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 UВХ = f(IВХ).
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 IВХ = 0; 0,5; 1; 2,5; 5; 10; 20 мА, определите по вольтметру V1 соответствующие им значения падения напряжения UВХ на светодиоде оптопары. Постройте график зависимости UВХ = f(IВХ).
2.3. Снятие характеристик IВЫХ = f(IВХ).
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 IВХ = 0; 1; 2,5; 5; 10 и 20 мА, отсчитайте в каждом случае силу тока по амперметру А2.
Аналогично снимите характеристики IВЫХ = f(IВХ) при напряжениях питания выходной цепи оптопары равных 6,8 и 3,3 В.
Для каждой точки измерения рассчитайте коэффициент передачи тока
KI = IВЫХ / IВХ.
Постройте на одном рисунке графики зависимостей IВЫХ = f(IВХ) при разных напряжениях питания U2 выходной цепи. Постройте графики KI = f (IВХ) и KI = f (U2).
2.4. Снятие характеристик IВЫХ = 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 IВХ = 1 мА, с помощью А2 измерьте значение IВЫХ. Изменяя переключателем S2 напряжение питания выходной цепи, определите значения IВЫХ при U2 = 6,8 и 12 В.
Аналогично снимите характеристики IВЫХ = f(U2) при IВХ = 10 мА. Постройте на одном рисунке графики для каждого значения тока IВХ.
2.5. Снятие характеристики UКЭ = f(IВХ).
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 IВХ = 0; 1; 2,5; 5; 10 и 20 мА, по вольтметру V2 отсчитывайте в каждом случае напряжение UКЭ. Постройте график характеристики UКЭ=f(IВХ).
2.6. Снятие характеристик UКЭ = f(IВЫХ).
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 IВХ = 2 мА. С помощью резистора R3 изменяйте силу тока коллектора фототранзистора от минимума до максимума, по вольтметру V2 отсчитывайте в каждом случае напряжение UКЭ.
Аналогично снимите характеристику при IВХ = 20 мА. Постройте на одном рисунке графики характеристик UКЭ = f(IВЫХ) при разных IВХ.
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 Im = 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 (Im = 10 мА) и 10 мА (Im = 20 мА). Постройте на одном рисунке характеристики tНАР = f(I1) при замкнутом и разомкнутом тумблере S3, на другом рисунке – характеристики tСП = 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:
RН = 0,4 кОм – ручка R3 повернута по часовой стрелке до упора;
RН = 5 кОм – ручка резистора R3 установлена в среднее положение;
RН = 10 кОм – ручка R3 повернута против часовой стрелки до упора.
Постройте графики зависимостей tНАР = f(RН), tСП = f(RН).
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 IВЫХ = f(IВХ).
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 IВХ = 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 UВЫХ = f(IВЫХ).
Органы управления стенда оставьте в тех же положениях, что и при выполнении п. 4.1. Задайте резистором R2 по амперметру А1 значение IВХ = 10 мА. С помощью резистора R3 изменяйте силу тока в выходной цепи от минимума до максимума, по вольтметру V2 отсчитывайте в каждом случае напряжение UВЫХ. Постройте график характеристики.
Используя максимальные и минимальные значения напряжения и тока, рассчитайте сопротивление «контакта» RК оптореле по формуле:
RК = (Umax – Umin) / (Imax – Imin).
4.3. Измерение сопротивления «контакта» оптореле.
Используйте те же положения переключателей S1, S2 и резистора R2 (IВХ = 10 мА), что и в п. 4.2. Отключите приборы А2 и V2. Цифровым омметром измерьте сопротивления «контакта» RК оптореле в прямом и обратном направлениях. Объясните полученные значения. Сравните измеренное значение RК 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 IВЫХ = f(IВХ) области, соответствующие линейному режиму и насыщению фототранзистора.
4. Как рассчитать значение тока IВЫХ 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, IВХ = 10 мА.
6. Покажите на графиках характеристик UКЭ=f(IВХ) область насыщения фототранзистора. Какова величина остаточного напряжения UОСТ?
7. Покажите на графиках характеристик UКЭ=f(IВХ) точку, соответствующую запертому состоянию фототранзистора. Чем определяется величина напряжения на запертом фототранзисторе?
8. Покажите на графиках характеристик UКЭ=f(IВХ) 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