Sprawozdanie 7 Aie Sp1 - Badanie fotodiody i fotorezystora PDF

Preview

Summary

Badanie fotodiody i fotorezystora...

Description

UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNOPRZYRODNICZY IM. J. I J. ŚNIADECKICH W BYDGOSZCZY

WYDZIAŁ TELEKOMUNIKACJI, INFORMATYKI I ELEKTROTECHNIKI

ZAKŁAD METROLOGII I PODSTAW ELEKTROTECHNIKI

WSTĘP DO ELEKTROTECHNIKI I ELEKTRONIKI

SPRAWOZDANIE Z ĆWICZENIA NR 7 Temat ćwiczenia: Badanie fotodiody i fotorezystora Autor sprawozdania

Grupa ćwiczeniowa

Grzegorz Ciechelski

2

/imię i nazwisko/

Podpis autora sprawozdania

Data wykonania ćwiczenia

……………………………….

16.12.2020

Ocena za sprawozdanie Data przyjęcia sprawozdania ..............................

Spis treści

...............................................

1

Cel ćwiczenia.........................................................................................................3

2

Przebieg ćwiczenia................................................................................................4 2.1. Wyznaczanie charakterystyki oświetleniowej fotorezystora..........................4 a)

Pomiary.......................................................................................................4

b)

Analiza........................................................................................................5

2.2. Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej fotorezystora...............6 a)

Pomiary.......................................................................................................6

b)

Analiza........................................................................................................7

2.3. Wyznaczanie charakterystyk dynamicznych fotorezystora............................8 a)

Dioda elektroluminescencyjna przełączana sygnałem sterującym o

częstotliwości 1 Hz..........................................................................................................8 b)

Dioda elektroluminescencyjna przełączana sygnałem sterującym o

częstotliwości 9,766 Hz...................................................................................................9 c)

Dioda elektroluminescencyjna przełączana sygnałem sterującym o

częstotliwości 103,3 Hz.................................................................................................10 d)

Analiza......................................................................................................11

2.4. Wyznaczanie charakterystyk dynamicznych fotodiody...............................12 a)

Dioda elektroluminescencyjna przełączana sygnałem sterującym o

częstotliwości 102,5 Hz.................................................................................................13 b)

Dioda elektroluminescencyjna przełączana sygnałem sterującym o

częstotliwości 954,2 Hz.................................................................................................13 c)

Dioda elektroluminescencyjna przełączana sygnałem sterującym o

częstotliwości 9328,4 Hz...............................................................................................14 2

d)

Dioda elektroluminescencyjna przełączana sygnałem sterującym o

częstotliwości 49020 Hz................................................................................................15 e) 3

Analiza......................................................................................................16

Wnioski................................................................................................................17

Spis literatury.............................................................................................................17

1 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z charakterystykami podstawowych elementów optoelektronicznych.

2 Przebieg ćwiczenia 2.1. Wyznaczanie charakterystyki oświetleniowej fotorezystora a) Pomiary Układ połączono według schematu:

+Vcc1

+Vcc2

C1

ZW2 R1 R3 LED

R2

T

mA

RF

Ω

D

Źródło światła o nastawnej światłości

Badanie fotorezystora

Rysunek 1. Schemat układu do badania charakterystyki rezystancyjno-oświetleniowej fotorezystora [1] 3

Wyniki pomiarów zestawiono w tabeli:

4

Tabela 1. Tabela pomiarowa do wyznaczenia charakterystyki rezystancyjno-oświetleniowej fotorezystora [1]

Lp.

-

IF_LED

mA

RF

kΩ

1 0 46,5

2

3

4

5

6

7

1,49

2,96

4,98

8,85

5,62

4,02

8

9

7,44

10,02

14,96

17,5

20,0

3,120

2,612

2,078

1,910

1,783

b) Analiza Charakterystyka rezystancyjno-oświetleniowy prezentuje się następująco:

RF = f(IF_LED)

RF [kΩ]

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

IF_LED [mA]

Rysunek 2. Charakterystyka rezystancyjno-oświetleniowa fotorezystora

Z wykresu widać, że ze wzrostem natężenia światła rezystancja maleje. Największy spadek obserwujmy na początku wykresu, czyli gdy fotorezystor znajdujący się w ciemni zaczynamy naświetlać.

2.2. Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej fotorezystora a) Pomiary

5

Układ połączono według schematu: Rysunek 3. Schemat układu do wyznaczenia charakterystyki prądowo napięciowej fotorezystora [1]

+Vcc1

+Vcc2

C1

μA R1 R3 LED

R2

T

mA

RF

V

D

Źródło światła o nastawnej światłości

Badanie fotorezystora

Wyniki pomiarów zestawiono w tabeli:

6

Tabela 2. Tabela pomiarowa do wyznaczenia charakterystyki prądowo-napięciowej fotorezystora [1]

IRF = f(URF)

IRF = f(URF)

E = 0 lx, IF_LED = 0 mA

E ≠ 0 lx, IF_LED = 17,0 mA

URF

IRF

URF

IRF

V

μA

V

μA

28,6

0,541

327,0

2,103

65,1

1,196

665

3,018

102,2

1,793

978

3,942

144,8

2,194

1189

4,90

194,0

2,789

1505

5,77

244,3

3,312

1785

6,71

303,3

3,878

2090

7,81

342,3

4,39

2366

8,71

356,6

4,89

2644

9,00

450

5,36

2903

1,081

b) Analiza Charakterystyka prądowo-napięciowa wygląda następująco:

7

IRF = f(URF) 3500 3000

IRF [μA]

2500 2000

Oświetlony Nieoświetlony

1500 1000 500 0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

URF [V]

Rysunek 4. Charakterystyka prądowo-napięciowa fotorezystora

Z charakterystyki wynika, że fotorezystor oświetlony ma mniejszą rezystancję niż fotorezystor oświetlony, ponieważ przy takim samym wzroście napięcia natężenie prądu wzrasta bardziej dla fotorezystora oświetlonego.

2.3. Wyznaczanie charakterystyk dynamicznych fotorezystora

Rysunek 5. Schemat ideowy do badania właściwości +Vcc2 dynamicznych fotorezystora [1]

+Vcc1

C1

ZW2 R1 R3

LED

R2

T

Y X

RF

X Y

D

Źródło światła o nastawnej światłości

Badanie fotorezystora

Układ połączono według schematu:

8

a) Dioda elektroluminescencyjna przełączana sygnałem sterującym o częstotliwości 1 Hz Wykres URF(t) wygląda następująco:

URF(t), UCC1(t) 15

8 7

10

UCC1 [V]

5

-1.5

-1

-0.5

0

5 0

0.5

1

1.5

4 3

-5

URF [V]

6

2 -10

1

-15

0

t [s] Sygnał sterujący

Napięcie na fotorezystorze

Rysunek 6. Wykres napięcia na fotorezystorze przy sygnale sterującym diodę elektroluminescencyjną o częstotliwości 1 Hz

Odczytane informacje z wykresu zestawiono w tabeli: Tabela 3. Dane odczytane z przebiegu spadku napięcia na fotorezystorze i sygnale sterującym o częstotliwości 1 Hz [1]

f = 1 Hz T = 1 s

Ucc1 = 12,2 V

tr = 28 ms

tf = 16ms

b) Dioda elektroluminescencyjna przełączana sygnałem sterującym o częstotliwości 9,766 Hz Wykres URF(t) wygląda następująco:

9

URF(t), UCC1(t) 15 10

8 7

-300

-250

-200

-150

-100

0

-50

5 0

-5

4 3

URF [V]

UCC1 [V]

6 5

2 -10 -15 Sygnał sterujący

1 0

t [ms]

Napięcie na fotorezystorze

Rysunek 7. Wykres napięcia na fotorezystorze przy sygnale sterującym diodę elektroluminescencyjną o częstotliwości 9,766 Hz

Odczytane informacje z wykresu zestawiono w tabeli: Tabela 4. Dane odczytane z przebiegu spadku napięcia na fotorezystorze i sygnale sterującym o częstotliwości 9,766 Hz [1]

f = 9,766 Hz T = 102,4 ms

Ucc1 = 12,2 V

tr = 24,8 ms

tf = 12,4ms

c) Dioda elektroluminescencyjna przełączana sygnałem sterującym o częstotliwości 103,3 Hz Wykres URF(t) wygląda następująco:

10

15

5.5

10

5 4.5

5 -15

-10

-5

4

0

0 -5

5

15 3.5

10

3

-10

2.5

-15

2

URF [V]

UCC1 [V]

URF(t), UCC1(t)

t [ms] Sygnał sterujący

Napięcie na fotorezystorze

Rysunek 8. Wykres napięcia na fotorezystorze przy sygnale sterującym diodę elektroluminescencyjną o częstotliwości 103,3 Hz

Odczytane informacje z wykresu zestawiono w tabeli: Tabela 5. Dane odczytane z przebiegu spadku napięcia na fotorezystorze i sygnale sterującym o częstotliwości 103,3 Hz [1]

f = 103,3 Hz T = 9,68 ms

Ucc1 = 11,6V

tr = -

tf = -

d) Analiza Przy założeniu, że czas narastania tr to czas, po którym napięcie na fotorezystorze wzrośnie od wartości minimalnej (3,66 V) o 90% różnicy pomiędzy napięciem maksymalnym (5,24 V), a napięciem minimalnym na fotorezystorze, czyli czas wzrastania od 3,66 V do 5,082 V, a czas opadania tf to czas, po którym napięcie na fotorezystorze spadnie od wartości maksymalnej o 90 % różnicy pomiędzy napięciem maksymalnym, a napięciem minimalnym na fotorezystorze, czyli czas opadania od 5,24 V do 3,818 V możemy wysunąć następujące wnioski: 

Dla częstotliwości o wartości 1 Hz sygnału sterującego diodą elektroluminescencyjną czas narastania i opadania jest stosunkowo mały w porównaniu z czasem, jaki napięcie na fotorezystorze jest w stanie ustalonym (napięcie przyjmuje maksymalną lub minimalną wartość)

11



W przypadku częstotliwości o wartości 9,766 Hz sygnału sterującego diodą elektroluminescencyjną czas opadania i czas narastania napięcia na fotorezystorze przyjmuje podobną wartość, co czas stanu ustalonego.



Dla częstotliwości o wartości 103,3 Hz sygnału sterującego diodą elektroluminescencyjną napięcie na fotorezystorze nie osiąga stanu ustalonego, ponieważ zmiany sygnału sterującego diodą są za szybkie dla fotorezystora. Spadek napięcia na fotorezystorze zamiast osiągać wartości od 3,66 V do 5,24 V osiąga wartości od 3,86 V do 4,74 V.

2.4. Wyznaczanie charakterystyk dynamicznych fotodiody Układ połączono według schematu:

+Vcc1

+Vcc2

C1 R1

DF

Y X

LED

R2

C2

T

R4

X Y

D ZW4 Źródło światła o nastawnej światłości

Badanie fotodiody

Rysunek 9. Schemat ideowy do badania właściwości dynamicznych fotodiody pracującej, jako detektor [1]

W tym układzie przebieg napięcia fotodiody reprezentowany jest przez przebieg napięcia na rezystorze R4.

12

a) Dioda elektroluminescencyjna przełączana sygnałem sterującym o częstotliwości 102,5 Hz Wykres UR4(t) wygląda następująco:

UR4(t), UCC1(t) 15

1.2

10

1

UCC1 [V]

0.6 -15

-10

0

-5

0

5

10

15

-5

0.4

UR4 [V]

0.8

5

0.2

-10

0

-15

-0.2

t [ms] Sygnał sterujący

Napięcie na rezystorze R4

Rysunek 10. Wykres napięcia na fotodiodzie przy sygnale sterującym diodę elektroluminescencyjną o częstotliwości 102,5 Hz

Odczytane informacje z wykresu zestawiono w tabeli: Tabela 6. Dane odczytane z przebiegu spadku napięcia na fotorezystorze i sygnale sterującym o częstotliwości 102,5 Hz [1]

f = 102,5 Hz T = 9,76 ms

Ucc1 = 12,2V

tr = 40 μs

tf = 80 μs

b) Dioda elektroluminescencyjna przełączana sygnałem sterującym o częstotliwości 954,2 Hz Wykres UR4(t) wygląda następująco:

13

UR4(t), UCC1(t) 15

1.4 1.2

10

1

-1000

-500

0.8

0 0

500

1000

1500

0.6 2000

UR4 [V]

UCC1 [V]

5

0.4

-5

0.2 -10

-15

0

tr

tf

-0.2

t [μs] Sygnał sterujący

Napięcie na rezystorze R4

Rysunek 11. Wykres napięcia na fotodiodzie przy sygnale sterującym diodę elektroluminescencyjną o częstotliwości 954,2 Hz

Odczytane informacje z wykresu zestawiono w tabeli: Tabela 7. Dane odczytane z przebiegu spadku napięcia na fotorezystorze i sygnale sterującym o częstotliwości 954,2 Hz [1]

f = 954,2 Hz T = 1048 μs

Ucc1 = 12,3V

tr = 10 μs

tf = 10 μs

c) Dioda elektroluminescencyjna przełączana sygnałem sterującym o częstotliwości 9328,4 Hz Wykres UR4(t) wygląda następująco:

14

15

1.2

10

1 0.8

5 0 500 -5

0.6 550

600

650

700

750

800 0.4 0.2

-10

tr

UR4 [V]

UCC1 [V]

UR4(t), UCC1(t)

0

tf

-0.2

-15

t [μs] Sygnał sterujący

Napięcie na rezystorze R4

Rysunek 12. Wykres napięcia na fotodiodzie przy sygnale sterującym diodę elektroluminescencyjną o częstotliwości 9328,4 Hz

Odczytane informacje z wykresu zestawiono w tabeli: Tabela 8. Dane odczytane z przebiegu spadku napięcia na fotorezystorze i sygnale sterującym o częstotliwości 9328,4 Hz [1]

f = 9328,4 Hz T = 107,2 μs

Ucc1 = 12,3V

tr = 7,6 μs

tf = 8,3 μs

d) Dioda elektroluminescencyjna przełączana sygnałem sterującym o częstotliwości 49020 Hz Wykres UR4(t) wygląda następująco:

15

15

1

10

0.8

5

0.6

0

590

600

610

620

630

640

650

660

0.4 670

-5 -10

0.2

tr

UR4 [V]

UCC1 [V]

UR4(t), UCC1(t)

0

tf

-15

-0.2

t [μs] Sygnał sterujący

Napięcie na rezystorze R4

Rysunek 13. Wykres napięcia na fotodiodzie przy sygnale sterującym diodę elektroluminescencyjną o częstotliwości 49020 Hz

Odczytane informacje z wykresu zestawiono w tabeli: Tabela 9. Dane odczytane z przebiegu spadku napięcia na fotorezystorze i sygnale sterującym o częstotliwości 49020 Hz [1]

f = 49020 Hz T = 20,4 μs

Ucc1 = 12,2V

tr = 7,9 μs

tf = 7,2 μs

e) Analiza Przy założeniu, że czas narastania tr to czas, po którym napięcie na fotorezystorze wzrośnie od wartości minimalnej (0,01 V) o 90% różnicy pomiędzy napięciem maksymalnym (0,79 V), a napięciem minimalnym na fotorezystorze, czyli czas wzrastania od 0,01 V do 0,712 V, a czas opadania tf to czas, po którym napięcie na fotorezystorze spadnie od wartości maksymalnej o 90 % różnicy pomiędzy napięciem maksymalnym, a napięciem minimalnym na fotorezystorze, czyli czas opadania od 0,79 V do 0,088 V możemy wysunąć następujące wnioski: 

Dla częstotliwości o wartości 102,5 Hz fotodioda z łatwością nadąża z szybkim przełączaniem diody elektroluminescencyjnej. Przy podobnej 16

wartości częstotliwości fotorezystor nie nadążał za zmianami sygnału sterującego diodą świecącą. 

W przypadku częstotliwości o wartości 954,2 Hz sygnału sterującego diodą elektroluminescencyjną fotodioda również radzi sobie z łatwością.



Dopiero dla przy 9328,4 Hz na wykresie widoczny jest łuk związany z narastaniem napięcia na rezystorze R4. Jest to jednak wciąż za mała częstotliwość, aby fotodioda nie nadążała za zmianami przesterowania diody świecącej.



Dla częstotliwości o wartości 49020 Hz napięcie na rezystorze R4 osiąga próg 90 %, lecz nie osiąga maksymalnej wartości napięcia. Można stwierdzić, że taka wartość częstotliwości jest już za duża, aby fotodioda mogła swobodnie działać.

3 Wnioski Rezystancja fotorezystora zmniejsza się wraz z jego naświetlaniem. Fotodioda w ciemni zachowuje się jak dioda prostownicza, lecz po naświetleniu jej zmniejsza się jej rezystancja w kierunku zaporowym. Fotodioda może pracować z większymi częstotliwościami niż fotorezystor.

Spis literatury 1. Łukasz Mazur, Instrukcja do ćwiczenia nr 7, „Badanie fotodiody i fotorezystora”

17...