Ljubljana, Laboratorijske vaje iz osnov tehnike. Fakulteta za elektrotehniko. Laboratorij za sevanje in optiko. Boštjan Batagelj, Tomi Mlinar

Transcript

1 Ljubljana, 2015 Laboratorijske vaje iz osnov tehnike Fakulteta za elektrotehniko Laboratorij za sevanje in optiko Boštjan Batagelj, Tomi Mlinar

2 Kazalo KAZALO LABORATORIJSKIH VAJ "OSNOVE TEHNIKE" Predgovor Uvod v laboratorijske vaje Optične komunikacije I II Vaje: 1. Nitno nihalo 1 2. Opazovanje telesa v pospešenem gibanju 3 3. Meritve v časovnem prostoru 5 4. Meritve visokofrekvenčnih signalov 6 5. Napetostna odvisnost ojačenja fotopomnoževalke 9 6. Sevanje izotropnega vira Helij-Neonski laser Določanje električne upornosti Prikaz XY slike na zaslonu osciloskopa Popolni odboj svetlobe in merjenje lomnega količnika stekla Vzporedna in zaporedna vezava Polnjenje in praznjenje kondenzatorja - merjenje kapacitivnosti Meritev slabljenja optične vrvice Merjenje impedance zvočnika Merjenje U-I karakteristike polprevodniške diode Merjenje signalov na električnem transformatorju Merjenje usmerjenosti zvočnika Optični reflektometer v časovnem prostoru Pojavi v enorodovnem in mnogorodovnem optičnem vlaknu Merjenje lomnega količnika iz Brewster-jevega kota 58 I

3 Predgovor PREDGOVOR K PRVI IZDAJI Priročnik "LABORATORIJSKE VAJE IZ OSNOV TEHNIKE" je namenjen v prvi vrsti študentom smeri Multimedijske komunikacije kot pomagalo pri istoimenskem predmetu na visokem strokovnem študiju. Posamezna poglavja in vaje učbenika so prav tako uporabni v drugih vejah študija elektrotehnike in fizike. Velika orientiranost učbenika k praktični izvedbi poskusov in meritev pa mu prinaša uporabnost tudi pri praktičnem delu tehnikov, inženirjev in magistrov, ki se ukvarjajo z multimedijskimi komunikacijami. Priročnik vsebuje kratek uvod in natančne opise laboratorijskih vaj. Uvod nas seznani s posebnostmi optičnih in radijskih meritev, merilno opremo in njenim rokovanjem ter varnostjo pri delu z optičnimi in električnimi sestavnimi deli. Opis vsake vaje vsebuje kratko ponovitev teorije s predavanj kot pomagalo k razumevanju vaje, seznam potrebnih pripomočkov, obrazložitev in opis poteka vaje, prikaz značilnih rezultatov ter tipična vprašanja in naloge vaje. Opisu vsake vaje so priložene tudi slike, ki omogočajo lažje razumevanje in povečujejo preglednost. Poskusi in meritve laboratorijskih vaj so izbrani tako, da traja vsaka vaja približno eno šolsko uro, dodatno uro pa porabi študent doma za pripravo laboratorijskega poročila, ki ga objavi na internetu. Ker v laboratoriju ni dovolj časa za podrobno razlago vsake praktične vaje, je vsakdo pred pričetkom dela v laboratoriju dolžan preštudirati postavljeno nalogo. Dobro predhodno razumevanje vaje je potrebno predvsem zaradi lastne varnosti, varnosti kolegov in zaščite merilne opreme. Tudi občutek pri izvedbi vaje, ko veš, kaj in zakaj se dogaja prav to in ne nekaj drugega, je nekaj vreden. Dobra priprava prav tako omogoča sprotno primerjavo med teorijo in prakso. Zaporedje opisov vaj ustreza zaporedju predavanj pri predmetu Osnove tehnike. Poleg vaj, ki so neposredno vezane na snov predavanj, vsebujejo laboratorijske vaje tudi osnovne zakonitosti meritev s svetlobnimi in električnimi signali ter njihovo obdelavo. Zaporedje vaj seveda upošteva tudi omejeno razpoložljivost merilnih inštrumentov v laboratorijih VIRS Primorske. Priročnik "LABORATORIJSKE VAJE IZ OSNOV TEHNIKE" je začel nastajati z postavitvijo novega študija Multimedijskih komunikacij. Ker so multimedijske tehnologije še vedno razmeroma mlada veja tehnike, so marsikateri sestavni deli in še posebno merilna oprema izredno dragi in nedovršeni v primerjavi z ostalimi vejami telekomunikacijske elektrotehnike. Tudi večino laboratorijskih poskusov in vaj je bilo treba zasnovati povsem na novo, saj zgledov poučevanja predmeta Osnove tehnike za multimedijske komunikacije od drugod preprosto še ni. Na tem mestu se iskreno zahvaljujeva vsem sodelavcem, študentom in drugim bralcem, ki so pripomogli k nastanku laboratorijskih vaj in tega učbenika ter so do sedaj s pripombami pomagali pri prenovi in dopolnitvah. Zavedava se, da ta izdaja ni brez napak. Za morebitne pripombe, predloge in popravke vam bova hvaležna in se vam že v naprej zahvaljujeva. Vse pripombe pošljite na elektronski naslov: bostjan.batagelj@fe.uni-lj.si. Vsi popravki in dopolnitve bodo objavljeni na domači strani študija MMK. Boštjan Batagelj, Tomi Mlinar I

4 Uvod UVOD V LABORATORIJSKE VAJE IZ OSNOV TEHNIKE 1. Posebnosti meritev pri osnovah tehnike 1.1. Posebnosti električnih meritev Električne meritve, ki se izvajajo v okviru laboratorijskih vaj, obsegajo definicijo električnega toka, napetosti, upornosti in impedance. Narava meritve je odvisna od časovnega spreminjanja toka ali napetosti in pri tem ločimo enosmerno in izmenično merjenje. Pri zelo hitro spreminjajočih se pojavih se uporabljajo hitrejši merilni instrumenti, kot je na primer osciloskop Posebnosti optičnih meritev Čeprav meritve v optičnih komunikacijah spadajo v družino električnih meritev, se od običajnih električnih meritev v marsičem razlikujejo. Kot vodnike optičnih signalov lahko uporabljamo le dielektrične valovode in prazen prostor. Pri laboratorijskih vajah kjer uporabimo svetlobo v spektru vidnih valovnih dolžin, se lahko marsikateri pojav neposredno opazujemo s prostim očesom. Pri optičnih signalih lahko merimo le moč oziroma gostoto pretoka moči (Poynting-ov vektor S). Porazdelitev gostote pretoka moči preko frekvence podajamo s frekvenčnim spektrom oziroma spektrom valovnih dolžin. Končno, dodatno stopnjo svobode predstavlja polarizacija svetlobe. Poskuse in meritve v optičnih komunikacijah lahko razdelimo na dve veliki skupini glede na vrsto uporabljenih prenosnih vodov: 1. Prostozačna (angl. bulk) optika, kjer se svetloba širi kar po zraku (praznem prostoru) med lečami, zrcali, prizmami, laserji, polarizatorji, detektorji in drugimi sestavnimi deli. 2. Vlakenska (angl. fiber) optika, kjer se svetloba širi po dielektričnih valovodih, optičnih vlaknih. Pri tem so nekateri sestavni deli izdelani kar iz samih vlaken (naprimer smerni sklopniki), drugi deli pa so opremljeni z vlakenskimi priključki (laserji, fotodiode itd). Prostozračno optiko običajno sestavljamo v laboratoriju na primerno togih podstavkih, ki so pritrjeni na še bolj togo optično mizo ali tračnico. Prostozračna optika je ponavadi zelo občutljiva na majhne premike in tresljaje, kot tudi na prašne delce, ki se nabirajo na površinah sestavnih delov. Glavna prednost prostozračnih poskusov je možnost spreminjanja prav vseh veličin v optičnem vezju. Vlakensko optiko sestavljamo z deli, ki so opremljeni z vlakenskimi priključki. Vlakenske priključke med sabo lahko zavarimo, lahko jih začasno spojimo s kapilarno cevko oziroma poljubno pretikamo z ustreznimi vtičnicami. Vlakenska optika je manj občutljiva na tresljaje in ne potrebuje posebno togih miz ali klopi za sestavljanje poskusov. Žal pri vlakenski optiki ne moremo vplivati na nekatere veličine v vezju kot tudi ne na samo vrsto optičnih vlaken, s katerimi so opremljeni sestavni deli vezja. Končno, vse naprave za optične komunikacije nujno vsebujejo tudi električni vmesnik, preko katerega se povežejo z izvori oziroma uporabniki prenašane informacije. Del meritev opreme za optične komunikacije so tudi običajne električne meritve, vključno s končnim preizkusom zveze na zahtevano razmerje signal/šum (analogne zveze) oziroma na zahtevano pogostnost napak (bit-error rate pri digitalnih zvezah). Tudi napajanje večine optičnih naprav je električno. II

5 Uvod 1.2. Posebnosti radijskih meritev Meritve radijskih sprejemnikov in oddajnikov se v marsičem razlikujejo od ostalih električnih meritev. Bistvena razlika je v zelo velikem razponu merjenih veličin: od delčkov mikrovolta na vhodnih sponkah sprejemnika do nekaj desetin ali stotin voltov na izhodu oddajnika. V merskih enotah moči to pomeni razpon do 18 velikostnih razredov ali do neverjetnih 180 db! Ogromen dinamični razpon meritev, to je razmerje med najmanjšim in največjim merjenim signalom, ima več posledic: 1. Pri meritvah zelo šibkih signalov nas lahko motijo drugi uporabniki vključno z drugimi poskusi, ki istočasno potekajo v laboratoriju. 2. Pri poskusih z oddajniki lahko sami proizvajamo motnje drugim uporabnikom tudi izven laboratorija, saj stene laboratorija radijskih valov bistveno ne slabijo. 3. V istem prostoru se nahajajo osebe, ki opravljajo meritve, varnost pri delu zato zahteva poznavanje in omejevanje visokofrekvenčnega sevanja na varno mejo. Tudi merilna oprema za visoke frekvence ima vrsto posebnosti: 1. Velik razpon jakosti merjenih signalov zahteva različne izvedbe merilnikov glede na velikostni razred merjene veličine. Pri meritvah moramo vedno upoštevati omejitve samih merilnih pripomočkov ter sproti preverjati, da le ti delujejo v predvidenem območju jakosti signalov. 2. Merilniki se običajno dajo izdelati le za razmeroma ozka frekvenčna območja. 3. Frekvenčno območje določa tudi vrsto električnih priključkov, koaksialnih ali valovodnih. Radijska zveza običajno vnaša zelo veliko slabljenje, ki ga morata nadomestiti velika moč radijskega oddajnika in visoka občutljivost radijskega sprejemnika. Jakost radijskih signalov se zato lahko giblje v zelo velikem razponu. Pri meritvah zelo majhnih signalov nam nagaja toplotni šum same merilne opreme kot tudi nedoločenost ojačenja dolge verige ojačevalnikov. Obratno moramo pri meritvah velikih moči razmisliti, kako odvesti odvečno toploto, ki se sprošča v merilniku. Dodatno težavo nam pri meritvah radijskih signalov povzroča dejstvo, da imamo ponavadi na istem mestu hkrati vključenih več oddajnikov in sprejemnikov, ki vsi hkrati delujejo v istem sistemu zvez. Izdelati sprejemnike in oddajnike, ki se ne motijo med sabo, ni enostavno. Še težje je v takšnem delujočem sistemu meriti šibke signale na vhodnih sponkah sprejemnikov v prisotnosti močnega sevanja oddajnikov. Nekateri merilniki so v takšnih razmerah povsem neuporabni. Naprimer, na zaslonu navadnega osciloskopa sploh ne moremo opaziti signalov, ki imajo amplitudo manjšo od 1% (-40dB) od največjega prisotnega signala na vhodu merilnika. Radijske signale lažje opazujemo v frekvenčnem prostoru, saj dinamika meritve z radijskim spektralnim analizatorjem dosega dB. Tudi dinamika najboljšega spektralnega analizatorja ne zadošča v vseh slučajih in tedaj si moramo pomagati z dodatnimi frekvenčnimi siti (pasovo-prepustna in zaporna sita), slabilci, smernimi sklopniki, cirkulatorji in drugo manjšo opremo. V radijski tehniki je danes verjetno najmanjši razkorak med sestavnimi deli, ki se vgrajujejo v radijske oddajnike in sprejemnike na eni strani ter sestavnimi deli za merilnike na drugi strani. Iste težave, ki se pojavijo v radijskih sprejemnikih in oddajnikih, se pravi toplotni šum in intermodulacijsko popačenje, omejujejo tudi delovanje merilne opreme. Pri uporabi kakršnekoli merilne opreme moramo zato vedno sproti preverjati, da je izmerjeni rezultat res verodostojen in ni le posledica popačenja v prekrmiljenem merilniku ali šuma samega merilnika. Naravni pogoji razširjanja radijskih valov in omejitve anten narekujejo frekvenčno delitev celotnega uporabnega spektra radijskih valov. Tudi večino meritev opravimo v frekvenčnem III

6 Uvod prostoru s selektivnim merilnim sprejemnikom ali spektralnim analizatorjem. Frekvenčna delitev spektra je z leti izpilila tehniko gradnje radijskih sprejemnikov in oddajnikov do zelo visokih zahtev. V radijske naprave naprimer vgrajujemo izvore, ki imajo (dolgoročno) relativno stabilnost frekvence en del v milijonu in (kratkoročno) širino spektralne črte en del v milijardi (tisoč milijonih). Tako visoke stabilnosti frekvence in tako ozke spektralne črte običajno ne potrebujemo v optiki, akustiki, mehaniki ali drugih vejah tehnike. Prav izpiljena tehnika gradnje radijskih sprejemnikov in oddajnikov nam omogoča, da opravimo večino meritev v običajnem laboratoriju, v prisotnosti množice signalov drugih (neželjenih) oddajnikov. Oklopljena laboratorijska soba je seveda še vedno potrebna za najzahtevnejše meritve. 2. Merilna oprema 2.1. Merilna optična oprema Optično merilno opremo sestavljajo svetlobni izvori (oddajniki), različni optični sprejemniki, prenosne poti (svitki različnih optičnih vlaken), toge mize in tračnice za sestavljanje prostozračne optike ter cela vrsta majhnih pripomočkov, kot so leče, prizme, sklopniki, polarizatorji, izolatorji ipd. K optični merilni opremi sodijo tudi posebna orodja, naprimer mikroskopi za opazovanje majhnih sestavnih delov, slikovni pretvorniki za opazovanje infrardeče svetlobe oziroma varilniki optičnih vlaken. Nabor različnih svetlobnih izvorov je zelo pester in pokriva široko področje različnih valovnih dolžin, vzdolžnih in prečnih koherenčnih dolžin, polarizacije, možnosti modulacije in možnosti spreminjanja valovne dolžine. Osnovni pripomoček za nastavljanje delov prostozračne in vlakenske optike je helij-neonski laser, ki lahko proizvaja zelo kvalitetno svetlobo (velike koherenčne dolžine) na nekaj uporabnih valovnih dolžinah v vidnem in bližnjem infrardečem delu spektra z izhodno močjo 100 µw... 5 mw. Ker HeNe laser ne dopušča enostavne in hitre modulacije, v optičnih komunikacijah uporabljamo kot izvor svetlobe svetleče diode in polprevodniške laserje oziroma dodatne zunanje modulatorje. Svetleče diode oddajajo nepolarizirano svetlobo z zelo širokim spektrom, okoli 10% osrednje valovne dolžine. Polprevodniški laserji so zaradi planarne oblike vgrajenega valovoda vsi linearno polarizirani. Frekvenčni spekter svetlobe zavisi od vrste zrcal v resonatorju. V optičnih komunikacijah in pripadajočih meritvah uporabljamo izključno polprevodniške laserje, ki nihajo na enem samem prečnem rodu rezonatorja. Nihanje na osnovnem prečnem rodu omogoča učinkovito sklapljanje svetlobe v enorodovno vlakno oziroma natančno fokusiranje svetlobe v najmanjšo možno svetlo pego (neskončna prečna koherenčna dolžina). Polprevodniški laserji za nezahtevne zveze nihajo na več vzdolžnih rodovih, zato je širina spektra izhodne svetlobe precej velika, do 1% osrednje valovne dolžine. Zahtevnejše zveze ali meritve zahtevajo laser s porazdeljeno povratno vezavo (DFB), ki niha na enem samem vzdolžnem rodu in lahko proizvaja spektralno črto širine manj kot 10MHz. Izhodna moč polprevodniških laserjev se giblje v mejah mw, izhodna moč svetlečih diod pa µw. Nekateri svetlobni izvori zahtevajo zunanji modulator. Helij-neonski laser preprosto moduliramo z ventilatorjem s črnimi lopaticami. Bolj zahtevni modulatorji delujejo na osnovi elektrooptičnih pojavov in dosegajo pasovne širine nekaj GHz. Zahtevni svetlobni izvori potrebujejo tudi (nerecipročen) izolator na izhodu, da odboji iz modulatorja ali drugih delov vezja ne porušijo delovanja izvora. IV

7 Uvod Komunikacijski optični sprejemniki so v glavnem osnovani na polprevodniških fotodiodah različnih izvedb. V merilni tehniki uporabljamo poleg fotodiod tudi vakuumske fotopomnoževalke in za velike moči tudi toplotne merilnike. Merilni sprejemniki so lahko opremljeni s polarizatorji oziroma rezonatorji za izbiro želene polarizacije oziroma valovne dolžine. Večina polprevodniških sestavnih delov, še posebno laserjev in hitrih fotodiod, je izdelana iz kompliciranih polprevodniških struktur. Takšne naprave so zato zelo občutljive na električne in optične preobremenitve, kot tudi na statične razelektritve. Pri sestavljanju vezij moramo zato najprej poskrbeti, da ne pride do statičnih razelektritev na priključkih občutljivih delov. Pri vklopu in izklopu napajanja se moramo nujno držati predpisanega zaporedja. Končno, med izvajanjem meritev nikoli ne pretikamo električnih ali optičnih kablov pri vključenih napajalnih napetostih. Prostozračno optiko sestavljamo na primerno togih mizah oziroma tračnicah. Večina podstavkov omogoča različne nastavitve z mikrometerskimi vijaki. Mikrometerski vijaki seveda zahtevajo nežno ravnanje, če naj bojo rezultati meritve ponovljivi. Pri prostozračni optiki seveda pazimo na čistočo kot tudi na izbiro primernih postopkov čiščenja, da zapacanih sestavnih delov še bolj ne poškodujemo z neprimernim čiščenjem. Tudi vlakenska optika zahteva nežno ravnanje, saj znaša premer steklenih optičnih vlaken komaj 125µm ali 1/8 milimetra! Pri postavljanju in izvajanju meritev moramo zato paziti, da optičnih vlaken ne utrgamo ali prelomimo. Na prelome so še posebno občutljiva vstopna mesta vlaken v laserje in detektorje ter različni spoji med optičnimi vlakni. Laser oziroma fotodetektor s polomljenim vstopnim vlaknom je neuporaben, popravilo običajno ni možno in potrebna je zamenjava celotnega (razmeroma dragega) modula. Optični konektorji so še posebno občutljivi sestavni deli, ki imajo tudi pri skrbnem ravnanju kratko življenjsko dobo, pri nemarnem ravnanju pa še dosti manj. Osnova vseh sodobnih optičnih vtikačev je natančno brušena ferula, v katero je zalepljeno optično vlakno. Kakršnakoli mikroskopska poškodba prednje brušene stične površine pomeni uničen konektor. Umazanija na konektorju lahko povzroči tudi električen preboj že pri svetlobnih močeh nad 1mW, ki zažge črn madež na stično površino in tako uniči konektor. Čistočo in nežno rokovanje zahtevajo tudi posebna orodja, kot so mikroskopi, slikovni pretvorniki ter orodja za rezanje in varjenje optičnih vlaken. Drage merilne inštrumente z optičnim vhodom običajno zaščitimo tako, da vhodnega optičnega konektorja ne razstavljamo in spet sestavljamo, pač pa pustimo na njemu stalno priključeno vrvico z dvema konektorjema, da se obrablja le konektor na drugem koncu vrvice Merilna radijska oprema Radijsko merilno opremo sestavljajo visokofrekvenčni izvori (oddajniki), merilni sprejemniki in pomožne naprave (vrtiljaki za antene, oprema za izpis in prikaz rezultata, risalniki, računalniki ipd). Merilni visokofrekvenčni izvori se med sabo razlikujejo ne samo po frekvenčnem področju, pač pa tudi po možnosti modulacije, stabilnosti frekvence in kvaliteti oklapljanja, ko na izhodu potrebujemo zelo šibke signale za preizkus sprejemnikov. Kot merilni sprejemnik najpogosteje uporabljamo spektralni analizator. Spektralni analizator sicer omogoča veliko dinamiko in širok nabor raličnih sit v medfrekvenci, vendar točnost meritve jakosti signalov ni najboljša. Višjo točnost seveda dosežemo s toplotnimi merilniki (bolometri ali termočleni) za merjenje izhodnih moči oddajnikov oziroma s šumomerji za merjenje nizkih signalov na vhodih sprejemnikov. V

8 Uvod Kakršenkoli merilnik že uporabljamo, se moramo zavedati, da njegova točnost zavisi tudi od delovne temperature in temperature okolice. Radijskih merilnikov (merilnih izvorov, spektralnih analizatorjev in merilnih sprejemnikov) zato po nepotrebnem ne vklapljamo ali izklapljamo! Merilniki naj bojo vključeni vsaj pol ure pred začetkom meritve ter jih načeloma ne izklapljamo za obdobja krajša od dveh ur, da se temperatura merilnika, z njo pa frekvence oscilatorjev in ojačenja ojačevalnikov, med meritvijo ne spreminjajo! Pogosto vklapljanje in izklapljanje tudi kvarno vpliva na življensko dobo katodnih cevi ter kremenčevih kristalov v termostatih, ki jih uporabljajo vrhunski merilniki kot frekvenčno normalo. Edina izjema so merilniki, ki uporabljajo elektronske cevi z omejeno `ivljensko dobo, se pravi vakuumski in plinski šumni izvori. V tem slučaju merilnika sicer ne izključimo popolnoma, pač pa ga med odmorom preklopimo v takšen način dela, da je šumni izvor najmanj obremenjen (najnišja šumna moč na izhodu). Visokofrekvenčni merilniki so običajno opremljeni s koaksialnimi vtičnicami s predpisano karakteristično impedanco (običajno 50 Ω) oziroma z valovodnim priključkom za dano frekvenčno področje. Slaba lastnost vseh koaksialnih priključkov je razmeroma kratka življenjska doba, največ 500 spajanj in razstavljanj ob res skrbnem ravnanju in še dosti manj pri neprevidnem ravnanju. Koaksialni in valovodni priključki zahtevajo res skrbno ravnanje že zaradi tega, da so rezultati meritve sploh ponovljivi. Kontaktne površine morajo biti vedno čiste. Pri sestavljanju in razstavljanju koaksialnih priključkov pazimo, da vrtimo le zunanjo matico. Če vrtimo celotno telo vtikača, bomo hitro "postružili" kontaktne površine vtikača in vtičnice. Koaksialnih in valovodnih priključkov nikoli ne sestavljamo in razstavljamo po nepotrebnem! Visokofrekvenčni in predvsem mikrovalovni merilniki vsebujejo zelo majhne polprevodniške sestavne dele. Takšni gradniki so občutljivi na statične razelektritve. Vhod merilnega sprejemnika oziroma izhod polprevodniškega izvora lahko zato poškodujemo že z neprevidnim dotikom oziroma s priključitvijo naelektrenega kabla. Pred dotikanjem občutljivih sestavnih delov zato vedno razelektrimo lastno telo tako, da se dotaknemo najprej ohišja naprave in šele potem občutljivejših delov. Koaksialne kable razelektrimo tako, da na drugi konec kabla priključimo uporovni slabilec. Seveda pomaga enostavno pravilo: visokofrekvenčnih priključkov ne razstavljamo in spet sestavljamo po nepotrebnem! Toploto oddajnika izhodne moči 1 W občutimo na koži. Oddajnik moči 10 W lahko že povzroči opekline. Razen radijskega in mikrovalovnega sevanja moramo upoštevati tudi dejstvo, da se velika večina uporabljene merilne opreme napaja neposredno iz električnega omrežja 220 V. Čeprav so vsi uporabljeni merilniki opremljeni z ozemljitvenim vodnikom, lahko še vedno pride do okvare. Omrežna napetost je še posebno nevarna pri delu na odprtem prostoru (v merilnici na strehi laboratorija), kjer so tla lahko mokra in so vse večje naprave povezane na strelovodno ozemljitev. Pri delu na odprtem prostoru (strehi) predstavlja dodatno nevarnost višina oziroma velika teža in izmere nekaterih merilnih pripomočkov. Nekateri veliki merilni pripomočki, naprimer vrtiljak za satelitsko anteno, so daljinsko oziroma računalniško vodeni. Pri delu v antenski merilnici moramo vedno upoštevati, da se lahko začne vrtiljak nepredvideno premikati ter pri tem lahko poškoduje osebe in druge stvari v merilnici. VI

9 Uvod 3. Varnost pri delu v laboratoriju 3.1 Varnost pri delu z optično opremo Pri optičnih meritvah moramo najprej upoštevati nevarnost vidnega in nevidnega laserskega sevanja. Laserji, ki jih uporabljamo v optičnih komunikacijah in pripadajočih optičnih meritvah, sicer nimajo velikih izhodnih moči (le poredkoma več kot 10 mw), vendar moramo biti kljub temu pri delu previdni. Svetlobni izvori moči manj kot 10 mw ne povzročajo opeklin na koži. Laserji sicer majhnih moči lahko poškodujejo mrežnico očesa, ker se zaradi velike prečne koherenčne dolžine laserska svetloba lahko zbere (fokusira) v zelo majhno točko. Pri delu z laserji moramo zato paziti ne samo na žarek, ki neposredno izhaja iz laserja, pač pa tudi na vse odbite in lomljene žarke v različnih optičnih sestavnih delih. Pri vrtenju zrcal, prizme, steklenih ploščic moramo paziti, saj lahko le ti elementi lomijo ali odbijejo žarek v različne smeri. Poskusi in meritve v vlakenski optiki so s stališča laserskega sevanja varnejši, ker svetloba običajno ne izhaja iz naprave. Svetloba večjih valovnih dolžin, 1300 nm in še posebno 1550 nm, je manj nevarna, ker se vpije v tekočini v očesnem zrklu, preden doseže mrežnico. Plinski laserji, slikovni ojačevalniki in pretvorniki ter fotopomnoževalke potrebujejo za svoje delovanje enosmerne napetosti v velikostnem razredu nekaj kilovoltov. Pri uporabi omenjenih merilnih pripomočkov moramo paziti, da se ne dotikamo delov pod napetostjo. Visokonapetostni izvor mora biti tudi pravilno ozemljen na mizo ali tračnico, da ne pride do prebojev visoke napetosti. Visokonapetostni preboji lahko poškodujejo druge občutljive sestavne dele, naprimer fotodiode, polprevodniške laserje ali vhodna vezja merilnih inštrumentov. Poleg visokih napetosti za napajanje nekaterih merilnih pripomočkov moramo upoštevati tudi dejstvo, da se velika večina merilne opreme napaja neposredno iz električnega omrežja 220 V. Čeprav so vsi uporabljeni merilniki opremljeni z ozemljitvenim vodnikom, lahko še vedno pride do okvare. Tudi omrežna napetost lahko poškoduje občutljive sestavne dele, fotodiode in polprevodniške laserje, če ozemljitvena napeljava ni pravilno izvedena. Pri polprevodniških sestavnih delih za komuniciranje preko optičnih vlaken moramo biti pazljivi saj so to zelo občutljivi elektronski sestavni deli, ki zahtevajo nežno in natančno rokovanje. Poškodujemo jih lahko električno ali mehansko. Končno predstavljajo nevarnost tudi stekleni sestavni deli, ki imajo lahko zelo ostre robove, še posebno takrat, ko se prelomijo ali razbijejo. Zaradi majhnega preseka so še posebno nevarna gola optična vlakna in njihovi drobci, ki nastanejo pri rezanju vlaken. Takšni stekleni drobci so povsem prozorni in postanejo skoraj nevidni, ko se zapičijo v kožo. Odstranjevanje steklenih drobcev iz kože je lahko zelo boleče! 3.2. Varnost pri delu z radijsko opremo Pri radijskih meritvah moramo najprej upoštevati nevarnost visokofrekvenčnega sevanje anten. Sevanje anten lahko postane nevarno pri uporabi oddajnikov velikih moči. Pri tem lahko običajne polprevodniške laboratorjiske izvore z izhodno močjo do 10 mw smatramo za povsem nenenvarne, saj je sevanje v vsakem slučaju šibkejše od tistega, kar seva brezžični mobilni telefon oziroma kar kljub oklapljanju uide iz gospodinjske mikrovalovne pečice. Pri uporabi močnostnih ojačevalnikov oziroma močnostnih izvorov z elektronkami moramo biti previdnejši. Pri uporabi mikrovalovnih oddajnikov moči nad 100 mw zato nikoli ne smemo gledati neposredno v oddajno anteno, saj so oči razmeroma slabo prekrvavljen del človeškega telesa in zato bolj občutljiv na toploto, ki se sprosti ob vpijanju mikrovalovnega valovanja. VII

10 VAJA 1 VAJA 1. NITNO NIHALO 1.1. Nitno nihalo in nihajni čas Nitno nihalo, ki mu pravimo tudi matematično nihalo, je poseben primer težnega nihala, kjer je utež obešena na koncu neraztegljive žice, vrvice ali niti. Celotna masa je zbrana v točkastem telesu (uteži), obešenem na neraztegljivi vrvici, katere maso lahko zanemarimo. Ko se utež dvigne in izmakne iz ravnovesnega navpičnega položaja se nihalo zaniha levo in desno okoli svoje središčne (najnižje) točke. Nihanje nastane zaradi vpliva težnosti oziroma gravitacijske sile. Italijanski eksperimentalni znanstvenik Galilei Galileo ( ) je bil prvi, ki je dokazal, da pri nihalu masa uteži nihala ne igra vloge pri nihajnem času. Njegovo eksperimentiranje ga je pripeljalo do izraza za periodo oziroma nihajni čas T = 2π l g pri čemer je l dolžina nihala, g pa je gravitacijski pospešek, ki znaša 9,81 m/s Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) kosi vrvic različnih dolži od 10 cm do 1 m, (2) štoparica ali drug pripomoček za merjenje časa (3) Uteži z različno maso. Postavitev merilnih pripomočkov je prikazana na sliki Opis poteka vaje in prikaz značilnih rezultatov Pri vaji se opazuje nihajne čase nihala. Na vrvice različnih dolžin se naveže predmete z različnimi masami. Predmet se izmakne iz mirovne lege in meri čas, ko opravi eno periodo. Pri meritvi časa si pomagajte s elektronskimi in multimedijskimi pripomočki. Slika 1.1. Nihalo v skrajnih legah. 1

11 VAJA Vprašanja in naloge vaje 1. Izmeri mase teles, ki so uporabljena kot nihala. 2. Izmeri dolžine nihal. 3. S pomočjo štoparice ali video posnetkov izmeri čase, ki ga potrebuje posamezno nihalo, da opravi eno periodo ali več od njih. 4. Nariši graf odvisnosti nihajnega časa od dolžine vrvice. 5. Izračunaj hitrost telesa, ko potuje skozi mirovno lego. 2

12 VAJA 2 VAJA 2. OPAZOVANJE TELESA V POSPEŠENEM GIBANJU 2.1. Pospešeno gibanje Če na telo deluje enakomerna sila, se le-to pospešeno giblje. F [ ] [ N ] m/s 2 a = m [ kg ] Na vsako telo na Zemlji deluje sila teže in če telo spustimo se začne pospešeno gibati s pospeškom g=9,81 m/s 2. Pravimo, da prosto pada. Prosti pad je težko opazovati zaradi hitrega poteka dogodkov. Za vajo zato postavimo telo na klanec nagnjen pod kotom ϕ, kar ustrezno zniža težnostni pospešek. a 2 2 [ m/s ] = g[ m/s ] sin ( ϕ) 2.2. Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) klanec, (2) štoparica ali drug pripomoček za merjenje časa, (3) žogica za tenis. Postavitev merilnih pripomočkov je prikazana na sliki Opis poteka vaje in prikaz značilnih rezultatov Pri vaji se opazuje pospeševanje teniške žogice na klancu. Žogico se postavlja na različne višine klanca in se meri čas, ki ga potrebuje do konca klanca. Pri meritvi časa si pomagajte s elektronskimi in multimedijskimi pripomočki Vprašanja in naloge vaje Slika 2.1. Postavitev klanca in kotalečega telesa. 1. Izmeri kot pod katerim je nagnjena podlaga. 2. S pomočjo štoparice ali video posnetkov izmeri čase, ki jih potrebuje žogica, da pride do dna klanca iz posamezne začetne točke. 3. Izračunaj posamezne povprečne hitrosti. 4. Nariši graf odvisnosti hitrosti od dolžine pretečene poti. 5. Izračunaj pospešek za posamezna izhodišča. 6. Primerjaj dobljene rezultate s teoretičnimi za pospešek drsenja po klancu. 3

13 VAJA 3 VAJA 3. MERITVE V ČASOVNEM PROSTORU 3.1. Osciloskop Počasne spremembe v električnih tokokrogih lahko opazujemo s kazalčnimi merilniki (ampermetri, voltmetri), ki so lahko tudi digitalizirani. Zaradi vztrajnosti kazalca in tuljavice oziroma problema prehitrega preklapljanja med izmerjenimi vrednostmi se tovrstni merilniki ne morejo uporabljati, pri hitro spreminjajočih se količinah. Pri opazovanju hitrejših pojavov uporabljamo osciloskop, kjer na mesto kazalca ali digitalnega prikazovalnika opazujemo sled signala na zaslonu osciloskopa. Zaslon osciloskopa signal prikaže v časovnem prostor, ker je prikazana odvisnost časovne vrednosti signala od časa trenutka, ko je bila meritev izvedena. Tipični osciloskop ima prikazovalni zaslon, več vhodnih konektorjev (kanalov) in mnogo gumbov ter preklopnikov na čelni plošči. Večina osciloskopov omogoča prikaz več časovnih signalov istočasno na istem zaslonu. Po načinu delovanja se osciloskopi delijo na analogne in digitalne. Meritev v časovnem prostoru s pomočjo osciloskopa ima manj dinamike, kot meritev v frekvenčnem prostoru s pomočjo spektralnega analizatorja. Na zaslonu osciloskopa ne moremo opaziti signala, ki ima amplitudo manjšo od 1% največjega prisotnega signala, kar pomeni dinamiko komaj 40 db. Kljub temu, pa je osciloskop precej uporaben merilni instrument in zaradi tega tudi mnogokrat zatečemo k meritvam v časovnem prostoru Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Analogni osciloskop do 40 MHz. (2) Funkcijski generator. (3) Priključne kable za vse povezave. Razporeditev in povezava merilnih pripomočkov je prikazana na sliki 2.1. in 2.2 Osciloskop Generator A Slika 3.1. Vezava naprav za opazovanje delovanja osciloskopa. Slika 3.2. Osciloskop in funkcijski generator. 4

14 VAJA Obrazložitev in opis poteka vaje Osciloskop je merilni instrument, ki je načrtovan za prikaz signalov v časovnem prostoru. Ima veliko paleto možnih meritev, od katerih bomo pri tej vaji uporabili le nekaj. Napisi, označbe, dodatne osvetlitve in simboli na sprednji plošči in na zaslonu pregledno kažejo vlogo gumbov, priključkov in stikal za pripravo in uporabo osciloskopa. Preprost je izbor kanalov, elementov proženja, načina dela in izbor pregledne slike signala, ki ga opazujemo ali ga želimo opazovati. Dodatni zapisi in označbe na zaslonu kažejo izbran način dela in izbrane elemente. Občutljivost osciloskopa v navpični smeri naravnamo z gumbom V/cm OJAČANJE Y, pri tem vsakemu centimetru na zaslonu v navpični smeri ustreza napetost, ki jo kaže gumb V/cm (0,05 V, 0,5 V, 5 V,..) Občutljivost osciloskopa v vodoravni smeri nastavimo z gumbom OJAČANJE X, s tem spreminjamo dolžino sledi v vodoravni smeri, ki nam prikazuje časovno trajanje signala. Z osciloskopom lahko merimo izmenične ali enosmerne napetosti z odčitavanjem njene amplitude na zaslonu (v cm). Za vajo si s pomočjo osciloskopa oglejmo različne izmenične signale, ki jih proizvede funkcijski generator v območju od 1 khz do 400 khz. Za vsak signal izberemo primerno časovno bazo in primerno amplitudno skalo Prikaz značilnih rezultatov Pred pričetkom vaje priključi signalni generator na X vhod osciloskopa. Z osciloskopom in spremenljivim umerjenim frekvenčnim izvorom določi amplitudo in periodo (frekvenco) opazovanega signala. Pri vaji najprej prerišemo sliko poljubno izbranega signala iz zaslona osciloskopa. Iz slike na zaslonu potem razberemo amplitudo signala ter periodo, kot prikazuje slika 4.3. Pri tem si pomagamo z razdelki na zaslonu, katerih število množimo s časovno bazo. Iz izmerjene periode izračunajmo frekvenco signala. T=? A=? Slika 3.3. Določevanje amplitude in periode signala Vprašanja in naloge vaje 1. Preriši sliko iz zaslona osciloskopa. 2. Določi amplitudo signala, ki ga vidiš na zaslonu. 3. Določi periodo signala, ki ga vidiš na zaslonu. 4. Iz izmerjene periode izračunaj frekvenco signala. 5

15 VAJA 4 VAJA 4. MERITVE VISOKOFREKVENČNIH SIGNALOV 4.1. Visokofrekvenčni spektralni analizator Pri meritvah visokofrekvenčnih signalov imamo pogosto opraviti z množico signalov. Meritev vsote vseh signalov običajno ni zanimiva, navadno želimo meriti jakost in frekvenco vsakega signala posebej. Signal, ki ga želimo meriti ni nujno najmočnejši signal, temveč je lahko več kot miljonkrat šibkejši od drugih prisotnih signalov. Merilnik, ki je primeren za merjenje visokofrekvenčnih signalov, je selektivni sprejemnik, ki vsebuje frekvenčna sita, da lahko razloči med različnimi, istočasno prisotnimi signali. Takšen merilni sprejemnik omogoča zelo velik razpon jakosti merjenih signalov: razmerje med merjenim signalom in neželenimi istočasno prisotnimi signali (dinamika merilnika) lahko preseže 100 db. Meritev v časovnem prostoru (osciloskop) je neustrezna že zaradi premajhne dinamike takšnega načina meritve. Na zaslonu osciloskopa ne moremo opaziti signala, ki ima amplitudo manjšo od 1% največjega prisotnega signala, kar pomeni dinamiko komaj 40 db. Meritev v frekvenčnem prostoru je smiselna tudi zato, ker se večina pojavov v radijskih zvezah lažje opazuje v frekvenčnem prostoru. Selektivni merilni sprejemnik, ki sam preiskuje želeno frekvenčno področje in izpisuje izmerjeni frekvenčni spekter na zaslonu, imenujemo spektralni analizator. Blokovni načrt tehnične izvedbe visokofrekvenčnega spektralnega analizatorja je prikazan na sliki 3.1. Spektralni analizator je izdelan kot sprejemnik z mešanjem s precej visoko medfrekvenco. Za meritve na frekvencah nižjih od vrednosti medfrekvence tako zadošča že nizko sito na vhodu za dušenje vseh neželenih produktov mešanja. Le za meritve v mikrovalovnem frekvenčnem področju sprejemnik uporablja za dušenje neželenih produktov mešanja električno nastavljivo pasovno sito na vhodu. Slika 4.1. Blokovni načrt visokofrekvenčnega spektralnega analizatorja. Cenejši spektralni analizatorji za nižje frekvence oziroma ožja frekvenčna področja uporabljajo sita in oscilatorje z običajnimi nihajnimi krogi. Slaba stran tega je nizka kvaliteta nihajnih krogov, torej slabša selektivnost sit. Mešanju sledijo pasovna sita za različne ločljivosti (resolucijo) merilnika. Sitom sledi logaritemski ojačevalnik z detektorjem, ki daje na izhodu napetost sorazmerno logaritmu vhodne moči. S preiskovanjem želenega frekvenčnega področja upravlja izvor žagaste napetosti, ki krmili električno nastavljivi oscilator (VCO) ter vodoravni odklon žarka na katodni cevi. Merilnik seveda omogoča nastavljanje širine frekvenčnega področja kot tudi srednje frekvence. Frekvenco žagaste napetosti oziroma periodo ponavljanja meritev spremenimo le v slučaju zelo počasnih meritev z zelo ozkim medfrekvenčnim sitom. Nizkofrekvenčni spektralni analizatorji so lahko izdelani tudi kot FFT analizatorji. Vhodni signal vzorčijo v časovnem prostoru z A/D pretvornikom, za pretvorbo v frekvenčni prostor pa poskrbi diskretna Fourier-jeva transformacija v obliki FFT algoritma na računalniku. Meritev s 6

16 VAJA 4 FFT spektralnim analizatorjem je bistveno hitrejša od panoramskega sprejemnika, žal pa frekvenčni pas in dinamično področje močno omejujejo razpoložljivi A/D pretvorniki. Seveda je možna kombinacija obeh merilnikov: panoramski sprejemnik v visokofrekvenčni glavi in FFT v medfrekvenci, kar skupno daje hitro in točno meritev v zelo širokem razponu pasovnih širin in jakosti signalov. Za večino visokofrekvenčnih meritev sicer zadošča spektralni analizator v obliki panoramskega sprejemnika Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Preprosta antena za področje 100 MHz 1 GHz s priključnim kablom. (2) Visokofrekvenčni spektralni analizator 0-1 GHz z vgrajenim demodulatorjem. (3) Zvočnik z mono izhodom. (4) Računalnik z dostopom do interneta. Razporeditev in povezava merilnih pripomočkov je prikazana na sliki 3.2. antena Slika 4.2. Namestitev sestavnih delov za opazovanje spektra Obrazložitev in opis poteka vaje Spektralni analizator je običajno načrtovan kot merilnik s čimvečjo dinamiko, to je razmerjem med najmanjšim in največjim merjenim signalom. Pri tem določa spodnjo mejo toplotni šum sprejemnika, gornjo mejo pa pojav nelinearnih popačenj v sprejemniku. Obe meji določa mešalnik na vhodu s svojim šumnim številom in intermodulacijskim popačenjem. Pri meritvah radijskih signalov, ki jih ujame sprejemna antena daleč proč od oddajnikov, si bi zato lahko pomagali tudi s širokopasovnim ojačevalnikom Prikaz značilnih rezultatov Za vajo si s pomočjo spektralnega analizatorja oglejmo uporabo frekvenčnega področja od 50 MHz do 1 GHz in značilne vrste signalov, ki jih srečamo v tem frekvenčnem področju. Za vsak signal izberemo primerno ločljivost in primerno širino frekvenčnega področja, ki ga preiskuje spektralni analizator. Iz slike na zaslonu potem skušamo razbrati pasovno širino posameznih signalov ter moč, ki jo dobimo na sponkah antene. Z nastavljivim slabilcem preverimo, da so merjeni signali resnični signali in ne slučajno proizvod intermodulacijskega popačenja v spektralnem analizatorju. Pri določanju signalov si pomagaj s sledečimi naslovi: {oddajniki in zveze / lokacije in frekvence televizijskih oddajnikov} 7

17 VAJA 4 en.wikipedia.org/wiki/television_channel_frequencies Kjer izvemo, da se multiplex A nahaja na 562 MHz. Za konec vaje izmerite še zakasnitev med signalom, ki potuje po radijskem mediju v primerjavi s signalom, ki potuje po internet omrežju. Za sprejem radijskih postaj preko interneta obiščite ali ali katerega od drugih portalov Vprašanja in naloge vaje 1. Preriši sliko iz zaslona RF spektralnega analizatorja in si zapiši frekvence opaženih signalov. 2. Poskušaj določiti katerim storitvam pripadajo opaženi signali. Pri tem si pomagaj s seznamom lokacij in frekvenc radijskih in televizijskih oddajnikov, ki ga najdeš na internetu. 3. Izmeri zakasnitev zvokovnih signalov prenesenih preko radijskega valovanja v primerjavi s signali prenesenimi preko interneta. 4. Izmeri zakasnitev signala internetne televizije (IPTV) v primerjavi z digitalno televizijo (DVB-T)! 8

18 VAJA 5 VAJA 5. NAPETOSTNA ODVISNOST OJAČENJA FOTOPOMNOŽEVALKE 5.1. Osnove delovanja fotopomnoževalke Odkritje fotoelektričnega pojava, to je izbijanja elektronov iz površine kovine s fotoni dovolj velike energije, predstavlja predvsem prvi dokaz o kvantnem značaju svetlobe. Fotoelektrični pojav je sicer tudi praktično uporaben, saj omogoča delovanje učinkovitega detektorja svetlobe: vakuumsko fotocelico. V vakuumski fotocelici sproži skoraj vsak vpadni foton po en elektron, ki potem prispeva k skupnemu električnemu toku skozi fotocelico. Vakuumska fotocelica je zato lahko za več velikostnih razredov bolj občutljiv in hitrejši detektor svetlobe od fotouporov oziroma toplotnih detektorjev svetlobe. Z vakuumsko fotocelico lahko vsaj v teoriji opazimo tudi en sam, osamljen vpadni foton. Zaznavanje šibkega električnega signala, ki ga povzroči en sam fotoelektron, onemogoča predvsem šum električnega ojačevalnika, ki ga priključimo za fotocelico, saj sama fotocelica v popolnem mraku ne proizvaja nikakršnega šuma. Z enostavno vakuumsko fotocelico s samo dvema elektrodama: fotokatodo in anodo, zato ne moremo izdelati zelo občutljivega detektorja svetlobe. Šumu električnega ojačevalnika se lahko izognemo tako, da konvektivni tok elektronov znotraj vakuumske fotocelice ojačimo, preden se le ta pretvori v zunanji konduktivni električni tok v vezju. Konvektivni tok prostih elektronov v povsem praznem prostoru lahko ojačimo s pojavom, ki je zelo podoben fotoelektričnemu pojavu. Če elektron z dovolj veliko kinetično energijo zadene ob površino kovine, lahko iz kovine izbije več "sekundarnih" elektronov. Elektron, ki je v praznem prostoru preletel potencialno razliko 100 V, lahko iz kovinske elektrode izbije 3 do 5 sekundarnih elektronov. Z ustrezno oblikovanim električnim poljem lahko sekundarne elektrone usmerimo proti tretji elektrodi na ustrezno višjem potencialu, kjer dobimo še večje število novih sekundarnih elektronov. Opisani postopek lahko seveda ponavljamo poljubnokrat, da dobimo želeno količino elektronov oziroma željen električni tok, ki ga končno zberemo na anodi. Fotocelico z vgrajenim opisanim ojačevalnikom imenujemo fotopomnoževalka. Delovanje fotopomnževalke je prikazano na sliki 5.1. Vpadni foton izbije le en sam elektron iz fotokatode, ki ga električno polje usmeri proti prvi množilni elektrodi, imenovani dinoda. Iz prve dinode dobimo več sekundarnih elektronov, ki jih električno polje usmeri proti drugi dinodi. Tu dobimo še več sekundarnih elektronov, ki nadaljujejo svojo pot proti tretji dinodi, kjer se spet ponovi opisani postopek množenja elektronov. Slika 5.1. Osnove delovanja fotopomnoževalke. 9

19 VAJA 5 Zadnja elektroda, anoda, se nahaja na najvišjem potencialu in zbere vse sekundarne elektrone. Električni signal dobimo kot padec napetosti na uporu R A v anodnem vezju. Ker lahko z opisanim postopkom dosežemo poljubno ojačenje znotraj fotopomnoževalke, je prispevek šuma zunanjega električnega vezja običajno zanemarljiv. Praktična izvedba fotopomnoževalke je prikazana na sliki 5.2. Svetloba vpada na fotokatodo. Dinode so oblikovane in razmeščene tako, da naslednja dinoda "ujame" čimveč sekundarnih elektronov predhodne dinode. Fotopomnoževalke običajno vsebujejo okoli 10 množilnih elektrod, kar pomeni, da lahko en sam vpadni foton sproži več kot milijon elektronov v anodnem vezju. Slika 5.2. Praktična izvedba fotopomnoževalke. Fotopomnoževalka še vedno predstavlja najbolj občutljiv znan detektor vidne svetlobe. S primerno izbiro materiala fotokatode lahko dosežemo izvrstno občutljivost v vidnem in bližnjem infrardečem spektru svetlobe. Žal pa kvantni izkoristek fotokatode upade pri valovni dolžini 1,3 µm. Glavna pomanjkljivost fotopomnoževalke je njena frekvenčna meja. Ker preletijo elektroni razmeroma dolgo pot po povsem praznem prostoru s hitrostjo, ki je veliko manjša od svetlobne hitrosti, in pot ni enako dolga za vse sekundarne elektrone, ki jih povzroči en sam vpadni foton, se frekvenčna meja fotopomnoževalke giblje v področju nekaj MHz. Za komunikacije po optičnih vlaknih zato ne uporabljamo fotopomnoževalk, pač pa veliko hitrejše polprevodniške fotodiode Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Reflektor bele svetlobe kot izvor. (2) Več različnih zaslonk za znižanje jakosti žarka. (3) Fotopomnoževalko z uporovnim delilnikom napetosti in nastavljivim enosmernim visokonapetostnim izvorom. (4) Voltmeter za merjenje izhodne enosmerne napetosti. Namestitev merilnih pripomočkov je prikazana na sliki 5.3, vezava merilnih pripomočkov pa na sliki

20 VAJA 5 Slika 5.3. Namestitev merilnih pripomočkov Obrazložitev in opis poteka vaje Vajo sestavimo na mizi, tako da vpada svetloba iz izvora na fotopomnoževalko. Pred fotopomnoževalko postavimo zaslonko, da omejimo neželeno ostalo vpadno svetlobo. Z zaslonko tudi znižamo jakost vpadne svetlobe na bolj primerno vrednost. Pri priključitvi fotopomnoževalke pazimo na pravilne povezave, saj imamo opraviti z visokonapetostnim enosmernim izvorom. reflektor V Slika 5.4. Namestitev in vezava merilnih pripomočkov. 11

21 VAJA 5 Izhodno napetost fotopomnoževalke merimo z voltmetrom. Pri meritvah moramo vseeno paziti, da vsota enosmerne in izmenične izhodne napetosti fotopomnoževalke ne preseže 10 V, sicer dodatni padci napetosti na uporovnem delilniku potisnejo delovanje fotopomnoževalke v nelinearen režim Prikaz značilnih rezultatov Za vajo izmerimo napetostno odvisnost ojačenja fotopomnoževalke. Število izbitih sekundarnih elektronov je seveda odvisno od kinetične energije vpadnega elektrona oziroma od potencialne razlike med sosednjima elektrodama. S potenciometrom nastavljamo celotno napetost, ki jo veriga enakih uporov razdeli na 11 približno enakih delov vse dotlej, dokler so tokovi posamičnih elektrod zanemarljivi v primerjavi s tokom skozi uporovni delilnik. Meritev začnemo tako, da na fotokatodo usmerimo celoten snop svetlobe in počasi dvigamo napajalno napetost fotopomnoževalke. Če izhodna napetost fotopomnoževalke preseže 30 V, oslabimo jakost vpadne svetlobe z zaslonko. Z zmanjšano jakostjo svetlobe lahko nadaljujemo z dviganjem napajalne napetosti oziroma ojačenja fotopomnoževalke. Ker ne moremo izmeriti izredno majhnega toka fotokatode, tudi ne moremo izmeriti absolutnega ojačenja fotopomnoževalke. Končni rezultat zato prikažemo relativno, naprimer kot razmerje glede na vrednost napetosti, ko dobimo z neoslabljenim žarkom na izhodu 1 V električnega signala Vprašanja in naloge vaje 1. Izmeri napetostno odvisnost ojačenja fotopomnoževalke za osvetljenost z reflektorjem in sobno osvetljitvijo! 2. Nariši potek napetostne odvisnosti ojačenja fotopomnoževalke v graf. 3. Kaj se zgodi z izhodnim signalom, če vhod prekrmilimo? 4. Zakaj je fotopomnoževalka občutljiva na magnetno polje? 5. Zakaj dobimo odklon kazalca tudi, če preklopimo voltmeter na merjenje izmenčne napetosti? napajalna napetost [V] Z reflektorjem izhodna napetost [V] Sobna svetloba (brez reflektorja) izhodna napetost [V] 12

22 VAJA 6 VAJA 6. SEVANJE IZOTROPNEGA VIRA 6.1 Nastanek elektromagnetnega sevanja in izotropni vir Do pojava elektromagnetnega sevanja pride pri pospešenem gibanju naelektrenih delcev v prostoru. Pospešeno gibanje elektronov nastopa pri izmeničničnih električnih signalih. Sevanje pa je tembolj izrazito, čim višje so frekvence izmeničnega vira, ki pospešuje naelektrene delce. Pri sevanju v praznem prostoru se sevana moč enakomerno razširja v vse strani tridimenzionalnega prostora, zaradi česar gostota izsevane moči upada s kvadratom razdalje (1/r 2 ). Izotropni vir seva enakomerno v vse smeri prostora, zaradi česar je gostota moči na določeni razdalji v vseh smereh enaka. Primer izotropnega vira je tudi žarnica, ki seva elektromagnetno valovanje v svetlobnem spektru. Sprejeta moč na razdalji r je odvisna od velikosti površine sprejemnika, ki prestreže izsevano valovanje. Razmere in relacije prikazuje Slika 6.1. v v P vektor S S = 1r 4π r 2 gostote moči P S r A = 4πr 2 žarnica A S A S površina sprejemnika v A P= S AS = PS 4π S r 2 Slika 6.1: Sevanje žarnice kot izotropnega vira. 6.2 Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo: Izotropni vir svetlobe žarnica 12 V, 20 W. Sprejemnik s fotodiodo z zaporednim uporom za meritev toka in zaporednim zaščitnim uporom. Ustrezni napajalnik za žarnico in sprejemnik. Digitalni voltmeter. Stojala na vodilu za žarnico in sprejemnik. Priključne kable za vse povezave. Razporeditev in vezava merilnih pripomočkov je prikazana na Sliki

23 VAJA Obrazložitev in opis poteka vaje Kot izotropni vir uporabimo volframovo žarnico, ki seva svetlobno valovanje. Uporabimo žarnico moči 20 W, da je na razdalji nekaj 10 cm od vira še zadostna moč izsevane svetlobe, da jo lahko ustrezno detektiramo. Kot sprejemnik svetlobe uporabimo fotodiodo BPW34, ki ima kvadratičen odziv. To pomeni, da je tok fotodiode sorazmeren sprejeti svetlobni moči. Tok fotodiode merimo posredno preko meritve napetosti na zaporednem uporu. Poleg zaporednega upora za meritev napetosti je v tokokrog fotodiode, ki je napajana z napetostjo +12 V, dobro vezati še zaščitni upor, ki zaščiti diodo pred morebitnim kratkim stikom, ki ga lahko nehote povzročimo na merilnem uporu. Vezje fotodiode je prikazano na Sliki 6.2. žarnica 20 W vidna linija V R PD + 12 V 12 V + zaščitni upor 1 cm < r < 40 cm Slika Razporeditev in vezava merilnih pripomočkov Slika 6.3 Prikaz merilnih pripomočkov na optični tračnici. 6.4 Prikaz značilnih rezultatov Pri vaji izmerimo tok fotodiode preko meritve napetosti na zaporednem uporu znane upornosti pri različnih razdaljah r med žarnico kot izotropnim virom sevanja in fotodiodo kot sprejemnikom. Na ta način izmerimo odvisnost sprejete sevane moči od razdalje od vira. Pri tem izmerimo tudi tok fotodiode pri ugasnjeni žarnici, ki je posledica svetlobe okolice. S tem ocenimo vpliv okolice na rezultate meritve. Dobljene rezultate izrišemo na graf, in sicer enkrat v linearnem merilu za tok, drugič pa na logaritemsko skalo. 14

24 VAJA 6 Serijska upornost, na kateri merimo napetost: R = Meritve: Razdalja r [cm] izključena žarnica Napetost na uporu U [V] Tok fotodiode I [ma] meritev izračun 15

25 VAJA 6 Grafi: Linearna skala: Tok fotodiode v odvisnosti od razdalje I [ma] razdalja [cm] Logaritemska skala: Tok fotodiode v odvisnosti od razdalje 10 1 I [ma] 0,1 0, razdalja [cm] 16

26 VAJA 7 VAJA 7. HELIJ-NEONSKI LASER 7.1. Helij-neonska laserska cev Čeprav se helij-neonski laser običajno ne uporablja za optične komunikacije po svetlovodih, je delovanje te vrste laserja zelo podobno drugim vrstam laserjev. Za razliko od polprevodniških laserjev je helij-neonski laser mnogo večji, je v steklenem ohišju in običajno oddaja vidno svetlobo. Zaradi slednjega lahko konstrukcijo laserja in vse pojave opazujemo kar s prostim očesom. Poleg tega se helij-neonski laser uporablja kot izvor zelo kvalitetne svetlobe za celo vrsto poskusov v optiki. Zaradi velike dolžine optičnega rezonatorja je frekvenčni spekter HeNe laserja zelo ozek, dosti ožji od polprevodniških laserjev. Konstrukcija helij-neonskega laserja je prikazana na sliki 7.1. Ker je aktivna laserska snov zmes plinov, mora biti ohišje laserja hermetično zaprta cev: to je naloga zunanje steklene cevi in dveh kovinskih pokrovov, privarjenih na oba konca cevi. Energijo za delovanje dovajamo v plinsko zmes preko električnega preboja v plinu. Električno gledano je HeNe laser torej tlivka, z nekaterimi posebnostmi. V HeNe laserju je aktivna laserska snov plin neon. Dodatek helija znatno izboljšuje izkoristek črpanja ustreznih energijskih nivojev neona, kar omogoči da sploh dosežemo lasersko ojačenje svetlobe. Slika 7.1. Helij neonska laserska cev Elektrode tlivke so zelo velike, da omejujemo segrevanje. V tlivkah se najbolj segreva negativna elektroda zaradi katodnega padca potenciala tik ob površini elektrode. Iz tega razloga kot katoda ne zadošča sam pokrovček cevi, pač pa je v stekleno cev vgrajena dodatna kovinska cev kot negativna elektroda. Če se elektrode HeNe laserja pregrejejo, to lahko povzroči osvobajanje plinov, ujetih na površini kovin, ki spremenijo sestavo plinov v cevi in preprečijo delovanje laserja. Za vse vrste laserjev je značilno, da moramo dovesti zelo veliko količino energije na enoto aktivne snovi, da sploh dosežemo uporabno lasersko ojačenje. V plinskem laserju to storimo tako, da pot električnemu preboju zožimo na manj kot kvadratni milimeter s pomočjo dodatne, notranje steklene cevi. Čeprav med delovanjem laserja opazimo žarenje plina tudi drugod, je žarenje plina v notranji cevi dosti močnejše in samo tu pride do pojava laserskega ojačenja svetlobe. Ozka steklena cev je potrebna tudi zato, ker se spodnji energijski nivo neona prazni pri trkih atomov neona ob steno cevi. Za samostojno nihanje laserja je potrebno aktivno lasersko snov vstaviti v rezonator, ki daje na določenih frekvencah zadosti močno povratno vezavo. Rezonator je sestavljen iz dveh zrcal na obeh koncih cevi. Zrcala so izdelana iz stekla, ki je na notranji strani prevlečeno z več plastmi različnih dielektrikov. Debeline in lomni količniki teh plasti so tako izbrani, da dosežemo odboj na želeni valovni dolžini in preprečimo odboj na drugih valovnih dolžinah. 17

27 VAJA 7 Če bi izdelali rezonator HeNe laserja z idealnimi zrcali, ki enako odbijajo vse valovne dolžine, bi takšen laser deloval v bližnjem infrardečem (nevidnem) področju, ker je tu ojačenje aktivne snovi največje. Da dosežemo delovanje laserja na valovni dolžini 632,8 nm (rdeča svetloba), potrebujemo zrcala, ki dobro odbijajo to valovno dolžino in hkrati čimmanj odbijajo infrardečo svetlobo. S primernimi (frekvenčno-odvisnimi) zrcali dosežemo nihanje laserja tudi na drugih valovnih dolžinah v vidnem spektru (oranžna, rumena ali zelena svetloba). HeNe laserska cev je običajno dolga okoli 20 cm. Pri tej dolžini cevi potrebujemo za optimalno delovanje laserja na eni strani polprepustno zrcalo, ki prepušča približno 5% vpadne svetlobe ter odbija preostalih 95% svetlobe nazaj v laser. Na drugi strani laserskega rezonatorja bi želeli idealno zrcalo za delovno valovno dolžino 632,8 nm, vendar v praksi dobimo tudi tu nekaj prepuščene svetlobe. Ker znaša dolžina rezonatorja več kot valovnih dolžin pri delovni frekvenci laserja, ima takšen rezonator zelo dosti rezonančnih frekvenc. Resonančne frekvence so v primeru ravnih zrcal razmaknjene za f=c/2d, kjer je c svetlobna hitrost in d razdalja med zrcaloma. Ker je razmak med posameznimi rezonancami manjši od spektralne širine aktivne plinske zmesi, HeNe laser niha na več (običajno treh, odvisno od dolžine cevi) spektralnih črtah hkrati. Zaradi rotacijsko-simetrične konstrukcije laserske cevi je polarizacija HeNe laserja nedoločena. Zaradi pozitivne povratne vezave v laserju bo tudi najmanjša dvolomnost zrcal povzročila, da bo laser rajši nihal z določeno polarizacijo. Ravnina polarizacije je nestabilna in se s segrevanjem laserske cevi počasi spreminja. Delovanje HeNe laserja s povsem določeno linearno polarizacijo dosežemo z vgradnjo steklene ploščice v rezonator, ki mora biti nagnjena za Brewster-jev kot glede na smer žarka v rezonatorju. Izvedba polarizirane HeNe laserske cevi je prikazana na sliki 6.2. Brewsterjevo okno sicer odbija komaj kakšnih 10% svetlobe z nezaželeno polarizacijo, vendar je to povsem zadosti, da prepreči nihanje laserja z neželeno polarizacijo. Slika 7.2. Polarizirana helij neonska laserska cev 7.2. Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Običajno, nepolarizirano HeNe lasersko cev, brez ohišja. (2) Visokonapetostni izvor za napajanje cevi. (3) Več različnih preduporov 100 kω - 5 MΩ. (4) Več zbiralnih leč z goriščnimi razdaljami mm. (5) Polarizator svetlobe (uporabljen kot analizator). Razporeditev in vezava merilnih pripomočkov je prikazana na sliki

28 VAJA 7 Slika 7.3. Razporeditev in vezava merilnih pripomočkov 7.3. Obrazložitev in opis poteka vaje Za napajanje laserske cevi potrebujemo ustrezen visokonapetostni izvor. Laserska cev dane dolžine potrebuje za vžig napetost okoli 6 kv, med normalnim delovanjem pa znaša padec napetosti na cevi okoli 1200 V. Pri priključitvi cevi pazimo na polariteto. Laserska cev bi sicer delovala tudi z obratno polariteto oziroma pri napajanju z izmeničnim tokom, vendar bi se zaradi prekomernega segrevanja elektrod življenjska doba cevi precej zmanjšala. Med delovanjem cevi opazimo močno svetlo-roza-rdečo svetlobo predvsem v notranjosti tanke notranje cevi. Ta svetloba vsebuje več povsem različnih spektralnih črt in je odvisna izključno od plinske zmesi ter jakosti toka skozi cev. Na obeh koncih laserske cevi pa izhaja svetloba povsem drugačne rdeče barve. Laserska svetloba je usmerjena v obliko tankega žarka, ki po premeru ustreza premeru notranje steklene cevi v laserski cevi. Zaradi velike vzdolžne in prečne koherenčne dolžine opazimo interferenčne pojave (migotanje, zrnatost) na vseh predmetih, ki so obsijani z lasersko svetlobo. Izkoristek HeNe laserja je zelo majhen. Cev dolžine 20 cm normalno deluje pri toku 5 ma in napetosti 1200 V, se pravi troši električno moč 6 W, izhodna svetlobna moč v obliki laserske svetlobe pa znaša komaj 2 mw. Kljub majhni moči je laserska svetloba nevarna za človeško oko, ker zaradi velike prečne koherenčne dolžine oko fokusira lasersko svetlobo v eno samo točko na mrežnici Prikaz značilnih rezultatov Pri HeNe plinskem laserju lahko enostavno opazujemo ter izmerimo prag laserja. Prag laserja je tista moč vzbujanja laserja, ki ravno zadošča za nihanje laserja. Pri laserjih z električnim vzbujanjem običajno definiramo tok praga laserja. Če laser vzbujamo z manjšim tokom od praga, bo ojačenje laserja premajhno za vzdrževanje laserskega nihanja in naprava bo oddajala le običajno svetlobo tlivke ali svetleče diode. Pri 20 cm dolgem HeNe laserju znaša običajni delovni tok 5 ma, prag delovanja laserja pa zagotavlja proizvajalec manj kot 3 ma. Praktično lahko prag laserja izmerimo tako, da zaporedno z lasersko cevjo vežemo miliampermeter in spreminjamo predupor. Pri zadosti velikem preduporu laserska svetloba izgine, ostane pa običajna svetloba tlivke. 19

29 VAJA 7 S pomočjo izmerjenega delovnega toka, ocenjene napajalne napetosti 1200 V in iz laserja prebrane izhodne optične moči izračunamo izkoristek HeNe laserja. Večina HeNe laserskih cevi ne uporablja ravnih zrcal na koncih rezonatorja, pač pa rahlo ukrivljena, zbiralna zrcala. Uporaba zbiralnih zrcal dopušča večje napake pri nastavljanju zrcal, kar poenostavlja proizvodnjo. Zaradi krivljenih zrcal ima izhodni žarek laserja obliko odprtega stožca, kar z lahkoto popravimo z dodatkom ustrezne zbiralne leče. Pri vaji preprosto poiščemo tisto zbiralno lečo, ki zbere lasersko svetlobo v najmanjšo svetlečo piko na oddaljenem zaslonu (zidu sobe). Končno preverimo še polarizacijo laserske cevi s pomočjo polarizatorja svetlobe, ki ga vstavimo kot analizator v izhodni svetlobni snop. Pri polarizirani laserski cevi lahko z vrtenjem polarizatorja poiščemo oster minimum, ki se s časom ne spreminja. Pri nepolarizirani cevi lahko sicer tudi najdemo minimum, ki pa začne slabeti, povsem izgine in se čez čas spet prikaže na istem mestu, to je pri istem kotu zasuka analizatorja Vprašanja in naloge vaje 1. Od česa je odvisna barva svetlobe, ki jo oddaja HeNe laser? 2. Kakšna je polarizacija svetlobe, ki izhaja iz rotacijsko simetričnega HeNe laserja? 3. Kako dosežemo, da laser oddaja točno določeno linearno polarizirano svetlobo? 4. Izmeri pragovni in delovni tok HeNe laserske cevi! 5. Oceni izkoristek laserske cevi! 20

30 VAJA 8 VAJA 8. DOLOČANJE ELEKTRIČNE UPORNOSTI 8.1. Električni tokokrogi Električne tokokroge srečujemo tako rekoč na vsakem koraku našega vsakdana. Ogromen električni tokokrog je elektroenergetsko omrežje, pri katerem so elektrarne (viri), in uporabniki (porabniki bremena) med sabo povezani s sistemom za transport energije (daljnovodi). Vsaka elektronska in multimedijska naprava vsebuje električne tokokroge, kjer je vir lahko energetski sistem ali ustrezen baterijski člen. Uporabniki na energetski sistem priključujejo bremena povečini vzporedno, znotraj bremen pa so posamezni elementi pogosto vezani tudi zaporedno. Električne tokokroge sestavljajo pasivni in aktivni elementi. Pasivni elementi so lahko ohmski upor (R), kapacitivni kondenzator (C) in induktivni tuljava (L). Ohmski upor je tisti na katerem se električna energija porablja. Kapacitivni in induktivni elementi služijo za shranjevanje električne energije. Aktivna elementa v električnih tokokrogih sta napetostni in tokovni vir. Ohmski elementi pretvarjajo električno energijo v druge oblike energije (svetlobno, toplotno, mehansko, ). Pasivni element, pri katerem se njegova lastnost spreminja z obremenitvijo (večja napetost ali tok), je nelinearni pasivni element. Pri tej vaji se bomo seznanili z linearnimi pasivnimi elementi ohmskega značaja upori. Zveza med napetostjo in tokom za pasivni element upor je U [ V] = R[ Ω] I[ A] Kjer je U električna napetost na uporu, R je upornost, I pa tok skozi upor Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo merilne pripomočke, ki so prikazani na sliki 8.1: (1) Ročni AVO meter. (2) Upori različnih vrednosti. (3) Baterijski vložek 4,5V (4) Priključne vrvice. Razporeditev in vezava merilnih pripomočkov je prikazana na sliki 8.2. in 8.3. Slika 8.1. Namestitev sestavnih delov na mizi Opis poteka vaje in prikaz značilnih rezultatov Pri prvi vaji se bomo spoznali z elementi električnih tokokrogov ter si ogledali nekatere osnovne zakonitosti, ki v električnih tokokrogih veljajo. Izpostavili bomo računaje upornosti. Pri izvedbi vaje si pomagamo z AVO metrom, ki služi za merjenje električne toka, napetosti in upornosti, njegovo ime pa izhaja iz začetnic besed amper, volt in ohm. 21

31 VAJA 8 Izmed danih uporov si najprej izberemo upor, katerega upornost bomo določili na tri načine. Po prvi metodi najprej izmerimo tok skozi upor in napetost, kot prikazuje slika 8.2. Iz izmerjenega toka in napetosti izračunamo upornost. R R + A I=? + V U=? Slika 8.2. Vezavi za merjenje toka in napetosti. Drugi način za določanje upornosti je meritev s pomočjo Ω-metra. Pri tem instrument enostavno priklopimo na izbran upor, kot prikazuje slika 3 in direktno očitamo vrednost upornosti. R Ω R=? Slika 8.3. Merjenje upornosti s pomočjo ohmmetra. Za konec s pomočjo uporovne lestvice določite upornost in toleranco izbranega upora. R = ABC F ± T 8.4. Vprašanja in naloge vaje Slika 8.4. Uporovna lestvica 1. Izmeri tok skozi izbran upor. 2. Izmerite napetost na izbranem uporu. 3. Iz izmerjenega toka in napetosti izračunajte upornost. 4. S pomočjo Ω-metra izmeri upornost izbranega upora. 5. Določi upornost upora s pomočjo uporovne lestvice. 22

32 VAJA 9 VAJA 9. PRIKAZ XY SLIKE NA ZASLONU OSCILOSKOPA 9.1. Krmiljenje zaslona osciloskopa Za meritev signalov v časovnem prostoru se običajno uporablja osciloskop. Zaslon osciloskopa je bil v preteklosti izdelan iz katodne cevi, katero sestavljata dva para elektrod (slika 9.1), ki krmilijo odklon žarka na zaslonu. Slika 9.1. Zgradba zaslona osciloskopa s katodno cevjo. Če na odklonskih kondenzatorjih ni napetosti, dobimo svetlo piko na sredini zaslona. Ko na kondenzator C2 pritisnemo napetost, se curek in z njim pika na zaslonu odkloni navpično ali pa potuje gor in dol, če je napetost izmenična. Če je frekvenca opazovanega nihanja večja od 30 s -1, mu z očmi ne moremo slediti in vidimo samo svetlo navpično črto. Njena dolžina pove amplitudo napetosti. Da ugotovimo tudi obliko nihanja, pritisnemo na C1 žagasto napetost. Torej je za opazovanje signala v časovnem prostoru potrebno na vertikalne odklonske elektrode priključena žagasto napetost, kot prikazuje slika 9.2. Pri časovno nespremenljivi napetosti na C2 vidimo na zaslonu ravno črto, ki je vzporedna z osjo X, odmik od X pa je sorazmeren z napetostjo. Če je napetost odvisna od časa, dobimo na zaslonu krivuljo, ki ustreza časovnemu poteku napetosti. Slika 9.2. Odklanjanje žarka na zaslonu osciloskopa, ki prikazuje časovno odvisnost signalov. 23

33 VAJA 9 Ena od možnosti prikazovanja signalov je tudi XY način. S tem se onemogoči žagasta napetost in je vsaka od XY osi osciloskopa krmiljena s svojim signalom, kot prikazuje blokovni načrt na sliki 9.3. Na zaslonu osciloskopa se pri tem opazi»ples«elektronskega žarka, ki ga odklanjata napetosti v smeri X in Y. Osciloskop Generator 1 A Generator 2 B Slika 9.3. Vezava naprav za opazovanje XY prikaza osciloskopa Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Analogni osciloskop do 40 MHz. (2) Dva funkcijska generatorja. (3) Priključne kable za vse povezave. Razporeditev in povezava merilnih pripomočkov je prikazana na sliki 8.4. Osciloskop A B Generator 1 Generator 2 Slika 9.4. Vezava naprav za opazovanje XY prikaza osciloskopa Obrazložitev in opis poteka vaje Večkanalni osciloskop je načrtovan za prikaz več signalov v časovnem prostoru. Poleg časovnega prostora pa osciloskop omogoča tudi XY prikaz. 24

34 VAJA Prikaz značilnih rezultatov Za vajo si s pomočjo osciloskopa v XY prikazovalnem načinu oglejmo različne signale, ki jih proizvedeta funkcijska generatorja v območju od 1 khz do 400 khz. Za vsak signal izberemo primerno časovno bazo in primerno amplitudno skalo. Pri vaji najprej prerišemo sliki poljubno izbranih signalov iz zaslona osciloskopa. Iz slike na zaslonu potem skušamo razbrati amplitudi signalov ter njuno periodo. Končno pri vaji izvedemo še prikaz dveh signalov v ravnini XY in prerišemo dobljeno sliko. Končni rezultat naloge je torej pridobljena slika, ki je nastala kot seštevek dveh časovnih signalov v XY ravnini. Če sta frekvenci generatorjev enaki in ujeti, se na zaslonu osciloskopa pojavi elipsa. Če se poveča ali zmanjša frekvenca generatorja dvokratno, se na zaslonu pojavi osmica. To so tako imenovane Lissajousove krivulje. Nariši jih in pojasni s časovnim potekom, podobno kot je za osnovnisignal prikazano na slik A 2 3 1, t 4 4 B t 5 Slika 9.5. Seštevanje dveh pravokotnih časovnih signalov v Lissajousovo krivuljo Vprašanja in naloge vaje 1. Iz zaslona osciloskopa preriši sliko iz dveh signalov v časovnem prostoru. 2. Preriši dobljene krivulje za različne oblike signalov pri XY vzbujanju. 3. Kaj se zgodi, če ima ta signala za celoštevilski večkratnik različno frekvenco? 4. Kaj se zgodi na zaslonu osciloskopa, če zamenjamo generatorja za X in Y os? 25

35 VAJA 10 VAJA 10. POPOLNI ODBOJ SVETLOBE IN MERJENJE LOMNEGA KOLIČNIKA STEKLA Popolni odboj valovanja Ko valovanje vpada na mejo dveh različnih snovi, se del valovanja lahko odbije nazaj v izvorno snov, drugi del valovanja pa se lahko lomi v drugo snov. V najbolj splošnem slučaju opazimo oba pojava, lom in odboj valovanja, kot je to prikazano na sliki Pri tem smatramo, da so valovni impedanci in hitrosti razširjanja valovanja v različnih snoveh različne med sabo, kot tudi da je meja med dvema različnima snovema ostro določena. Slika Odboj in lom valovanja na meji dveh snovi. Povezavo med smermi razširjanja vpadnega, odbitega in lomljenega valovanja dobimo iz zahteve, da je fazni zamik med vpadnim, odbitim in lomljenim valovanjem enak v katerikoli točki mejne ploskve med različnima snovema. Kot odbitega žarka mora zato biti enak kotu vpadnega žarka, kar nam govori odbojni zakon. α O =α V Povezavo med kotom vpadnega žarka in kotom lomljenega žarka daje Snellov lomni zakon. sin sin α α L V n1 = n 2 Svetloba je elektromagnetno valovanje, torej prečno (transverzalno) valovanje. Lastnosti snovi pri svetlobnih frekvencah določa v glavnem dielektričnost. Dielektričnost običajno edina določa hitrost razširjanja svetlobe v snovi, ki jo podajamo z lomnim količnikom, ter valovno impedanco snovi. Ko valovanje prehaja iz (gostejše) snovi z manjšo hitrostjo razširjanja valovanja (višjim lomnim količnikom) v (redkejšo) snov z večjo hitrostjo razširjanja valovanja (nižjim lomnim količnikom), se lahko zgodi, da ne moremo poiskati smeri lomljenega valovanja, ki bi zadostila pogoju, da je medsebojna faza med vpadnim, lomljenim in odbitim valovanjem enaka v katerikoli točki mejne ploskve. Ko ne dobimo lomljenega valovanja, imenujemo pojav popolni odboj. Pogoj za popolni odboj je dovolj velik vpadni kot valovanja glede na pravokotnico na mejno ploskev. 26

36 VAJA 10 Popolni odboj valovanja na meji dveh dielektrikov je pojav, ki ga najpogosteje izkoriščamo v različnih optičnih napravah. Ena od možnih uporab popolnega odboja je tudi natančno merjenje lomnega količnika snovi. Ko preide navaden odboj na meji dveh dielektrikov v popolni odboj, lomljeni žarek izgine. Ker ima večina snovi večji lomni količnik od zraka za vidno svetlobo, je treba najprej dovesti svetlobni žarek v merjeno snov, saj lahko popolni odboj dosežemo le pri izhodu žarka iz snovi z večjim lomnim količnikom v snov z manjšim lomnim količnikom. Da lahko na izstopni ploskvi merjenca dosežemo popolni odboj, izstopna ploskev ne sme biti vzporedna z vstopno ploskvijo. Zato pride za merjenec v poštev oblika prizme, povalja ali polkrogle. Merjenec za to vajo ima obliko polkrogle. Za opazovanje popolnega odboja izberemo ravno ploskev, svetlobni žarek pa naj vstopa skozi obod, kot je to prikazano na sliki n z =1 vpadni žarek n >1 steklena polkrogla α V α L popolni odboj Slika Opazovanje popolnega odboja v polkrogli. Pri izračunu lomnega količnika se lahko vzame, da je lomni količnik zraka enak ena. Upoštevati pa je potrebno tudi, da je pri popolnem odboju lomljeni kot 90. Lomni količnik polkrogle se torej določi kot n = sin sin α α L V = sin 90 sin α o V = 1 sin α V Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo merilne pripomočke, ki so prikazni na sliki 10.3: (1) HeNe laser z napajalnikom na vrtljivem podstavku s kotomerom. (2) Izsek steklene krogle. (3) Zaslon za opazovanj odbitega žarka. Namestitev sestavnih delov je prikazana na sliki

37 VAJA 10 n z =1 n=? HeNe laser steklena polkrogla 90 O -α α α L Slika Merjenje kota popolnega odboja v stekleni polkrogli Obrazložitev in opis poteka vaje Vajo sestavimo na ustrezni mizi. Najprej postavimo stekleno polkroglo. Izvor, ki je HeNe laser, postavimo na vrteči podstavek, ki ima vgrajen kotomer. Kot zaslon lahko uporabimo tudi zid sobe, sicer pa lomljeni ali odbiti žarek poiščemo z listom papirja. Čeprav je izhodna moč svetlobnega izvora komaj nekaj mw, je žarek zadosti močen, da poškoduje človeško oko. Zato moramo pri vrtenju laserja paziti na vpadni in odbite žarke. Če merjenec ni prevlečena z antirefleksnim slojem, dobimo odboje tudi na vstopnih in izstopnih ploskvah Prikaz značilnih rezultatov Lomni količnik polkrogle bi se sicer dalo izračunati pri poljubnem vpadnem kotu svetlobnega žarka, saj se v vsakem slučaju svetloba lomi pri vstopu in pri izstopu iz polkrogle. Na meji popolnega odboja je ta račun najenostavnejši, saj je tedaj izhodni lomljeni žarek vzporeden z 28

38 VAJA 10 ravno stranico polkrogle. Na ta način določimo točen položaj laserja glede na skalo kotomera. Pri prehodu iz navadnega v popolni odboj opazimo dva zanimiva pojava. Slika lomljenega žarka se iz točke razmaže v podolgovato liso, preden popolnoma izgine. Ko lomljeni žarek izgine, se odbiti žarek ojači, saj gre zdaj vsa moč vhodnega žarka v odbiti žarek. Mejni kot popolnega odboja najprej določimo kar s kotomerom, ki je vgrajen v vrtečem podstavku laserja. Bolj točen rezultat dobimo tako, da določimo položaj laserja. Te kote dobimo z merjenjem razdalj na mizi, na kateri sestavimo vajo. Pri merjenju razdalj si lahko pomagamo z znanimi razdaljami med pritrdilnimi izvrtinami na mizi za sestavljanje vaj Vprašanja in naloge vaje 1. Določi mejni kot vpadnega žarka, ko nastane popolni odboj. Pri podajanju rezultata pazite na to, da se kot podaja med normalo na mejno ploskev in vpadnim žarkom. 2. Določi lomni količnik steklene polkrogle z opazovanjem prehoda svetlobnega žarka na meji steklo zrak! 3. Zakaj je zaželeno, da ima merjenec obliko polkrogle? 4. Kaj bi se zgodilo, če merjenec ne bi imel obliko polkrogle? 5. Kako se nepravilna oblika merjenca odraža na našem merilnem rezultatu lomnega količnika? 29

39 VAJA 11 VAJA 11. VZPOREDNA IN ZAPOREDNA VEZAVA Vezave električnih porabnikov Električne uporabnike v energetsko omrežje največkrat priključujemo vzporedno, znotraj posameznega uporabnika pa so posamezni elementi pogosto vezani tudi zaporedno. Za vzporedni način vezave porabnikov veljajo naslednje značilnosti: Vsak porabnik je vezan na skupni vir električne napetosti s posebnim električnim krogom. Način vezave je razviden iz barv vodnikov. Če ena ali več žarnic ali drugih porabnikov pregori ali se pokvari, preostali delujejo naprej z enako močjo kot prej. Produkt napetosti in toka je električna moč Zveza med napetostjo in tokom je P U [ W ] = U [ V] I[ A] [ V] = R[ Ω] I[ A] Kjer je U električna napetost na uporu, R je upornost, I pa tok skozi upor Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Ročni AVO meter. (2) Žarnice (3) Vezalna miza z ustreznim virom enosmerne napetosti (4) Priključne vrvice. Razporeditev in vezava merilnih pripomočkov je prikazana na sliki A A Slika Vzporedna in zaporedna vezava Opis poteka vaje in prikaz značilnih rezultatov Pri vaji se bomo spoznali z vezavami električnih porabnikov v električnih tokokrogih vezjih. S preizkusom bomo preveril, kako se spreminja tok, če v električni krog vežemo dve žarnici zaporedno in kako, če ju vežemo vzporedno. Razločil boš zaporedno in vzporedno vezavo in vedel, kako je tok odvisen od števila žarnic. 30

40 VAJA Vprašanja in naloge vaje 1. Veži žarnice zaporedno kot prikazuje slika. 2. S pomočjo AVO metra izmeri napetost na posamezni žarnici in tok skoznjo. 3. Izračunaj električno moč, ki se troši na posamezni žarnici. 4. Izračunaj upornost posamezne žarnice. 5. Veži žarnice vzporedno in izmeri toke ter napetosti, ter izračunaj upornosti in moči. 6. Komentiraj dobljene rezultate in izsledke opazovanja. 31

41 VAJA 12 VAJA 12. POLNJENJE IN PRAZNJENJE KONDENZATORJA Kondenzator Kondenzator (C) je elektrotehniški element, ki lahko shranjuje energijo v obliki električnega polja. V najbolj enostavni izvedbi ga sestavljata dve elektrodi s površino A in medsebojno razdaljo d. Kondenzator z dvema paralelnima ploščama ima kapacitivnost C, ki se jo pri znani geometriji in znanih dielektričnosti izračuna na naslednji način ε 0 A C = d Med elektrodama se nahaja dielektrik, ki poveča kapacitivnost kondenzatorja. Glede na material iz katerega je dielektrik poznamo zračni, papirni, keramični, elektrolitski, tantalov, kondenzator. Ko prazen kondenzator priključimo na vir napetosti se začne polniti, kot prikazuje slika S polnjenjem kondenzatorja napetost na njem narašča. Napolnjen kondenzator vsebuje energijo v obliki električnega polja. R u C + R i C C i C POLNJENJE 100% 63% 37% i C 100% 37% polnjenje hranjenje energije t 1 praznjenje τ 5τ t C PRAZNJENJE -37% -100% τ 5τ t Slika Polnjenje in praznjenje kondenzatorja. Napolnjen kondenzator se prazni preko upora R. Predstavljamo si lahko, da je vzporedno h kondnezatorju s kapacitivnostjo C vezan upor z upornostjo R. Časovna konstanta polnjenja in praznjenja τ je definirana kot produkt τ = C R. Časovno konstanto kondenzatorja lahko tudi izmerimo, če merimo napetost na tako praznečem se kondenzatorju. Če v katerikoli točki na krivulji potegnemo tangento (slika 12.2) na to krivuljo, bo tangenta sekala asimptoto (v tem primeru abscisno os) v času, ki je ravno za časovno konstanto τ večji od časa točke, v kateri smo potegnili tangento. 32

42 VAJA 12 Slika Grafično določanje časovne konstante Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Generator pravokotnega signala z možnostjo nastavljive frekvence, (2) Kondenzatorji različnih vrednosti, (3) Osciloskop, (4) Priključne vrvice. Razporeditev merilnih pripomočkov na mizi je prikazana na sliki 12.3, vezava pa je prikazana na sliki Slika Merilni pripomočki za merjenje kapacitivnosti kondenzatorja. 33

43 VAJA Obrazložitev in opis poteka vaje Pri prvi vaji se bomo spoznali kondenzatorjem ter si ogledali njegovo polnjenje in praznjenje. Izpostavili bomo računaje časovne konstante in kapacitivnosti. Kondenzator polnimo in praznimo s pomočjo generatorja pravokotnega signala z notranjo upornostjo 50 Ω, sam prehodni pojav pa opazujemo na osciloskopu, kot prikazuje slika f R=50 Ω C Slika Vezava za polnjenje in praznjenje kondenzatorja Vprašanja in naloge vaje 1. Kje se nahaja upornost vrednosti 50 Ω? 2. Koliko znaša časovna konstanta polnjenja in praznjenja pri kondenzatorju kapacitivnosti 10 nf in upornosti 50 Ω? 3. Prerišite sliko polnjenja in praznjenja kondenzatorja! 4. Prerišite sliko praznjenja kondenzatorja in s pomočjo tangente določi časovno konstanto. 5. Izberite kondenzator neznane vrednosti in s pomočjo izmerjene časovne konstante določi kapacitivnost. 34

44 VAJA 13 VAJA MERITEV SLABLJENJA OPTIČNE VRVICE Slabljenje optičnega vlakna Novejša zgodovina optičnih komunikacije se začne nekoliko pred letom Slabljenje optičnega vlakna je takrat zanašalo nekaj 1000 db/km. V tem času sta pionirja optičnih komunikacij, Angleža Kao in Hockham, objavila članek, v katerem sta teoretično predvidela možnost uporabe optičnega vlakna kot prenosnega informacijskega medija, če bi bilo slabljenje le-tega pod 20 db/km. Do leta 1970 so tehnologi slabljenje vlakna zmanjšali iz obstoječih 1000 db/km na 20 db/km. Prvemu je to uspelo podjetju Corning, ki bilo še do nedavnega eden vodilnih proizvajalcev optičnega vlakna. Izboljšave vlakna so se nato še vrstile in v letu 1976 privedle do 1,6 db/km pri valovni dolžini 820 nm, kot prikazuje slika predvidel Kao Slika Zgodovinski pregled slabljenja optičnega vlakna. Kasneje so prišli do ugotovitve, da je mogoče doseči še manjše slabljenje pri večjih valovnih dolžinah. Pojav se imenuje Rayleighovo sipanje po lordu Rayleighu, ki je fizikalni pojav odkril. Rayleighovo sipanje razprši svetlobo, ki potem izhaja iz vlakna, kot prikazuje slika Za razliko od loma in odboja, kjer se svetlobno valovanje po pojavu odbije samo v eno smer, se pri sipanju razprši svetloba v vse smeri. Sipanje svetlobe se vrši na naključno porazdeljenih delcih (molekulah) snovi, ki je v našem primeru steklo. Selektivno sipanje ali Rayleighovo sipanje se pojavi, ko imajo delci snovi lastnost, da bolj učinkovito sipajo svetlobo izbrane valovne dolžine. Običajno je tako, da se svetloba krajših valovnih dolžin bolj sipa kot svetloba daljših valovnih dolžin. vpadna svetloba naključne nehomogenosti snovi (stekla) sipana svetloba prepuščena svetloba Slika Prikaz Rayleighevega linearnega sipanja vpadne svetlobe. 35

45 VAJA 13 V vidnem delu svetlobnega spektra je svetloba z najkrajšo valovno dolžino vijolična oziroma modra. Ker se ta sveloba najbolj sipa na molekulah v atmosferi, vidijo naše oči nebo modre barve. Za razliko od Rayleighevega sipanja poznamo tudi Mievo sipanje, ki povzroča belo barvo oblakov. Vodne kapljice v oblaku s polmerom približno 20 µm so dovolj velike, da sipajo vse valovne dolžine vidne svetlobe bolj ali manj enako. To pomeni, da bo skoraj vsa svetloba, ki vstopi v oblak, razpršena. Ker so sipane vse valovne dolžine, vidimo oblake bele barve. Ko so oblaki zelo debeli, prehaja skozi njih vse manj vstopne sončne svetlobe, kar daje oblaku črno barvo. Z naraščanjem valovne dolžine slabljenje optičnega vlakna pada in teoretično lahko pride do izredno nizkih slabljenj pri visokih valovnih dolžinah, kot prikazuje slika V praksi pa se pri večjih valovnih dolžinah pojavi absorpcija svetlobe v steklu, pri čemer se svetloba pretvarja v toploto. absorpcija Slika Slabljenje Si vlakna. Obstaja še tretji problem in to je absorpcija zaradi Hidroksidnih (OH) ionov, ki so prisotni v steklu. Prisotni so le določeni ioni, ki imajo izrazite absorpcijske vrhove. Najbolj značilen vrh je pri 1400 nm, ki ločuje drugo in tretje spektralno okno. Danes je tehnološko že mogoče izdelati vlakno, ki nima tega OH absorpcijskega vrha. Minimalno slabljenje optičnega vlakna nastopi pri valovni dolžini 1550 nm in to je tudi razlog za nastanek tretjega spektralnega okna v optičnih komunikacijah Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) kolut enorodovnega optičnega vlakna (merjenec), (2) različne vrvice optičnega vlakna (3)»optični multimeter«s preprostim oddajnikom in sprejemnikom, Razporeditev in vezava merilnih pripomočkov je prikazana na sliki

46 VAJA Obrazložitev in opis poteka vaje Slabljenje optičnega vlakna najenostavneje izmerimo tako, da si pomagamo z optičnim merilnikom moči, ki ga priključimo na en konec optičnega vlakna. Pri tem na drugem koncu pošljemo v vlakno optični signal znane konstantne moči. V kolikor moč oddajnika ne poznamo, ga moramo pred začetkom povezati direktno na sprejemnik brez merjenca in izmeriti izhodno moč. Optični oddajnik in sprejemnik sta lahko tudi v istem ohišju, kot prikazuje slika Iz razlike med oddano in sprejeto optično močjo izračunamo slabljenje vlakna. λ 1, λ 2,... oddajnik sprejemnik P odd P sp vlakno - optična konektorja merjenec Slabljenje(λ)[dB]=P oddana (λ)[dbm]-p sprejeta (λ)[dbm] Slika Merjenje slabljenja optičnega vlakna z»optičnim multimetrom«. Meritve so lahko izvedene pri eni ali več valovnih dolžinah, odvisno od tega, kakšne optične oddajnike imamo na razpolago. Vendar je možno izvesti meritev pri eni sami valovni dolžini na enkrat. Meritev je zelo preprosta, vendar je njena slabost v tem, da potrebujemo oba konca optičnega vlakna na istem mestu. Pri optičnih zvezah sta konca vlakna lahko več kilometrov narazen. V tem primeru potrebujemo komunikacijsko zvezo med oddajnikom in sprejemnikom. Pred začetkom meritve je nujna kalibracija, ki jo izvedemo tako, da svetlobni izvor povežemo direktno na detektor. Na ta način odpravimo vse morebitne vplive slabljenja priključnih vrvic ter spremembo izhodne moči optičnega izvora preko celotnega spektralnega merilnega področja. umerjanje sistema oddajnik FC/PC konektor enorodovno vlakno merjenec FC/PC konektor sprejemnik Slika Merjenje slabljenja optičnega vlakna s pomočjo OSA. 37

47 VAJA Prikaz značilnih rezultatov V vaji izmeri slabljenje enorodovnega optičnega vlakna s pomočjo»optičnega multimetra«v vseh treh spektralnih oknih (pri valovnih dolžinah 900 nm, 1300 nm in 1550 nm). Glede na to, da poznaš dolžino merjenca, pretvori dobljene merilne rezultate iz db na dolžinsko enoto slabljenja db/km. Izmeri slabljenje enorodovnega optičnega vlakna s pomočjo optičnega Vprašanja in naloge vaje 1. Zakaj slabljenje optičnega vlakna ni enako pri vseh valovnih dolžinah? 2. Čemu se je v optičnih komunikacijah uveljavilo tretje spektralno okno pri valovni dolžini 1550 nm? 3. Izmerite moč na detektorju v enotah dbm in jo pretvorite v mw! 4. Izmerite slabljenje merjenca v vseh treh spektralnih oknih s pomočjo»optičnega multimetra«! 38

48 VAJA 14 VAJA 14. MERJEJE IMPEDANCE ZVOČNIKA Prenos moči iz generatorja na porabnik Prenos moči iz generatorja na porabnik je najbolj optimalna, ko je upornost porabnika enaka notranji upornosti vira. P = R b I 2 = R b U g Rb + R n 2 U = 4R 2 g b generator R n breme U g R b Slika 14.1: Priključitev generatorja z notranjo upornostjo na breme. V primeru signalnih generatorjev, kot so avdio izvori, je potrebno zagotoviti enakost impedanc generatorja in bremena. Ta enakost mora veljati za celotno področje frekvenc delovanja. Pri izbiri zvočnikov je bistvenega pomena tudi impedanca zvočnika, ki je odvisna od frekvence. Impedanca dinamičnih zvočnikov je izključno nizkoomska (4, 8, 16 Ohmov). V zelo širokem področju ( Hz) nizkih in srednjih frekvenc je približno konstantna in začne rasti šele pri višjih frekvencah Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Generator signalov (2) Zvočnik kot breme (3) Merilni predupor vrednosti 0,1 Ω / 50 W. (4) Dvokanalni osciloskop ali dva izmenična voltmetra Razporeditev in vezava merilnih pripomočkov je prikazana na sliki Obrazložitev in opis poteka vaje Pri vaji se meri frekvenčno odvisnost impedance dinamičnega zvočnika. Za meritev impedance zvočnika ne zadostuje zgolj meritev ohmske upornosti pri enosmerni napetosti, saj se zvočniku le ta spreminja v odvisnosti od frekvence. Meritev je najenostavneje izvesti z generatorjem signalov, ki frekvenčno pokrije celotno avdio področje. Pri tem lahko merimo tok skozi zvočnik ali napetost na zvočniku, kot prikazuje spodnja slika. Pri tem je bistveno, da nam generator na izhodnih sponkah daje konstantno napetost pri vseh merjenih frekvencah. Napetostni generator s 50 Ω notranjo upornostjo bo predstavljal tokovni izvor, ki bo kvarno vplival na metodo konstantne napajalne napetosti, zato moramo konstantnost napetosti izvora stalno preverjati. 39

49 VAJA 14 generator U p R n R p predupor zvočnik U g U b R b Slika Vezavi za merjenje frekvenčne odvisnosti impedance zvočnika. Tok ki teče skozi breme se določi s pomočjo napetosti na preduporu in njegovo upornostjo. u i = R P p S pomočjo toka in napetosti na zvočniku je nato mogoče določiti impedanco zvočnika ub ub Z = = Rp i u P Prikaz značilnih rezultatov Meritve napetosti na merilnem uporu in zvočniku se preračuna v impedanco zvočnika in izriše frekvenčno odvisnost impedance zvočnika. Na spodnji meji frekvenčnega področja opazimo resonančno frekvenco, ki je važna predvsem za pravilno izbiro ohišja, v katerega vgradimo zvočnik. V resonanci je premikanje membrane in zračenje zvočnika še posebej ojačeno, kar se izraža tudi pri povečanju impedance (pri velikih zvočnikih je Hz, pri srednjih Hz in pri majhnih okoli 1000 Hz, lahko pa tudi mnogo višja) Vprašanja in naloge vaje 1. Izmeri frekvenčno odvisnost impedance zvočnika in jo prikaži na grafu. 2. Določi spodnjo mejno frekvenco oziroma resonančno frekvenco zvočnika. 40

50 VAJA 15 VAJA 15. MERJENJE KARAKTERISTIKE POLPREVODNIŠKE DIODE Polprevodniška dioda Polprevodniki so snovi, katerih specifična upornost (okrog Ω/cm) je bistveno večja od specifične upornosti prevodnikov (10-5 Ω/cm) in bistveno manjša od specifične upornosti izolatorjev (10 10 Ω/cm). Njihova značilnost je tudi, da se jim upornost s temperaturo manjša (pri kovinah se veča) in da že minimalni dodatek nekaterih primesi bistveno zmanjša njihovo specifično upornost. Tako dodatek enega atoma bora na 10 5 atomov silicija tisočkrat zniža upornost kristala Si. Tipična polprevodnika sta (kristalna) štirivalentna germanij in silicij. Njihovi kristali so v kristalno mrežo vezani s kovalentno vezjo 4-krat po dva elektrona (Slika 15.1.). Primesi (dopanti) so atomi ali trivalentnega elementa (Al, Ga, In, B,..) ali pa petvalentnega elementa (P, As, Sb,..). Slika Atomska struktura silicija. Nepričakovano velik učinek petvalentnih atomov na prevodnost kristala Ge ali Si razložimo z ugotovitvijo, da njihov peti elektron iz zadnje (valenčne) lupine v okoliškem prostoru nima pravega mesta (Slika 15.2.). Zato je slabo vezan in se lahko giblje pod vplivom zunanjega električnega polja in tako prispeva k prevajanju električnega toka. Taki primesi (dopantu) pravimo donor, saj prispeva v kristal skoraj prost elektron. Z donorjem dopiran polprevodnik je polprevodnik tipa n. Slika Struktura dopiranega silicija. Pri petvalentnem atomu fosforja je en elektron odveč (donorski elektron). Pri trivalentnem atomu bora je en elektron premalo (akceptorska vrzel). 41

51 VAJA 15 Pri trivalentni primesi so razmere ravno obratne, saj en elektron manjka. Na to prazno mesto skačejo elektroni sosednjih Si atomov. Na izpraznjeno mesto, ki je pozitivno nabito, tam elektron manjka, skoči elektron sosednjega atoma itd. Videti je, kot da v kristalih Ge in Si, ki so dopirani s trivalentnimi atomi, naboj prenašajo gibljivi pozitivni naboji. Trivalentnemu dopantu pravimo akceptor (ker sprejema elektron od sosednjih atomov polprevodnika); tako dopiran polprevodnik pa imenujemo polprevodnik tipa p. Ker so atomi dopantov električno nevtralni, je kristal nevtralen tudi po dopiranju. Če temperatura naraste, se elektroni in akceptorske vrzeli lažje gibljejo. Specifična upornost se zmanjša. Staknimo tesno skupaj košček donorskega (tip N) in akceptorskega (tip P) polprevodnika, kot prikazuje slika Gibljivi elektroni se iz mejne plasti N razširijo (difundirajo) v plast P. Za vrzeli velja ravno obratno. To prehajanje se hitro ustavi, saj postane stran P negativna, stran N pa pozitivna. Med njima nastane napetostna razlika ( približno 0,4 V pri Ge in približno 0,8 V pri Si; vrednost je odvisna od koncentracije primesi), ki prepreči nadaljnje prehajanje nabojev. Plast, v kateri ni gibljivih nosilcev naboja (osiromašena plast), je debela okrog 0,1 µm. Na N strani je naelektrena pozitivno, na P strani je naelektrena negativno. Zaradi večje jasnosti, bomo v nadaljevanju obravnavali samo obnašanje donorskih elektronov v stiku P N. Pri končnih rezultatih je potrebno upoštevati še prispevek akceptorskih vrzeli, ki se gibljejo v obratni smeri kot elektroni. Če priključimo na N strani pozitivni pol napetostnega vira U, na P stran pa njegov negativni pol, tok ne steče, saj se prvotna napetostna razlika med plastema samo poveča za napetost U in še bolj zavre prehod donorskih elektronov iz N strani na P stran. Opazimo le majhen zaporni tok, ki je odvisen od temperature in površine P N stika. Ta je posledica prehajanja majhnega števila elektronov iz plasti P, ki pri termičnem nihanju dobijo dovolj energije, da se odtrgajo od svojih atomov. Tok steče, če napetostna priključka zamenjamo, in to kljub temu, da je unaj priključna napetost nižja od zaporne napetosti. Nekateri elektroni v plasti N imajo zaradi termičnega nihanja dovolj veliko hitrst, da premagajo preostalo napetostno razliko. Ta je tem nižja, čim večja je zunanja napetost, zato je tok vse večji. Tok je odvisen od napetosti po enačbi 0 U U0 1 I = I e. Tok skozi P-N stik, ki mu pravimo tudi dioda, je eksponentno odvisen od napetosti. Zaradi eksponentne odvisnosti tok v prevodni smeri najprej narašča počasi, nato pa zelo hitro. U-I karakteristika ima zaradi tega na videz obliko kolena. Za grobo oceno delovanja diode v prevodni smeri lahko privzamemo, da prevaja šele, ko je padec napetosti na njej večji od kolenske napetosti. Slika Shema in električna oznaka pn spoja. Dioda se pri velikem toku močno segreje. Da ne pride do poškodbe, proizvajalci določijo maksimalni dovoljeni tok I max. P-N stik usmerniških diod ima veliko površino, njihovo ohišje pa moramo priviti na hladilno rebro. 42

52 VAJA 15 Velika zaporna napetost lahko močno pospeši manjšinske elektrone zapornega toka. Ko se zadenejo ob vezane elektrone, jih izbijejo iz njihovega položaja in jih tako pridružijo ostalim elektronom, ki prevajajo zaporni tok. Če je napetost dovolj visoka, lahko ti elektroni sprostijo nove vezane elektrone. Tako se število manjšinskih prevodnih elektronov plazovito poveča. Dobimo močan zaporni tok, ki lahko diodo poškoduje. Le pri Zenerjevih diodah to napetost koristno izrabimo za stabilizacijo napetosti Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Baterijski člen 4,5 V, (2) Drsni upor 10 kω, (3) Ampermeter, (4) Voltmeter, (5) Priključne vrvice. Razporeditev in vezava merilnih pripomočkov je prikazana na sliki Slika Merjenje U-I karakteristike v zaporni smeri Obrazložitev in opis poteka vaje Pri vaji je potrebno izmeriti U-I karakteristiko nizkotokovne Ge diode (visokotokovnih Ge diod običajno ne izdelujejo) in visokotokovne usmerniške Si diode, pri kateri bo tok merljiv že pri majhnih napetostih. Za merjenje karakteristike v zaporni smeri zveži diodo prek ampermeta na potenciometer, zvezan z baterijskim izvorom napetosti 4,5 V. Zaporne napetosti večaj v korakih po približno 0,5 V od 0 V do 4 V in jo odčitavaj na voltmetru. Isti merilni sistem uporabi tudi za merjenje karakteristike v prevodni smeri, le da so v tem primeru napetostni koraki manjši. Napetostne korake izvajaj s premikanjem drsnega upora. Merilne rezultate zapiši v tabelo. Tok meri z instrumentom, ki mu obseg lahko spreminjaš (univerzalnim merilnim instrumentom). 43

53 VAJA ,5 V R ma V Slika Merjenje U-I karakteristike v zaporni smeri. + 4,5 V R ma V Slika Merjenje U-I karakteristike v prevodni smeri. Izmerjeno karakteristiko nariši v linearnem merilu, kot prikazuje slika 8.7. Ob privzetku, da je zaporni tok pri napetosti 1 V enak toku I 0, izračunaj karakteristiko U-I in jo primerjaj z izmerjeno. Slika Odvisnost toka od napetosti (U-I karakteristika) za polprevodniško diodo Vprašanja in naloge vaje 1. Katere polprevodniške materiale poznaš? 2. Izmeri U-I karakteristiko germanijeve in silicijeve diode in ju primerjaj z izračunom! 3. Iz izmerjenega grafa oceni kolensko napetost za germanijevo in silicijevo diodo! 4. Ali je napaka velika, če rečemo, da dioda v eni smeri prevaja električni tok, v drugi pa ne? 44

54 VAJA 15 položaj drsnega upora U [V] zaporna smer I [ma] položaj drsnega upora U [V] prevodna smer I [ma] 45

55 VAJA 16 VAJA 16. MERJENJE SIGNALOV NA ELEKTRIČNEM TRANSFORMATORJU Električni transformator Transformatorji so električne naprave, ki preko indukcije pretvarjajo izmenično napetost iz sekundarnega navitja na primarno navitje. Slika Slika električnega transformatorja. Razmerje ovojev v navitju je premosorazmerno razmerju napetosti. Za tok pa velja obratnosorazmernost s številom ovojev. Slika Razmerje napetosti, tokov in ovojev Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Električni transformator z več odcepi, (2) Generator sinusnega signala, (3) Osciloskop, (4) Priključne vrvice. Razporeditev in vezava merilnih pripomočkov je prikazana na sliki

56 VAJA 16 Slika Merjenje signalov na električnem transformatorju Obrazložitev in opis poteka vaje Pri vaji je potrebno izmeriti napetost na primarnem navitju električnega transformatorja in napetost na njegovem sekundarnem navitju. Za napajanje primarnega navitja transformatorja se uporabi signal sinusnega generatorja. V kolikor ima transformator več sekundarnih navitij oziroma odcepov izmerite napetosti na vseh izhodih Vprašanja in naloge vaje 1. Izmerite vrednosti napetosti na primarnem in obeh sekundarnih navitjih. 2. Izračunaj razmerje v ovojih primarnega proti sekundarnemu navitju. 3. Izračunaj razmerje v navojih obeh sekundarnih navitij. 47

57 VAJA 17 VAJA 17. MERJEJE USMERJENOSTI ZVOČNIKA Zvočnik Zvočnik je elektro-akustična naprava, ki spreminja nihanje električnega toka v zvok. Pri dinamičnem zvočniku, ki ga najpogosteje uporabljamo, je vzbujalna tuljava pritrjena med pola permanentnega magneta. Ko steče skozi tuljavo izmenični tok, ustvari magnetno polje ki premakne membrano zvočnika. Ob nihajoči membrani se zrak zgošča in redči. Zgoščine in redčine se od zvočnika širijo kot zvočno valovanje. Slika 17.1: Zgradba dinamičnega zvočnika Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Računalnik s programom Audacity (2) Zvočnik na rotirajoči mizici (v primeru, da imamo dva zvočnika enega nastavimo na»mute«. (3) Mikrofon na stojalu. (4) Računalnik s programom Spectrogram (5) Primerek dinamičnega zvočnika, ki je razdrt. Razporeditev in vezava merilnih pripomočkov je prikazana na sliki Obrazložitev in opis poteka vaje Usmerjenost zvočnika podaja odvisnost amplitude od kota med smerjo širjenja zvočnega valovanja in osjo zvočnika. Usmerjenost zvočnika prikažemo v polarnem diagramu, v katerem se polarna os ujema z osjo zvočnika. Audacity audio izhod t vrtljiva plošča s kotno razdelitvijo 1 m mikrofon Spectrogram audio vhod f zvočnik Slika Vezavi za merjenje usmerjenosti zvočnika. 48

58 VAJA 17 0 o -5 db -10 db -15 db -20 db 90 o 270 o Slika Primer izmerjenega polarnega diagrama, ki prikazuje karakteristiko usmerjenosti zvočnika. 180 o Prikaz značilnih rezultatov Amplitudo tlaka zvočnega valovanja merimo z mikrofonom. V ta namen uporabimo visoko kvaliteten kondenzatorski mikrofon. V bistvu je to električni kondenzator, ki se mu zaradi zvočnega valovanja ena elektroda premika in tako spreminja kapaciteta. Pri konstantni napetosti se spreminja električni naboj na kondenzatorju. Na izhodu posebnega predojačevalnika, ki je običajno vgrajen v ohišje mikrofona, se zaradi tega pojavi spreminjanje napetosti. Zvočnik postavimo na stojalo, ki je vrtljivo in opremljeno z merilnikom kotov. Zvočnik napajamo z zvočno kartico osebnega računalnika, kjer ustvarimo sinusni ton v programu Audacity ali preko Java aplikacije Mirofon pričvrsti na stojalo, ki je 1 m oddaljeno od zvočnika. Mikrofon priključimo na vhod zvočne kartice osebnega računalnika, kjer s pomočjo programa Spectrogram izvedemo spektralno analizo sprejetega zvoka in si beležimo vrednosti jakosti sprejete zvočne komponente. Karakteristiko usmerjenosti izmeri tako, da vrtiš zvočnik v vodoravni ravnini s koraki po Razdalja med mikrofonom in zvočnikom naj bo konstantna recimo 1 m. Izmeri jakost zvoka s pomočjo mikrofona priključenega na spektralni analizator. Po podatkih nariši krivuljo usmerjenosti zvočnika Vprašanja in naloge vaje 1. Izmeri karakteristiko zvočnika in jo podaj v polarnem diagramu. 2. Zakaj je za opredeljevanje jakosti zvoka primerna logaritemska (decibelska db) skala? 49

59 VAJA 18 VAJA OPTIČNI REFLEKTOMETER V ČASOVNEM PROSTORU Reflektometerske meritve optične zveze Pri meritvah resničnih optičnih zvez sta si oba konca zveze nekaj deset do nekaj sto kilometrov narazen, torej običajno nista dostopna hkrati. Za meritev optične zveze bi zato želeli postopek, ki zna izmeriti optično vlakno v vkopanem kablu z dostopom na enem samem koncu optične zveze. Takšno meritev imenujemo reflektometerska meritev. Izvedemo jo tako, da v vlakno pošljemo na enem koncu znan signal in opazujemo, kaj se po določenem času zaradi različnih odbojev vrne na istem koncu vlakna. Reflektometerska meritev v časovnem prostoru je prikazana na sliki V vlakno pošljemo časovno kratek impulz svetlobe. Svetlobni impulz se odbije predvsem na odprtem koncu vlakna in na konektorskih spojih. Precej slabotnejše je Rayleigh-ovo sipanje svetlobe v steklu vzdolž celotne dolžine vlakna (glej sliko 18.2). Odboji na zvarih so zanemarljivo majhni. Slika Reflektometerska meritev v časovnem prostoru. Posamezne odbite signale ločimo med sabo po času prihoda v sprejemnik, saj mora vsak signal preteči najprej pot od oddajnika do točke odboja in se potem po isti poti vrniti nazaj. Iz izmerjenega časa med oddajo impulza in sprejemom odboja lahko potem izračunamo mesto nepravilnosti ali položaj napake vzdolž vlakna. Pri brezhibni optični zvezi vedno opazimo tudi odboj na drugem, prostem koncu vlakna. Ustrezen merilnik, ki vsebuje oddajnik optičnih impulzov, smerni sklopnik, optični sprejemnik in prikazovalnik rezultata meritve, imenujemo optični reflektometer v časovnem prostoru ali OTDR (angl. Optical Time-Domain Reflectometer). Glavna omejitev optičnega reflektometra je uporaben domet. Signal reflektometra se sicer širi po istem vlaknu kot signal resnične optične zveze, toda signal reflektometra mora isto pot preteči dvakrat! Poleg tega so odboji slabotni: najmočnejši odboj na prostem koncu vlakna znaša komaj 4% moči vpadne svetlobe, odboji dobrih konektorjih so še manjši. Najslabotnejše je Rayleigh-ovo sipanje svetlobe, saj predstavlja glavni mehanizem izgub kakovostnih optičnih vlaknih, ki ga skušamo čimbolj zmanjšati z izbiro primerne valovne dolžine svetlobe. Od celotne sipane moči se je večji delež razprši izven vlakna in le manj kot 1% sipane moči se nazaj "ujame" v optični valovod. 50

60 VAJA 18 Slika Rezultat reflektometerske meritve v linearni (zgoraj) in logaritemski (spodaj) skali sprejete moči. V reflektometer v časovnem prostoru zato vgradimo laser s čimvečjo izhodno močjo, vendar je ta omejena s konstrukcijo polprevodniškega laserja in nastopom nelinearnih pojavov v samem vlaknu pri močeh 10 do 100 mw. Pri določanju dometa ne smemo pozabiti niti na izgube v smernem sklopniku. Ker je smerni sklopnik recipročen sestavni del, znašajo te izgube najmanj 6 db (3 db na oddaji in še 3 db na sprejemu). Domet reflektometra povečamo tudi s povprečenjem večjega števila meritev, končni rezultat pa običajno ponazorimo v logaritemski skali, kot je to prikazano na sliki 18.3 spodaj. Ker je Rayleigh-ovo sipanje dobro poznan pojav, predvsem pa se vzdolž vlakna ne spreminja, lahko iz naklona krivulje v logaritemski skali enostavno določimo slabljenje zveze. Edina preostala spremenljivka je trajanje svetlobnega impulza. S krajšim impulzom dosežemo boljšo natančnost določanja mesta odboja, a hkrati zmanjšamo domet reflektometra. Ker nam je merilo za domet reflektometra možnost opazovanja Rayleigh-ovega sipanja, je reflektometer za valovno dolžino 850 nm razmeroma enostaven, za valovno dolžino 1300 nm je zahtevnejši in za valovno dolžino 1550 nm je reflektometer v časovnem prostoru tehnološko zelo zahtevna naprava Seznam potrebnih pripomočkov Za izvedbo vaje potrebujemo: (1) Generator impulzov µs, izhod 1,5 V / 50Ω (s slabilnikom). (2) Laserski oddajnik za 1300 nm z ustreznim napajalnikom. (3) Mnogorodovni optični smerni sklopnik. (4) Dva svitka mnogorodovnega gradientnega optičnega vlakna skupne dolžine približno 1 km (merjenca). (5) Zrcalo. (6) Optični sprejemnik s PIN-FET modulom in napajalnikom. 51

61 VAJA 18 (7) Osciloskop (60MHz). (8) Kable in konektorje za vse povezave. Vezava pripomočkov je prikazana na sliki 18.3 in Slika Razporeditev merilnih pripomočkov na mizi. Slika Vezava reflektometra v časovnem prostoru (OTDR) Obrazložitev in opis poteka vaje Polprevodniški sestavni deli za komunikacije preko optičnih vlaken so zelo občutljivi elektronski sestavni deli, ki zahtevajo nežno in natančno rokovanje. Polprevodniški laserski modul oziroma PIN-FET sprejemniški modul lahko poškodujemo električno ali mehansko. Pri tej vaji je treba paziti predvsem na to, da laserskega oddajnika ne prekrmilimo niti z enosmernim izvorom, niti z modulacijskimi impulzi. Pazimo tudi na polariteto izvorov, ker ima laserski oddajnik plus (+) pol napajanja na ohišju, sprejemnik pa minus (-) pol napajanja na ohišju. Optična vlakna laserja, PIN-FET sprejemnika in sklopnika so sicer zaščitena, vendar še vedno zahtevajo pazljivejše ravnanje, še posebno FC konektorji na koncih vlaken. Ker imajo vse laserske diode pozitivni pol napajanja na ohišju, krmilimo laserski oddajnik z negativnimi impulzi z amplitudo okoli -1.5V. Na laserski oddajnik hkrati pripeljemo enosmerno napajanje. 52