Fotodioda ve fotovodivostním a fotovoltaickém režimu OPTRON

Transkript

1 Cvičení 13 Fotodioda ve fotovodivostním a fotovoltaickém režimu OPTRON Přenosová charakteristika optronu Dynamické vlastnosti optronu Elektronické prvky A2B34ELP

2 cv.13/str.2

3 cv.13/str.3

4 Fotodioda fotovodivostní režim Fotodioda zapojena jako spotřebič zdroj napětí + R z Určete pracovní bod fotodiody v obvodu při U CC =5V, R Z =150kΩ a intenzitě osvětlení 2mW.cm -2 U AK +I A. R Z +U CC = 0 cv.13/str.4

5 Fotodioda fotovodivostní režim Fotodioda zapojena jako spotřebič zdroj napětí + R z Určete pracovní bod fotodiody v obvodu při U CC =5V, R Z =150kΩ a intenzitě osvětlení 2mW.cm -2 U AK +I A. R Z +U CC = 0 U AK = 5 I A U AK = U I A = 0 I A = U CC /R U AK =0 cv.13/str.5

6 Fotodioda fotovodivostní režim Fotodioda zapojena jako spotřebič zdroj napětí + R z Určete pracovní bod fotodiody v obvodu při U CC =5V, R Z =150kΩ a intenzitě osvětlení 2mW.cm -2 P 0 = [ 3 V ; 14 µa] P 0 cv.13/str.6

7 Fotodioda fotovoltaický režim Fotodioda zapojena jako zdroj + R z Určete pracovní bod fotodiody v obvodu při R Z =10kΩ a intenzitě osvětlení 5mW.cm -2 I A. R Z +U AK = 0 U AK = I A cv.13/str.7

8 Fotodioda fotovoltaický režim Fotodioda zapojena jako zdroj + R z Určete pracovní bod fotodiody v obvodu při R Z =10kΩ a intenzitě osvětlení 5mW.cm -2 P 0 = [ 0,24V ; 24 µa] P 0 cv.13/str.8

9 Fotodioda fotovoltaický režim Rozvaha volby optimálního R Z závislost na osvětlení (zjednodušeno) R Z = U AK / I A obecná závislost U AK U AK0 + k 1.E obecná závislost I A k 2.E k 1, k 2 jsou obecné konstanty cv.13/str.9

10 Fotodioda fotovoltaický režim Rozvaha volby optimálního R Z závislost na osvětlení (zjednodušeno) R Z = U AK / I A R Z (U AK0 + k 1.E) / k 2.E R Z U AK0 / k 2.E + k 1 /k 2 obecná závislost U AK U AK0 + k 1.E konstanta konstanta R Z k / E obecná závislost I A k 2.E k, k 1, k 2 jsou obecné konstanty cv.13/str.10

11 Fotodioda fotovoltaický režim Rozvaha volby optimálního R Z závislost na osvětlení (zjednodušeno) R Z k / E hyperbolická závislost na intenzitě osvětlení E ve skutečnosti dynamická zátěž řízená mikroprocesorem obecná závislost U AK U AK0 + k 1.E obecná závislost I A k 2.E k, k 1, k 2 jsou obecné konstanty cv.13/str.11

12 Fotovoltaický panel - příklad cv.13/str.12

13 I F [A] Fotovoltaický panel - příklad P [W] Příklad charakteristik a volba optimálního R Z pro různá osvětlení E=1000W/m 2 E=800W/m 2 E=600W/m 2 maximální výkon při daném osvětlení U F [V] cv.13/str.13

14 I F [A] Fotovoltaický panel - příklad P [W] Příklad charakteristik a volba optimálního R Z pro různá osvětlení E=1000W/m 2 E=800W/m 2 P 0 = [ 28V ; 7,4A], R Z = 3,8 [Ω] E=600W/m 2 P 0 = [ 27V ; 6,0A], R Z = 4,5 [Ω] P 0 = [ 26V ; 4,4A], R Z = 5,9 [Ω] maximální výkon při daném osvětlení odpovídající pracovní bod při daném osvětlení U F [V] cv.13/str.14

15 OPTRON Přenosová charakteristika optronu Dynamické vlastnosti optronu cv.13/str.15

16 cv.13/str.16

17 cv.13/str.17

18 cv.13/str.18

19 cv.13/str.19

20 Měřící přípravek s optronem cv.13/str.20

21 Měřící přípravek s optronem 4N25 cv.13/str.21

22 I C [ma] Přenosová charakteristika optronu I U A R CC C I C R B 5 4 I CMAX = (U CC - U CEsat ) /R C Proudový přenosový poměr Current Transfer Ratio CTR = I C / I A * 100 (%) I A [ma] cv.13/str.22

23 Přenosová charakteristika optronu Změřte závislost I C = f (I A ) při R D = 1kΩ a R C = 1kΩ Proud I C odečtěte jako úbytek napětí na odporu R C = 1kΩ ( I C = U rc / R C ) a) R B = b) R B = 100kΩ Ochrana před přepólováním napájení Stabilizace napětí U CC U 1 R D = 1kΩ R C = 1kΩ 7805 I A I C U Rc +5V U CC D V R B cv.13/str.23

24 Zapojení měření přenosové charakteristiky optronu U 1 R D = 1kΩ R C = 1kΩ U Rc +5V 7805 I A I C U CC D V R B U Rc +10V U 1 cv.13/str.24

25 Přenosová charakteristika optronu Výsledky zaznamenejte do formuláře Excel: cv.13/str.25

26 Optron jako spínač, definice spínacích časů R D I A R C I C U 1 U AK U CE U CC I A I C LED svítí I CMAX = (U CC - U CEsat ) /R C 50% LED nesvítí R B t 90% I CMAX t d - doba zpoždění t r - doba náběhu t s - doba přesahu U CE t d t r U CC Tranzistor sepnutý t s t f t Tranzistor vypnutý 10% I CMAX 90% U CC t f - doba poklesu (týlu) Terminologie odpovídá průběhu proudu I C t on t off 10% U CC t cv.13/str.26

27 Optron jako spínač, definice spínacích časů R D I A R C I C U 1 U AK U CE U CC I A LED svítí I CMAX = (U CC - U CEsat ) /R C 50% LED nesvítí R B t I C 90% I CMAX t d t r t d - doba zpoždění (delay time) t s t f 10% I CMAX Dáno konečnou rychlostí injekce a následné rekombinace nosičů v LED (vyzáření energie ve formě fotonu) a konečnou dobou průletu minoritních nosičů bází tranzistoru t cv.13/str.27

28 Optron jako spínač, definice spínacích časů R D I A R C I C U 1 U AK U CE U CC I A LED svítí I CMAX = (U CC - U CEsat ) /R C 50% LED nesvítí R B t I C 90% I CMAX t d t r t r - doba náběhu (rise time) t s t f 10% I CMAX Nárůst kolektorového proudu z 10% na 90% maximální hodnoty Přechod tranzistoru z aktivního režimu do saturace t cv.13/str.28

29 Optron jako spínač, definice spínacích časů R D I A R C I C U 1 U AK U CE U CC I A LED svítí I CMAX = (U CC - U CEsat ) /R C 50% LED nesvítí R B t I C 90% I CMAX t d t r t s - doba přesahu (storage time) t s t f 10% I CMAX Saturační zpoždění Odsávání minoritních nosičů z báze do kolektoru, rekombinace minoritních nosičů v bázi t cv.13/str.29

30 Optron jako spínač, definice spínacích časů R D I A R C I C U 1 U AK U CE U CC I A LED svítí I CMAX = (U CC - U CEsat ) /R C 50% LED nesvítí R B t I C 90% I CMAX t d t r t f - doba poklesu (týlu) (fall time) t s t f 10% I CMAX Pokles kolektorového proudu z 90% na 10% maximální hodnoty Pokračující odsávání a rekombinace minoritních nosičů v bázi t cv.13/str.30

31 Zjednodušené zapojení přípravku ve spínacím režimu R D R C +5V I A 7805 D V U 1 D 3 U AK U CE U CC U 1 0 U CE U 1 = +10 V U CC = +5 V 50% U 1 = -10 V R B t Ochrana před přepólováním napájení Stabilizace napětí U CC 90% U CC t d - doba zpoždění t r - doba náběhu t s - doba přesahu t f - doba poklesu (týlu) 0 t d t r t s t f 10% U CC t Terminologie odpovídá průběhu proudu I C cv.13/str.31

32 20 Vpp Ochrana LED optronu před záporným napětím U 1 R D Průběh napětí U AK na přípravku R C +5V I A 7805 D V U 1 D 3 U AK U CE U CC U 1 0 U 1 = +10 V 50% U 1 = -10 V R B t U AK U AK = +1,4 V Propustný úbytek LED optronu 0 t U AK = -0,7 V Propustný úbytek ochranné diody D 3 cv.13/str.32

33 R D Zapojení měření ve spínacím režimu R C +5V I A 7805 D V U 1 D 3 U AK U CE U CC Square 20 Vpp, 10kHz/3kHz/600Hz (dle hodnoty R C ) R B +10V U 1 U AK U CE cv.13/str.33

34 Očekávané průběhy ve spínacím režimu R D R C +5V I A 7805 D V U 1 D 3 U AK Square 20 Vpp, 10kHz/3kHz/600Hz (dle hodnoty R C ) R B U CE U CC U AK 0 U AK = +1,4 V 50% U AK = -0,7 V Propustný úbytek LED optronu t Propustný úbytek ochranné diody D 3 U CE U CC = +5 V 90% U CC 0 t d t r t s t f 10% U CC t cv.13/str.34

35 Měření spínacích časů 1 U AK Změřte závislosti t d a t r na velikostech odporů R D a R B *) Terminologie odpovídá průběhu proudu I C doba zpoždění a doba náběhu *) t d =f(r D,R B ) a t r =f(r D,R B ) při R C = 1kΩ pro R D = 100, 470, 1kΩ a R B =, 100kΩ 0 U CE U CC = +5 V 50% t 90% U CC U 1 obdélník, +/- 10V (20Vpp), 10kHz pro všechny hodnoty R D a R B R D R C +5V I A t d t r D 1 10% U CC t +10 V U 1 D 3 U AK U CE U CC Square, 20 Vpp, 10kHz R B cv.13/str.35

36 Měření vypínacích časů 1 U AK Změřte závislosti t s a t f doba přesahu a doba poklesu *) na velikostech odporů R D a R B 0 50% t *) Terminologie odpovídá průběhu proudu I C t s =f(r D,R B ) a t f =f(r D,R B ) při R C = 1kΩ pro R D = 100, 470, 1kΩ a R B =, 100kΩ U 1 obdélník, +/- 10V (20Vpp), 10kHz pro všechny hodnoty R D a R B R D U CE R C 0 +5V I A 7805 t s U CC = +5 V t f D 1 90% U CC 10% U CC t +10 V U 1 D 3 U AK U CE U CC Square, 20 Vpp, 10kHz R B cv.13/str.36

37 Měření vypínacích časů 2 U AK Změřte závislosti t s a t f na velikostech odporů R C a R B *) Terminologie odpovídá průběhu proudu I C t s =f(r C,R B ) a t f =f(r C,R B ) při R D = 100Ω pro R C = 100, 1k, 10k, 100kΩ a R B =, 100kΩ Pozn.: při malém R C nemusí být optron vybuzen do saturace U 1 obdélník, +/- 10V (20Vpp), 10kHz pro R C = 1kΩ, 3kHz pro R C = 10kΩ, 600Hz pro R C = 100kΩ R D doba přesahu a doba poklesu *) R C +5V I A U CE 0 t s 50% U CC = +5 V t f D 1 t 90% U CC 10% U CC t +10 V U 1 D 3 U AK Square 20 Vpp, 10kHz/3kHz/600Hz (dle hodnoty R C ) R B U CE U CC cv.13/str.37

38 Optron dynamické vlastnosti Výsledky zaznamenejte a vyhodnoťte ve formuláři Excel: cv.13/str.38

39 Měření spotřeby optronu ve spínacím režimu Změřte závislost spotřeby přípravku I 2 na velikostech odporů R C a R B I 2 =f(r C,R B ) při R D = 100Ω pro R C = 100, 1k, 10k, 100kΩ a R B =, 100kΩ U 1 obdélník, +/- 10V (20Vpp), 1kHz Výsledky zaznamenejte do formuláře Excel Zdůvodněte nižší spotřebu při R B = 100 kω U 1 R D R C +5V 7805 D 1 I 2 U V D 3 Square, 20 Vpp, 1kHz R B cv.13/str.39

40 Hledání optimálních hodnot odporů rezistorů Nalezněte optimální hodnoty odporů rezistorů R D, R C a R B pro přenos obdélníkového signálu např. 20kHz Hodnoty odporů volte nejen z hlediska kvality přenášeného signálu (dob sepnutí a vypnutí), ale i minimální spotřeby I 2 a minimální zátěže vstupního signálu U 1 Výsledky zaznamenejte do formuláře Excel U 1 R D R C +5V 7805 D 1 I 2 U V D 3 Square, 20 Vpp, 20kHz R B cv.13/str.40

41 Optoelektronické součástky - zdroje a detektory

42 Optoelektronické součástky - zdroje a detektory Měření vlastností vazby zdroj - detektor (LED - fotodioda nebo fotoodpor) v závislosti na jejich spektrálních charakteristikách +10V

43 Optoelektronické součástky - zdroje a detektory D1 Použité fotodiody spektrální charakteristiky D2

44 Optoelektronické součástky - zdroje a detektory D3 Použité fotodiody spektrální charakteristiky D4 Light dependent resistor

45 Optoelektronické součástky - zdroje a detektory

46 Optoelektronické součástky - zdroje a detektory LED Materiál Barva světla/záření Vlnová délka [nm] Úbytek F =20mA [V] SiC, GaN Modrá 450 3,6 GaP Zelená 565 2,2 GaAs 0,15 P 0,85 :N Žlutá 585 2,1 GaAs 0,35 P 0,65 :N, GaAs 0,6 P 0,4, GaP:Zn- O SiC/GaN + luminofor na povrchu čipu Červená 635 2,0 Bílá K * GaAs:Si Infračervené záření 820 / 900 / 950 1,5 3,6