Optoizolacja cyfrowa

Transkrypt

1 Politechnika Białostocka Wydział Elektryczny Katedra Automatyki i Elektroniki Instrukcja do ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: Elektronika 2 Kod: ES1C Optoizolacja cyfrowa Opracował: dr hab. inż. Jakub Dawidziuk, prof. PB Białystok 2017

2 Program szczegółowy laboratorium 1. Wprowadzenie przepisy BHP, regulamin laboratorium, zapoznanie studentów ze stanowiskami laboratoryjnymi i aparaturą pomiarową. (2 godz.) 2. Badanie diod i tranzystorów. (2 godz.) 3. Optoizolacja cyfrowa. (2 godz.) 4. Układ różnicowy. (2 godz.) 5. Tranzystory jako układy dwustanowe. (2 godz.) 6. Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych w układach liniowych. (2 godz.) 7. Trójkońcówkowe stabilizatory napięcia. (2 godz.) 8. Zastosowania wzmacniaczy operacyjnych w układach nieliniowych. (2 godz.) 9. Stabilizator impulsowy. (2 godz.) 10. Podstawowe bramki logiczne. (2 godz.) 11. Układy formowania impulsów. (2 godz.) 12. Przetworniki cyfrowo analogowe i analogowo cyfrowe. (2 godz.) 13. Układy uzależnień czasowych. (2 godz.) 14. Zastosowania wybranych układów scalonych. (2 godz. ) 15. Zaliczenie. Odrabianie zaległości. (2 godz.) Literatura podstawowa 1. Tietze U., Schenk Ch. Układy półprzewodnikowe. WNT, Horowitz P., Hill W. Sztuka elektroniki, cz. I i II. WKiŁ, Stepowicz W., Elementy półprzewodnikowe i układy scalone. Gdańsk Filipkowski A. Układy elektroniczne analogowe i cyfrowe. WNT, Nosal Z., Baranowski J. Układy elektroniczne cz.i - Układy analogowe liniowe. WNT, Antoszkiewicz K., Z.Nosal Z., Zbiór zadań z układów elektronicznych liniowych. WNT, Górecki P., Wzmacniacze operacyjne. Wydaw. BTC, Platt Ch., Elektronika. Od praktyki do teorii (ebook) Barlik R., Nowak M., Energoelektronika. Elementy, podzespoły, układy. WPW, Warszawa, Literatura specjalistyczna oraz piśmiennictwo pomocnicze podane są w instrukcjach do ćwiczeń laboratoryjnych.

3 Wydział Elektryczny INSTRUKCJA STANOWISKOWA BHP Katedra Automatyki i Elektroniki dotyczy zasad użytkowania stanowiska do ćwiczeń laboratoryjnych z zakresu elektroniki. Dotyczy zasad użytkowania następujących urządzeń: Lp. Nazwa urządzenia 1. Oscyloskop cyfrowy Tektronix 2. Generator funkcyjny 3. Zasilacz stabilizowany Oznaczenie Aby uniknąć obrażeń, porażenia prądem elektrycznym lub uszkodzenia użytkowanych urządzeń, zaleca się uważne przeczytanie i przestrzeganie poniższych uwag eksploatacyjnych z zakresu bezpieczeństwa pracy. Użytkowanie urządzenia lub stanowiska powinno być zgodne z jego instrukcją obsługi oraz odrębnymi instrukcjami obsługi elementów składowych, jeżeli takie występują. Wszelkie czynności serwisowe (naprawy, regulacje, wymiany bezpieczników, itp.) powinny być wykonywane jedynie przez odpowiednio wykwalifikowane osoby. Przed przystąpieniem do pracy na stanowisku należy: Zapoznać się z instrukcją obsługi wykorzystywanych urządzeń. Zapewnić poprawne uziemienie przyrządu, poprzez połączenie przewodu ochronnego kabla sieciowego do sprawnego gniazdka sieciowego z kołkiem uziemiającym. Używać właściwego kabla sieciowego zaprojektowanego dla danego urządzenia, spełniającego odpowiednie normy krajowe. Przed wykonaniem jakichkolwiek połączeń wyjść i wejść urządzenia należy upewnić się, czy urządzenie jest prawidłowo uziemione. Zapewnić wymagane chłodzenie przyrządu poprzez prawidłowy obieg powietrza chłodzącego przyrząd. Aby uniknąć ryzyka pożaru lub porażenia prądem, należy zwracać uwagę na wszelkie ostrzeżenia na obudowie przyrządu oraz nie przekraczać podanych w instrukcji i na obudowie maksymalnych dopuszczalnych wartości napięcia i prądu w gniazdach urządzenia. Podczas pracy na stanowisku laboratoryjnym należy: Zachować ład i porządek. Przyrządy powinny być tak ustawione, aby nie mogły spaść. Wykonywać połączenia tak, aby nie zagrażały użytkownikom stanowiska.

4 Połączenia wykonywać możliwie najkrótszymi przewodami, unikać połączeń przewodami zwisającymi. Nie należy podłączać lub odłączać sond lub przewodów pomiarowych, gdy one lub punkt podłączenia są pod napięciem. Nie pracować ze zdjętymi elementami obudowy lub zdemontowanymi panelami. Nie dotykać metalowych elementów obwodu (gniazd, styków, podzespołów, nieizolowanych przewodów mogących znaleźć się pod napięciem, itp.), gdy włączone jest zasilanie urządzenia. Jeżeli zachodzi podejrzenie uszkodzenia urządzenia lub jego nieprawidłowej pracy, należy wyłączyć zasilanie i fakt ten zgłosić osobie prowadzącej zajęcia. Przed przystąpieniem do dalszej pracy urządzenie takie powinno być sprawdzone przez odpowiednio wykwalifikowaną osobę. Nie używać przyrządu w miejscach o dużej wilgotności, w atmosferze zawierającej gazy wybuchowe i agresywne korozyjnie. Dbać, aby powierzchnia przyrządu była zawsze czysta i sucha. Po skończeniu pracy na stanowisku należy: Wyłączyć urządzenia zasilane energią elektryczną. Uporządkować stanowisko. Czynności zabronione: Używanie urządzeń niezgodnie z ich przeznaczeniem i instrukcją obsługi. Łączenie elektrycznych obwodów pomiarowych znajdujących się pod napięciem. Samowolne otwieranie obudów i naprawianie urządzeń zasilanych energią elektryczną. Pierwsza pomoc: W przypadku porażenia prądem elektrycznym należy uwolnić osobę porażoną spod działania prądu elektrycznego przez natychmiastowe wyłączenie napięcia za pomocą przycisku bezpieczeństwa na tablicy zasilającej. Udzielić pomocy przedlekarskiej osobom poszkodowanym. Przy nieszczęśliwych wypadkach należy bezzwłocznie wezwać Pogotowie Ratunkowe (tel. 999, kom. 112). W przypadku pożaru: Odłączyć zasilanie urządzeń, rozpocząć ewakuację ludzi z zagrożonego obszaru. Gasić urządzenia dostępnymi środkami ochrony p.poż., a w koniecznym przypadku wezwać Straż Pożarną (tel. 998, kom. 112). Instrukcja przygotowana na podstawie dokumentacji technicznych ww. urządzeń.

5 1. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie jednego z podstawowych elementów optoelektronicznych transoptora, stosowanego w układach cyfrowych i analogowych oraz weryfikacja informacji dotyczących jego funkcjonowania w zastosowaniach praktycznych. Zakres ćwiczenia dotyczy badań właściwości dynamicznych transoptora. 2. Wprowadzenie Transoptor jest półprzewodnikowym elementem optoelektronicznym składającym się z fotoemitera (nadajnika) i fotodetektora (odbiornika), umieszczonych we wspólnej obudowie. Fotoemiterem jest najczęściej dioda LED pracująca w zakresie podczerwieni. Role detektorów pełnią różne elementy światłoczułe, w tym fotodioda, fototranzystor, fototyrystor, fotorezystor (rys. 1), fototriak, fotodioda z tranzystorem, bramki cyfrowe oraz transoptory analogowe. Rys.1. Symbole graficzne transoptorów z różnymi fotodetektorami: a) fotorezystorem, b) fotodiodą, c)fototyrystorem, d) fototranzystorem, e) fototranzystorem z wyprowadzoną bazą, f) fototranzystorem w układzie Darlingtona Główne zastosowanie transoptorów (inaczej optoizolatorów) to galwaniczna separacja części obwodów elektronicznych, często pracujących na ekstremalnie różnych potencjałach. Sprzężenie strony wtórnej z pierwotną realizowane jest na drodze optycznej. Transoptory wykorzystywane są powszechnie w technice pomiarowej, układach automatyki, a także w specjalizowanych urządzeniach, np. w aparaturze medycznej, do oddzielenia obwodu pacjenta od sieci elektrycznej. Transoptory stosowane są do przenoszenia zarówno sygnałów cyfrowych, jak i analogowych. Najszersze pasmo przenoszenia, sięgające kilkudziesięciu megaherców, mają transoptory z fotodiodą jako detektorem, najwęższe transoptory z fotorezystorem. Wśród pozostałych parametrów transoptora należy wymienić: maksymalny (dopuszczalny) prąd diody nadawczej, maksymalny (dopuszczalny) prąd fotodetektora, maksymalne napięcie w obwodzie wejściowym i wyjściowym, współczynnik wzmocnienia prądowego, przekładnia prądowa transoptora, napięcie przebicia, rezystancja izolacji,

6 parametry dynamiczne czas załączenia i wyłączenia, zakres temperatury pracy. Każdy element elektroniczny generuje opóźnienie między sygnałem wejściowym i wyjściowym oraz zniekształca amplitudę. Charakterystyki przełączania mogą być określone przez porównanie przebiegów czasowych prądu wejściowego I F z prądem wyjściowym I C. Bardzo istotnym parametrem jest czas przełączania. Zależy on od prądu diody oraz układu pracy i wartości elementów zewnętrznych tranzystora. Czas przełączania ogranicza maksymalną częstotliwość pracy. Ważnym parametrem transoptora jest współczynnik wzmocnienia prądowego CTR (ang. current transfer ratio), nazywany również przekładnią prądową, zdefiniowany w układzie z fototranzystorem następująco: IC CTR, IF gdzie: I C oznacza prąd kolektora fototranzystora (prąd wyjściowy), natomiast I F to prąd diody LED spolaryzowanej w kierunku przewodzenia (prąd wejściowy). Wartość współczynnika wzmocnienia CTR może być mniejsza od 1, a w przypadku użycia fotodiody w charakterze fotodetektora, jest znacznie mniejsza (często współczynnik ten jest podawany w procentach - mnożony przez 100). Wartość CTR zależy od współczynnika wzmocnienia prądowego tranzystora h FE (β), napięcia pomiędzy kolektorem a emiterem U CE, prądu przewodzenia diody LED I F oraz temperatury pracy. Przy projektowaniu należy sprawdzić i zweryfikować swoje założenia i obliczenia uwzględniając warunki pracy elementu. 3. Wpływ rodzaju włączenia fototranzystora na czas załączenia i wyłączenia Przy włączeniu fototranzystora ze wspólnym kolektorem czas narastania jest znacznie krótszy dzięki braku efektu Millera, niż przy włączeniu ze wspólnym emiterem (rys. 2). Rys. 2. Układy włączenia transoptora z fototranzystorem: a) ze wspólnym emiterem, b) ze wspólnym kolektorem W typowej konfiguracji ze wspólnym emiterem pojemność kolektor-baza C CB jest pojemnością sprzężenia zwrotnego, postrzegana przez wejście jest znacznie większa C gmr0 CB WE CCB 1 C,

7 gdzie, g m jest transkonduktancją fototranzystora. W wyniku dużej wartości C WE ulega zwiększeniu czas narastania, a zmniejszeniu pasmo częstotliwości. Proces wyłączenia jest znacznie szybszy. W konfiguracji wspólnego kolektora efekt Millera nie ma miejsca. Czas narastanie jest krótki, wydłuża się czas opadania (rys. 3). Pasmo częstotliwości jest wyższe niż w układzie włączenia ze wspólnym emiterem. Czas przełączania ogranicza maksymalną częstotliwość przesyłania sygnałów. Czasy przełączania transoptorów mogą różnić się o dwa lub więcej rzędów wielkości (np. CNY17 jest wolnym, a HCPL2631 szybkim transoptorem). Rys. 3. Wymuszenie i odpowiedź transoptora oraz parametry dynamiczne: t p - czas trwania impulsu, t d czas opóźnienia, t r czas narastania, t s czas magazynowania, t f czas opadania, t on czas załączenia, t off czas wyłączenia Fototranzystor zazwyczaj działa w obwodzie przedstawionym na rys. 4. W większości zastosowań rezystor R B może być pominięty. W niektórych fototranzystorach baza nie jest wyprowadzona na zewnątrz obudowy. Rezystor R B może być wykorzystany do zmniejszenia Rys. 4. Fototranzystor z dołączonym rezystorem w obwodzie bazy wpływu otaczającego tła poprzez ustawienie wartości progowej promieniowania (patrz równania 1 i 2). Duże wartości rezystora bazy R B zabezpieczają układ przed wzrostem prądu kolektora przy małym oświetleniu, w ten sposób zapewniając bardziej niezawodną pracę wyjścia cyfrowego. V o V S R (1) s e L

8 Vo 0,6 R B V S R (2) s e L gdzie: β współczynnik wzmocnienia prądowego tranzystora, φ e moc promieniowania [W], S() czułość detektora [A/W]. 4. Optoizolacja cyfrowa Rysunek 5 przedstawia symbol graficzny transoptora, najbardziej popularnego układu stosowanego do separacji galwanicznej sygnału cyfrowego. Rys.5. Obudowa z wyprowadzeniami transoptora dioda LED - fototranzystor Rozdzielenie galwaniczne, czyli oddzielenie elektryczne dwóch części urządzenia, to jedna z najważniejszych funkcja transoptora. Stosuje się je, gdy na przykład części urządzenia pracują na różnych napięciach, w szczególności, gdy jednym z nich jest np. napięcie 230 V. Sygnał z wejścia do wyjścia jest przekazywany za pomocą światła, a nie prądu. Transoptor można rozpatrywać jak tranzystor z rezystorem w bazie, gdzie wartość rezystora w mniejszym lub większym stopniu ogranicza prąd bazy, powodując mniejsze lub większe wysterowanie tranzystora. Podobnie jest w transoptorze. Dioda LED może świecić mocniej lub słabiej. Natężenie świecenia reguluje się to prądem przepływającym przez LED, czyli prąd kolektora tranzystora zależy od prądu diody LED. Również od prądu diody zależy maksymalna częstotliwość przesyłanego sygnału, ponieważ szybkość działania tranzystora zależy od stanu jego nasycenia (przesterowania). Warunki pracy tranzystora w obszarze aktywnym i w stanie nasycenia określają poniższe równania: w obszarze aktywnym I R V, w stanie nasycenia I c c L L R V. s s Przykładowe zastosowanie transoptora do separacji sygnału cyfrowego zamieszczono na rys. 6. Zwróć uwagę na dwa różne oznaczenia mas, które są rozdzielone galwanicznie (nie mają połączenia metalicznego). Więcej o izolacji galwanicznej możesz znaleźć w pliku Vademecum do laboratorium elektroniki na stronie internetowej Katedry Automatyki i Elektroniki. Rezystor R5 należy tak dobrać, aby przyłożenie napięcia odpowiadającego logicznej 1 spolaryzowało wystarczająco dużym prądem (ok. 15 ma) diodę świecącą. W wyniku emisji światła przez diodę LED, fototranzystor przechodzi w stan przewodzenia, co z kolei powoduje przejście w stan przewodzenia tranzystora T1 i pojawienie się na pinie P3 napięcia bliskiego +5 V. Po przyłożeniu na wejście układu logicznego 0, w wyniku małej różnicy potencjałów pomiędzy pinami P1 i P3 dioda nie emituje światła, fototranzystor pozostaje w stanie

9 zatkania, podobnie tranzystor T1 i w konsekwencji pin P9 zwarty jest do masy przez rezystor R2. Rys. 6. Przykład zastosowani transoptora do separacji galwanicznej sygnału cyfrowego Powyższy układ można zastosować np. do sterowania sekcjami w silniku krokowym za pomocą cyfrowych portów wyjściowych mikrokontrolera. Transoptor wprowadza izolację galwaniczną pomiędzy obydwoma obwodami: sterującym i wykonawczym. Ewentualne uszkodzenie tranzystora T1 może w najgorszym przypadku spowodować zniszczenie fototranzystora przez zbyt duże napięcie zasilające U CC (np. U CC = 24 V). Napięcie to nie przedostanie się na diodę nadawczą LED. W klasycznym transoptorze wartość napięcia przebicia pomiędzy diodą LED i fototranzystorem wynosi ok. 3,5 kv. Rezystory R1 i R2 należy dobrać w taki sposób, aby 1 na wejściu nie wprowadzała w zbyt głębokie nasycenie tranzystora T1. Im głębiej jest nasycony tranzystor, tym dłużej wychodzi z tego stanu. Nieodpowiednie dobranie R1 może w znaczący sposób opóźnić czas narastania zbocza przy przechodzeniu sygnału na wyjściu P9-P11 ze stanu 0 do stanu 1. Dobór rezystora R4. Zbyt mała wartość rezystancji R4 powoduje, że dla u WEJ = 0 V na wyjściu może pojawić się niskie napięcie, np. 0,5 V, które jest wynikiem obecności szumów w bazie fototranzystora. Natężenie tych prądów jest na tyle duże, że fototranzystor pracuje w stanie aktywnym. Zbyt mała wartość rezystora R4 powoduje, że wszystkie nośniki ładunku generowane przez światło w bazie fototranzystora są odprowadzane do masy i tranzystor jest cały czas zatkany lub pracuje aktywnie, ale nie jest w stanie nasycić tranzystora T1. W konsekwencji tego, dla u WEJ = 1 napięcie na wyjściu wynosi 0 V lub osiąga wartość napięcia pośrednią pomiędzy 0 i 1. Rezystancja wyjściowa powyższego układu zależy od stanu pracy tranzystora T1. Gdy tranzystor jest nasycony, rezystancja wyjściowa układu jest bardzo mała. Bardziej niekorzystna sytuacja zachodzi, gdy na wyjściu jest 0. Wówczas T1 jest zatkany i rezystancja wyjściowa jest równa wartości R2. Zmniejszenie tej rezystancji jest korzystne z punktu widzenia dopasowania napięciowego, ale może także spowodować niespełnienie warunku nasycenia w układzie fototranzystor tranzystor T1.

10 Dobierając wartość R2 należy zauważyć, że rezystor ten jest jednocześnie elementem ograniczającym prąd w kolektorze tranzystora T1. Zbyt mała wartość tej rezystancji może uszkodzić prądowo T1. Rys. 7. Widok płytki laboratoryjnej 5. Zadanie domowe Korzystając z not katalogowych transoptora 4N35 i tranzystora 2N2905 oblicz wartości rezystorów R1, R4 i R5 zapewniające maksymalną częstotliwość przesyłanego sygnału dla obciążenia R2=2 kω, R3=. 6. Pomiar parametrów dynamicznych transoptorów Pomiary parametrów dynamicznych transoptorów wykonuje się w układzie przedstawionym na rys. 6, z zastosowaniem płytki laboratoryjnej rys. 7. Do wejścia JP1 doprowadź sygnał z generatora impulsów prostokątnych o regulowanej amplitudzie i czasie trwania tych impulsów. Do pomiarów wykorzystaj oscyloskop dwukanałowy, do kanału CH1 podłącz sygnał wejściowy, a do kanału CH2 sygnał wyjściowy (rys. 8). Do badanego układu zamontuj rezystory o wartościach obliczonych w zadaniu domowym. Fototranzystor i tranzystor bipolarny powinny pracować w nasyceniu. Dokonaj pomiarów czasów przełączania transoptorów i częstotliwości pracy dla kilku rodzajów (obciążenie R, RC i RL) i wartości obciążenia oraz czasów trwania impulsów. Określ częstotliwość powodującą zniekształcenia przebiegów wyjściowych. 7. Zawartość sprawozdania Sprawozdanie powinno być wykonane starannie, jednak bez zbędnej formalistyki. Powinno zawierać schematy pomiarowe, wyniki pomiarów oraz oscylogramy z datą wykonanego ćwiczenia, wykonane obliczenia wstępne i projektowe oraz ich weryfikację z wynikami pomiarów.

11 a) Na przebiegach oscyloskopowych (dla kilku wartości obciążenia) zaznacz czasy narastania, opadania i przełączania transoptora. b) Porównaj otrzymane wartości czasów z danymi katalogowymi. c) Oceń wpływ obciążenia i czasu trwania impulsu na własności dynamiczne badanego transoptora. d) Przedstaw niezniekształcony przebieg wyjściowy dla niskiej częstotliwości wejściowej oraz zniekształcony przebieg wyjściowy przy wysokiej częstotliwości wejściowej. e) We wnioskach opisz szczegółowo i wyjaśnij wyniki pomiarów oraz rozbieżności pomiędzy teorią a badaniami eksperymentalnymi. Rys. 8. Przykład konfiguracji aparatury pomiarowej z płytką laboratoryjną Dane katalogowe transoptora i tranzystora są dostępne na stronach internetowych producentów, np.: