Led Circuit Analysis

Plastic optical fiber, Tussentijds Rapport 1, Groep 4

1. Doel

Door enkele schakelingen na te bouwen en te analyseren wordt inzicht verworven in de werking van enkele elektronische componenten, die belangrijk zijn bij POF-circuits, en de schakelingen die bij deze circuits gepaard gaan.

1. Gebruikte apparatuur

Om gemakkelijk schakelingen te kunnen bouwen, werd gebruik gemaakt van: breadboard, regelbare spanningsbron, led, fotodiode, drukknop, condensators, transistors, multimeter, oscilloscoop.

1. werkwijze

1. Eerste led schakeling

 Er is gevraagd de werking van de leds en het breadboard te analyseren, aan de hand van opgegeven schakeling (figuur 1). Er moet gemeten worden hoeveel stroom er door de led gaat bij verschillende spanningen over deze led. Hiertoe wordt de spanning over de led en over de weerstand gemeten, bij verschillende spanningen over de voedingsbron. Er werd gekozen voor een weerstand van 220 Ω. Aangezien led en weerstand in serie staan, is het voldoende om de stroomsterkte door de weerstand te berekenen met behulp van de wet van Ohm : vergelijking ().

         (1)[pic 1]

Door de gemeten waarden in een grafiek te plotten, ziet men duidelijk dat er pas vanaf een bepaalde spanning er een stroom door de led gaat. De stroomsterkte stijgt exponentieel voor grotere spanningen, zie bijlage (1). Deze karakteristiek van de led wordt ook vermeld in de datasheet.

[pic 2]

figuur 1 : opgegeven schakeling voor uitmeten led

1. Schakeling met drukknop

Hierna werd geanalyseerd hoe een drukknop moet geschakeld worden zodat enerzijds de led gaat branden of anderzijds de led stopt met branden. De schakelingen uit figuur 2 voldoen : als de drukknop open is, is er bij de eerste schakeling uit figuur 2 geen gesloten kring. Als de schakelaar in de tweede schakeling gesloten is, zal de stroom bijna uitsluitend langs de schakelaar passeren, en vloeit er dus bijna geen stroom door de led, waardoor deze niet brandt.

[pic 3] 

figuur 2 : schakelingen met drukknop

1. Minimaal vermogen verbruik

Er is gevraagd hoeveel batterijen van elk 1.5 V serie moeten geschakeld worden om een minimaal vermogen verbruik te hebben voor de schakeling uit figuur 1. Verder moet de gebruikte weerstand tot de E12-reeks behoren, en moet er een stroomsterkte van 10 mA door de led vloeien. Uit de eerste metingen (zie bijlage (1)) weet men dat men een spanning van 2,10 Volt over de led moet genereren, opdat er een stroom van 10 mA zou door deze led zou vloeien. Uit de berekeningen (bijlage 2) volgt dat een weerstand van 82Ω en 2 batterijen van 1.5V nodig zijn.

1. Schakeling fotodiode

Hierna werd de schakeling nagebouwd die gebruikt wordt om een stroom te genereren als er optische signalen  verstuurd worden via een POF. Hiertoe wordt de opgegeven schakeling zoals getekend in figuur 3 gebruikt.

[pic 4]

figuur 3 : schakeling fotodiode

De stroom die geleverd wordt door de fotodiode is niet sterk genoeg om te gaan hergebruiken (om bv een led te laten branden), men moet deze dus versterken. Dit kan men doen door gebruik te maken van een transistor. Als de fotodiode een stroom opwekt, wordt een potentiaalverschil gecreëerd aan de basis van de transistor. Als dit groot genoeg is, zal de transistor schakelen, en zal er dus een stroom door de led vloeien waardoor deze gaat branden. Om dit grote potentiaalverschil te bekomen dient men een grote weerstand te gebruiken (vergelijking ). We kozen voor een weerstand van 1MΩ, en zien inderdaad dat de led gaat branden en het optische signaal dus omgezet wordt in een elektrische stroom.

1. Astabiele multivibrator

Bij de astabiele multivibrator (figuur 5) schakeling wordt gebruik gemaakt van condensatoren en transistors.  De condensatoren worden steeds na elkaar opgeladen en ontladen. Hierdoor gaan de leds afwisselend branden. De frequentie waarmee de leds aan- en uit gaan wordt gegeven door vergelijking ().

        (2)[pic 5]

Telkens twee condensatoren van elk 0.33μF capaciteit werden parallel geschakeld, wat dus telkens een totale capaciteit van 0.66 μF betekent. Voor weerstand R2 en R3 werd 1MΩ genomen, en voor weerstand R1 en R4 100Ω. De berekende frequentie is dus 1.035 Hz. De gemeten frequentie bedraagt echter 9.804 Hz. Deze frequentie is gemeten met een oscilloscoop. Dit grote verschil is waarschijnlijk te wijten aan een slecht contact in de schakeling, of een verkeerd gemeten weerstand.

[pic 6]

Figuur 4 : astabiele multivibrator

1. Bronnen:

http://en.wikipedia.org/wiki/Condensator

http://en.wikipedia.org/wiki/Transistor

http://minerva.ugent.be (ingenieursproject groep POF):
        Datasheeds led en fotodiode,
        Opgegeven document met opdrachten

Bijlage 1: stroomsterkte in functie van spanning over led

[pic 7]