| 770 |
kaklik |
1 |
\documentclass[12pt,czech]{article}
|
|
|
2 |
|
|
|
3 |
\usepackage[czech]{babel}
|
|
|
4 |
\usepackage[utf8]{inputenc}
|
|
|
5 |
\usepackage{times}
|
|
|
6 |
\usepackage{geometry}
|
|
|
7 |
\geometry{verbose,a4paper,tmargin=2cm,bmargin=2cm,lmargin=2cm,rmargin=2cm}
|
|
|
8 |
|
|
|
9 |
\usepackage{array}
|
|
|
10 |
|
|
|
11 |
\usepackage{graphicx}
|
|
|
12 |
%\usepackage{multirow}
|
|
|
13 |
%\usepackage{bigstrut}
|
|
|
14 |
%\usepackage{amsbsy}
|
|
|
15 |
|
|
|
16 |
%\pagestyle{plain}
|
|
|
17 |
|
|
|
18 |
%\renewcommand{\tan}{\textrm{tg}}
|
|
|
19 |
\newcommand{\tg}{\textrm{tg}}
|
|
|
20 |
\newcommand{\cm}{\textrm{cm}}
|
|
|
21 |
\newcommand{\m}{\textrm{m}}
|
|
|
22 |
\newcommand{\mm}{\textrm{mm}}
|
|
|
23 |
\newcommand{\nm}{\textrm{nm}}
|
|
|
24 |
|
|
|
25 |
|
|
|
26 |
\begin{document}
|
|
|
27 |
\noindent \begin{tabular}{|>{\raggedright}b{4cm}|>{\raggedright}b{13cm}|}
|
|
|
28 |
\hline
|
|
|
29 |
\textbf{Název a \v{c}íslo úlohy}& 9 - Detekce optického záření
|
|
|
30 |
\tabularnewline
|
|
|
31 |
\hline
|
|
|
32 |
\textbf{Datum m\v{e}\v{r}ení}& 9. 3. 2011
|
|
|
33 |
\tabularnewline
|
|
|
34 |
\hline
|
|
|
35 |
\textbf{M\v{e}\v{r}ení provedli}& Tomáš Zikmund, Jakub Kákona
|
|
|
36 |
\tabularnewline
|
|
|
37 |
\hline
|
|
|
38 |
\textbf{Vypracoval}& Jakub Kákona
|
|
|
39 |
\tabularnewline
|
|
|
40 |
\hline
|
|
|
41 |
\textbf{Datum}&
|
|
|
42 |
\tabularnewline
|
|
|
43 |
\hline
|
|
|
44 |
\textbf{Hodnocení}&
|
|
|
45 |
\tabularnewline
|
|
|
46 |
\hline
|
|
|
47 |
\end{tabular}
|
|
|
48 |
|
|
|
49 |
%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%%
|
|
|
50 |
|
|
|
51 |
\section{Ověření vlastností fotoodporu}
|
|
|
52 |
Fotoodpor jsme zapojili sériově s měřícím odporem s hodnotou $R_z$ = 2050 Ohm. A na oba odpory připojili napájecí zdroj $U_0$ = 10 V. Postupně jsme pak měnili intenzitu záření dopadajícího na odpor pomocí šedotónových filtrů a na měřícím odporu odečítali napětí digitálním multimetrem. Výsledný odpor jsme pak vypočetli z naměřených hodnot, pomocí vztahu \ref{Odpor}. Je vidět, že odpor fotoodporu s rostoucím osvětlením klesá a napětí na měřícím odporu proto roste.
|
|
|
53 |
|
|
|
54 |
\begin{equation}
|
|
|
55 |
\label{Odpor}
|
|
|
56 |
R_F = \frac{(U_0 - Uz) R_z}{U_z}
|
|
|
57 |
\end{equation}
|
|
|
58 |
|
|
|
59 |
\begin{table}[htbp]
|
|
|
60 |
\begin{center}
|
|
|
61 |
\begin{tabular}{|c|c|c|c|}
|
|
|
62 |
\hline
|
|
|
63 |
Světelný příkon[mW] & Uz [V] Rozsvíceno & Uz [V] Zhasnuto & $R_F$ [Ohm] \\ \hline
|
|
|
64 |
2,94 & 9,191 & 9,18 & 180 \\ \hline
|
|
|
65 |
1,42 & 8,923 & 8,94 & 247 \\ \hline
|
|
|
66 |
0,56 & 8,498 & 8,4 & 362 \\ \hline
|
|
|
67 |
0,26 & 8,066 & 7,94 & 491 \\ \hline
|
|
|
68 |
0,12 & 7,48 & 7,191 & 690 \\ \hline
|
|
|
69 |
0,048 & 6,719 & 6,024 & 1001 \\ \hline
|
|
|
70 |
0,022 & 6,1 & 4,851 & 1310 \\ \hline
|
|
|
71 |
\end{tabular}
|
|
|
72 |
\end{center}
|
|
|
73 |
\caption{Naměřené hodnoty napětí a vypočtené hodnoty fotoodporu}
|
|
|
74 |
\label{RP}
|
|
|
75 |
\end{table}
|
|
|
76 |
|
|
|
77 |
\begin{figure}[htbp]
|
|
|
78 |
\centering
|
|
|
79 |
\includegraphics[width=150mm]{RP.png}
|
|
|
80 |
\caption{Závislost odporu fotoodporu na výkonu dopadajícího záření 650nm}
|
|
|
81 |
\label{mrizka}
|
|
|
82 |
\end{figure}
|
|
|
83 |
|
|
|
84 |
\section{VA charakteristika fotoodporu}
|
|
|
85 |
Při měření voltampérové charakteristiky jsme měli fotoodpor připojený ke zdroji a digitálním multimetrem jsme měřili jím protékající proud.
|
|
|
86 |
|
|
|
87 |
Naměřená charakteristika pro větší dopadající optický výkon se liší od lineární závislosti pravděpodobně proto, že odpor fotoodporu byl již dostatečně nízký na to, aby protékající proud mohl způsobit zahřátí polovodiče a tím zvýšení protékajícího proudu nad očekávanou mez.
|
|
|
88 |
|
|
|
89 |
\begin{table}[htbp]
|
|
|
90 |
\begin{center}
|
|
|
91 |
\begin{tabular}{|c|c|c|}
|
|
|
92 |
\hline
|
|
|
93 |
\multicolumn{1}{|l|}{} & \multicolumn{ 2}{c|}{I[mA]} \\ \hline
|
|
|
94 |
U [V] & 0,26 mW & 0,022 mW \\ \hline
|
|
|
95 |
|
|
|
96 |
1 & 1,83 & 0,479 \\ \hline
|
|
|
97 |
2 & 3,68 & 0,974 \\ \hline
|
|
|
98 |
3 & 5,452 & 1,429 \\ \hline
|
|
|
99 |
4 & 7,34 & 1,922 \\ \hline
|
|
|
100 |
5 & 9,157 & 2,399 \\ \hline
|
|
|
101 |
6 & 11,082 & 2,899 \\ \hline
|
|
|
102 |
7 & 12,954 & 3,37 \\ \hline
|
|
|
103 |
8 & 14,83 & 3,84 \\ \hline
|
|
|
104 |
9 & 16,703 & 4,33 \\ \hline
|
|
|
105 |
10 & 18,518 & 4,779 \\ \hline
|
|
|
106 |
\end{tabular}
|
|
|
107 |
\end{center}
|
|
|
108 |
\caption{Naměřené hodnoty voltampérové charakteristiky fotoodporu}
|
|
|
109 |
\label{RP}
|
|
|
110 |
\end{table}
|
|
|
111 |
|
|
|
112 |
\begin{figure}[htbp]
|
|
|
113 |
\centering
|
|
|
114 |
\includegraphics[width=150mm]{VA_R.png}
|
|
|
115 |
\caption{VA charakteristika fotoodporu pro dvě hodnoty výkonu dopadajícího záření}
|
|
|
116 |
\label{mrizka}
|
|
|
117 |
\end{figure}
|
|
|
118 |
|
|
|
119 |
|
|
|
120 |
\section{VA charakteristika fotodiody}
|
|
|
121 |
|
|
|
122 |
Voltampérovou charakteristiku diody jsme meřili jejím připojením ke zdroji, tak aby bylo možné ampérmetrem měřit protékající proud. Na zdroji jsme pak postupně měnili napětí a hodnoty proudu v závislosti na napětí zaznamenávali do tabulky.
|
|
|
123 |
|
|
|
124 |
\begin{table}[htbp]
|
|
|
125 |
\caption{Naměřené hodnoty VA charakteristiky PIN diody }
|
|
|
126 |
\begin{center}
|
|
|
127 |
\begin{tabular}{|c|c|c|c|}
|
|
|
128 |
\hline
|
|
|
129 |
& 2,94 mW & 0,26 mW & 0 mW \\ \hline
|
|
|
130 |
U [V] & I [mA] & I [mA] & I [mA] \\ \hline
|
|
|
131 |
|
|
|
132 |
-0,98 & -1,076 & -0,093 & 0 \\ \hline
|
|
|
133 |
-2 & -1,07 & -0,093 & 0 \\ \hline
|
|
|
134 |
-3,03 & -1,074 & -0,093 & 0 \\ \hline
|
|
|
135 |
-4 & -1,074 & -0,093 & 0 \\ \hline
|
|
|
136 |
-5,01 & -1,074 & -0,093 & 0 \\ \hline
|
|
|
137 |
-6 & -1,074 & -0,093 & 0 \\ \hline
|
|
|
138 |
-7,03 & -1,074 & -0,093 & 0 \\ \hline
|
|
|
139 |
-7,98 & -1,074 & -0,093 & 0 \\ \hline
|
|
|
140 |
-9,03 & -1,074 & -0,093 & 0 \\ \hline
|
|
|
141 |
-10 & -1,074 & -0,093 & 0 \\ \hline
|
|
|
142 |
0,53 & 0,002 & 0,004 & 0,004 \\ \hline
|
|
|
143 |
0,6 & 0,025 & 0,024 & 0,024 \\ \hline
|
|
|
144 |
0,69 & 0,109 & 0,107 & 0,109 \\ \hline
|
|
|
145 |
0,82 & 0,353 & 0,353 & 0,353 \\ \hline
|
|
|
146 |
0,9 & 0,56 & 0,558 & 0,558 \\ \hline
|
|
|
147 |
0,97 & 0,745 & 0,753 & 0,749 \\ \hline
|
|
|
148 |
1,12 & 1,187 & 1,185 & 1,18 \\ \hline
|
|
|
149 |
1,2 & 1,436 & 1,436 & 1,436 \\ \hline
|
|
|
150 |
1,3 & 1,733 & 1,733 & 1,733 \\ \hline
|
|
|
151 |
1,4 & 2,04 & 2,04 & 2,041 \\ \hline
|
|
|
152 |
1,5 & 2,34 & 2,34 & 2,342 \\ \hline
|
|
|
153 |
\end{tabular}
|
|
|
154 |
\end{center}
|
|
|
155 |
\label{}
|
|
|
156 |
\end{table}
|
|
|
157 |
|
|
|
158 |
|
|
|
159 |
\begin{figure}[htbp]
|
|
|
160 |
\centering
|
|
|
161 |
\includegraphics[width=150mm]{VA_PIN_propustny.png}
|
|
|
162 |
\caption{VA charakteristika PIN diody polarizované v propustném směru}
|
|
|
163 |
\label{mrizka}
|
|
|
164 |
\end{figure}
|
|
|
165 |
|
|
|
166 |
|
|
|
167 |
\begin{figure}[htbp]
|
|
|
168 |
\centering
|
|
|
169 |
\includegraphics[width=150mm]{VA_PIN_zaverny.png}
|
|
|
170 |
\caption{VA charakteristika PIN diody polarizované v závěrném směru}
|
|
|
171 |
\label{mrizka}
|
|
|
172 |
\end{figure}
|
|
|
173 |
|
|
|
174 |
Ze zobrazených grafů je vidět, že fotoefekt se v propustném směru příliš neprojevuje vzhledem k tomu, že fotoproud je zanedbatelný vůči proudu, který diodou protéká ze zdroje.
|
|
|
175 |
|
|
|
176 |
Naopak v závěrném směru je fotoefekt velmi výrazný a způsobuje značnou změnu protekajícího proudu. Proto se často pro detekci záření používá závěrně polarizovaná dioda.
|
|
|
177 |
|
|
|
178 |
\section{Spektrální citlivost fotodiody}
|
|
|
179 |
|
| 773 |
kaklik |
180 |
Pro měření spektrální citlivosti jsme PIN diodu měli zapojenou v sérii s měřícím odporem a dioda byla polarizovaná závěrně. Diodu jsme pak osvětlovali různými výkony a měřili protékající proud pomocí napětí na odporu.
|
| 770 |
kaklik |
181 |
|
| 773 |
kaklik |
182 |
\begin{table}[htbp]
|
|
|
183 |
\caption{Namřené a vypočtené hodnoty pro PIN diodu v režimu fotodetektoru pro případ vlnové délky 650nm}
|
|
|
184 |
\begin{center}
|
|
|
185 |
\begin{tabular}{|c|c|c|c|}
|
|
|
186 |
\hline
|
|
|
187 |
Světelný příkon[mW] & Id [mA] & A/W & QE \\ \hline
|
|
|
188 |
1,42 & 0,51 & 0,36 & 0,69 \\ \hline
|
|
|
189 |
0,56 & 0,20 & 0,36 & 0,68 \\ \hline
|
|
|
190 |
0,26 & 0,09 & 0,36 & 0,69 \\ \hline
|
|
|
191 |
0,12 & 0,04 & 0,35 & 0,67 \\ \hline
|
|
|
192 |
0,05 & 0,02 & 0,36 & 0,69 \\ \hline
|
|
|
193 |
0,02 & 0,01 & 0,34 & 0,65 \\ \hline
|
|
|
194 |
2,94 & 1,08 & 0,37 & 0,70 \\ \hline
|
|
|
195 |
\end{tabular}
|
|
|
196 |
\end{center}
|
|
|
197 |
\label{}
|
|
|
198 |
\end{table}
|
|
|
199 |
|
|
|
200 |
\begin{table}[htbp]
|
|
|
201 |
\caption{Namřené a vypočtené hodnoty pro PIN diodu v režimu fotodetektoru pro případ vlnové délky 780nm}
|
|
|
202 |
\begin{center}
|
|
|
203 |
\begin{tabular}{|c|c|c|c|}
|
|
|
204 |
\hline
|
|
|
205 |
Světelný příkon[mW] & Id [mA] & A/W & QE \\ \hline
|
|
|
206 |
2,24 & 1,10 & 0,49 & 0,78 \\ \hline
|
|
|
207 |
1,40 & 0,67 & 0,48 & 0,77 \\ \hline
|
|
|
208 |
1,00 & 0,52 & 0,52 & 0,83 \\ \hline
|
|
|
209 |
0,70 & 0,37 & 0,52 & 0,83 \\ \hline
|
|
|
210 |
0,46 & 0,23 & 0,50 & 0,79 \\ \hline
|
|
|
211 |
0,34 & 0,17 & 0,49 & 0,78 \\ \hline
|
|
|
212 |
3,00 & 1,61 & 0,54 & 0,85 \\ \hline
|
|
|
213 |
\end{tabular}
|
|
|
214 |
\end{center}
|
|
|
215 |
\label{}
|
|
|
216 |
\end{table}
|
|
|
217 |
|
|
|
218 |
|
|
|
219 |
\begin{figure}[htbp]
|
|
|
220 |
\centering
|
|
|
221 |
\includegraphics[width=150mm]{PIN_780nm.png}
|
|
|
222 |
\caption{Proudová odezva diody v závislosti na dopadajícím výkonu pro záření 780nm}
|
|
|
223 |
\label{mrizka}
|
|
|
224 |
\end{figure}
|
|
|
225 |
|
|
|
226 |
\begin{figure}[htbp]
|
|
|
227 |
\centering
|
|
|
228 |
\includegraphics[width=150mm]{PIN_650nm.png}
|
|
|
229 |
\caption{Proudová odezva diody v závislosti na dopadajícím výkonu pro záření 650nm}
|
|
|
230 |
\label{mrizka}
|
|
|
231 |
\end{figure}
|
|
|
232 |
|
|
|
233 |
Z grafů je patrné, že pro infračervené záření je křemíková dioda citlivější, což je ve shodě s hodnotami předpovídanými teorií.
|
|
|
234 |
|
| 770 |
kaklik |
235 |
\section{Fotovoltaické zapojení fotodiody}
|
|
|
236 |
|
|
|
237 |
PIN diodu umístěnou ve stojánku jsme při tomto měření osvětlovali halogenovou žárovkou. A měřili proud a napětí na vývodech diody pro různou velikost zátěžového odporu.
|
|
|
238 |
Tím jsme dostali zátěžovou charakteristiku uvedenou v tabulce a grafu. Z naměřených hodnot je patrné, že největšího výkonu je dosaženo v pracovním bodě U=0,41 V, I=40,3 mA, kde je výkon 16,402 mW.
|
|
|
239 |
Z toho vyplývá, že pro panel s výkonem 1W by jsme potřebovali 60 kusů diod zapojených ve třech paralelních větvích po 20ks v sérii.
|
|
|
240 |
|
|
|
241 |
|
|
|
242 |
\begin{table}[htbp]
|
|
|
243 |
\begin{center}
|
|
|
244 |
\begin{tabular}{|c|c|c|}
|
|
|
245 |
\hline
|
|
|
246 |
U[V] & I[mA] & P[mW] \\ \hline
|
|
|
247 |
0,00 & 51,4 & 0,00 \\ \hline
|
|
|
248 |
0,56 & 7,18 & 4,00 \\ \hline
|
|
|
249 |
0,56 & 3,8 & 2,14 \\ \hline
|
|
|
250 |
0,57 & 2,1 & 1,19 \\ \hline
|
|
|
251 |
0,45 & 34,6 & 15,67 \\ \hline
|
|
|
252 |
0,50 & 24,53 & 12,36 \\ \hline
|
|
|
253 |
0,53 & 16,82 & 8,91 \\ \hline
|
|
|
254 |
0,54 & 11,52 & 6,27 \\ \hline
|
|
|
255 |
0,34 & 46,1 & 15,86 \\ \hline
|
|
|
256 |
0,32 & 47,8 & 15,06 \\ \hline
|
|
|
257 |
0,37 & 43,7 & 16,34 \\ \hline
|
|
|
258 |
0,42 & 39,45 & 16,37 \\ \hline
|
|
|
259 |
0,44 & 36,81 & 16,05 \\ \hline
|
|
|
260 |
0,41 & 40,3 & 16,40 \\ \hline
|
|
|
261 |
0,40 & 41,2 & 16,40 \\ \hline
|
|
|
262 |
0,58 & 0 & 0 \\ \hline
|
|
|
263 |
\end{tabular}
|
|
|
264 |
\end{center}
|
|
|
265 |
\caption{PIN dioda ve fotovoltaickém režimu}
|
|
|
266 |
\label{RP}
|
|
|
267 |
\end{table}
|
|
|
268 |
|
|
|
269 |
\begin{figure}[htbp]
|
|
|
270 |
\centering
|
|
|
271 |
\includegraphics[width=150mm]{PIN_photovoltanic.png}
|
|
|
272 |
\caption{Charakteristiky PIN diody ve fotovoltaickém režimu}
|
|
|
273 |
\label{mrizka}
|
|
|
274 |
\end{figure}
|
|
|
275 |
|
|
|
276 |
\section{Proudová charakteristika fototranzistoru}
|
|
|
277 |
Při měření proudové charakteristiky fototranzistoru jsme postupovali obdobně jako při měření na fotoodporu. S tím rozdílem, že nyní byl $R_z$ = 100,3 Ohm a napájecí napětí $U_0$ = 5 V.
|
|
|
278 |
|
|
|
279 |
\begin{table}[htbp]
|
|
|
280 |
\begin{center}
|
|
|
281 |
\begin{tabular}{|c|c|c|}
|
|
|
282 |
\hline
|
|
|
283 |
Světelný příkon[mW] & Ur[V] & Ice [mA] \\ \hline
|
|
|
284 |
2,94 & 2,44 & 24,3 \\ \hline
|
|
|
285 |
1,42 & 1,18 & 11,8 \\ \hline
|
|
|
286 |
0,56 & 0,43 & 4,3 \\ \hline
|
|
|
287 |
0,26 & 0,18 & 1,8 \\ \hline
|
|
|
288 |
0,12 & 0,08 & 0,8 \\ \hline
|
|
|
289 |
0,048 & 0,03 & 0,3 \\ \hline
|
|
|
290 |
0,022 & 0,01 & 0,1 \\ \hline
|
|
|
291 |
\end{tabular}
|
|
|
292 |
\end{center}
|
|
|
293 |
\caption{Hodnoty proudu fototranzistorem}
|
|
|
294 |
\label{RP}
|
|
|
295 |
\end{table}
|
|
|
296 |
|
|
|
297 |
\begin{figure}[htbp]
|
|
|
298 |
\centering
|
|
|
299 |
\includegraphics[width=150mm]{ITP.png}
|
|
|
300 |
\caption{Proud protékající fototranzistorem v závislosti na výkonu dopadajícího záření}
|
|
|
301 |
\label{mrizka}
|
|
|
302 |
\end{figure}
|
|
|
303 |
|
|
|
304 |
|
|
|
305 |
\begin{thebibliography}{99}
|
|
|
306 |
|
|
|
307 |
\bibitem{navod} Kolektiv KFE FJFI ČVUT: \emph{Úloha č. 9 - Detekce optického záření}, [online], [cit. 9. března 2011], http://optics.fjfi.cvut.cz/files/pdf/ZPOP_09.pdf
|
|
|
308 |
|
|
|
309 |
\end{thebibliography}
|
|
|
310 |
|
|
|
311 |
\end{document}
|