Указания к выполнению работы

1. Соедините лабораторный стенд с универсальным блоком питания 12 В. Подключите к клеммам лабораторного стенда амперметры А1, А2 и вольтметр V1 (рис. 8).

2. Исследование оптопары U1.

2.1. Тумблер S4 (U1) установите в положение ВКЛ, тумблеры S5 (U2), S6 (U3) – в положение ОТКЛ (подключена только оптопара U1).

2.2. Снятие входной характеристики U_ВХ = f(I_ВХ).

Тумблер S1 переведите в верхнее положение, переключатель S2 – в положение + 12 В, тумблер S3 – в положение ВКЛ (резистор R5 подключен к базе фототранзистора). Задавая резистором R2 по амперметру А1 значения силы тока I_ВХ = 0; 0,5; 1; 2,5; 5; 10; 20 мА, определите по вольтметру V1 соответствующие им значения падения напряжения U_ВХ на светодиоде оптопары. Постройте график зависимости U_ВХ = f(I_ВХ).

2.3. Снятие характеристик I_ВЫХ = f(I_ВХ).

Тумблер S1 установите в верхнее положение, переключатель S2 – в положение + 12 В, тумблер S3 – в положение ВКЛ. Поверните ручку резистора R3 по часовой стрелке до упора (R3 = 0). Задавая резистором R2 по амперметру А1 значения I_ВХ = 0; 1; 2,5; 5; 10 и 20 мА, отсчитайте в каждом случае силу тока по амперметру А2.

Аналогично снимите характеристики I_ВЫХ = f(I_ВХ) при напряжениях питания выходной цепи оптопары равных 6,8 и 3,3 В.

Для каждой точки измерения рассчитайте коэффициент передачи тока

K_I = I_ВЫХ / I_ВХ.

Постройте на одном рисунке графики зависимостей I_ВЫХ = f(I_ВХ) при разных напряжениях питания U₂ выходной цепи. Постройте графики K_I = f (I_ВХ) и K_I = f (U₂).

2.4. Снятие характеристик I_ВЫХ = f(U₂).

Тумблер S1 установите в верхнее положение, переключатель S2 в положение 3,3 В, тумблер S3 – в положение ВКЛ. Выставьте резистором R2 по амперметру А1 ток I_ВХ = 1 мА, с помощью А2 измерьте значение I_ВЫХ. Изменяя переключателем S2 напряжение питания выходной цепи, определите значения I_ВЫХ при U₂ = 6,8 и 12 В.

Аналогично снимите характеристики I_ВЫХ = f(U₂) при I_ВХ = 10 мА. Постройте на одном рисунке графики для каждого значения тока I_ВХ.

2.5. Снятие характеристики U_КЭ = f(I_ВХ).

Установите тумблер S1 в верхнее положение, переключатель S2 в положение + 12 В, тумблер S3 – в положение ВКЛ, резистор R3 – в среднее положение. Подключите вольтметр V2. Задавая резистором R2 по амперметру А1 значения тока I_ВХ = 0; 1; 2,5; 5; 10 и 20 мА, по вольтметру V2 отсчитывайте в каждом случае напряжение U_КЭ. Постройте график характеристики U_КЭ=f(I_ВХ).

2.6. Снятие характеристик U_КЭ = f(I_ВЫХ).

Установите тумблер S1 в верхнее положение, переключатель S2 в положение + 12 В, тумблер S3 – в положение ВКЛ. Подключите вольтметр V2. Задайте резистором R2 по амперметру А1 значение I_ВХ = 2 мА. С помощью резистора R3 изменяйте силу тока коллектора фототранзистора от минимума до максимума, по вольтметру V2 отсчитывайте в каждом случае напряжение U_КЭ.

Аналогично снимите характеристику при I_ВХ = 20 мА. Постройте на одном рисунке графики характеристик U_КЭ = f(I_ВЫХ) при разных I_ВХ.

2.7. Снятие зависимостей времени нарастания и спада импульса в выходной цепи от входного тока.

Отключите вольтметры V1 и V2, амперметр А1 переведите в режим измерения переменного тока, переключатель S2 – в положение + 12 В, тумблер S3 – в положение ВКЛ. Подключите к клеммам резистора R1 осциллограф. Ручку резистора R3 поверните по часовой стрелке до упора (R3 = 0). Переведите тумблер S1 в нижнее положение, при этом от встроенного в лабораторный стенд генератора на излучатель оптопары будут поступать электрические прямоугольные импульсы тока со скважностью 2. Резистором R2 установите показания амперметра А1 равными 2,5 мА, что соответствует амплитуде импульсов I_m = 5 мА. По осциллограмме оцените время нарастания и спада тока во входной цепи оптопары (в данном случае можно считать, что нарастание и спад тока происходят практически мгновенно).

Переключите осциллограф на клеммы фототранзистора и определите значения времени нарастания и спада импульса в выходной цепи оптопары при замкнутом и разомкнутом тумблере S3. При отсчетах на переднем и заднем фронтах импульса берутся интервалы времени между точками 10 и 90 % от его амплитуды.

Аналогично определите время нарастания и спада импульса при показаниях А1, равных 5 мА (I_m = 10 мА) и 10 мА (I_m = 20 мА). Постройте на одном рисунке характеристики t_НАР = f(I₁) при замкнутом и разомкнутом тумблере S3, на другом рисунке – характеристики t_СП = f(I₁).

2.8. Определение зависимостей времени нарастания и спада импульса в выходной цепи от сопротивления нагрузки.

Тумблер S3 переведите в положение ВКЛ. Резистором R2 по амперметру А1 установите ток 7,5 мА. Используя методику, изложенную в предыдущем пункте, определите время нарастания и спада напряжения в выходной цепи оптопары при следующих значениях сопротивления нагрузки (R3+R4) в цепи коллектора фототранзистора:

R_Н = 0,4 кОм – ручка R3 повернута по часовой стрелке до упора;

R_Н = 5 кОм – ручка резистора R3 установлена в среднее положение;

R_Н = 10 кОм – ручка R3 повернута против часовой стрелки до упора.

Постройте графики зависимостей t_НАР = f(R_Н), t_СП = f(R_Н).

3. Исследование оптопары U2.

Тумблер S5 (U2) установите в положение ВКЛ, тумблеры S4 (U1), S6 (U3) – в положение ОТКЛ (подключена только оптопара U2). Повторите измерения, описанные в п.п. 2.3, 2.5, 2.7 при U₂ = 12 В.

4. Исследование оптореле U3.

4.1. Снятие характеристики I_ВЫХ = f(I_ВХ).

Тумблер S6 (U3) переведите в положение ВКЛ, тумблеры S4 (U1), S5 (U2) – в положение ОТКЛ. Тумблер S1 установите в верхнее положение, переключатель S2 – в положение + 12 В. Поверните ручку резистора R3 по часовой стрелке до упора (R3 = 0). Задавая резистором R2 по амперметру А1 значения I_ВХ = 0; 1; 2,5; 5; 10 и 20 мА, отсчитайте в каждом случае силу тока по амперметру А2. Постройте график характеристики.

4.2. Снятие характеристики U_ВЫХ = f(I_ВЫХ).

Органы управления стенда оставьте в тех же положениях, что и при выполнении п. 4.1. Задайте резистором R2 по амперметру А1 значение I_ВХ = 10 мА. С помощью резистора R3 изменяйте силу тока в выходной цепи от минимума до максимума, по вольтметру V2 отсчитывайте в каждом случае напряжение U_ВЫХ. Постройте график характеристики.

Используя максимальные и минимальные значения напряжения и тока, рассчитайте сопротивление «контакта» R_К оптореле по формуле:

R_К = (U_max – U_min) / (I_max – I_min).

4.3. Измерение сопротивления «контакта» оптореле.

Используйте те же положения переключателей S1, S2 и резистора R2 (I_ВХ = 10 мА), что и в п. 4.2. Отключите приборы А2 и V2. Цифровым омметром измерьте сопротивления «контакта» R_К оптореле в прямом и обратном направлениях. Объясните полученные значения. Сравните измеренное значение R_К со значением, рассчитанным в предыдущем пункте.

Контрольные вопросы

1. Перечислите основные параметры транзисторных оптопар, объясните их смысл и укажите порядок величин.

2. Что такое входная характеристика оптопары? Объясните причину сходства входных характеристик диодных и транзисторных оптопар.

3. Покажите на графиках I_ВЫХ = f(I_ВХ) области, соответствующие линейному режиму и насыщению фототранзистора.

4. Как рассчитать значение тока I_ВЫХ в режиме насыщения?

5. Какие факторы влияют на коэффициент передачи тока? Покажите графики зависимостей, отражающие это влияние. Рассчитайте коэффициент передачи тока при U₂=12 В, I_ВХ = 10 мА.

6. Покажите на графиках характеристик U_КЭ=f(I_ВХ) область насыщения фототранзистора. Какова величина остаточного напряжения U_ОСТ?

7. Покажите на графиках характеристик U_КЭ=f(I_ВХ) точку, соответствующую запертому состоянию фототранзистора. Чем определяется величина напряжения на запертом фототранзисторе?

8. Покажите на графиках характеристик U_КЭ=f(I_ВХ) область линейного режима.

9. Какие факторы влияют на быстродействие оптопары? Покажите графики зависимостей, отражающие это влияние.

10. Какие параметры оптопары изменяются при разрыве электрической связи между базой и эмиттером фототранзистора?

11. Дайте сравнительную оценку диодных и транзисторных оптопар с точки зрения их параметров и областей применения.

12. Каким должно быть суммарное сопротивление резисторов R1+R2, чтобы во входной цепи оптопары при напряжении питания 12 В протекал ток 10 мА?

Лабораторная работа № 4