Labkompendium, laboration 2 èsensorer & f rf rst rkareè Bj rn Starmark, MINA, Fysik, CTHèGU 1999 29 april 1999 1 Introduktion Labuppgiften r att med tv olika operationsf rst rkare èop07cp och LF351è m ta utsignalen fr n ett termoelement och en fotodiod èbpw 34è och avg ra vilken kombination som ger b st resultat. Sensorerna skall m tas i tv olika kopplingar. Labben r l st formulerad vilket st ller n got h gre krav p er n ni r vana vid fr n tidigare laborationer. F rhoppningen r att ni skall bli b ttre p sj lvst ndigt arbete. Det r d rf r mycket viktigt att ni l st igenom materialet innan labben. Laborationen utf rs parvis. Ni kan dela in er innan labben. Annars paras ni ihop innan ni b rjar. 2 F rstudier Innan labben ut rs skall ni ha l st igenom detta kompendium, det utskickade materialet èse sidan 4è samt l st inl mningsuppgifterna. Allt material çnns att h mta p kursens hemsida. Referens ë1ë behandlar de olika grundkopplingar som anv nds i labben. I referens ë2ë studeras OP:rs ickeideala egenskaper. I labben uppst r ofta situationer d kretsarna inte uppf r sig som t nkt och denna referens r till hj lp d. Ni skall ha l st igenom och f rst tt ineh llet i dessa referenser, annars kan inte labben utf ras! Studera ven databladen f r OP:rna ë3, 4ë, fotodioden ë5ë samt lysdioden ë6ë s ni snabbt kan hitta data i dem. Ni b r skissa p kopplingarna innan och gjort er f rtrogna med deras funktion. Tag med allt material till labben! 3 Labbraport En labbrapport skall skrivas per par. Den skall i inneh lla en kort, inledande sammanfattning, en beskrivning av m tuppst llningen, m tmetodik, m tresultat samt enslutsats. 1
Alla kopplingar inkl. kringutrustning skall redovisas. Rapporten skall vara skriven med ordbehandlare. Kopplingsschemor kan dock vara handritade. Ni m ste notera samtliga kopplingar under labbgenomf randet, annars kan inte rapporten skrivas. Det blir ganska m nga kopplingar och det r cker om ni ritar tv f r termoelementet och tv f r fotodioden. Om n gra komponenter beh vs f r en OP men ej f r den andra markeras detta i çgurtexten. Rapporten skall vara maximalt fem sidor. 4 Utf rande 4.1 Utrustning Till er hj lp çnns oscilloskop, DCvoltmeter DCsp nningsaggregat samt signalgenerator. Alla kopplingar sker p kopplingsd ck. Alla komponenter çnns tillg ngliga i labbet. 4.2 Kontroll av grundkopplingarna Innan m tningar p sensorerna utf rs skall funktionen hos grundkopplingarna kontrolleras. Kopplingarna terçnns i referens ë1ë. En l mplig arbetsg ng ges nedan. 1. B rja med att bygga upp dels en sp nningsf rst rkare och dels en str mf rst rkare ivar sin nda av kopplingsd cket. 2. Koppla in en OP i sp nningsf rst rkaren och kontrollera att kopplingen r stabil samt att OP:n r biaserad. Om inte, korrigera kopplingen èse ë2ëè. 3. Rita av den fungerande kopplingen. Riv den inte! 4. M t och notera utsignalen f r insignalen 0 V. 5. Flytta OP:n till str mf rst rkaren och kontrollera att kopplingen r stabil samt att OP:n r biaserad. Om inte, korrigera kopplingen. 6. Rita av den fungerande kopplingen. Riv den inte! 7. M t och notera utsignalen f r insignalen 0 A. 8. Byt OP och repetera punkt 27. 9. N r detta r gjort kan ni g ver till sensorm tningarna. Riv inte kopplingarna f rr n labben r ver! 2
4.3 Termoelementet Ni skall anv nda ett termoelement som termometer. Sensorn utg rs avsvetspunkten i ndan avkabeln. Sensorns utsignal r mellan 40,60çV= o C. Unders k vilken kopplingèopkombination som ger b st resultat! En l mplig arbetsg ng ges nedan. B da grundkopplingarna visas i çg. 1. 1. B rja med att m ta och notera termoelementets utresistans. Koppla d refter upp sensorn i sp nningsf rst rkaren med en OP07 opamp. 2. Kontrollera att kopplingen r stabil samt att OP:n r biaserad. Om inte, korrigera kopplingen. Rita av den fungerande kopplingen. 3. Kalibrera termoelementet. Anv nd isvatten èç 0 o Cè och avl s utsignalen. Upprepa med kokande vatten èç 100 o Cè. 4. M t er kroppstemperatur èvalfri metodè med termoelementet. Notera utsignalen. 5. V rm upp OP:n med en l dpenna. OBS! Skada ej kapseln! H ll pennan n ra men vidr r ej kapseln. Notera utsignalen. Upprepa med terkopplingmotst nden. 6. Byt ut OP:n mot en LF351 och repetera punkt 25. 7. Byt ut koppling till str mf rst rkaren. F rs k upprepa punkt 26. Justera f rst rkningen om det beh vs! Rg Figur 1: Till v nster: termoelementet med sp nningsf rst rkare ; h ger: termoelementet med str mf rst rkare. 4.4 Fotodioden Ni skall simulera en optisk l nk med en lysdiod ès.k. LED, typ HLMPK155, se ë6ëè ochen fotodiod èbpw34, se ë5ëè. Dioderna r monterade i en çlmburk f r att sk rma av ljus fr n omgivningen. Motst nd èr s ç 1 kæè har lagts i serie med dioderna som skydd mot f r h g eçektutveckling. Ni skall hitta minimal signalamplitud samt maximal bandbredd f r samtliga kombinationer av kopplingèop. En l mplig arbetsg ng ges nedan. B da grundkopplingarna visas içg.2. 3
1. B rja med att m ta och notera fotodiodens utresistans utan insignal med locket p çlmburken. Koppla d refter upp sensorn i str mf rst rkaren med en LF351 opamp. 2. Kontrollera att kopplingen r stabil samt att OP:n r biaserad. Om inte, korrigera kopplingen. Rita av den fungerande kopplingen. 3. Anslut en signalk lla till LED:en. B rja med en l g frekvens och h g amplitud. J mf r insignalen till LED:en med utsignalen fr n f rst rkaren p oscilloskopet. 4. ka frekvensen tills utsignalen g r ner 3 db. Notera frekvensen. Detta r bandbredden. 5. Minska amplituden tills signalbrusf rh landet r 1. Notera insignalen. 6. Byt ut OP:n mot en OP07 och repetera punkt 25. 7. Byt ut koppling till en sp nningsf rst rkare och repetera punkt 26. Rg Figur 2: Till v nster: fotodioden med str mf rst rkare; h ger: fotodioden med sp nningsf rst rkare. Lycka till! Referenser ë1ë B. Starmark, Sensorer och f rf rst rkare, extra material, Chalmers Tekniska H gskola och G teborgs Universitet, 1999 ë2ë B. Starmark, Vanliga problem med operationsf rst rkare, extra material, Chalmers Tekniska H gskola och G teborgs Universitet, 1999 ë3ë OP07 Ultralow Oçset Voltage Operational Ampliçer, Analog Devices ë4ë LF351 Wide Bandwidth JFET Input Operational Ampliçer, National Semiconductor Corporation, 1995 4
ë5ë BPW 34 Silicon PIN Photodiode Data Sheet, Siemens Semiconductor Group, 1997 ë6ë HLMPK155 Low Current, Double Heterojunction AlGaAs Red LED Lamps, Hewlett Packard, 1999 5