Grafické řešení: obvod s fotodiodou

Transkript

1 E/95 Grafické řešení: obvod s fotodiodou Zadání: Graficky určete napětí zdroje ε a zatěžovací odpor R, potřebný k dosažení požadovaného efektu změnou osvětlení: a) získání velké proudové citlivosti obvodu ΔI ΔE, b) získání velké napěťové citlivosti obvodu při zachování polarity napětí ΔU ΔE, c) získání velké napěťové citlivosti obvodu ΔU ΔE, d) změny polarity napětí na fotodiodě, e) změny směru proudu v obvodu. Postup při měření: Nejprve jsme měřili volt-ampérové charakteristiky fotodiody pro dvě různé intenzity osvětlení, a to E 1 ( = 0lx) a E 2 ( 0lx). V případě E 1 byla hodnota intenzity světla přibližně rovná nule, protože fotodioda byla přikrytá stínícím víčkem. Pro měření při osvětlení E 2 jsme víčko odstranili a navíc zapnuli lampičku, jenž byla při měření k dispozici. Intenzita světla tedy byla větší, tím pádem E 2 > E 1. Nejprve jsme zapojili obvod podle námi předem připraveného schématu pro zapojení fotodiody v závěrném směru. V obvodu se vyskytoval také rezistor o odporu 50 kω. V tomto zapojení jsme tedy měřili VA charakteristiku pro I < 0. Pro získání hodnot v prvním kvadrantu (U > 0 I > 0) jsme ovšem museli obrátit polaritu zdroje. Proud byl v tomto případě tedy kladný a jednalo se o zapojení fotodiody v propustném směru. Následně jsme nastavili na zdroji napětí ε = 4V, zároveň zapojili do obvodu rezistor R = 0,1MΩ a naměřili dva body, pro E 1 i E 2, které nám umožnily sestrojení zatěžovací přímky. Zatěžovací přímku jsme určili také numericky, viz. níže a zanesli ji do grafu. Dalším úkolem bylo grafické určení napětí zdroje ε a zatěžovacího odporu R, potřebného k dosažení požadovaného efektu změnou osvětlení. Pro všechny případy a) e) jsme do grafu zanesli jednotlivé zatěžovací přímky, které daný efekt splňovaly a z hodnot průsečíků se souřadnicovými osami jsme následně spočítali hledané napětí zdroje ε a hodnotu odporu R. Dále bylo zapotřebí z grafu odečíst souřadnice průsečíků zatěžovacích přímek s křivkami E 1 a E 2 kvůli výpočtu hodnoty změny proudu či napětí (dle zadání). Nakonec jsme závěry grafického řešení experimentálně ověřili včetně přeměření potřebných úseků charakteristik.

2 Schéma zapojení: Schéma zapojení obvodu v závěrném směru fotodiody: Schéma zapojení obvodu po přepólování, tedy v propustném směru fotodiody:

3 Tabulky naměřených hodnot: E 1...intenzita osvětlení diody při jejím zakrytí E 2...intenzita osvětlení diody při jejím odkrytí a při působení světla z lampičky, jenž byla při měření k dispozici Naměřené hodnoty pro sestrojení charakteristiky fotodiody: Naměřené hodnoty pro zapojení obvodu v závěrném směru fotodiody Naměřené hodnoty pro zapojení obvodu v propustném směru fotodiody E 1 ( = 0lx) E 2 ( 0lx) U[V] I[μA] U[V] I[μA] -6-42,6-4, , , , , , ,5-44, ,1-42,3 0,05 0,9-0,05-41,8 0,1 2,3 0-41,2 0,15 5,4 0,05-39,9 0,2 12,1 0,1-38 0,25 27,6 0,15-35,2 0,3 59,2 0,2-28 0, , , ,3 18,5 0,35 85,2

4 Naměřené hodnoty pro sestrojení zatěžovací přímky: Dle zadání měřeno při ε = 4V a R = 0,1 MΩ při zapojení v závěrném směru fotodiody. E 1 ( = 0lx) E 2 ( 0lx) U[V] I[μA] U[V] I[μA] -2,785-13,2 0,113-42,2 Naměřené hodnoty pro samostatné úlohy: U G...graficky určená hodnota napětí na fotodiodě U E...experimentálně určená hodnota napětí na fotodiodě I G...graficky určená hodnota proudu fotodiodou I E...experimentálně určena hodnota proudu fotodiodou a) získání velké proudové citlivosti obvodu ΔI ε R U G U E I G I E ΔI G ΔI E [V] [kω] [V] [V] [μa] [μa] [μa] [μa] E 1 ( = 0lx) 0,5 10-0,48-2,9 E 2 ( 0lx) 0,5 10-0,08-42,5 39,6 b) získání velké napěťové citlivosti obvodu při zachování polarity napětí ΔU ε R U G U E I G I E ΔU G ΔU E [V] [kω] [V] [V] [μa] [μa] [V] [V] E 1 ( = 0lx) ,66-16,7 E 2 ( 0lx) ,45-44,4 c) získání velké napěťové citlivosti obvodu ΔU 2,21 ε R U G U E I G I E ΔU G ΔU E [V] [kω] [V] [V] [μa] [μa] [V] [V] E 1 ( = 0lx) 3, ,18-13,1 E 2 ( 0lx) 3, ,14-36,4 2,32

5 d) změny polarity napětí na fotodiodě: ε R U G U E I G I E [V] [kω] [V] [V] [μa] [μa] E 1 ( = 0lx) ,26-7,6 E 2 ( 0lx) ,22-22,5 e) změny směru proudu v obvodu: ε R U G U E I G I E [V] [kω] [V] [V] [μa] [μa] E 1 ( = 0lx) 0,1 2 0,11 2,2 E 2 ( 0lx) 0,1 2 0,02-40,7 Výpočty: Výpočet průsečíků zatěžovací přímky se souřadnicovými osami: ε = 4V R = 0,1 MΩ = Ω U F = -ε = - 4V I = ε R = = = 40 μa Výpočty průsečíků zatěžovací přímky se souřadnicovými osami pro samostatné úlohy: a) získání velké proudové citlivosti obvodu ΔI ε = 0,5V R = 10 kω = Ω U F = -ε = - 0,5V I = ε 0,5 = R = = 50 μa

6 b) získání velké napěťové citlivosti obvodu při zachování polarity napětí ΔU ε = 4V R = 80 kω = Ω U F = -ε = - 4V I = ε R = = = 50 μa c) získání velké napěťové citlivosti obvodu ΔU ε = 3,5V R = 100 kω = Ω U F = -ε = - 3,5V I = ε 3,5 = = 35 μa R = 3, d) změny polarity napětí na fotodiodě: ε = 2V R = 100 kω = Ω U F = -ε = - 2V I = ε R = = = 20 μa e) změny směru proudu v obvodu: ε = 0,1V R = 2 kω = Ω U F = -ε = - 0,1V I = ε 0,1 = R = = 50 μa

7 Zhodnocení měření: Nejprve jsme sestrojili volt-ampérové charakteristiky fotodiody pro dvě různé intenzity osvětlení, a to E 1 ( = 0lx) a E 2 ( 0lx) a poté sestrojili zatěžovací přímku pro zadané hodnoty ε a R. Zatěžovací přímku jsme sestrojili také pomocí experimentálně získaných hodnot. Z grafu je patrné, že obě verze zatěžovací přímky jsou téměř shodné, měření tedy bylo přesné. Při sestrojování zatěžovacích přímek dle zadání a) e) jsme museli brát v potaz rozsahy napětí zdroje a hodnoty odporů, které jsou v laboratoři k dispozici, abychom mohli numericky sestrojené zatěžovací přímky ověřit i experimentálně. Experimentálně a graficky určené zatěžovací přímky zhotovené dle zadání a) e) jsme opět porovnali... alternativy: b) ε = 2,5 V R = 50 kω c) ε = 1,75 V R = 50 kω d) ε = 1 V R = 50 kω