1.11.2011 2E/95
Grafické řešení: obvod s fotodiodou Zadání: Graficky určete napětí zdroje ε a zatěžovací odpor R, potřebný k dosažení požadovaného efektu změnou osvětlení: ΔI
a) získání velké proudové citlivosti obvodu ΔE , ΔU
b) získání velké napěťové citlivosti obvodu při zachování polarity napětí ΔE , ΔU
c) získání velké napěťové citlivosti obvodu 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 E1 ( = 0lx) a E2 ( ≠ 0lx). V případě E1 byla hodnota intenzity světla přibližně rovná nule, protože fotodioda byla přikrytá stínícím víčkem. Pro měření při osvětlení E2 jsme víčko odstranili a navíc zapnuli lampičku, jenž byla při měření k dispozici. Intenzita světla tedy byla větší, tím pádem E2 > E1. 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 E2, 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 E2 kvůli výpočtu hodnoty změny proudu či napětí (dle zadání). Nakonec jsme závěry grafického řešení experimentálně ověřili včetně přeměření potřebných úseků charakteristik.
Schéma zapojení: Schéma zapojení obvodu v závěrném směru fotodiody:
Schéma zapojení obvodu po přepólování, tedy v propustném směru fotodiody:
Tabulky naměřených hodnot: E1...intenzita osvětlení diody při jejím zakrytí E2...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 E1 ( = 0lx)
E2 ( ≠ 0lx)
U[V]
I[μA]
U[V]
I[μA]
-6
-42,6
-4,74
-67
-5
-36,9
-4
-59,8
-4
-26,5
-3
-54
-3
-19
-2
-50
-2
-11,8
-1
-46,3
-1
-6
-0,5
-44,7
0
0
-0,1
-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
0,334
100
0,25
-13
0,279
0
0,3
18,5
0,35
85,2
Naměřené hodnoty pro sestrojení zatěžovací přímky: Dle zadání měřeno při ε = 4V a R = 0,1 MΩ při zapojení v závěrném směru fotodiody. E1 ( = 0lx)
E2 ( ≠ 0lx)
U[V]
I[μA]
U[V]
I[μA]
-2,785
-13,2
0,113
-42,2
Naměřené hodnoty pro samostatné úlohy: UG...graficky určená hodnota napětí na fotodiodě UE...experimentálně určená hodnota napětí na fotodiodě IG...graficky určená hodnota proudu fotodiodou IE...experimentálně určena hodnota proudu fotodiodou ΔI
a) získání velké proudové citlivosti obvodu ΔE : ε
R
UG
UE
IG
IE
ΔIG
ΔIE
[V]
[kΩ]
[V]
[V]
[μA]
[μA]
[μA]
[μA]
E1 ( = 0lx) 0,5
10
-0,48
-2,9
E2 ( ≠ 0lx) 0,5
10
-0,08
-42,5
39,6 ΔU
b) získání velké napěťové citlivosti obvodu při zachování polarity napětí ΔE : ε
R
UG
UE
IG
IE
ΔUG
ΔUE
[V]
[kΩ]
[V]
[V]
[μA]
[μA]
[V]
[V]
E1 ( = 0lx)
4
80
-2,66
-16,7
E2 ( ≠ 0lx)
4
80
-0,45
-44,4
2,21
ΔU
c) získání velké napěťové citlivosti obvodu ΔE : ε
R
UG
UE
IG
IE
ΔUG
ΔUE
[V]
[kΩ]
[V]
[V]
[μA]
[μA]
[V]
[V]
E1 ( = 0lx) 3,5
100
-2,18
-13,1
E2 ( ≠ 0lx) 3,5
100
0,14
-36,4
2,32
d) změny polarity napětí na fotodiodě: ε
R
UG
UE
IG
IE
[V]
[kΩ]
[V]
[V]
[μA]
[μA]
E1 ( = 0lx)
2
100
-1,26
-7,6
E2 ( ≠ 0lx)
2
100
0,22
-22,5
e) změny směru proudu v obvodu: ε
R
UG
UE
IG
IE
[V]
[kΩ]
[V]
[V]
[μA]
[μA]
E1 ( = 0lx) 0,1
2
0,11
2,2
E2 ( ≠ 0lx) 0,1
2
0,02
-40,7
Výpočty: Výpočet průsečíků zatěžovací přímky se souřadnicovými osami: ε = 4V R = 0,1 MΩ = 1.105 Ω UF = -ε = - 4V
ε 4 −5 I =− =− =−4.10 =−40 μA 5 R 1.10
Výpočty průsečíků zatěžovací přímky se souřadnicovými osami pro samostatné úlohy: ΔI
a) získání velké proudové citlivosti obvodu ΔE : ε = 0,5V R = 10 kΩ = 1.104 Ω UF = -ε = - 0,5V
ε 0,5 I =− =− =−5.10−5=−50 μA 4 R 1.10
ΔU
b) získání velké napěťové citlivosti obvodu při zachování polarity napětí ΔE : ε = 4V R = 80 kΩ = 8.104 Ω UF = -ε = - 4V
ε 4 I =− =− =−5.10−5=−50 μA 4 R 8.10 ΔU
c) získání velké napěťové citlivosti obvodu ΔE : ε = 3,5V R = 100 kΩ = 1.105 Ω UF = -ε = - 3,5V
ε 3,5 I =− =− =−3,5 .10−5=−35 μA 5 R 1.10
d) změny polarity napětí na fotodiodě: ε = 2V R = 100 kΩ = 1.105 Ω UF = -ε = - 2V
ε 2 −5 I =− =− =−2.10 =−20 μA 5 R 1.10
e) změny směru proudu v obvodu: ε = 0,1V R = 2 kΩ = 2.103 Ω UF = -ε = - 0,1V
ε 0,1 −5 I =− =− =−5.10 =−50 μA 3 R 2.10
Zhodnocení měření: Nejprve jsme sestrojili volt-ampérové charakteristiky fotodiody pro dvě různé intenzity osvětlení, a to E1 ( = 0lx) a E2 ( ≠ 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
