Protokollbuch - Physik in Jena

Friedrich-Schiller-Universität Jena
Physikalisch-Astronomische Fakultät
SS 2008
Protokollbuch
Messtechnikpraktikum
Erstellt von:
Christian Vetter (89114)
[email protected]
Betreuer:
A. Steppke
Helena Kämmer (92376)
[email protected]
Erstellt am:
letzte Änderung:
19. April 2008
20. Juni 2008
2
Messungen mit optisch aktiven bzw. sensitiven Bauelementen
03. Juni 2008
I. Aufgabenstellung
Bemerkung:
Die Aufgabenstellung wurde in der Reihenfolge leicht variiert.
Aufgabe 1: (Kennlinien)
-
Strom-Spannungskennlinie
der Fotodiode (mit und ohne Bestrahlung)
aufneh-
men
Frage:
Welche Rolle spielen der konstante Widerstand R2 und der veränderliche Widerstand R1 in der Schaltung?
-
Übertragungskennlinie
(IF (ILED )) der Fotodiode
Übertragungskennlinie
(UA (ILED )) des Fototransistors
im Bereich von 0 ≤ ILED ≤ 10mA
im Bereich von 0 ≤ ILED ≤ 10mA
Aufgabe 2: (Frequenzabhängigkeiten)
-
der Frequenzabhängigkeit der Fotodiode von 50Hz bis 100kHz
Maximalen Spannungshub und maximal nutzbare Übertragungsfrequenz bestimmen
10% - 90%-Anstiegszeit bestimmen
Beobachten
3
Fotostrom als Spannungsabfall über R1 = 47kΩ aufnehmen, IR-LED mit TTLAusgang ansteuern.
-
der Frequenzabhängigkeit des Fototransistors von 50Hz bis 100kHz
Maximalen Spannungshub und maximal nutzbare Übertragungsfrequenz bestimmen
10%-90%-Anstiegszeit bestimmen
IR-LED mit TTL-Ausgang ansteuern.
-
der Frequenzabhängigkeit einer Schaltung zur Verstärkung von Fotoströmen von 50Hz bis 100kHz
Maximalen Spannungshub und maximal nutzbare Übertragungsfrequenz bestimmen
IR-LED mit TTL-Ausgang ansteuern.
Beobachten
Beobachten
4
Aufgabe 3: (Fotowiderstand)
-
Beobachten
der Spannung UF bei verschiedenen Beleuchtungen
-
Wiederholung
dder Messung mit Sinus und Rechteck an der Glühlampe
Spannungs- und Frequenzverlauf beobachten
II. Messwerte
Aufgabe 1:
Strom-Spannungskennlinie der Fotodiode:
Bemerkungen: Foto 34-36
Foto 41-43
Foto 44-45
Foto 46-47
Foto 48-50
Foto 51-53
Foto 54-56
Unbeleuchtet mit R = 1, 01kΩ
Unbeleuchtet mit R = 10, 17kΩ
Beleuchtet mit R = 10, 17kΩ
Beleuchtet mit R = 1, 01kΩ
An, Aus, Messbereich mit 5, 05kΩ
unbeleuchtet 10k, 1k, Messbereich
beleuchtet 10k, 1k, Messbereich
Übertragungskennlinie der Fotodiode:
ILED [mA]
IF [µA]
10,0 9,5 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5
15,5 14,6 13,8 13,0 12,2 11,3 10,5 9,7 9,0 8,2
ILED [mA]
IF [µA]
5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5
7,3 6,5 5,8 5,0 4,2 3,4 2,7 1,9 1,2 0,7
Übertragungskennlinie des Fototransistors:
ILED [mA]
UCE [V]
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,5
4,55 4,38 3,97 3,58 3,20 2,38 1,67 0,9 240 208
ILED [mA]
UCE [mV]
2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5
168 152 141 134 129 124 119 116 113 110
ILED [mA]
UCE [mV]
7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0
107 105 103 101 99 97 95
5
Aufgabe 2:
Maximal nutzbare Übertragungsfrequenz (80% des max. Spannungshubs)
Fotodiode:
R1 = 46, 7
Frequenz [kHz]
Fotonummer
∆Umax [V]
t10/90 [ms]
0,05
0,5 2,5 7,5 20,0 30,5 50,0 100,0
76, 77
78
79
80
81
82
84
0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,22 0,16
0,08
0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,005 0,0034
Fototransistor:
RL = 10, 9
Frequenz [kHz]
Fotonummer
∆Umax [V]
t10/90 [ms]
0,05
0,5 2,5 5,0 7,5 12,0 20,0
50,0 100,0
61, 62 64
65
66
68
69
70
71, 72 73, 74
4,40 4,40 4,40 4,30 4,10 3,20 1,60
0,12
0,04
0,04 0,04 0,04 0,04 0,02 0,09µs
Fotodiode mit Verstärkerschaltung:
R0 = 101, 3kΩ
Frequenz [kHz]
Fotonummer
∆Umax [V]
t10/90 [µs]
C0 = 33, 4pF
0,05 0,5 5,0 20,0 50,0 100,0 150,0
85
88
89
90
91
92
0,70 0,70 0,70 0,70 0,65 0,60 0,55
4
2,5
2
1,4
Aufgabe 3:
Beobachtungen bei Gleichspannung:
Dunkel
5,0 V
Normalbeleuchtung 4,5 V
Direkte Bestrahlung 0,7 V
Beobachtungen bei Rechteckspannung:
Frequenz [Hz]
Fotonummer
10
50
150
98, 99 100, 101 102
Beobachtungen bei Sinusspannung:
Frequenz [Hz]
Fotonummer
Bemerkung
150
93, 94, 95
5
analoges Verhalten
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III. Auswertung
Aufgabe 1:
Strom-Spannungskennlinie der Fotodiode:
Wie in Abb. 1 zu sehen verhält sich eine Fotodiode ihrer Kennlinie nach wie
eine normale Siliziumdiode.
Der konstante Vorwiderstand R2 in der Schaltung dient der Sicherheit, damit
die Diode in Sperrrichtung nicht durchbricht bzw. durch einen zu hohen Strom
in Durchlassrichtung thermisch zerstört wird.
Kennlinie
Abb. 1
Durch die gröÿere Verstärkung in den folgenden Abbildungen kann man auch
eine nicht exakte Überlagerung des hin- und rücklaufenden Strahles am Oszilloskop erkennen, was an eine Hysteresekurve erinnert. Verursacht wird dies
durch die Phasenschiebende Kapazität der Diode, welche aufgrund des p-nÜberganges entsteht.
Beleuchtet man nun die Diode, so kann wie in Abb. 2 und 3 sehen eine Erhöhung des Fotostromes beobachtet werden. Beide Aufnahmen sind bei einem
Widerstand von RL = 5, 05kΩ gemacht wurden.
Unbeleuchtet
Abb. 2
Beleuchtet
Abb. 3
Verändert man mit Hilfe von R1 den Gesamtlastwiderstand RL , so verändert
sich ebenfalls die Kennlinie. Die Stärke der Veränderung ist von der Beleuchtungsintensität abhängig. Man kann also schlussfolgern, das man mit R1 in der
Lage ist die Empndlichkeit des Systems zu beeinussen und in einem gewissen
Rahmen eine Kalibriierung vorzunehmen.
7
Im beleuchteten Fall erhält man bei einem RL = 10, 17kΩ die in Abb. 4
gezeigte Kennlinie. Hingegen liegt bei einem geringeren Lastwiderstand von
RL = 1, 01kΩ die Kennlinie höher (Abb. 5). Zusammen mit Abb. 3 ergibt sich
eine gute Übersicht über die Veränderungen.
RL = 10, 17kΩ
Abb. 4
RL = 5, 05kΩ
Abb. 3
RL = 1, 01kΩ
Abb. 5
Zu erklären ist dieses Verhalten durch den Aufbau der Schaltungen. Da wir
den Fotostrom als Spannung über dem Widerstand aufnehmen verändert man
mit Einstellung des Widerstandes die Skalierung der Stromachse. Wählt man
einen groÿen Widerstand, so erhält man eine groÿe Auösung. Bei einem kleinen Widerstand dagegen nicht.
Eine weitere Beobachtung die gemacht werden konnte ist das Verhalten der Hystereseartigen Fehlüberlagerungen des Elektronenstrahls in Abhängigkeit von
Beleuchtung und Lastwiderstand. Die Abb. 2 und 3 zeigen deutlich das sich
keine Veränderung ergibt ob die Diode beleuchtet wird oder nicht. D.h., dass
die Kapazität der Diode nicht von der Beleuchtungsintensität abhängig ist.
Selbstverständlich lässt sich auch mit dem Vorwiderstand diese Eigenschaft
der Diode nicht beeinussen. Dennoch ist man mit dem Vorwiderstand in der
Lage (siehe Abb. 3,4,5) zu lasten der Auösung die Stärke der Fehlüberlagerung scheinbar zu vermindern.
Auf eine Skalierung und Kalibrierung der Achsen wurde verzichtet, da das Hauptaugenmerk auf der Beobachtung liegen soll.
Bemerkung:
8
Übertragungskennlinie der Fotodiode:
Diagramm 1
Nimmt man die Übertragungskennline (IF ) in Abhängigkeit des LED-Stromes
(ILED ) auf, so ergibt sich für die Fotodiode ein linearer Anstieg. Dies ist damit
zu erklären, das die Anzahl der auf die Wirkäche auftreenden Photonen
proportional zur Intensität des ausgestrahlten Lichts ist.
Der lineare Verlauf macht die Fotodiode zu einem geeigneten Messinstrument
zur Detektierung von optischen Signalen.
Übertragungskennlinie des Fototransistors:
9
Beim Fototransistor erhält man ein Diagramm mit zwei charakteristischen Bereichen. Für ILED ≤ 1, 5mA erhält man einen linearen (siehe Diagramm 2) und
für gröÿere Ströme einen nichtlinearen Bereich.
Diagramm 2
Diagramm 3
Da für die Detektierung optischer Signale ein linearer Verlauf zu bevorzugen
ist, sollte darauf geachtet werden, dass man die Schaltung im Bereich kleinster
Ströme betreibt. Ein weiterer Nachteil des nichtlinearen Bereichs liegt darin,
dass er im vergleich zum linearen Bereich bei wesentlich kleineren Spannungen
liegt.
Aufgabe 2:
Frequenzabhängigkeit der Fotodiode
Bei Beleuchtung der Fotodiode mit einem Rechtecksignal konnten folgende Beobachtungen gemacht werden:
f = 50Hz
f = 2, 5kHz
f = 7, 5kHz
f = 30, 5kHz
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Erhöht man die Frequenz bei der Fotodiode, so wird das ursprüngliche Rechtecksignal zunehmend verfälscht. Bei einer Frequenz von f = 50Hz konnten wir
einen maximalen Spannungshub von ∆Umax = 280mV feststellen. Dieser war
bei f = 30, 5kHz auf ∆Umax = 220mV zusammengebrochen. Da die Denition der maximal nutzbaren Übertragungsfrequenz meist als der Zusammenbruch
von ∆Umax auf 80% des Ausgangswertes deniert wird, kann f = 30, 5kHz als
maximal nutzbare Übertragungsfrequenz angegeben werden.
Die Anstiegszeit ist bei kleineren Frequenzen konstant (hier: t10/90 ≈ 10µs)
und fällt nach dem erreichen der maximal nutzbaren Übertragungsfrequenz ab.
Frequenzabhängigkeit des Fototransistors
Bei Beleuchtung des Fototransistors mit einem Rechtecksignal konnten folgende, ähnliche Beobachtungen gemacht werden:
Bemerkung:
f = 50Hz
f = 2, 5kHz
f = 5, 0kHz
f = 12kHz
f = 20kHz
f = 50kHz
Bei f = 12kHz haben wir die Nulllinie nicht wieder korrekt eingestellt. (Das
Signal muss ein Skalierung weiter unten liegen).
Bei f = 50kHz wurde eine höhere Verstärkung eingestellt!
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Bis auf eine Phasenverschiebung von 180◦ sind beim Fototransistor bezüglich
der Form der Graphen keine gravierenden Unterschiede zu bemerken. Auch hier
wird das Rechtecksignal mit steigender Frequenz verfälscht.
Der maximale Spannungshub beträgt hier ∆Umax = 4, 4V und ist somit wesentlich höher als bei der Fotodiode (dafür benötigt der Fototransistor aber auch
eine Betriebsspannung). Die Anstiegszeit blieb auch hier mit t10/90 ≈ 40µs bis
zur maximal nutzbaren Übertragungsfrequenz nahezu konstant und brach danach zusammen.
Ein entscheidender Unterschied der beobachtet werden konnte ist die maximale
Übertragungsfrequenz welche mit f = 12, 0kHz weit unter der der Fotodiode
liegt.
Dies bedeutet, das der Fototransistor zwar genutzt werden kann um einfache
digitale signale zu Übertragen, jedoch nicht für Hochfrequenztechnik geeignet
ist. Der Vorteil zur Diode besteht darin, dass in den meisten Fällen keine weitere Verstärkung nötig ist.
Frequenzabhängigkeit der Verstärkerschaltung
Bei der Schaltung mit OPV konnten die folgenden Beobachtungen gemacht
werden:
f = 5, 0kHz
f = 20kHz
f = 100kHz
f = 150kHz
Die Verstärkerschaltung ist die mit Abstand beste der drei untersuchten Varianten. Eine Verformung des Signals ndet wenn überhaupt erst ab sehr hohen
Frequenzen f ≥ 50kHz statt. Der Maximale Spannungshub kann abhängig
vom Rückkoppelwiderstand eingestellt werden (siehe Verstärker II). Bei uns
ergab sich ∆Umax = 0, 7V und eine maximal nutzbare Übertragungsfrequenz
von f = 150kHz .
Die höhe dieser Frequenz lässt sich damit erklären, das die Diode zwischen virtuellem und realen Massepunkt komplett Lastfrei arbeiten und somit wesentlich
höhere Frequenzen erreichen kann. Vermutlich sind die f = 150kHz auch nicht
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durch die Diode sondern durch die Beschaltung begrenzt. Im Rückkoppelkreis
wurde ein Kondensator eingebaut welcher der Schaltung eine Tiefpasswirkung
gibt, aber auch unerwünschte Schwingungen dämpft (In den Bildern ist ein
kleines Durchschwingen des Signals zu beobachten).
Im Gegensatz zu den anderen beiden Schaltungen el beim Verstärker die t10/90 Zeit kontinuierlich mit steigender Frequenz (siehe Messwerte).
Aufgabe 3:
Für gröÿeren Lichteinfall fällt der Widerstand, also sinkt die Spannung, was
auch an unseren Messwerten erkennbar ist.
Dunkel
5,0 V
Normalbeleuchtung 4,5 V
Direkte Bestrahlung 0,7 V
Legt man ein symmetrisches Rechtecksignal an die Glühlampe, so erhält man
2
nur eine Gerade. Erklärbar ist dies dadurch, dass sich die Leistung aus P = UR
ergibt und somit lediglich der Betrag und nicht das Vorzeichen der angelegten
Spannung von Bedeutung ist.
Verwendet man eine zu Null symmetrische Sinusspannung, so kann man eine Frequenzverdopplung erkennen. Bei Beleuchtung wird der Fotowiderstand
niederohmig, also wird die abgegriene Spannung kleiner. Dies bedeutet, das
wir für jeden Nulldurchgang des Eingangssignals ein Maximum des Ausgangssignals bekommen, da hier der Widerstand und somit die Spannung groÿ ist.
Auf der Abbildung liegen diese Maxima jedoch leicht Phasenverschoben zum
Eingangssignal vor, da der Fotowiderstand eine kurze Zeit benötigt um auf den
Lichteinfall zu reagieren.
Bei Erhöhung der Frequenz ndet eine Abschwächung des Ausgangssignals
statt.
f = 50Hz
f = 150Hz