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Optokoppler und Lichtleiter
1 Aufgabenstellung
· Aufnahme der Stromsteuerkennlinie IF/IC eines Optokopplers aus diskreten Bauelementen.
· Aufnahme des dynamischen Verhaltens mit und ohne Optimierung bei unterschiedlich langen Lichtwellenleitern.
2 Messungen
2.1 Allgemeines
Die Schaltung wurde auf einer Lötleiste aufgebaut.
Vor der Messung wurden die Tastköpfe des Oszilloskops abgeglichen.
Bei allen Messungen wurde U0 = 5V verwendet (mit Multimeter P4 eingestellt).
2.2 Aufnahme der Stromsteuerkennlinie IF/IC
Es wurde folgende Schaltung aufgebaut:
Da lt. Datenblatt (beiliegend) ICmax = 50mA beträgt, wurde als RC = 100W bei U0 = 5V Spannung verwendet. Auf der Senderseite beträgt IFmax = 45mA, somit ergibt sich für Rv:
es wurde RV = 180W verwendet.
Danach wurde die Signalspannung Usig von 0V bis etwa 10V erhöht und IF in 5mA Schritten mit den anderen Werten abgelesen:
2.3 Aufnahme des dynamischen Verhaltens
Hierzu wurde folgende Schaltung, noch ohne R1/C1 aufgebaut; der LED - Vorwiderstand betrug wie vorher 180W.
2.3.1 Arbeitspunkteinstellung
Der AC - Anteil der Signalspannung des Frequenzgenerators G1 (uFGsig) wurde auf Null gestellt und mittels des DC -Offsets (UFGoff) eine Gleichspannung eingespeist. Diese Gleichspannung wurde solange erhöht, bis als Ausgangsspannung ua die Hälfte von U0 (5V/2 = 2,5V) betrug (damit bei der folgenden Aussteuerung von V2 keine Einflüsse durch eine zu geringe/zu große Spannung im Bereich von UCEsat/U0 auftritt). Hierzu war es außerdem nötig, den Widerstand RC auf 1kW zu erhöhen.
Der so eingestellte Offset betrug etwa 4V.
2.3.2 Dimensionierung des RC-Glieds
Der RC - Zweig parallel zu Rv dient während der späteren Messung dazu, bei Spannungsanstieg eine Stromüberhöhung hervorzurufen, welche die Reaktionszeit der Schaltung erhöht und eine schnellere Spannungsänderung am Ausgang ermöglicht.
Für die Dimensionierung wurde dem bereits eingestellten Offset UFGoff ein Rechtecksignal überlagert und der Spannungsverlauf am Ausgang gemessen. Aus dem Anstieg der Flanke am Ausgang wurde ein t ermittelt, welches nun durch das RC-Glied am Eingang kompensiert wurde:
t = 16ms
Im Labor wurde die Rechnung jedoch versehentlich mit einer Parallelschaltung von R1 = 1kW durchgeführt, weshalb als C1 nur 10nF verwendet wurden. Hierdurch wurde der Effekt verringert, war aber immer noch erkennbar.
2.3.3 Messung des dynamischen Verhaltens
Hierzu wurde UFGoff ein Sinussignal mit einer Amplitude von 1Vss überlagert, am Ausgang kam es dadurch zu keinen Verzerrungen. Nun wurde das Verhalten der Ausgangsspannung mit der Frequenz aufgenommen, wobei zwei Lichtwellenleiter LWL1 ca. 50cm, LWL2 ca. 19m (30Windungen/Ø20cm) jeweils ohne und mit dem RC-Glied vermessen wurden.
Aus Zeitgründen war eine Messung der Signallaufzeit bzw. eine Messung mit zwei Transistoren am Ausgang (geringere Belastung) nicht mehr möglich.
3 Interpretation der Messergebnisse
Mittels Optokopplern kann eine galvanische Trennung von zwei Stromkreisen leicht realisiert werden. Es ist jedoch zu beachten, dass (in diesem Fall) ab etwas über 10kHz die Verstärkung unter -3dB sinkt und somit nur mehr ein eingeschränkter Einsatz möglich ist. Eine Optimierung ist durch ein RC-Glied möglich, der Effekt war hier aufgrund des falschen Widerstands nur schwach zu erkennen.
Bei längeren Lichtwellenleitern sinkt logischerweise die Stärke des übertragenen Lichtsignals, in diesem Fall etwa auf ein Drittel.
Die Stromsteuerkennlinie verläuft relativ linear, bei steigendem Strom ist sie leicht nach oben durchgebogen.
