Politechnika Śląska w Katowicach

Wydział Transportu

LABORATORIUM

FIZYKI

Wyznaczenie charakterystyk prądowo-napięciowych i świetlnych fotodiody. Pomiar natężenia oświetlenia.

Grupa T41-ES

Nr sekcji:6

Bednarz Krzysztof

Kopecki Marcin

Katowice 2006

I. OPIS PRZEBIEGU ĆWICZENIA

Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej fotodiody.

1. Połączenie układu pomiarowego wg schematu.

2. Wykonanie pomiarów natężenia „ prądu ciemnego” (bez oświetlenia) I_C płynącego przez fotodiodę jako funkcji napięcia U zmienianego w zakresie dla
-11, -9 i -7 V oraz od -5V do 0V co 0.5V

3. Powtórzenie pomiarów opisanych w p.A2 mierząc natężenie prądu fotoelektrycznego I_F płynącego przez fotodiodę przy pięciu różnych odległościach „r” źródła światła od fotodiody.

II. OPRACOWANIE WYNIKÓW

Pomiary były dokonywane za pomocą:

• Pomiar napięcia Digital Multimeter V562,

• Pomiar natężenia oświetlenia Digital Multimeter V560.

Niepewności:

• ΔU=
  0,1 [%] zakresu pomiarowego,

• ΔI=
  0,5 [%] wartości mierzonej.

U [V]	ΔU[V]	Ic [μA]	ΔIC [μA]
-11,0	0,0110	-0,04	0,0002
-9,0	0,0090	-0,04	0,0002
-7,0	0,0070	-0,03	0,0002
-5,0	0,0050	-0,02	0,0001
-4,5	0,0045	-0,02	0,0001
-4,0	0,0040	-0,02	0,0001
-3,5	0,0035	-0,02	0,0001
-3,0	0,0030	-0,02	0,0001
-2,5	0,0025	-0,02	0,0001
-2,0	0,0020	-0,01	0,0001
-1,5	0,0015	-0,01	0,0001
-1,0	0,0010	-0,01	0,0001
-0,5	0,0005	-0,01	0,0000
0,0	0,0000	0,00	0,0000

dla r=8[dm] I_F(8) [mA],

dla r=7[dm] I_F(7) [mA],

dla r=6[dm] I_F(6) [mA],

dla r=5[dm] I_F(5) [mA],

dla r=4[dm] I_F(4) [mA].

dla r=3[dm] I_F(3) [mA].

U [V]	ΔU[V]	IF(8) [mA]	ΔIF(8) [mA]	IF(7) [mA]	ΔIF(7) [mA]
-11,0	0,011	-0,0053	0,0000265	-0,0068	0,0000340
-9,0	0,009	-0,0052	0,0000260	-0,0067	0,0000335
-7,0	0,007	-0,0051	0,0000255	-0,0066	0,0000330
-5,0	0,005	-0,0051	0,0000255	-0,0065	0,0000325
-4,5	0,005	-0,0051	0,0000255	-0,0065	0,0000325
-4,0	0,004	-0,0051	0,0000255	-0,0065	0,0000325
-3,5	0,004	-0,0051	0,0000255	-0,0065	0,0000325
-3,0	0,003	-0,0051	0,0000255	-0,0066	0,0000330
-2,5	0,003	-0,0051	0,0000255	-0,0066	0,0000330
-2,0	0,002	-0,0051	0,0000255	-0,0066	0,0000330
-1,5	0,002	-0,0050	0,0000250	-0,0066	0,0000330
-1,0	0,001	-0,0050	0,0000250	-0,0066	0,0000330
-0,5	0,001	-0,0050	0,0000250	-0,0066	0,0000330
0,0	0,000	-0,0050	0,0000250	-0,0066	0,0000330

IF(6) [mA]	ΔIF(6) [mA]	IF(5) [mA]	ΔIF(5) [mA]	IF(4) [mA]	ΔIF(4) [mA]
-0,0094	0,0000470	-0,0133	0,0000665	-0,0231	0,0001155
-0,0093	0,0000465	-0,0133	0,0000665	-0,0230	0,0001150
-0,0091	0,0000455	-0,0131	0,0000655	-0,0227	0,0001135
-0,0091	0,0000455	-0,0130	0,0000650	-0,0227	0,0001135
-0,0091	0,0000455	-0,0130	0,0000650	-0,0227	0,0001135
-0,0091	0,0000455	-0,0130	0,0000650	-0,0227	0,0001135
-0,0091	0,0000455	-0,0130	0,0000650	-0,0226	0,0001130
-0,0091	0,0000455	-0,0130	0,0000650	-0,0225	0,0001125
-0,0090	0,0000450	-0,0130	0,0000650	-0,0225	0,0001125
-0,0090	0,0000450	-0,0130	0,0000650	-0,0225	0,0001125
-0,0090	0,0000450	-0,0130	0,0000650	-0,0224	0,0001120
-0,0090	0,0000450	-0,0129	0,0000645	-0,0223	0,0001115
-0,0090	0,0000450	-0,0129	0,0000645	-0,0223	0,0001115
-0,0089	0,0000445	-0,0128	0,0000640	-0,0223	0,0001115

IF(3) [mA]	ΔIF(3) [mA]
-0,0406	0,0002030
-0,0402	0,0002010
-0,0396	0,0001980
-0,0395	0,0001975
-0,0395	0,0001975
-0,0395	0,0001975
-0,0395	0,0001975
-0,0395	0,0001975
-0,0394	0,0001970
-0,0394	0,0001970
-0,0392	0,0001960
-0,0391	0,0001955
-0,0387	0,0001935
-0,0385	0,0001925

Aproksymacja liniami prostymi prostoliniowych części charakterystyk prądowo-napięciowych (metodą najmniejszych kwadratów).

Prosta aproksymująca prostoliniową część zależności I = f(U), dla prądu ciemnego oraz dla prądu fotoelektrycznego ma postać: I = a U + b.

- dla prądu ciemnego: a = -( 4,44 ± 0,45 ) ×10^{- 3} [1/Ω]

b = - (0,03 ± 0,23 ) × 10^{- 2} [μA]

- dla prądu fotoelektrycznego, dla r= 8 [dm]: a = ( 2,36 ± 0,31 ) ×10^{- 2} [1/Ω]

b = - (50,01 ± 0,15 ) ×10^{- 1} [μA]

- dla prądu fotoelektrycznego, dla r= 7 [dm]: a = ( 1,32 ± 0,21 ) ×10^{- 2} [1/Ω]

b = - (65,41 ± 0,33 ) ×10^{- 1} [μA]

- dla prądu fotoelektrycznego, dla r= 6 [dm]: a = ( 0,37 ± 0,04 ) ×10^{- 1} [1/Ω]

b = - (89,38 ± 0,19 ) ×10^{- 1} [μA]

- dla prądu fotoelektrycznego, dla r= 5 [dm]: a = ( 3,98 ± 0,44 ) ×10^{- 2} [1/Ω]

b = - (128,66 ± 0,22 ) ×10^{- 1} [μA]

- dla prądu fotoelektrycznego, dla r= 4 [dm]: a = ( 7,43 ± 0,54 ) ×10^{- 2} [1/Ω]

b = - (223,03 ± 0,26 ) ×10^{- 1} [μA]

- dla prądu fotoelektrycznego, dla r= 3 [dm]: a = ( 1,52 ± 0,18 ) ×10^{- 1} [1/Ω]

b = - (388,52 ± 0,88 ) ×10^{- 1} [μA]

Charakterystyki prądowo-napięciowe Ic = f(U) oraz IF = f(U).

Korzystając z równań prostych aproksymujących obliczamy wartości oporu fotodiody dla różnych intensywności światła padającego na nią.

dI/dU = a - współczynnik prostej aproksymującej I = a U + b.

Przekształcając równanie
wyznaczamy
.

Wyniki obliczeń:

dla r = 0,8m R_d = 42,38 ± 0,21 [Ω]

dla r = 0,7m R_d = 75,5 ± 0,38 [Ω]

dla r = 0,6m R_d = 26,34 ± 0,13 [Ω]

dla r = 0,5m R_d = 25,1 ± 0,13 [Ω]

dla r = 0,4m R_d = 13,45 ± 0,07 [Ω]

dla r = 0,3m R_d = 6,58 ± 0,03 [Ω]

Sporządzenie wykresu R_d=f(r^-2) oporu dynamicznego fotodiody R_d jako funkcja odwrotności kwadratu odległości źródła światłą oświetlenia.

r^-2	Rd [Ω]	Δ Rd [Ω]
0,0156	42,38	0,21
0,0204	75,5	0,38
0,0278	26,34	0,13
0,0400	25,1	0,13
0,0625	13,45	0,07
0,1111	6,58	0,03

Wykres został przedstawiony poniżej (wraz z zaznaczoną na nim aproksymacją).

Aproksymacja linią prostą wyników przedstawionych na wykresie R_d = f (r ^-2). Zaznaczenie prostej na wykresie.

Prosta aproksymująca zależność R_d = f (r ^-2) ma postać: R_d = a/r ² + b,

gdzie:

a = - (1,55 ± 0,89 ) ×10⁴ [Ωm²],

b = ( 6,47 ± 0,37 ) ×10¹ [Ω].

III. WNIOSKI

1. Prąd zaporowy fotodiody rośnie w miarę zwiększania intensywności oświetlenia. Zaobserwowano, że dla danego oświetlania utrzymuje on się na stosunkowo równym poziomie.

2. Aproksymację przeprowadzono metodą najmniejszych kwadratów.

3. Dla prądu ciemnego, charakterystyka jest podobna do charakterystyki prądowo-napięciowej fotoelementu oświetlonego, ale różnice dla tego samego przedziału napięcia są znacznie mniejsze niż przy oświetleniu fotoelementu, wartości te są także bliższe 0.

4. Wykres zależności oporu dynamicznego od odwrotności kwadratu odległości źródła światła, jest prostą poziomą o ujemnym nachyleniu.

Charakterystyka IF = f(U) dla r = 3dm

-0,0380

-0,0385

-0,0390

-0,0395

-0,0400

-0,0405

-0,0410

-12,0

-10,0

-8,0

-6,0

-4,0

-2,0

0,0

U [V]

IF [mA]

Charakterystyka IF = f(U) dla r = 4dm

-0,0222

-0,0224

-0,0226

-0,0228

-0,0230

-0,0232

-12,0

-10,0

-8,0

-6,0

-4,0

-2,0

0,0

U [V]

IF [mA]

Charakterystyka IF = f(U) dla r = 5dm

-0,0127

-0,0128

-0,0129

-0,0130

-0,0131

-0,0132

-0,0133

-0,0134

-12,0

-10,0

-8,0

-6,0

-4,0

-2,0

0,0

U [V]

IF [mA]

Charakterystyka IF = f(U) dla r = 6dm

-0,0088

-0,0089

-0,0090

-0,0091

-0,0092

-0,0093

-0,0094

-0,0095

-12,0

-10,0

-8,0

-6,0

-4,0

-2,0

0,0

U [V]

IF [mA]

Charakterystyka IF = f(U) dla r = 7dm

-0,00645

-0,0065

-0,00655

-0,0066

-0,00665

-0,0067

-0,00675

-0,0068

-0,00685

-12,0

-10,0

-8,0

-6,0

-4,0

-2,0

0,0

U [V]

IF [mA]

Charakterystyka IF = f(U) dla r = 8dm

-0,00495

-0,0050

-0,00505

-0,0051

-0,00515

-0,0052

-0,00525

-0,0053

-0,00535

-12,0

-10,0

-8,0

-6,0

-4,0

-2,0

0,0

U [V]

IF [mA]

---