Protokollbuch. Friedrich-Schiller-Universität Jena. Physikalisch-Astronomische Fakultät SS Messtechnikpraktikum

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1 Friedrich-Schiller-Universität Jena Physikalisch-Astronomische Fakultät SS 2008 Protokollbuch Messtechnikpraktikum Erstellt von: Christian Vetter (89114) Helena Kämmer (92376) Betreuer: A. Steppke Erstellt am: 19. April 2008 letzte Änderung: 20. Juni 2008

2 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) aufnehmen Frage: Welche Rolle spielen der konstante Widerstand R 2 und der veränderliche Widerstand R 1 in der Schaltung? - Übertragungskennlinie (I F (I LED )) der Fotodiode im Bereich von 0 I LED 10mA - Übertragungskennlinie (U A (I LED )) des Fototransistors im Bereich von 0 I LED 10mA Aufgabe 2: (Frequenzabhängigkeiten) - Beobachten der Frequenzabhängigkeit der Fotodiode von 50Hz bis 100kHz Maximalen Spannungshub und maximal nutzbare Übertragungsfrequenz bestimmen 10% - 90%-Anstiegszeit bestimmen

3 3 Fotostrom als Spannungsabfall über R 1 Ausgang ansteuern. = 47kΩ aufnehmen, IR-LED mit TTL- - Beobachten 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. - Beobachten 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.

4 4 Aufgabe 3: (Fotowiderstand) - Beobachten der Spannung U F 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 Unbeleuchtet mit R = 1, 01kΩ Foto Unbeleuchtet mit R = 10, 17kΩ Foto Beleuchtet mit R = 10, 17kΩ Foto Beleuchtet mit R = 1, 01kΩ Foto An, Aus, Messbereich mit 5, 05kΩ Foto unbeleuchtet 10k, 1k, Messbereich Foto beleuchtet 10k, 1k, Messbereich Übertragungskennlinie der Fotodiode: I LED [ma] 10,0 9,5 9,0 8,5 8,0 7,5 7,0 6,5 6,0 5,5 I F [µa] 15,5 14,6 13,8 13,0 12,2 11,3 10,5 9,7 9,0 8,2 I LED [ma] 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 I F [µa] 7,3 6,5 5,8 5,0 4,2 3,4 2,7 1,9 1,2 0,7 Übertragungskennlinie des Fototransistors: I LED [ma] 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,5 U CE [V] 4,55 4,38 3,97 3,58 3,20 2,38 1,67 0, I LED [ma] 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 U CE [mv] I LED [ma] 7,0 7,5 8,0 8,5 9,0 9,5 10,0 U CE [mv]

5 5 Aufgabe 2: Maximal nutzbare Übertragungsfrequenz (80% des max. Spannungshubs) Fotodiode: R 1 = 46, 7 Frequenz [khz] 0,05 0,5 2,5 7,5 20,0 30,5 50,0 100,0 Fotonummer 76, U max [V] 0,28 0,28 0,28 0,28 0,28 0,22 0,16 0,08 t 10/90 [ms] 0,01 0,01 0,01 0,01 0,01 0,005 0,0034 Fototransistor: R L = 10, 9 Frequenz [khz] 0,05 0,5 2,5 5,0 7,5 12,0 20,0 50,0 100,0 Fotonummer 61, , 72 73, 74 U max [V] 4,40 4,40 4,40 4,30 4,10 3,20 1,60 0,12 0,04 t 10/90 [ms] 0,04 0,04 0,04 0,04 0,02 0,09µs Fotodiode mit Verstärkerschaltung: R 0 = 101, 3kΩ C 0 = 33, 4pF Frequenz [khz] 0,05 0,5 5,0 20,0 50,0 100,0 150,0 Fotonummer U max [V] 0,70 0,70 0,70 0,70 0,65 0,60 0,55 t 10/90 [µs] 4 2,5 2 1,4 Aufgabe 3: Beobachtungen bei Gleichspannung: Dunkel Normalbeleuchtung Direkte Bestrahlung 5,0 V 4,5 V 0,7 V Beobachtungen bei Rechteckspannung: Frequenz [Hz] Fotonummer 98, , Beobachtungen bei Sinusspannung: Frequenz [Hz] Fotonummer 93, 94, 95 Bemerkung analoges Verhalten

6 6 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 R 2 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-n- Überganges 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 R L = 5, 05kΩ gemacht wurden. Unbeleuchtet Beleuchtet Abb. 2 Abb. 3 Verändert man mit Hilfe von R 1 den Gesamtlastwiderstand R L, so verändert sich ebenfalls die Kennlinie. Die Stärke der Veränderung ist von der Beleuchtungsintensität abhängig. Man kann also schlussfolgern, das man mit R 1 in der Lage ist die Empndlichkeit des Systems zu beeinussen und in einem gewissen Rahmen eine Kalibriierung vorzunehmen.

7 7 Im beleuchteten Fall erhält man bei einem R L = 10, 17kΩ die in Abb. 4 gezeigte Kennlinie. Hingegen liegt bei einem geringeren Lastwiderstand von R L = 1, 01kΩ die Kennlinie höher (Abb. 5). Zusammen mit Abb. 3 ergibt sich eine gute Übersicht über die Veränderungen. R L = 10, 17kΩ R L = 5, 05kΩ R L = 1, 01kΩ Abb. 4 Abb. 3 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. Bemerkung: Auf eine Skalierung und Kalibrierung der Achsen wurde verzichtet, da das Hauptaugenmerk auf der Beobachtung liegen soll.

8 8 Übertragungskennlinie der Fotodiode: Diagramm 1 Nimmt man die Übertragungskennline (I F ) in Abhängigkeit des LED-Stromes (I LED ) 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 9 Beim Fototransistor erhält man ein Diagramm mit zwei charakteristischen Bereichen. Für I LED 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

10 10 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 U max = 280mV feststellen. Dieser war bei f = 30, 5kHz auf U max = 220mV zusammengebrochen. Da die Denition der maximal nutzbaren Übertragungsfrequenz meist als der Zusammenbruch von U max auf 80% des Ausgangswertes deniert wird, kann f = 30, 5kHz als maximal nutzbare Übertragungsfrequenz angegeben werden. Die Anstiegszeit ist bei kleineren Frequenzen konstant (hier: t 10/90 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: f = 50Hz f = 2, 5kHz f = 5, 0kHz f = 12kHz f = 20kHz f = 50kHz Bemerkung: 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!

11 11 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 U max = 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 t 10/90 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 U max = 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

12 12 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 t 10/90 - 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 Normalbeleuchtung Direkte Bestrahlung 5,0 V 4,5 V 0,7 V Legt man ein symmetrisches Rechtecksignal an die Glühlampe, so erhält man nur eine Gerade. Erklärbar ist dies dadurch, dass sich die Leistung aus P = U 2 R 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