarowe.
W trakcie ćwiczeń możliwa jest min. realizacja następujących zadań pomiarowych:
a) badanie właściwości diod elektroluminescencyjnych, np.:
- układu polaryzacji diody,
- intensywności świecenia w funkcji prądu polaryzującego,
- obserwacji barwy światła emitowanej przez poszczególne elementy.
7
Katedra Automatyki i Elektroniki
Badanie przyrządów optoelektronicznych
__________________________________________________________________________________________
b) badanie właściwości wyświetlacza siedmiosegmentowego, w tym:
- sterowania poszczególnych segmentów,
- intensywności świecenia poszczególnych segmentów,
- sterowania pracą ciągłą i multipleksowaną.
c) badanie przetwornika światło-napięcie, np.:
- pomiar sygnału wyjściowego w zależności od długości fali (układ oświetlany diodami
elektroluminescencyjnymi),
- pomiar sygnału wyjściowego w funkcji prądu polaryzującego źródło światła (LED),
- pomiar charakterystyk częstotliwościowych układu dioda LED sprzężona optycznie
z przetwornikiem światło-napięcie.
d) badanie transoptora analogowego, w tym min:
- badanie charakterystyk stałoprądowych obwodu wejściowego i wyjściowego,
- badanie liniowości układu,
- badanie charakterytyki częstotliwościowej,
- pomiar zniekształceń.
c) realizacja innych zadań pomiarowych, określonych przez prowadzącego zajęcia.
4. Przebieg ćwiczenia
Studenci wykonują następujące czynności związane z realizacją ćwiczenia
laboratoryjnego:
- zaprojektowanie układów pomiarowych wg założeń sprecyzowanych przez prowadzącego,
w czasie poprzednich zajęć,
- realizacja czynności sprawdzających stopień przygotowania, przed przystąpieniem do zajęć,
- realizacja zadań pomiarowych,
- opracowanie wyników badań i przygotowanie sprawozdania.
5. Warunki BHP
Warunkiem przystąpienia do praktycznej realizacji ćwiczenia jest zapoznanie się z
instrukcją BHP i p.poż. obowiązującą w Laboratorium oraz przestrzeganie zasad w nich
zawartych.
8
Katedra Automatyki i Elektroniki
Badanie przyrządów optoelektronicznych
__________________________________________________________________________________________
6. Literatura
[1] Materiały z wykładu Elektronika
[2] W.Dybczyński, Miernictwo promieniowania optycznego, Politechniki Białostocka, 1996
[3] L.Spiralski, Pomiary przyrządów półprzewodnikowych, WKŁ, W-wa, 1992
[4] Materiały katalogowe i noty aplikacyjne firmy Burr-Brown (www.burr-brown.com)
[5] Materiały katalogowe i noty aplikacyjne firmy Maxim (www.maxim-ic.com)
[6] Materiały katalogowe i noty aplikacyjne firmy National Semiconductor
(www.national.com)
[7] Dane katalogowe firmy ELFA (www.elfa.se)
[8] Materiały katalogowe i noty aplikacyjne firmy Hewlett-Packard (www.hp.com)
Opracował: mgr inż. Marian Gilewski
9