cwiczenie_3

Ćwiczenie 3. Parametry spektralne detektorów
1. Cel ćwiczenia.
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z podstawowymi parametrami detektorów i ich
podstawowych parametrów. Poznanie zależności związanych z oddziaływaniem na fotodetektor fali
elektromagnetycznej o różnej częstotliwości.
Dodatkowo student zapozna się wyznaczy sprawności różnych źródeł światła, zapozna się z
miernikiem mocy elektrycznej i luksometrem (pomiar natężenia oświetlenia).
Na podstawie charakterystyk widmowych student wyznaczy charakterystyki odbiciowe materiałów o
różnych kolorach dostępnych na zajęciach.
2. Budowa układu
Schemat układu zasilania diod LED pokazano na Rys.1. Na jednej płytce połączone są różne
diody LED, które przełącza się przestawiając zworkę.
1
2
Zw LED1
L ED1
1
2
Zw LED2
L ED2
Zw LED3
Z as A C
1
2
2
1
Zw LED4
U Le d
1
2
C1
470uF
1
2
Z as D C
2
1
L ED3
Zworka a mp
C2
100pF
1K
L ED4
1
2
Zw LED5
L ED5
1
2
Zw LED6
L ED6
1
2
Zw LED7
L ED7
1
2
Zw LED8
L ED8
1
2
Zw LED9
L ED9
1
2
Zw LED10
L ED10
Ma sa
R pom
0.47
Rysunek 1. Schemat połączenia diod LED.
Rysunek 2. Widok płytki drukowanej z diodami LED.
Schemat układu zasilania detektorów pokazano na Rys.3. Na jednej płytce połączone są różne
detektory światłą, które przełącza się przestawiając zworkę.
Rysunek 3. Schemat połączenia detektorów.
Rysunek 4. Widok płytki drukowanej z detektorami.
3. Przygotowanie do zajęć.
Przygotowanie do zajęć szacuje się na 1 do 3 godzin.
3.1. Materiały źródłowe.
[1] Wykład z Optoelektroniki.
[2] A. Pawlaczyk, „Elementy i układy optoelektroniczne”, WKiŁ, Warszawa 1984, strony: 15-21, 60-105.
[3] M. Rusek, J. Pasierbiński, „Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach”, WNT,
Warszawa, 1991, strony: 181-201.
[4] U. Tietrze, Ch. Schenk, Układy półprzewodnikowe, WNT, Warszawa, 1996, strony: 128-129.
[5] K. Booth, S. Hill, Optoelektronika, WKiŁ, Warszawa, 2001, strony: 16-20, 158-189, 238-240.
[6] B. Ziętek, Optoelektronika, WUMK, Toruń 2005, strony: 443-477
3.2. Pytania kontrolne.
1. Rozkład widmowy promieniowania elektromagnetycznego, długość fali a częstotliwość
2. Podstawowe jednostki świetlne i energetyczne promieniowania: Natężenie napromieniowania,
Natężenie promieniowania, Strumień świetlny, Natężenie oświetlenia, Światłość, Luminancja
(jasność)
3. Zależność prądy diody LED od emitowanej mocy fali świetlnej
4. Charakterystyki widmowe diody krzemowej, germanowej i oka ludzkiego.
5. Czułość detektorów a długość fali świetlnej
6. Szybkość działania detektorów a długość fali świetlnej
7. Sprawność różnych źródeł światła
4. Przebieg ćwiczenia
4.1. Dokończyć pomiary z ćwiczenia 2.
4.2. Pomiar sprawności różnych źródeł światła (wszystkie grupy wykonują pomiar na 1
stanowisku – Instrukcja 3A)
4.3. Pomiar charakterystyk odbiciowych dla różnych illuminantów i różnych kolorów (warstw
odbijających światło)
5. Wnioski
Sprawozdanie powinno zawierać:
1. Tabelę z wynikami pomiarów maksymalnych częstotliwości pracy, czasów narostu i
czasów opadania diod LED (Tabela 1.)
2. Tabelę z wynikami pomiarów maksymalnych częstotliwości pracy, czasów narostu i
czasów opadania detektorów (Tabela 2.)
3. Charakterystyki widmowe różnych źródeł światła.
4. Charakterystyki odbiciowe dla poszczególnych kolorów przy różnym oświetleniu (różne
illuminanty)
5. Wnioski i spostrzeżenia.
• Szybkości działania diod
• Szybkości działania detektorów
• Zakresy spektralne detektorów
• Czułości detektorów
• Porównanie widm różnych źródeł światła
• Porównanie koloru (charakterystyk widmowych) przy różnym oświetleniu
Tabela 3. Tabela pomiarowa dla wyznaczenia sprawności różnych źródeł światła.
P omiar mocy optycznej Φ e
Źródła światła
Ż. rtęciowa
Ż. sodowa
Ż. żarowa
Ż. Diodowa
Ż. Halogen.
Świetl.
En.oszczędn a
P obierana moc
elektryczna [W]
Emitancja
E=[Lux]
Powierz.
S=[cm 2 ]
Strum.
Świetlny
Φ=[Lm]
Jaskrawość
monochr.
Km=[Lm/W]
Moc optyczna
Φe=[W]
Sprawność η
Ćwiczenie 3A – pomiar sprawności różnych źródeł światła
Pomiary przeprowadzamy na oddzielnym stanowisku – czas pomiarów: nie więcej niż 20 minut
(stanowisku musi być dostępne dla wszystkich grup laboratoryjnych).
1. Pomiar mocy jaką pobiera źródło światła.
1.1. Zasilanie badanego źródła światła podłączyć przez dostępny na stanowisku „Power
Analyzer”. W tym celu włączyć wtyczkę zasilania analizatora do sieci, nałożyć nakładkę
„Load Adapter” na miernik.
Urządzenie, które chcemy obmierzyć, zasilamy przez gniazdo w „Load Apaptor”.
1.2. Na klawiaturze miernika wybrać KW w celu pomiaru mocy pobieranej przez podłączone
urządzenie.
1.3. Odczytać pobieraną moc oraz współczynnik mocy.
2. Pomiar mocy optycznej emitowanej przez źródło.
2.1. Do pomiaru Emitancji użyć Luksometru. Ustawić pomiar w luksach (LUX), nie w
stopokandelach (FC). Wybrać odpowiedni zakres (A, B lub C). Detektor miernika ustawić w
znanej odległości od źródła światła i odczytać wynik w luksach.
Lm
2.2. Wiedząc, że 1 luks jest to 1 lumen na cm2, 1 Lx =
i szacując jaka powierzchnia jest
cm 2
oświetlana w odległości od źródła, w której wykonywany był pomiar, wyznaczamy Strumień
świetlny Φ [Lm] danego źródła.
2.3. By policzyć sprawność energetyczną danego źródła światła musimy wielkość fotometryczną
(strumień świetlny - Φ [Lm]) przeliczyć na wielkość radiometryczną (Φe - moc optyczna
[W]). Zależność pomiędzy mocą a strumieniem świetlnym dla promieniowania
monochromatycznego określa poniższy wzór:
Φ[lm] = Km⋅Φe[W],
Gdzie, Km(λ) to monochromatyczna jaskrawość wyrażona w [lm/W].
Tabela zależności jaskrawości monochromatycznej od długości fali.
λ [ nm ]
Km [lm/W]
λ [ nm ]
Km [lm/W]
420
2.73
570
650
440
15.7
590
517
460
41.0
610
344
480
94.9
630
181
500
221
650
73.1
520
485
670
21.9
540
652
690
5.6
555
683
710
1.43
Dla światła widzialnego (wynika to z czułości ludzkiego oka – maksimum dla 555 nm)
przyjmujemy Km=683 [Lm/W]. Przy przeliczaniu różnych źródeł światła dobieramy Km do
widma świecenia danego źródła światła.
2.4. Sprawność danego źródła η światła obliczamy dzieląc emitowaną moc optyczną przez moc
Φe  W 
elektryczną pobieraną przez źródło światła
η=
=
P  W 
3. Pomiar charakterystyk odbiciowych dla rożnych illuminantów.
3.1. Oświetlić badany obiekt (kartka o zadanym kolorze) lampą sodową, rtęciową, świetlówką
oraz żarową i zarejestrować charakterystyki spektralne odbitego światła.
3.2. Wykreślić charakterystyki odbiciowe badanego obiektu. (charakterystyka źródła światła
pomnożona przez charakterystykę odbiciową mierzonego obiektu da charakterystykę światła
odbitego)