Razvoj napetostno krmiljenega tokovnega vira za termo-optična stikala

MALJURIĆ, DALIBOR (author), Krč, Janez (mentor)

V diplomskem delu predstavimo razvoj napetostno krmiljenega tokovnega vira za termo-optična stikala. Tokovni vir služi kot poceni osnovni nadomestek za dražje in funckionalno nasičene tokovne vire, ki se uporabljajo za testiranje termo-optični stikal v fotonsko integrirani vezijh. Teh stikal je v posameznih fotonsko integriranih vezjih lahko po 50 in več kar seveda posledično tudi zahteva 50 in več tokovnih virov za en sam test le teh, saj so vsa ta stikala v posameznem vezju testirana hkrati. Če se obenem tudi zavemo, da so dandanašnji tokovni viri, ki jih najdemo v laboratorijih za fotoniko dragi, tudi po 2000 EUR in več, lahko hitro pridemo do zaključka, da je testiranje termo-optičnih stikal lahko zelo drag proces. Visoka cena tokovnih virov za gre predvsem na račun njihove visoke natančnosti in širokega razpona dodatnih funkcionalnosti, kar pa ni potrebno pri testiranju termo-optičnih stikal. Pri testiranju teh stikal je vse kar potrebujemo z vidika funkcionalnosti, kontrola toka, ki teče skozi kovinske elektrode stikala. Ta električni tok določa temperaturo, kar pa vpliva na dolžino poti svetlobe v optičnem vodniku. Na ta način spreminjamo interferenčni vzorec pri optičnem spojniku. Za natančno nastavitev temperature elektrod stikala in kvalitetno izvedbo testa je z vidika natančnosti toka, okvir 1mA že zadosten. S tem funkcionalnim osiromašenjem in nižanju natančnosti tokvnemu viru, lahko prihranimo precej denarja. Razviti tokovni vir je štiri-kanalni napetostno-krmiljen tokovni vir, ki lahko napaja bremena do upornosti 50Ω s tokom v razponu od 1-200mA. Sama kontrola toka poteka prek zaslona na dotik, ki ima preprost grafični vmesnik, prek katerega lahko uporabnik nadzira tok, ki teče skozi breme oz. elektrode. Ker je tokvni vir štiri-kanalni lahko na tokovni vir hkrati priklopimo štiri bremena, kar nam omogoča , da lahko testirajo določeno število termo optičnih stikal z manjšim številom tokovinh virov. Tokvni vir s preprosto strojno in programsko zasnovo doseže natančnost krepko znotraj okvira 1mA in tudi dobro tokovno stabilnost. Ta strojna in programska zasnova sta podrobno opisani v jedru diplomskega dela, kjer je pri strojnem delu poudarek na izboru komponent in njihovi implementaciji. Pri razvoju programskega dela pa je poudarek na razlagi kode, ki skrbi za nemoteno delovanje grafičnega vmsenika in negtivne povratne zanke, ki skrbi za nemoten nadtzor toka. Strojna oprema temelji na vezju osnovnega tokvnega vira z operacijskim ojačevalnikom. To osnovno vezje je temelj okrog katerega je zrasel končni izdelek. Samo vezje je razširjeno na podalgi zahtev, ki smo jih postavili na začetku. Osrednji del predstavlja mikrokrmilnik Arduino Due, ki je poceni in funkcionlano bogat čip. Obenem je tudi zelo preprost kar se tiče same vezave in programiranja. Veliko bolj kopmleksen je bil sam razvoj vezja s katerim je Arduino Due upravljal, to je vezje za nadzor in merjenje toka. Vezje za nadzor in merjenje toka temelji poleg na vezju za osnvni tokovni vir z operacijskim ojačevalnikom tudi vrsto drugih integriranih vezij. Med njimi so digitalno analogni pretvornik, digitalni potenciometri, inštumentacijski ter operacijski ojačevalniki. MCP4728 analogno digitalni pretvornik je uporabljen za pretvarjanje digitalnih signalov Arduina v analogne napetostne signale za nadzor toka. Ta tok je merjen s pomočjo AD8226 inštrumentacijkih ojačevalnikov, ki merijo padec napetosti na znanem uporu skozi katerega ta tok teče. Za vsak kanal je potreben eden izmed teh inštrumentacijskih ojačevalnikov. Poleg merjenja toka, ki teče skozi breme je implementirano tudi merjenje napetosti bremena, to je predvsem namenjeno za izpljavo upornosti bremen iz ohmovega zakona, saj je informacija o upornosti elektrod dobrodošla. Samo merjene napetsoti je izvedeno s pomočjo napetostnega delilnika in operacijskega ojačevalnika z enotnim ojačanjem. To je potrebno za merjenje saj napetosti na bremenu presegajo 3.3V kar je najvišja možna napetost, ki jo lahko merimo Arduinom Due. Operacijski ojačevalnik, ki je uprabljen je OPA197. Poleg že naštetih integrarianih vezij so tu še X9C102 digitalni potenciometri. Ti potenciomteri služijo za spreminjanje razpona bremena. Vsa ta integrirana vezja so medseboj povezana na dvoslojni tiskanini, ki je zasnovana skupaj s shemo v Eagle-u. Razvoj strojne opreme obsega tudi kalibracijo ojačanja inštrumentacijskega ojačevalnika. Inštrumentacijski ojačevalnik AD8226 ojača padec napetsoti na merilnem uporu za določen faktor, ki je določen z enačbo podano v podatkovnem listu od AD8226 inštrumentacijskega ojačevalnika. Ta faktor je odvisen od velikost upora, ki ga zvežemo skupaj z Rg pini od AD8226 inštrumentacijskega ojačevalnika. Izračunana vrednost je samo teoretičen rezultat. S pomočjo kalibracije, ki je izvedena s pomočjo digitalnega multimetra Xindar DB2000 in programske opreme Octave dobimo boljši približek pravi vrednosti. Glede na to, da možgani tokovnega vira temeljijo na Arduinu Due je tudi sama programska oprema razvita v programskem okolju Arduino. Večina programske kode opravlja razne funkcije povezane z grafičnim uprabniškim vmsenikom. Od prikazovanja raznih parametrov in gumbov na zaslonu do samega branja zaslona in njegove posodobitve. Grafični vmsesnik je dokaj preprost, omogoča le spremebe željenega toka in sicer po korakih 1mA in 10mA ter nastavitve razpona bremena. Vmesnik je razdeljen na pet strani. Prva stran je domača stran in prikazuje vse štiri kanale, če so ti vključeni in koliko toka teče skozi njih. Potem so še štiri strani namenjene za vsak kanal posebej, kjer je možno spreminjati tok za vsak kanal posebej, spremnijati razpon bremen ter tudi beleženje toka skozi breme ter njegove upornosti in napetosti. Glede nadzora toka je vse skupaj izvršeno s pomočjo povratne zanke, kjer tokovni vir popravlja napako med referenčnim tokom (beri: željeni tok) in dejanskim tokom, ki teče skozi breme. Sama napaka je pomnožena z konstanto, ki omogoča tokovnemu viru veliko hitrejšo korekcijo. Končni izdelek je bil testiran s številnimi testi, ki so bili zasnovani, da podajo odgovor z visoko gotovostjo na vprašanje, če tokovni vir ustreza začetnim zahtevam. Vsi testi so opravljeni s pomočjo Kiethely 2401 merilne enote, ki nam omogoča natančno merjenje toka. Območje in natančnost tokovnega vira sta zaenkrat preverjena z enostavnim testom. Test obsega povečevanje referenčnega toka za 1mA skozi celoten 200mA tokovni razpon. Test je opravljen za vse štiri kanale hkrati in je tudi opravljen s tremi različnimi bremeni za vsak kanal posebej. Vsako izmed bremen spada v enega izmed bremesnkih razponov. Končni rezultati testa kažejo na uspešnost tokovnega vira saj pri nekaterih testih tudi presega začetne zahteve, kot na primer natančnost. Poleg testiranje dometa in natančnosti je opravljen tudi test s spremenljivo upornostjo. Sam tokovni vir mora biti sposoben vzdrževati konstanten tok skozi breme tudi, ko breme spreminja svojo upornost. Tudi pri tem testu je bil tokovni vir uspešen, saj tudi pri hipnih spremembah upornosti, kjer so spremebe upornosti tudi po 50Ω, vzdrži relativno konstanten tok.

• Language: English
• Keywords: tokovni vir, napetostno krmiljen, termo-optična stikala, Arduino, grafični uporabniški vmesnik
• Work type: Bachelor thesis/paper
• Organization: FE - Faculty of Electrical Engineering
• Year: 2017
• PID: 20.500.12556/RUL-96287
• Publication date in RUL: 28.09.2017

Secondary language

• Language: Slovenian
• Title: Development of voltage controlled current source for thermo-optic switches

Abstract

In this bachelor thesis we describe the development of a voltage controlled current source for thermo-optic switches. The developed multichannel current source which supplies 200mA of current to loads up to 50Ω is a cheap and basic substitute for relatively expensive and functionally over saturated current sources that are used for testing thermo-optic switches in photonic labs. The development of the current source is divided into two major parts; the hardware part where the development of the design takes focus which is brought to life with a design of a two layer printed circuit board at the end. And also the second software part which focuses on the development of a simple graphical user interface with which we can control the current and the development of a feedback loop to control that current. The end product that erects from this development undergoes a final evaluation where it is subjected to multiple tests that determine the final success of the current source.

• Keywords: current source, voltage controlled, thermo-optic switches, Arduino, graphical user interface