Relatório 9 PDFE - Mauricio Hoffman

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Aluno: Mauricio Hoffman
Matrícula: 160138574
Data: 30 de março de 2022
Universidade de Brasília
Prática de Física dos Dispositivos Eletrônicos
Lab 9 - Led e fotodiodo
Objetivo
Este experimento tem como objetivos, realizar a introdução ao
comportamento geral dos Leds e dos fotodiodos. Além da Caracterização elétrica de
LEDs, com a obtenção das curvas I-V características, e também a diferenciação dos
modos: Fotocondutivo e Fotovoltaico.
Materiais Utilizados
Os materiais utilizados para o experimento foram os seguintes:
- Osciloscópio Digital: Tektronix TBS
- 2 fontes DC: Minipa MPL-1303M
- Multímetro digital : Minipa ET-1110A
- 2 leds: um branco e um vermelho (10mm)
- 1 trimpot multivoltas de (10M)
- 1 resistor 1k ohms : 0,996 k +- 0,0005k Ohms 1/2W
- 1 resistor 1M ohms : 0,99 M +- 0,0005M Ohms
Procedimentos experimentais e dados obtidos:
Este experimento é dividido em três partes, onde são montados três circuitos
como pode ser visto logo abaixo:
Parte I
Construa o circuito do optoacoplador, da Figura-A. Use VDC1 = 0 a 25V, e
VDC2 = 12V. Preencha a tabela a partir das medidas de tensão realizadas no
circuito do LED1 (Branco, Emissor de Luz) e no circuito do LED2 (Vermelho,
Receptor) operando como Fotodiodo no Modo Fotocondutivo. Plote os pontos
PLED2 vs. PLED1. Proponha um modelo, ajustando a curva aos pontos
experimentais pelo Método dos Mínimos Quadrados. Observe que a potência
PLED2 é positiva, em razão da dissipação de energia no LED2.
Dessa forma, para a primeira parte do experimento, foi montado o seguinte
circuito, como podemos ver a seguir:
Em seguida, foi calculado o que se pede, e com os resultados, foi preenchida
a seguinte tabela abaixo:
VDC1 V1 V2 VLed1 ILed1 VLed2 ILed2
0 0 0 0 0 12,0 0
5,01 2,20 67,5 mv 2,81 2,2 mA 11,931 0,068
9,99 7,11 211 mv 2,79 7,13 mA 11,789 0,213
14,98 12,11 345 mv 2,87 12,15 mA 11,665 0,348
19,73 16,84 453 mv 2,89 16,9 mA 11,547 0,457
25,0 22,1 561 mv 2,9 22,18 mA 11,439 0,566
Em seguida, foi plotado o gráfico onde são relacionados PLED2 e PLED 1,
como pode ser visto abaixo:
Parte II
Monte o circuito do optoacoplador da Figura-B. Use VDC1 = 0 a 25V.
Preencha a tabela a partir das medidas de tensão realizadas no circuito do LED1
(Branco, Emissor de Luz) e no circuito do LED2 (Vermelho, Receptor) operando
como Fotodiodo no Modo Fotovoltaico. Plote os pontos PLED2 vs. PLED1.
Proponha um modelo, ajustando a curva aos pontos experimentais pelo Método dos
Mínimos Quadrados. Observe que a potência PLED2 é negativa, em razão da
geração fotovoltaica de energia no LED2.
Dessa forma, na segunda parte do experimento, foi montado o seguinte
circuito, como podemos ver abaixo:
Em seguida, foi calculado o que se pede, e com os resultados, foi preenchida
a seguinte tabela da seguinte forma:
VDC1 V1 V2 VLed1 ILed1 VLed2 ILed2
0 0 0 0 0 0 0
5,06 2,22 -52,6 mv 2,84 2,22 mA 52,6 mv 0,053
10,00 7,03 -166,0mv 2,97 7,05 mA 166 mv 0,167
15,00 11,97 -270,0mv 3,03 12,0 mA 270 mv 0,272
20,00 16,98 -364mv 3,02 17,04 mA 364 mv 0,367
25,00 21,9 -447mv 3,1 21,9 mA 447 mv 0,451
Em seguida, foi plotado o gráfico onde são relacionados PLED2 e PLED 1,
como pode ser visto abaixo:
Parte III
Monte o circuito do optoacoplador da Figura-C. Use VDC1 = 25V para
alimentar o LED1 (Branco, Emissor de Luz), e uma resistência variável com valor
ajustável R = 0 a 5 M. (Trimpot Multivoltas). Preencha a tabela calculando os valores
da corrente no LED2 (Vermelho, Receptor) operando como Fotodiodo no Modo
Fotovoltaico, a partir das medidas da resistência e da tensão no circuito. Plote o
gráfico dos pontos ILED2 vs. VLED2, rebatidos para o primeiro quadrante, com a
troca do sinal da corrente.
Dessa forma, na segunda parte do experimento, foi montado o seguinte
circuito, como podemos ver abaixo:
Em seguida, foi calculado o que se pede, e com os resultados, foi preenchida
a seguinte tabela abaixo:
R[Ω] V(led2) I(led2)
19,55k -9,8mv -0,501
0,502M -242mv -0,482
1,006M -456mv -0,453
1,507M -647mv -0,429
1,98M -819mv -0,413
2,46M -971mv -0,394
2,97M -1084mv -0,364
3,45M -1144mv -0,331
3,95M -1174mv -0,297
4,44M -1191mv -0,268
4,95M -1202mv -0,242
20M -1258mv -0,00629
Em seguida, foi plotado o gráfico onde são relacionados ILED2 vs. VLED2,
como pode ser visto abaixo:
Questionário
a) PESQUISA: Encontre a expressão que relaciona o comprimento de onda
dos fótons (λ) emitidos e a largura da banda de energia (Eg) do material
semicondutor usado na fabricação da junção PN do LED. Plote o gráfico Eg vs.λ =
400 a 700 nm.
Resposta:
A expressão que relaciona o comprimento de onda Lambda (λ) com a largura
da banda de energia Eg, pode ser o seguinte:
λ = ℎ𝑐𝐸𝑔
A constante de Planck pode ser encontrada da seguinte forma:
ℎ = 𝑒𝑉 * λ𝑐
Onde λ representa a o comprimento da onda dos fótons, o h representa a
constante de Planck, e c é a velocidade da luz com valor de 3 * 108 𝑚/𝑠
Para o gráfico nos comprimentos de onda entre 400 a 700 pela largura de
banda da energia, temos o seguinte:
b) Encontre a expressão que relaciona o valor aproximado da tensão de
limiar (Vs), observada no primeiro quadrante da curva de tensão vs. corrente do
material semicondutor usado na fabricação da junção PN do LED. Plote o gráfico Vs
vs. Eg, para λ = 400 a 700 nm
Resposta:
Podemos fazer uma relação entre a corrente do material semicondutor e a
tensão limiar Vs, por meio da seguinte expressão:
𝐼 = 𝐼𝑠(𝑒𝑒𝑣/𝐾𝑏𝑡 − 1) − 𝐼𝐿
Para o gráfico nos comprimentos de onda entre 400 a 700, utilizando a
tensão Vs e a largura de banda de energia Eg, temos o seguinte:
c)A partir dos modelos usados nas curvas obtidas dos itens a e b, calcule os
valores aproximados de Vs e de Eg para um LED que emite fótons com o
comprimento λ = 550 nm. Compare os valores calculados com os encontrados na
ficha de dados (datasheet) de LEDs comerciais verdes
Resposta:
Para o comprimento da onda de 550nm, podemos encontrar a tensão de
limiar da seguinte forma:
𝑒𝑉𝑠 = ℎ * 𝑐λ = 1, 602 * 𝑉𝑠 =
6,63*10−34* 3*108
550
𝑉𝑠 = 2, 25𝑣
De acordo com o datasheet, a tensão do led verde varia entre 2,2 volts e 2,6
volts.
Fonte: https://pdf1.alldatasheet.com/datasheet-pdf/view/219316/BRIGHT/BL-B21V1.html
Em seguida, para calcular a largura de banda de energia Eg, podemos fazer
da seguinte forma:
𝐸𝑔 = ℎ𝑐λ =
6,63*10−34* 3*108
550 
𝐸𝑔 = 3, 61 * 10 −19 𝑗 
EC6 - Laboratório 6
i) A partir dos dados experimentais obtidos na Parte-I, descubra em que
ponto de operação o LED apresentou a maior corrente elétrica entregue ao resistor
de 1M Ohm. A partir de uma estimativa da área de captura da junção PN da pastilha
semicondutora do LED, calcule quanta corrente por unidade de área foi gerada
neste ponto de corrente máxima. E calcule qual área da junção PN seria necessária
para gerar uma fotocorrente de condução de 1,0 A, nas mesmas condições de
operação. Obs: Um novo valor para o resistor é necessário
Resposta:
Na parte 2 do experimento, o momento que o led associado ao resistor de 1M
Oms apresentou maior corrente ocorreu quando o mesmo foi alimentado pela
tensão de 5,01 Volts.
ii)A partir dos dados experimentais obtidos na Parte-III, descubra em que
ponto de operação o LED apresenta a maior potência elétrica entregue ao Trimpot,
que no circuito funciona como uma carga resistiva ajustável. A partir de uma
estimativa da área de captura da junção PN da pastilha semicondutora do LED,
calcule quanta potência por unidade de área foi gerada neste ponto máximo. E
calcule qual área seria necessária para gerar 1,0 W, nas mesmas condições de
operação. Obs: Um novo valor de resistência de carga (Trimpot) é necessário.
Resposta:
O ponto de operação do Led que apresenta a maior potência, é quando o
mesmo está operando com a tensão de 1,084 vols e 0,364 amperes, com o trimpot
setado em 2,97 Mega Ohms, totalizando em uma potência de 0,38W.