Versuch 1: Die Photodiode

Versuch 1:
Die Photodiode
Die Photodiode (PD) ist ein optoelektronisches Bauteil, welches benutzt wird um Licht in
ein elektrisches Signal umzuwandeln.
Es werden 3 verschiedene Betriebsarten von PDs unterschieden:
–
–
–
Die PD als Stromquelle
Der Elementbetrieb
Die in Sperrichtung vorgespannte Diode.
Wir werden uns mit allen drei Betriebsarten beschäftigen
Abb. 1
Messung des Photostroms
Abb. 2
Der Elementbetrieb
Abb. 3
Der vorgespannte Betrieb
Für die Messungen stehen folgende Geräte zur Verfügung:
Funktionsgenerator Philips PM 5138
Oszilloskop Hitachi VC6045
Netzgerät Hameg
Ein Multimeter Keithley 2001
Eine Beschreibung der Geräte ist im Anhang beigefügt.
Für die Durchführung des Versuchs wird als Lichtquelle eine Leuchtdiode (LED) benutzt.
Diese ist in einer LED Halterung (Abb. 4) eingebaut. Die Photodiode ist ebenfalls in eine
Halterung (Abb. 5) eingebaut. Damit können die verschiedenen Betriebsarten der Diode
sehr einfach eingestellt werden.
1
Abb. 4 LED Halterung
Abb. 5 Photodiodenhalterung
Der Strom der Durch die LED fließt wird durch den Vorwiderstand R begrenzt. Der
LEDStrom kann nach folgender Formel berechnet werden.
I=
U in −U LED
R
Um die verschiedenen Betriebsarten der Photodiode zu realisieren müssen in die
Buchsen folgende Widerstände gesteckt werden.
Betriebsart
Buchse U
Buchse R
PD als Stromquelle
0Ω
∞Ω
Elementbetrieb
0Ω
Lastwiderstand (z.B. 10 KΩ)
Vorgespannter Betrieb
30 V vom Netzgerät
Lastwiderstand (z.B. 10 KΩ)
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Versuchsdurchführung:
Fließt durch eine LED ein Strom, so ist die emittierte Lichtleistung proportional zum Strom.
Dieser Zusammenhang gilt nicht streng, weil sich unter anderem Temperatureffekte
störend bemerkbar machen. Für diesen Versuch werden wir diese Effekte
vernachlässigen. Der Strom durch die LED wird über die angelegte Spannung (s.o)
eingestellt.
Aufgabe 1: Der Photostrom
Messen Sie den Strom, den die Photodiode erzeugt in Abhängigkeit vom Strom, der durch
die Leuchtdiode (LED) fließt.
Aufgabe 2: Der vorgespannte Betrieb
Messen Sie die Spannung, die am Lastwiderstand der PD abfällt für den vorgespannten
Betrieb in Abhängigkeit vom Strom, der durch die Leuchtdiode (LED) fließt.
Aufgabe 3: Der Elementbetrieb
Messen Sie den Strom, den die Photodiode erzeugt in Abhängigkeit vom Strom, der durch
die Leuchtdiode (LED) fließt.
Für alle drei Versuche soll der Strom durch die LED soll wie folgt verändert werden.
Messung
1
2
3
4
5
6
7
ILED (mA)
0
5
10
15
20
30
50
Wichtig
–
–
–
Der Strom wird mit einem Handmultimeter zur Kontrolle gemessen.
Die LED soll mit einem 500 Ω Vorwiderstand betrieben werden.
Der Abstand der LED von der Photodiode muss so eingestellt werden, dass bei einem
LED Strom vom 10 mA die Spannung an der PD ca. 100 mV beträgt.
In Abb. 6 ist ein Beispiel für die Messung dargestellt
3
Elementbetrieb und mit Vorspannung
650
600
Spannung PD
550
500
450
400
350
Uv [mV]
300
250
Ue [mV]
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
Strom LED [mA]
Abb. 6
Die beiden Betriebsarten zeigen für niedrigen LED Strom bzw. geringe Helligkeiten einen
nachezu parallelen Verlauf. Im Elementbetrieb sieht man deutlich eine Abweichung von
der Linearität sobald die Spannung über 0.2 V steigt. Diese Nichtlinearität entsteht, weil
die Diode maximal Spannungen von 0,4 V – 0,5V selbst erzeugen kann, egal wie groß die
Bestrahlungsstärke war.
Das heißt, der PD Strom geht in die Sättigung.
Aufgabe 4: Die Empfindlichkeit
Positioniert man die LED ganz nah direkt vor die Photodiode dann trifft bei einem LED
Strom von 20 mA eine Strahlungsleistung von 1,69 mW auf die Photodiode. Mit dieser
Angabe soll die Abhängigkeit der Empfindlichkeit der PD vom Lastwiderstand bestimmet
werden. Die Empfindlichkeit wird gemäß unten stehender Formel bestimmt
E=
U
P opt
E: Empfindlichkeit
U: gemessene Spannung
Popt : auftreffende Strahlungsleistung
Die Empfindlichkeit im Elementbetrieb wird sich für kleine Lichtleistungen ähnlich
verhalten wie im vorgespannten Betrieb. Bei größeren Lichtleistungen gilt dies nicht mehr
s.o.
Ein Beispiel: Man erhält bei einem Lastwiderstand von 10 KΩ ein Spannung Am
Lastwiderstand von 8,7 V. dies ergibt eine Empfindlichkeit von
8,7 V/1,69 mW = 5147 V/W.
Die Empfindlichkeit soll für die Widerstände 100 Ω, 1 KΩ, 10 KΩ, 100 KΩ und 1 MΩ
bestimmt werden.
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Aufgabe 5: Der Dunkelstrom
Je nach Betriebsart der Diode erhält man zusätzlich zum eigentlichen Nutzsignal weitere
Störsignale. Dies ist z.B. der Dunkelstrom.
In diesem Versuch messen wir den Dunkelstrom für die zwei Betriebsarten der PD. Der
Dunkelstrom wird indirekt gemessen, weil das Messgerät so kleine Ströme nicht messen
kann. Die Messung erfolgt über den Spannungsabfall an dem 1 MΩ Widerstand. Nach
dem Ohmschen Gesetz kann dann der Dunkelstrom bestimmt werden.
Der Dunkelstrom im vorgespannten Betrieb beträgt ca. 70 nA bei Raumtemperatur. Durch
leichtes Erwärmen mit einem Föhn kann der Einfluss der Umgebungstemperatur auf den
Dunkelstrom sichtbar gemacht werden.
Messen Sie den Dunkelstrom im vorgespannten und im Elementbetrieb. Vergleichen Sie
die Ergebnisse.
Aufgabe 6: Die Geschwindigkeit
Hier werden wir das Zeitverhalten einer Photodiode mit unterschiedlichen
Lastwiderständen betrachten. Die Schaltzeiten der verwendete LED liegen bei ca. 20 ns.
Die PD wird mit den verwendeten Widerständen deutlich langsamer sein. Somit kann der
Einfluss der LED auf die Messung vernachlässigt werden.
Die LED wird mit einer pulsierenden Gleichspannung aus dem Funktionsgenerator
angesteuert. Das bedeutet, die Spannung an der LED wird nicht negativ und hat eine
rechteckige Signalform (Abb.7). Bitte überprüfen Sie mit Hilfe des Oszilloskops die
anzulegende Spannung. Erst wenn dies geschehen ist darf die LED mit dem Generator
verbunden werden. Die Spannung (AC) am Generator sollte am Anfang auf 10 V
eingestellt sein.
An der Photodiode werden wir die Abfallzeit messen. Die Abfallzeit ist die Zeit, die das
Ausgangssignal der PD benötigt, um von 100% auf den 1/e ten (ca. 37%) Teil abzufallen.
–
–
–
–
–
–
Die Messungen sollen mit den Lastwiderständen 1 KΩ, 10 KΩ und 100 KΩ für beide
Betriebsarten durchgeführt werden.
Die Frequenz am Generator ist so einzustellen, dass die Flanken des Signals deutlich
schräg weden (Abb. 8).
Dann kann mit Hilfe der Cursortasten die Abfallzeit der Diode bestimmt werden
(Abb.9).
Wichtig: Im Elementbetrieb darf die Spannung an der PD nicht größer als 200 mV
sein, weil sonst Nichtlinearitäten die Messung verfälschen würden.
Die Signal kann durch die Reduzierung der LED Spannung oder durch Änderung des
Abstandes der LED zur PD verkleinert werden. Ein größerer Vorwiderstand an der
LED führt ebenfalls zu einer Reduzierung der Helligkeit der LED.
Vergleichen Sie die die Geschwindigkeiten der beiden Betriebsarten und versuchen
Sie eine Abhängigkeit von der Lastwiderständen zu erkennen.
5
Abb. 7 Die pulsierende Gleichspannung
Abb. 8 Spannung an der Photodiode
Abb. 9 Die Messung
Auswertung:
Aufgabe 1:
Zeichen Sie ein Diagramm in dem der Photostrom gegen den LED Strom aufgetragen ist.
Aufgabe 2 und 3:
Zeichen Sie ein gemeinsames Diagramm in dem die Spannung gegen den LED Strom
aufgetragen ist (siehe Abb. 6).
Aufgabe 4,5und 6:
Werten Sie diese Messungen in Tabellenform aus.
6
z.B.
Widerstand UE
UV
EE
EV
TE
TV
100 R
1K
10 K
100 K
1M
UE : Photospannung im Elementbetrieb
EE: Empfindlichkeit im Elementbetrieb
TE: Schaltzeit im Elementbetrieb
UV: Photospannung mit Vorspannung
EV: Empfindlichkeit mit Vorspannung
TV: Schaltzeit mit Vorspannung
Welche Erkenntnisse lassen sich aus dieser Tabelle gewinnen?
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Anhang:
Beschreibung der Geräte
Der Funktionsgenerator Philips PM5138
Der Funktionsgenerator (Abb. 1) dient dazu die Ansteuersignale für die
Geschwindigkeitsmessung der PD zu liefern. Die wichtigsten Einstellmöglichkeiten sollen
hier kurz beschrieben werden. Fast alle Parameter können an dem großen Einstellrad
verändert werden. Der Generator wird mit einem Schalter auf der Rückseite des Gerätes
eingeschaltet.
–
–
–
–
–
–
Mit den Tasten „Frequency“ wird der Fokus auf die Frequenzeinstellung gelegt und die
Frequenz kann mit dem Einstellrad verändert werden.
Mit den Tasten „Waveform“ wird der Fokus auf die Einstellung der Wellenform gelegt.
Die Wellenform kann mit den beiden Tasten ausgewählt werden und wird im Display
angezeigt.
Mit der Taste „DC“ kann der Gleichspannungsanteil des Signals eingestellt werden.
Mit der Taste „AC“ kann der Wechselspannungsanteil des Signals eingestellt werden.
Es wird immer nur eine Spannung angezeigt und mit „DC“ bzw. „AC“ gekennzeichnet.
Die Einstellung erfolgt mit dem Einstellrad.
Die anderen Tasten sollten für diesen Versuch nicht benutzt werden.
Das Signal kann an der BNC Buchse auf der rechten Seite vorne am Gerät
abgenommen werden. Es wird empfohlen, die Einstellungen am Oszilloskop zu
überprüfen.
Abb.1: Der Funktionsgenerator
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Das Netzgerät Hameg HM 8142
Das Netzgerät (Abb. 2) wird benötigt für die Spannung der Leuchtdiode und für die
Vorspannung der Photodiode.
Das Netzgerät besitzt drei unabhängige Spannungsausgänge:
U1: 5 V, U2: 0-30 V, U3: 0-30 V.
Für diesen Versuch benötigen wir nur beiden einstellbaren Spannungen.
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–
–
–
–
–
Das Gerät wird an dem roten Druckschalter oben links eingeschaltet
Die Spannungen werden an den roten (+) und blauen (-) Buchsen entnommen
In den beiden Displays werden die zu dem jeweiligen Ausgang gehörenden
Spannungen und Ströme angezeigt.
Die Spannung kann mit Hilfe des Einstellrades verändert werden, dies geht aber nur,
wenn zuvor die Einstellung durch die Taste V-Set ermöglicht wurde. Wird die V-Set
Taste gedrückt leuchtet daneben eine rote LED auf, die anzeigt, dass die Spannung
verändert werden kann. Nach wenigen Sekunden erlischt die LED und die Spannung
kann nicht mehr verändert werden.
Der Strom wird analog zur Spannung verändert, durch Drücken von I-Set. Die
Stromeinstellung dient nur zur Strombegrenzung, um die Bauteile vor Zerstörung zu
Schützen.
Die Strombegrenzung soll für die LED auf 25 mA eingestellt werden, für die
Vorspannung der Photodiode genügen 10 mA oder weniger.
Die eingestellten Spannungen liegen erst an den Ausgängen an, wenn diese mit der
Taste „Output“ eingeschaltet werden. Sind die Ausgänge eingeschaltet leuchtet eine
rote LED über der „Output“ Taste.
Mit den beiden Pfeiltasten unter dem Einstellrad können die Spannungen und Ströme
fein eingestellt werden.
Abb. 2: Das Netzgerät
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Das Mulimeter Keithley 2000
Mit dem Multimeter werden die Ströme und Spannungen an der Photodiode gemessen.
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–
–
–
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–
–
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–
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–
Das Gerät wird am Netzschalter „Power“ eingeschaltet.
Die zu messenden Signale werden an den Eingangsbuchsen eingesteckt.
In diesem Versuch benutzen wir nur die rechten Eingangsbuchsen.
Spannung wird an der roten (+) und an der schwarzen (-) Buchse gemessen.
Strom wird an der weißen (+) und an der schwarzen (-) Buchse gemessen.
Die Stromstärke darf nicht größer als 2 A sein.
Die Art der Messung wird mit den Wahlschaltern ausgewählt.
Für Gleichspannungsmessungen muss die „DCV“ Taste gedrückt werden. Im Display
erscheint dann die Anzeige VDC bzw. mVDC.
Für Gleichstrommessungen muss die „DCI“ Taste gedrückt werden. Im Display
erscheint dann die Anzeige ADC bzw. mADC.
Sollen Relativmessungen gemacht werden, kann die Taste „REL“ benutzt werden.
Der messbereich stellt sich automatisch ein.
Alle anderen Tasten werden für den Versuch nicht benötigt und sollen nicht benutzt
werden.
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Das Oszilloskop Hitachi VC6045
Mit dem Oszilloskop (Abb. 4) werden die Schaltzeiten der Photodiode gemesen.
Wir gehen davon aus, dass in früheren Praktika der Umgang mit einem Oszilloskop geübt
wurde und deshalb die Abb. 4 als Anleitung genügen sollte.
Abb. 4 Das Oszilloskop
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