LABORATORIUM

PODSTAW OPTOELEKTRONIKI

BADANIE STATYCZNE FOTOOGNIWA KRZEMOWEGO

Fotoogniwo jest półprzewodnikowym czujnikiem generacyjnym o strukturze typu p-n, który stanowi źródło prądowe sterowane światłem. Schemat zastępczy oświetlonego i obciążonego fotoogniwa w warunkach statycznych przedstawiono na rys. 1.

Rys. 1. Schemat zastępczy oświetlonego i obciążonego fotoogniwa w warunkach statycznych.

Wydajność prądową fotoogniwa określa wyrażenie na jego fotoelektryczny prąd źródłowy I_E.

(1)

gdzie: S - czułość statyczna fotoogniwa

E - natężenie oświetlenia na powierzchni światłoczułej ogniwa.

Występujące na zaciskach A-B napięcie U_Z oraz płynący w obwodzie zewnętrznym prąd I_z uzyskują wartości uzależnione od wartości natężenia oświetlenia oraz rezystancji obciążenia R_Z.

(2)

Charakterystycznymi wartościami U_Z i I_Z są odpowiednio:

- napięcie źródłowe U_e=U_Zmax (dla R_z=∞)

- prąd zwarciowy I_zw=I_Zmax (dla R_Z=0).

Zasada pomiaru

Zasada pomiaru parametrów fotoogniwa opiera się na zależnościach funkcyjnych między elementami schematu zastępczego przedstawianego na rys. 1. Sporządzenie bilansu prądów i napięć pozwala zapisać równania umożliwiające pośrednie wyznaczenie wymaganych parametrów na podstawie wartości prądu I_Z i U_Z.

Rodzinę charakterystyk świetlnych fotoogniwa I_Z=f(E, R_Z) można zapisać w postaci równania:

(3)

R_r - rezystancja równoległa, osiąga znaczne wartości w stanie ciemnym (E=0) i maleje w miarę oświetlania i obciążania ogniwa.

Po uwzględnieniu, że U_Z=I_z∙R_Z oraz I_E=I_zw otrzymuje się po przekształceniu:

(4)

Oraz

(5)

gdzie I_zw=S∙E.

• Wyznaczenie czułości ogniwa S. Czułość ogniwa określa nachylenie stycznej do rodziny charakterystyk I_z=f(E,R_z). Dla narzuconej wartości roboczej natężenia oświetlenia E=E₁ można określić czułość S graficznie jaki:

(6)

Dokładność pomiaru uzależniona jest od dokładności pomiaru E₁ oraz dokładności wyznaczenia I_zw z wykresu I_Z=f(E, R_Z).

• Wyznaczenie napięcia źródłowego U_z na zaciskach zewnętrznych ogniwa w warunkach zbliżonych do stanu jałowego ogniwa (R_z→∞). Napięcie U_Z określa funkcja U_Z=f(E, R_z). Dla narzuconej wartości roboczej E=E₁ wartości napięcia źródłowego:

UE = UZ

(7)

(Dla E=E₁ i R_Z=∞)

Dokładność pomiaru U_E uzależniona jest od zastosowanego woltomierza.

• Wyznaczenie optymalnej wartości rezystancji R_Zopt. Dla przyjętej wartości E=E₁ wyznacza się poszczególne wartości mocy wyjściowej P_wy=I_Z∙U_Z=f(R_Z). Ekstremum wykresu mocy wyznacza jej maksimum, skąd można graficznie określić R_Zopt.

Dokładność pomiaru zależy od dokładności wyznaczenia ekstremum mocy i wiążącej się z tym odpowiedniej gęstości punktów pomiarowych w jego pobliżu.

• Wyznaczenie wartości rezystancji równoległej R_r ogniwa. Przyjmując wyznaczoną optymalną wartość rezystancji R_Zopt można określić wartość R_r z wyrażenia:

(8)

Gdzie wartości U_Z i I_Z są odpowiednio równe napięciu i prądowi obwodu zewnętrznego w warunkach R_z = R_Zopt. Dokładność pomiaru R_r zależy od dokładności pomiaru wielkości występujących we wzorze (7).

Układ połączeń i dobór elementów

Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys. 2.

Rys. 2. Schemat układu pomiarowego

Źródłem światła jest żarówka halogenowa o mocy Pn=20W i U_zasmax=12V. Do regulacji napięcia zasilającego służy zasilacz o płynnej regulacji napięcia w zakresie do 12V. Dla zastosowanego źródła światła obowiązuje zależność:

(9)

Gdzie współczynniki a i b przybierają wartości określone długością kanału optycznego i typem żarówki. Zależność (9) obowiązuje dla kanału optycznego o długości: l_k=(18,0 ± 0,5)cm.

Tabela 1. Zależność napięcia zasilającego od natężenia oświetlenia

E [lx]	100	200	300	400	500	600	700	800	825
Uzas [V]	5,54	6,70	8,09	9,04	10,39	10,92	11,39	11,82	11,92

Uwaga: nie wolno przekraczać maksymalnej wartości U_zas max=12V podawanego na żarówkę jak również nagle włączać i wyłączać zasilanie - należy każdorazowo stopniowo zwiększać lub zmniejszać wartość napięcia, a przed wyłączeniem zasilania odłączyć jeden z przewodów doprowadzających napięcie do źródła.

Pomiary

1. Dla wybranych wartości natężenia oświetlenia oraz kilku wartości rezystancji obciążenia R_Z dokonać pomiarów napięcia U_Z i obliczeń prądu I­_Z. Wyniki pomiarów umieścić w tabeli 2 i sporządzić wykres charakterystyk I_Z=f(E, R_Z).

2. Dla narzuconej wartości E=E₁ określić czułość fotoogniwa, a wyniki zapisać w tabeli 2

3. Dla tej samej wartości wyznaczyć napięcie źródłowe
   dla R_Z=∞ i zapisać je również w tabeli 2.

4. Dokonać pomiarów napięcia U_Z i I_Z, a następnie mocy P_wy=I_z∙U_Z dla poszczególnych wartości R_z=const. Bieżące obliczanie wartości mocy wyjściowej pozwala na zwiększenie liczby punktów pomiarowych w pobliżu maksimum krzywej P_wy=f(R_Z). Wyniki pomiarów należy zestawić w tabeli 3 i sporządzić wykres zależności P_wy=f(R_Z), a następnie wyznaczyć optymalną wartość R_Zopt=R_Z dla P_wy max i zapisać w tejże tablicy.

5. Dla wartości E=E₁ i R_Zopt=R_Z należy dokonać pomiaru napięcia U_Z, a wyniki umieścić w tabeli 3.

6. Należy określić także niedokładność pomiaru wartości: czułości S, napięcia źródłowego U_E, optymalnej rezystancji obciążenia R_Zopt i rezystancji równoległej obciążenia R_r. Uzyskane wyniki należy umieścić w tabeli 4. Zestaw zależności (10, 11, 12) obejmuje wyrażenia określające błędy względne pomiaru.

(10)

(11)

(12)

Tabela 2. Pomiary

Lp.	E	RZ	UZ	IZ	Uwagi
		lx	Ω	mV		μA
1 . . . 8	100 . . . 800	↑ 500 ↓				, , , , , E1=…*
9 . . . 16	100 . . . 800	↑ 1000 ↓
17 . . . 24	100 . . . 800	↑ 5000 ↓
25	*	∞		0

Tabela 4 Pomiary

Lp.	RZ	Uz	IZ	Uz∙IZ	Uwagi
		Ω	mV	μA		μW
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10	500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000				E1=… (Uz∙IZ)max=… *
11	*			,

Tabela 5

S		UE		RZopt		Rr
μA/lx	%	mV	%	Ω	%	Ω	%

7

---