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Strom-Spannungskennlinien LED

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Inhaltsverzeichnis
Aufgabenstellung………………………………………………………………………………………………………………1
Geräte……………………………………………………………………………………………………………………………….2
Aufbau……………………………………………………………………………………………………………………………….2-3
Durchführung…………………………………………………………………………………………………………………….4
Auswertung……………………………………………………………………………………………………………………….5-8
1
Aufgabenstellung
Teil 1
Im ersten Teil dieses Versuches sollen die Strom-Spannungskennlinien von fünf
verschiedenen LEDs, sowie einer Laserdiode (LD) erfasst werden. Die LEDs und die LD
werden vom Labor bereitgestellt. Bei den LEDs soll unbedingt eine Infrarot-LED (IR) mit
unsichtbarer Strahlung untersucht werden. Aus den Daten ist die Knickspannung Ug durch
Geradenanpassung zu bestimmen.
Teil 2
Bei Teil 2 werden die Leuchtspektren der Optohalbleiter mit dem Mini-Spektrometer über
den PC dargestellt. Aus den Leuchtspektren soll die Wellenlänge ermittelt werden und
daraus die Frequenz fg = c0/ λg berechnet werden.
Teil 3
Zum Schluss sollen die Knickspannung aus Teil 1 und die Frequenz aus Teil 2 in einen
Graphen übertragen werden. Die Steigung der Ausgleichgeraden soll berechnet werden,
woraus dann die Planck-Konstante ermittelt wird. Abschließend wird die Planck-Konstante
mit dem Literaturwert verglichen.
Geräte
•
•
•
•
•
1 Optische Bank zur Aufnahme der Zentrierhalterung für die LED, mehrere StrahlAbschwächer, Strahleinkopplung und Halter für den Lichtwellenleiter
1 Lichtwellenleiter-Kabel SI 200/240μm mit F-SMA-Stecker
1 Labornetzteil: Spannungs-Stromquelle für LED
1 Mini-Spektrometer mit Labor-PC und Software
2 Digital-Multimeter zur Messung von Spannung und Strom
Aufbau
Teil 1
Aufgebaut wird die Schaltung nach dem vorgegebenen Schaltbild (Bild 2). Auf der optischen
Bank werden die jeweiligen Zentrierhalterungen fixiert. Die zu untersuchenden LEDs und die
Laserdiode werden in die Zentrierhalterung (Bild1) mit Kabel und Sockel eingesetzt.
Nacheinander werden die LEDs an die Schaltung (Bild 2) angeschlossen und gemessen.
Diodenstrom und Diodenspannung werden dabei notiert.
2
Bild 1: Zentrierhalterung mit LED, Zentrierfassung mit der LD
Bild 2: Messschaltung (4-Punkt-Methode) für Strom ID und Spannung UD.
Teil 2
Die Optische Bank ist mit den in Bild 3 zu sehenden Bauteilen zu bestücken.
Durch die optische Bank werden die Lichtstrahlen in den Lichtwellenleiter eingeleitet. An
dem Lichtwellenleiter ist ein Mini-Spektrometer angeschlossen, welches über eine SCSISchnittstellenkarte mit dem Labor-PC verbunden ist. Auf einem Monitor wird das Spektrum
in Echtzeit dargestellt.
Bild3: Zentrierhalter LED an der Einkoppeleinheit für die Einkopplung des Lichts in den
LichtWellenLeiter (LWL)
3
Durchführung
Teil 1
Nachdem die Schaltung aufgebaut ist wird das Netzteil eingeschaltet. Um konstante und
vergleichbare Werte zu erhalten, wird die Spannung auf 5,5V eingestellt und während des
gesamten Versuchs beibehalten. Der Strom wird mit Hilfe der beiden drehknöpfe „grob“ und
„fein“ in den linken Anschlag auf null gesetzt. Um den Regelbereich für den Strom 𝐼𝐷 zu
testen wird ein Kurzschluss-Tester eingesetzt.
Bei der Messung werden nacheinander die 5 LEDs in den Sockel eingesetzt. Die Laserdiode
ist schon fest in einem Sockel mit Schutzschaltung verbaut. Durch den Drehregler wird der
Diodenstrom 𝐼𝐷 in 4mA Schritten auf 20 mA erhöht. Falls kein Strom fließ, muss die Diode
umgepolt werden. Bei jedem Schritt wird Strom und Spannung und die Lichtfarbe notiert.
Für die Auswertung werden die gemessenen Werte in einem Diagramm dargestellt. Durch
lineare Regression kann die gesuchte Knickspannung 𝑈𝑔 ermittelt und dargestellt werden. Es
sollen nur werte ab 4mA berücksichtigt werden.
Teil 2
Nach dem Starten des Mini-Spektrometers über das Betriebsprogramm Ocean Optics
erscheint auf dem Monitor des PCs das Emissionsspektrum der LED in der Form eines Peaks
bei einer bestimmten Wellenlänge. Die Signalstärke muss n der Regel an den Messbereich
des Minispektrometers angepasst werden. Dies ist mit verschieden Starken
Strahlabschwächern zu realisieren. Die Peak-Wellenlänge ist für die Farbe entscheidend. Die
Halbwertsbreite (engl. Full Width Half Maximum = FWHM) der emittierten Strahlung ist
typischerweise etwa 30 nm breit.
Der Diodenstrom wird zwischen 10mA bis 20mA so eingestellt, dass der Messbereich des
Minispektrometers optimal ausgenutzt wird. Ist alles eingestellt wird zuerst die PeakWellenlänge 𝜆𝑚𝑎𝑥 mit der Maus bestimmt. Das gleiche wird bei der Halbwertsbreite
(FWHM) gemacht, die bei 50% des Maximalwertes auf beiden Seiten abgelesen wird. Als
letztes wird die Grenzwellenlänge𝜆𝑔 aus dem größeren Wert der Halbwertsbreite ermittelt.
Zur Kontrolle wird bei einer LED die PLANCKsche Konstante berechnet und verglichen.
Aus allen LEDs und der LD wird die Frequenz fg mit der folgenden Formel bestimmt:
𝑓𝑔 = 𝑐𝑜 / 𝜆𝑔.
Teil 3
Aus den Daten von Teil 1 und 2 wird ein Graph aus der Knickspannung und Frequenz
aufgestellt.
Die Steigung der Ausgleichsgeraden wird bestimmt und daraus die PLANCKsche Konstante
ermittelt. Zum Schluss wird der Mittelwert errechnet und mit dem Literaturwert verglichen.
4
Auswertung
Teil 1
LED rot
2,5
2
UD/ V
Spannung
Strom (Regler auf
(mA) 5,5 V)
0
4
1,774
8
1,831
12
1,871
16
1,904
20
1,93
1,5
y = 0,0096x + 1,7465
1
0,5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
ID/MA
Bild 4
LED grün
2,5
2
UD/ V
Strom Spannung (Regler
(mA) auf 5,5 V)
0
4
1,973
8
2,057
12
2,13
16
2,192
20
2,26
1,5
y = 0,0177x + 1,9097
1
0,5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
ID/MA
Bild 5
LED blau
3,5
3
2,5
UD/ V
Spannung
Strom (Regler auf 5,5
(mA) V)
0
4
2,715
8
2,827
12
2,907
16
2,969
20
3,024
2
y = 0,019x + 2,6604
1,5
1
0,5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
ID/MA
Bild 6
5
LED NIR 950
1,5
UD/ V
Strom Spannung (Regler
(mA) auf 5,5 V)
0
4
1,308
8
1,335
12
1,354
16
1,369
20
1,381
1
0,5
y = 0,0045x + 1,2954
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
ID/MA
Bild 7
LED Amber
2,5
2
UD/ V
Strom Spannung (Regler
(mA) auf 5,5 V)
0
4
1,892
8
1,941
12
1,975
16
2,004
20
2,028
1,5
y = 0,0084x + 1,8675
1
0,5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
ID/MA
Bild 8
Laserdiode
UD/ V
Strom Spannung (Regler
(mA) auf 5,5 V)
0
4
2,291
8
2,74
12
3,169
16
3,583
20
3,98
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
y = 0,1055x + 1,8863
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
ID/MA
Bild 9
6
Teil 2
Grenzwellenlänge 𝜆𝑔
in nm
661,202
576,231
475,117
854
596,556
Farbe
rot
grün
blau
Nir 950
amber
LD
652,707
𝑓𝑔 = 𝑐𝑜 / 𝜆𝑔.
In THz
453
520
631
350
502
459
Lichtgeschwindigkeit
c0 in m/s
299705518
ℎ = 𝑈𝐷 ∗ 𝑒0 /𝑓𝑔
bei Rot:
1,7456𝑉 ∗ 1,602 ∗ 10−19 𝐽
ℎ=
= 6,173 ∗ 10−34 𝐽 ∗ 𝑠
4,53 ∗ 10−14 𝐻𝑧
Teil 3
Farbe
Nir
950
rot
LD
amber
grün
blau
Frequenz fg in
THz
0
222
Knckspannung Ug
453
459
502
520
631
1,7465
1,8863
1,8675
1,9097
2,6604
0
1,2954
7
3
Knickspannung Ug
2,5
2
1,5
y = 0,0037x + 0,1405
1
0,5
0
0
100
200
300
400
500
600
700
Frequenz in Thz
Bild 10
ℎ = 0,38 ∗ 10−14 ∗ 1,602 ∗ 10−19 = 6,0876 ∗ 10−34 𝐽𝑠
Im Vergleich zum Literaturwert h=6,626*10−34 (Quelle: Versuchsunterlagen) sind
Abweichungen ab der ersten Kommastelle zu sehen. Dies kann an den Messfehlern liegen
die zB beim Ablesen oder durch Verschmutzung entstehen.
8
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