spis urządzeń użytych dnia moduł O-01

Transkrypt

1 Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie wybranych reprezentatywnych elementów optoelektronicznych nadajników światła (fotoemiterów), odbiorników światła (fotodetektorów) i transoptorów oraz zapoznanie się z pojęciem łącza optoelektronicznego. Podstawowe informacje Elementami optoelektronicznymi są przyrządy półprzewodnikowe, które emitują, wykrywają lub przetwarzają światło (a raczej promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu ultrafioletu, promieniowania widzialnego lub podczerwieni). Podstawą ich działania są zjawiska fizyczne występujące w półprzewodnikach w wyniku wzajemnego oddziaływania fotonów i elektronów - przede wszystkim zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne oraz zjawisko elektroluminescencji. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne w przyrządach bezzłączowych przejawia się wzrostem przewodnictwa elektrycznego (fotokonduktancja), natomiast w złączach p-n powstawaniem SEM (zjawisko fotowoltaiczne). Zjawisko elektroluminescencji to luminescencja wywołana przepływem prądu elektrycznego, powodującego np. wstrzykiwanie nośników mniejszościowych do danego obszaru półprzewodnika przez złącze p-n. Pod względem funkcjonalnym przyrządy optoelektroniczne dzielimy na: Półprzewodnikowe źródła światła (promieniowania), czyli fotoemitery grupujące diody elektroluminescencyjne (DEL, LED light emitting diode) oraz lasery półprzewodnikowe. Półprzewodnikowe detektory światła (promieniowania), czyli fotodetektory grupujące fotooporniki (elementy bezzłączowe), fotodiody i fototranzystory (elementy złączowe) oraz fotoogniwa. Półprzewodnikowe przyrządy bazujące na sprzężeniu optycznym (para złożona z fotoemitera i fotodetektora) transoptory. Przetworniki promieniowania matryce półprzewodnikowe do analizy obrazu. Wykaz aparatury pomiarowej spis urządzeń użytych dnia moduł O-01 multimetr METEX M4650 J3-T6-260/4 multimetr METEX M4650 J3-T6-264/4 multimetr METEX M4660A J3-T6-259/5 zasilacz DF1731SB3A J3-T6-259/1 generator funkcyjny DF1641A J3-T6-261/2 oscyloskop GOS-620 J3-T6-257/2

2 Wyniki pomiarów i analiza wyników Charakterystyka prądowo-napięciowo-oświetleniowa diody elektroluminescencyjnej Do pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowo-oświetleniowych diod luminescencyjnych użyliśmy układu pomiarowego, zbudowanego w oparciu o moduł O-01, oraz multimetry METEX M4650 oraz METEXE 4660A, według poniższego schematu: Schemat 1. Schemat połączeń do wyznaczania charakterystyk prądowo-napięciowo-oświetleniowych diod Wybraliśmy 3 spośród 5 dostępnych diod: DEL 1 DEL 3 DEL 4 elektroluminescencyjnych. Otrzymaliśmy następujące pomiary:

3 nr diody DEL 1 (RED) DEL 3 (GREEN) DEL 4 (BLUE) I D [ma] U D [V] U F [V] 0,00 ± 0,03 1,499 ± 0,004 0,000 ± 0,003 2,06 ± 0,04 1,650 ± 0,004 0,013 ± 0,003 4,06 ± 0,05 1,719 ± 0,004 0,030 ± 0,003 6,09 ± 0,06 1,752 ± 0,004 0,048 ± 0,003 8,06 ± 0,07 1,773 ± 0,004 0,066 ± 0,003 10,02 ± 0,08 1,783 ± 0,004 0,084 ± 0,003 12,04 ± 0,09 1,789 ± 0,004 0,103 ± 0,003 14,09 ± 0,1 1,793 ± 0,004 0,122 ± 0,003 16,14 ± 0,1 1,796 ± 0,004 0,141 ± 0,003 18,16 ± 0,1 1,799 ± 0,004 0,160 ± 0,003 19,39 ± 0,1 1,801 ± 0,004 0,172 ± 0,003 0,00 ± 0,03 2,304 ± 0,004 0,000 ± 0,003 2,09 ± 0,04 2,802 ± 0,004 0,111 ± 0,003 3,99 ± 0,05 2,909 ± 0,004 0,191 ± 0,003 6,02 ± 0,06 2,992 ± 0,004 0,263 ± 0,003 8,19 ± 0,07 3,063 ± 0,005 0,336 ± 0,003 10,19 ± 0,08 3,120 ± 0,005 0,386 ± 0,003 12,01 ± 0,09 3,156 ± 0,005 0,431 ± 0,003 14,01 ± 0,1 3,211 ± 0,005 0,478 ± 0,003 16,15 ± 0,1 3,257 ± 0,005 0,523 ± 0,003 18,12 ± 0,1 3,297 ± 0,005 0,562 ± 0,003 19,34 ± 0,1 3,321 ± 0,005 0,585 ± 0,003 0,01 ± 0,03 2,280 ± 0,004-0,0070 ± 0,0003 2,02 ± 0,04 2,839 ± 0,004 0,0120 ± 0,0003 3,98 ± 0,05 2,902 ± 0,004 0,0295 ± 0,0003 6,18 ± 0,06 2,953 ± 0,004 0,0492 ± 0,0003 8,16 ± 0,07 2,991 ± 0,004 0,0663 ± 0, ,09 ± 0,08 3,025 ± 0,005 0,0826 ± 0, ,30 ± 0,09 3,059 ± 0,005 0,1005 ± 0, ,99 ± 0,1 3,082 ± 0,005 0,1135 ± 0, ,20 ± 0,1 3,110 ± 0,005 0,1299 ± 0, ,83 ± 0,1 3,130 ± 0,005 0,1416 ± 0, ,36 ± 0,1 3,147 ± 0,005 0,1523 ± 0,0004 Tabela 1. Pomiar charakterystyk prądowo-napięciowo-oświetleniowych wybranych diod luminescencyjnych. Podczas dokonywania pomiarów szczególną uwagę należało zwrócić na światłowód, którego nieprawidłowe ułożenie powodowało zauważalne błędy w pomiarach. Na podstawie otrzymanych danych jesteśmy w stanie narysować wykresy charakterystyk prądowonapięciowo-oświetleniowych badanych diod:

4 Wykres 1. Charakterystyki prądowo-napięciowych I D = f 1(U D) badanych diod luminescencyjnych. Kolory charakterystyk odpowiadają kolorom badanych diod. Przedstawione zależności mają charakterystyki zbliżone do eksponencjalnych, co pokrywa się z przykładowymi charakterystykami z kart katalogowych. Na podstawie otrzymanych wyników możemy również wykreślić zależności napięcia na wyjściu fotodetektora od natężenia prądu, które są w przybliżeniu proporcjonalne do natężenia emitowanego światła:

5 0,6 0,5 0,4 Uf [V] 0,3 0,2 0,1 0, Id [ma] Wykres 2. Napięcia na wyjściu fotodetektora w funkcji natężenia prądu U f = f 2(I D) (kolory odpowiadają badanym diodom) Otrzymane charakterystyki napięcia fotodetektora w funkcji natężenia prądu mają charakter zbliżony do liniowego.

6 Charakterystyka prądowo-napięciowe fotodetektorów w zależności od natężenia światła Do pomiaru charakterystyk prądowo-napięciowych fotodetektorów użyliśmy układu pomiarowego, zbudowanego w oparciu o moduł O-01, oraz multimetry METEX M4650, według poniższego schematu: Schemat 2. Schemat połączeń do wyznaczania charakterystyk prądowo-napięciowych fotodetektorów, w zależności od natężenia światła. Wybraliśmy następujące 2 z 3 dostępnych fotodetektorów: fotorezystor (FR) fotodioda (FD) Dokonaliśmy następujących pomiarów:

7 rodzaj fotoelementu fotorezystor FR fotodioda FD Φ 10% 90% 20% 100% U F [V] I F [ma] 0,000 ± 0,003 0,00 ± 0,03 1,055 ± 0,004 0,70 ± 0,03 2,032 ± 0,004 1,38 ± 0,04 3,029 ± 0,005 2,04 ± 0,04 4,360 ± 0,005 2,73 ± 0,04 5,060 ± 0,006 3,43 ± 0,05 6,065 ± 0,006 4,11 ± 0,05 7,068 ± 0,007 4,81 ± 0,05 8,028 ± 0,007 5,48 ± 0,06 0,000 ± 0,003 0,00 ± 0,03 0,337 ± 0,003 1,01 ± 0,04 0,673 ± 0,003 2,01 ± 0,04 1,015 ± 0,004 3,05 ± 0,05 1,398 ± 0,004 4,18 ± 0,05 1,686 ± 0,004 5,05 ± 0,06 2,001 ± 0,004 5,98 ± 0,06 2,313 ± 0,004 6,93 ± 0,06 2,712 ± 0,004 8,13 ± 0,07 2,998 ± 0,004 8,99 ± 0,07 3,413 ± 0,005 10,25 ± 0,08 0,000 ± 0,003 0,00 ± 0,03 1,027 ± 0,004 2,67 ± 0,04 2,071 ± 0,004 2,76 ± 0,04 3,041 ± 0,005 2,82 ± 0,04 3,995 ± 0,005 2,87 ± 0,04 5,017 ± 0,006 2,92 ± 0,04 6,003 ± 0,006 2,98 ± 0,04 7,062 ± 0,007 3,02 ± 0,05 8,068 ± 0,007 3,06 ± 0,05 9,058 ± 0,008 3,11 ± 0,05 10,010 ± 0,008 3,15 ± 0,05 11,062 ± 0,009 3,20 ± 0,05 12,325 ± 0,009 3,25 ± 0,05 0,000 ± 0,003 0,00 ± 0,03 0,097 ± 0,003 0,98 ± 0,03 0,130 ± 0,003 2,12 ± 0,04 0,152 ± 0,003 2,94 ± 0,04 0,184 ± 0,003 4,00 ± 0,05 0,230 ± 0,003 4,99 ± 0,05 0,312 ± 0,003 5,89 ± 0,06 0,412 ± 0,003 7,00 ± 0,07 0,527 ± 0,003 8,05 ± 0,07 0,647 ± 0,003 9,08 ± 0,08 0,757 ± 0,003 9,98 ± 0,08 dalej takie same wartości Tabela 2. Pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych wybranych fotodetektorów. Podczas dokonywania pomiarów należało zwrócić szczególną uwagę na światłowód, który źle ułożony nie przewodził sygnału świetlnego między częściami modułu. Dzięki dokonanym pomiarom możemy wykreślić charakterystyki prądowo-napięciowe wybranych fotodetektorów:

8 Wykres 3. Charakterystyka prądowo-napięciowa I f = f 3(U f) badanego fotorezystora Uzyskane zależności mają charakter liniowy. Wykres 4. Charakterystyka prądowo-napięciowa I f = f 3(U f) badanej fotodiody Zgodnie z przewidywaniami teoretycznymi otrzymana charakterystyka prądowo-napięciowa fotodiody, wraz ze wzrostem U f zbliża się do funkcji stałej.

9 Rysując pionowe proste linie odpowiadające ustalonej wartości napięcia U F oraz odczytując współrzędne I F punktów możemy określić, czy zmiany natężenia oświetlenia Φ wpływają liniowo na natężenie prądu I F. Dla obu fotodetektorów ustaliliśmy wartość napięcia U F = 2V If [ma] Φ [%] Wykres 5. Zależność natężenia I F od natężenia oświetlenia Φ (I F = f 4 (Φ)) badanego fototranzystora If [ma] Φ [%] Wykres 6. Zależność natężenia I F od natężenia oświetlenia Φ (I F = f 4 (Φ)) badanej fotodiody. Zarówna dla fototranzystora, jak i fotodiody uzyskane zależności są bardzo zbliżone do zależności liniowych. Mała liczba punktów pomiarowych nie umożliwia uzyskania pełnej charakterystyki powyższej zależności. W przypadku powtarzania ćwiczenia należałoby dokonać większej ilości pomiarów, dla różnych wartości natężenia oświetlenia- zarówno dla fototranzystora, jak i fotodiody.

10 Charakterystyka przejściowa transoptora Do pomiaru charakterystyk przejściowej transoptora użyliśmy układu pomiarowego, zbudowanego w oparciu o moduł O-01, oraz multimetry METEX M4650 oraz METEXE 4660A, według poniższego schematu: Schemat 3. Schemat połączeń do wyznaczania charakterystyk przejściowych transoptora. Dokonaliśmy następujących pomiarów: U CE [V] I i [ma] I O [ma] 4,899 ± 0,005 0,00 ± 0,03 0,00 ± 0,03 4,859 ± 0,005 1,19 ± 0,04 1,11 ± 0,04 4,899 ± 0,005 1,85 ± 0,04 2,08 ± 0,04 4,891 ± 0,005 2,43 ± 0,04 3,00 ± 0,05 4,915 ± 0,005 3,05 ± 0,05 4,00 ± 0,05 4,536 ± 0,005 3,67 ± 0,05 5,01 ± 0,06 4,919 ± 0,005 4,29 ± 0,05 6,04 ± 0,06 4,915 ± 0,005 4,87 ± 0,05 7,00 ± 0,07 4,911 ± 0,005 5,51 ± 0,06 8,02 ± 0,07 4,872 ± 0,005 6,15 ± 0,06 9,06 ± 0,08 4,886 ± 0,005 6,75 ± 0,06 10,00 ± 0,08 4,963 ± 0,005 7,40 ± 0,07 11,01 ± 0,09 4,915 ± 0,005 8,10 ± 0,07 12,00 ± 0,09 4,914 ± 0,005 8,87 ± 0,07 13,00 ± 0,1 4,885 ± 0,005 9,80 ± 0,08 14,00 ± 0,1 4,880 ± 0,005 11,03 ± 0,09 14,94 ± 0,1 4,399 ± 0,005 12,55 ± 0,09 16,01 ± 0,1 4,452 ± 0,005 14,42 ± 0,1 17,00 ± 0,1 4,373 ± 0,005 16,62 ± 0,1 17,98 ± 0,1 4,612 ± 0,005 19,26 ± 0,1 19,00 ± 0,1 4,494 ± 0,005 19,52 ± 0,1 19,07 ± 0,1 Tabela 3. Tabela pomiarów dla charakterystyk przejściowych transoptora. Na podstawie uzyskanych danych możemy wykreślić charakterystykę przejściową transoptora:

11 przekładnia transoptora N = Io/Ii If [ma] Ii [ma] Wykres 5. Charakterystyka przejściowa transoptora I O = f 5(I i) Charakterystyka przejściowa pozawala na wyznaczenie wzmocnienia transoptora N: N = I O I i (1) 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0, Ii [ma] Wykres 6. Wykres przekładni prądowej transoptora N = I O/I i w funkcji I i

12 Niemalże liniowa zależność prądu na wejściu od prądu na wyjściu w badanym transoptorze sugeruje dobrą jakość przenoszenia sygnału analogowego przez ten element optoelektroniczny. Stąd wniosek, że transoptory można wykorzystać do przenoszenia zarówno sygnałów analogowych, jak i cyfrowych, co z resztą szeroko jest wykorzystywane w praktyce. Badanie właściwości dynamicznych transoptora Do badania właściwości dynamicznych transoptora użyliśmy układu pomiarowego, zbudowanego w oparciu o moduł O-01, generatora funkcyjnego DF1641A oraz oscyloskopu GOS-620, według poniższego schematu: Schemat 4. Schemat połączeń do obserwacji zniekształceń sygnałów cyfrowych wnoszonych przez transoptor. Po wybraniu przebiegu prostokątnego, optymalnej amplitudy, przy (480 ± 4) Hz otrzymaliśmy wyraźny sygnał, bez zniekształceń Oscylogram 1. Sygnał bez zniekształceń przy f = 480 Hz CH1: 1V/DIV, CH2: 0,5V/DIV, TIME: 0.1mS/DIV Wyraźne zniekształcenia sygnału na wyjściu transoptora zaobserwowaliśmy przy częstotliwości f = (8,79 ± 0,07)kHz

13 Oscylogram 2. Sygnał zniekształcony, przy f = 8,79 CH1: 1V/DIV, CH2: 0,5V/DIV, TIME: 0.1mS/DIV Następnie połączyliśmy wejście oscyloskopu Y2 z wyjściem komparatora oraz podłączyliśmy wejścia komparatora przy użyciu zworek zgodnie z poniższym schematem: Schemat 5. Schemat połączeń do obserwacji odtwarzania kształtu sygnału cyfrowego przez komparator. Nie zmieniając częstotliwości na generatorze otrzymaliśmy następujący obraz przebiegu:

14 Oscylogram 3. Sygnał prostokątny f = odtwarzany przez komparator. CH1: 1V/DIV, CH2: 1V/DIV, TIME: 20μS/DIV Obracając gałką potencjometru P spróbowaliśmy uzyskać na wyjściu komparatora sygnał o kształcie wypełnienia zbliżonym do sygnału wejściowego: Oscylogram 4. CH1: 1V/DIV, CH2: 1V/DIV, TIME: 20μS/DIV Maksymalna zaobserwowana przez nas częstotliwość, dla której sygnał na wyjściu komparatora przypomina sygnał początkowy wynosi: f = (16,8 ± 0,4)kHZ Uzyskanych przebiegi nie są na tyle dokładne, by określić czas propagacji sygnały puszczonego przez układ transoptora z komparatorem. Układ można wysterować w taki sposób, by czas propagacji sygnału puszczonego przez ten układ był bliski czasowi propagacji oryginalnego przebiegu.