Die Photodiode (PD) ist ein optoelektronisches Bauteil, welches benutzt wird um Licht in ein elektrisches Signal umzuwandeln.

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1 Versuch 1: Die Photodiode Die Photodiode (PD) ist ein optoelektronisches Bauteil, welches benutzt wird um Licht in ein elektrisches Signal umzuwandeln. Es werden 3 verschiedene Betriebsarten von PDs unterschieden: Die PD als Stromquelle Der Elementbetrieb Die in Sperrichtung vorgespannte Diode. Wir werden uns mit allen drei Betriebsarten beschäftigen Abb. 1 Messung des Photostroms Abb. 2 Der Elementbetrieb Abb. 3 Der vorgespannte Betrieb Für die Messungen stehen folgende Geräte zur Verfügung: Funktionsgenerator Philips PM 5138 Oszilloskop Hitachi VC6045 Netzgerät Hameg Ein Multimeter Keithley 2001 Eine Beschreibung der Geräte ist im Anhang beigefügt. Für die Durchführung des Versuchs wird als Lichtquelle eine Leuchtdiode (LED) benutzt. Diese ist in einer LED Halterung (Abb. 4) eingebaut. Die Photodiode ist ebenfalls in eine Halterung (Abb. 5) eingebaut. Damit können die verschiedenen Betriebsarten der Diode sehr einfach eingestellt werden. 1

2 Abb. 4 LED Halterung Abb. 5 Photodiodenhalterung Der Strom der Durch die LED fließt wird durch den Vorwiderstand R begrenzt. Der LEDStrom kann nach folgender Formel berechnet werden. I = U in U LED R Um die verschiedenen Betriebsarten der Photodiode zu realisieren müssen in die Buchsen folgende Widerstände gesteckt werden. Betriebsart Buchse U Buchse R PD als Stromquelle 0 Ω Ω Elementbetrieb 0 Ω Lastwiderstand (z.b. 10 KΩ) Vorgespannter Betrieb 30 V vom Netzgerät Lastwiderstand (z.b. 10 KΩ) 2

3 Versuchsdurchführung: Fließt durch eine LED ein Strom, so ist die emittierte Lichtleistung proportional zum Strom. Dieser Zusammenhang gilt nicht streng, weil sich unter anderem Temperatureffekte störend bemerkbar machen. Für diesen Versuch werden wir diese Effekte vernachlässigen. Der Strom durch die LED wird über die angelegte Spannung (s.o) eingestellt. Aufgabe 1: Der Photostrom Messen Sie den Strom, den die Photodiode erzeugt in Abhängigkeit vom Strom, der durch die Leuchtdiode (LED) fließt. Aufgabe 2: Der vorgespannte Betrieb Messen Sie die Spannung, die am Lastwiderstand der PD abfällt für den vorgespannten Betrieb in Abhängigkeit vom Strom, der durch die Leuchtdiode (LED) fließt. Aufgabe 3: Der Elementbetrieb Messen Sie den Strom, den die Photodiode erzeugt in Abhängigkeit vom Strom, der durch die Leuchtdiode (LED) fließt. Für alle drei Versuche soll der Strom durch die LED soll wie folgt verändert werden. Messung I LED (ma) Wichtig Der Strom wird mit einem Handmultimeter zur Kontrolle gemessen. Die LED soll mit einem 500 Ω Vorwiderstand betrieben werden. Der Abstand der LED von der Photodiode muss so eingestellt werden, dass bei einem LED Strom vom 10 ma die Spannung an der PD ca. 100 mv beträgt. In Abb. 6 ist ein Beispiel für die Messung dargestellt 3

4 Spannung PD Elementbetrieb und mit Vorspannung Strom LED [ma] Abb. 6 Uv [mv] Ue [mv] Die beiden Betriebsarten zeigen für niedrigen LED Strom bzw. geringe Helligkeiten einen nachezu parallelen Verlauf. Im Elementbetrieb sieht man deutlich eine Abweichung von der Linearität sobald die Spannung über 0.2 V steigt. Diese Nichtlinearität entsteht, weil die Diode maximal Spannungen von 0,4 V 0,5V selbst erzeugen kann, egal wie groß die Bestrahlungsstärke war. Das heißt, der PD Strom geht in die Sättigung. Aufgabe 4: Die Empfindlichkeit Positioniert man die LED ganz nah direkt vor die Photodiode dann trifft bei einem LED Strom von 20 ma eine Strahlungsleistung von 1,69 mw auf die Photodiode. Mit dieser Angabe soll die Abhängigkeit der Empfindlichkeit der PD vom Lastwiderstand bestimmet werden. Die Empfindlichkeit wird gemäß unten stehender Formel bestimmt E= U P opt E: Empfindlichkeit U: gemessene Spannung P opt : auftreffende Strahlungsleistung Die Empfindlichkeit im Elementbetrieb wird sich für kleine Lichtleistungen ähnlich verhalten wie im vorgespannten Betrieb. Bei größeren Lichtleistungen gilt dies nicht mehr s.o. Ein Beispiel: Man erhält bei einem Lastwiderstand von 10 KΩ ein Spannung Am Lastwiderstand von 8,7 V. dies ergibt eine Empfindlichkeit von 8,7 V/1,69 mw = 5147 V/W. Die Empfindlichkeit soll für die Widerstände 100 Ω, 1 KΩ, 10 KΩ, 100 KΩ und 1 MΩ bestimmt werden. 4

5 Aufgabe 5: Der Dunkelstrom Je nach Betriebsart der Diode erhält man zusätzlich zum eigentlichen Nutzsignal weitere Störsignale. Dies ist z.b. der Dunkelstrom. In diesem Versuch messen wir den Dunkelstrom für die zwei Betriebsarten der PD. Der Dunkelstrom wird indirekt gemessen, weil das Messgerät so kleine Ströme nicht messen kann. Die Messung erfolgt über den Spannungsabfall an dem 1 MΩ Widerstand. Nach dem Ohmschen Gesetz kann dann der Dunkelstrom bestimmt werden. Der Dunkelstrom im vorgespannten Betrieb beträgt ca. 70 na bei Raumtemperatur. Durch leichtes Erwärmen mit einem Föhn kann der Einfluss der Umgebungstemperatur auf den Dunkelstrom sichtbar gemacht werden. Messen Sie den Dunkelstrom im vorgespannten und im Elementbetrieb. Vergleichen Sie die Ergebnisse. Aufgabe 6: Die Geschwindigkeit Hier werden wir das Zeitverhalten einer Photodiode mit unterschiedlichen Lastwiderständen betrachten. Die Schaltzeiten der verwendete LED liegen bei ca. 20 ns. Die PD wird mit den verwendeten Widerständen deutlich langsamer sein. Somit kann der Einfluss der LED auf die Messung vernachlässigt werden. Die LED wird mit einer pulsierenden Gleichspannung aus dem Funktionsgenerator angesteuert. Das bedeutet, die Spannung an der LED wird nicht negativ und hat eine rechteckige Signalform (Abb.7). Bitte überprüfen Sie mit Hilfe des Oszilloskops die anzulegende Spannung. Erst wenn dies geschehen ist darf die LED mit dem Generator verbunden werden. Die Spannung (AC) am Generator sollte am Anfang auf 10 V eingestellt sein. An der Photodiode werden wir die Abfallzeit messen. Die Abfallzeit ist die Zeit, die das Ausgangssignal der PD benötigt, um von 100% auf den 1/e ten (ca. 37%) Teil abzufallen. Die Messungen sollen mit den Lastwiderständen 1 KΩ, 10 KΩ und 100 KΩ für beide Betriebsarten durchgeführt werden. Die Frequenz am Generator ist so einzustellen, dass die Flanken des Signals deutlich schräg weden (Abb. 8). Dann kann mit Hilfe der Cursortasten die Abfallzeit der Diode bestimmt werden (Abb.9). Wichtig: Im Elementbetrieb darf die Spannung an der PD nicht größer als 200 mv sein, weil sonst Nichtlinearitäten die Messung verfälschen würden. Die Signal kann durch die Reduzierung der LED Spannung oder durch Änderung des Abstandes der LED zur PD verkleinert werden. Ein größerer Vorwiderstand an der LED führt ebenfalls zu einer Reduzierung der Helligkeit der LED. Vergleichen Sie die die Geschwindigkeiten der beiden Betriebsarten und versuchen Sie eine Abhängigkeit von der Lastwiderständen zu erkennen. 5

6 Abb. 7 Die pulsierende Gleichspannung Abb. 8 Spannung an der Photodiode Abb. 9 Die Messung Auswertung: Aufgabe 1: Zeichen Sie ein Diagramm in dem der Photostrom gegen den LED Strom aufgetragen ist. Aufgabe 2 und 3: Zeichen Sie ein gemeinsames Diagramm in dem die Spannung gegen den LED Strom aufgetragen ist (siehe Abb. 6). Aufgabe 4,5und 6: Werten Sie diese Messungen in Tabellenform aus. 6

7 z.b. Widerstand U E U V E E E V T E T V 100 R 1 K 10 K 100 K 1 M U E : Photospannung im Elementbetrieb U V : Photospannung mit Vorspannung E E : Empfindlichkeit im Elementbetrieb E V : Empfindlichkeit mit Vorspannung T E : Schaltzeit im Elementbetrieb T V : Schaltzeit mit Vorspannung Welche Erkenntnisse lassen sich aus dieser Tabelle gewinnen? 7

8 Anhang: Beschreibung der Geräte Der Funktionsgenerator Philips PM5138 Der Funktionsgenerator (Abb. 1) dient dazu die Ansteuersignale für die Geschwindigkeitsmessung der PD zu liefern. Die wichtigsten Einstellmöglichkeiten sollen hier kurz beschrieben werden. Fast alle Parameter können an dem großen Einstellrad verändert werden. Der Generator wird mit einem Schalter auf der Rückseite des Gerätes eingeschaltet. Mit den Tasten Frequency wird der Fokus auf die Frequenzeinstellung gelegt und die Frequenz kann mit dem Einstellrad verändert werden. Mit den Tasten Waveform wird der Fokus auf die Einstellung der Wellenform gelegt. Die Wellenform kann mit den beiden Tasten ausgewählt werden und wird im Display angezeigt. Mit der Taste DC kann der Gleichspannungsanteil des Signals eingestellt werden. Mit der Taste AC kann der Wechselspannungsanteil des Signals eingestellt werden. Es wird immer nur eine Spannung angezeigt und mit DC bzw. AC gekennzeichnet. Die Einstellung erfolgt mit dem Einstellrad. Die anderen Tasten sollten für diesen Versuch nicht benutzt werden. Das Signal kann an der BNC Buchse auf der rechten Seite vorne am Gerät abgenommen werden. Es wird empfohlen, die Einstellungen am Oszilloskop zu überprüfen. Abb.1: Der Funktionsgenerator 8

9 Das Netzgerät Hameg HM 8142 Das Netzgerät (Abb. 2) wird benötigt für die Spannung der Leuchtdiode und für die Vorspannung der Photodiode. Das Netzgerät besitzt drei unabhängige Spannungsausgänge: U1: 5 V, U2: 0-30 V, U3: 0-30 V. Für diesen Versuch benötigen wir nur beiden einstellbaren Spannungen. Das Gerät wird an dem roten Druckschalter oben links eingeschaltet Die Spannungen werden an den roten (+) und blauen (-) Buchsen entnommen In den beiden Displays werden die zu dem jeweiligen Ausgang gehörenden Spannungen und Ströme angezeigt. Die Spannung kann mit Hilfe des Einstellrades verändert werden, dies geht aber nur, wenn zuvor die Einstellung durch die Taste V-Set ermöglicht wurde. Wird die V-Set Taste gedrückt leuchtet daneben eine rote LED auf, die anzeigt, dass die Spannung verändert werden kann. Nach wenigen Sekunden erlischt die LED und die Spannung kann nicht mehr verändert werden. Der Strom wird analog zur Spannung verändert, durch Drücken von I-Set. Die Stromeinstellung dient nur zur Strombegrenzung, um die Bauteile vor Zerstörung zu Schützen. Die Strombegrenzung soll für die LED auf 25 ma eingestellt werden, für die Vorspannung der Photodiode genügen 10 ma oder weniger. Die eingestellten Spannungen liegen erst an den Ausgängen an, wenn diese mit der Taste Output eingeschaltet werden. Sind die Ausgänge eingeschaltet leuchtet eine rote LED über der Output Taste. Mit den beiden Pfeiltasten unter dem Einstellrad können die Spannungen und Ströme fein eingestellt werden. Abb. 2: Das Netzgerät 9

10 Das Mulimeter Keithley 2000 Mit dem Multimeter werden die Ströme und Spannungen an der Photodiode gemessen. Das Gerät wird am Netzschalter Power eingeschaltet. Die zu messenden Signale werden an den Eingangsbuchsen eingesteckt. In diesem Versuch benutzen wir nur die rechten Eingangsbuchsen. Spannung wird an der roten (+) und an der schwarzen (-) Buchse gemessen. Strom wird an der weißen (+) und an der schwarzen (-) Buchse gemessen. Die Stromstärke darf nicht größer als 2 A sein. Die Art der Messung wird mit den Wahlschaltern ausgewählt. Für Gleichspannungsmessungen muss die DCV Taste gedrückt werden. Im Display erscheint dann die Anzeige VDC bzw. mvdc. Für Gleichstrommessungen muss die DCI Taste gedrückt werden. Im Display erscheint dann die Anzeige ADC bzw. madc. Sollen Relativmessungen gemacht werden, kann die Taste REL benutzt werden. Der messbereich stellt sich automatisch ein. Alle anderen Tasten werden für den Versuch nicht benötigt und sollen nicht benutzt werden. 10

11 Das Oszilloskop Hitachi VC6045 Mit dem Oszilloskop (Abb. 4) werden die Schaltzeiten der Photodiode gemesen. Wir gehen davon aus, dass in früheren Praktika der Umgang mit einem Oszilloskop geübt wurde und deshalb die Abb. 4 als Anleitung genügen sollte. Abb. 4 Das Oszilloskop 11