LED- und Fotodiodeneigenschaften bei sehr niedrigen Strömen

Ich versuche, die gekoppelte Charakteristik eines klassischen 4n35-Optokopplers zu verstehen, der im in Sperrrichtung vorgespannten Fotodiodenmodus verwendet wird (ich verwende nur den BC-Übergang).

Über 1mA Eingangsdurchlassspannung ist die Kennlinie schön linear, was da zu erwarten ist

  • Die LED-Lichtleistung ist proportional zum Strom,
  • der Photostrom der Photodiode ist proportional zum Photoneneinstrom.

Unter ~ 1 mA Eingangsdurchlassstrom habe ich jedoch die folgende gekoppelte Charakteristik gemessen:

StromübertragungskennlinieSchaltung testen

Messhinweise: Die Ströme werden als Spannung an den angegebenen Punkten geteilt durch den entsprechenden Widerstandswert gemessen. Die Spannung wird von einem Arduino gemessen, der auch die PWM liefert. Ich variiere If durch das PWM-Tastverhältnis. Ich warte ungefähr 100 ms, bevor ich einen neuen Datenpunkt messe, damit sich die ADC S&H-Schaltung stabilisiert; und ich habe die PWM-Frequenz erhöht, so dass die Welligkeit mehr oder weniger vernachlässigbar ist.

Offensichtlich ist die Kennlinie nicht mehr linear. Was ist der Grund für dieses Verhalten?

Ich dachte, das könnte von der Dioden- oder Fotodiodenseite kommen:

  • Auf der LED-Seite bricht die Eingangs-LED-Durchlassspannung bei einem niedrigen Strom zusammen. Das kann bedeuten, dass die Energie der Ladungsträger nicht ausreicht, um ein Photon zu emittieren; Wie ich es verstehe, stammt die Photonenenergie jedoch aus der Elektron + Lochenergie, nicht aus dem Durchlassspannungsabfall. Oder irre ich mich?

  • Nun zur Fotodiodenseite. Bei verschwindenden Photostrompegeln würde ich erwarten, dass der Dunkelstrom signifikant ist. Dieser Dunkelstrom sollte sich jedoch zum Fotostrom addieren, damit der Sperrstrom der Diode ohne Eingang nicht Null ist. Wir sollten also eine Gerade mit positivem Offset beobachten. Das kann ich hier nicht sehen: Es sieht so aus, als gäbe es den Fotostrom plus einen negativen Strom, der verschwindet, wenn etwas Licht auf die Verbindung trifft.

Leider gehen die meisten Informationen, die ich im Internet über LEDs oder Optokoppler gefunden habe, von viel höheren Stromstärken aus. OTOH, Informationen über Dunkelstrom sind reichlich vorhanden, aber sie scheinen hier nicht zuzutreffen.

Es könnte uns helfen zu wissen, wie Sie die beiden Ströme gemessen haben. Es könnte auch interessant sein, Ihren Plot im Log-Log-Maßstab neu zu erstellen.
Früher zeigten sichtbare LEDs einen solchen Effekt. Ist der 4N35 ein zuverlässiger Markenname wie Toshiba oder etwas weniger?
Es ist eine gute Frage, aber ist das ein Fehler in der Grafik bei etwa 0,5 mA (I F )?
Eine andere Frage, was passiert, wenn Sie den Detektor als Fototransistor anschließen? Schließen Sie einfach den Emitter an die Basis an und lassen Sie den Rest der Schaltung in Ruhe.
@ThePhoton: Ich werde die Log-Log-Skala so schnell wie möglich ausprobieren. Bei Verwendung als Fototransistor ist die Kurve mehr oder weniger parabolisch (nahe If ^ 1,8) ohne lineare Domäne (wie erwartet).
@Spehro Pefhany: Der 4n35 ist von LiteOn IIRC; Ich weiß nicht, ob das ein seriöser Hersteller ist?
@ Andy aka: Ich habe den Fehler auch bemerkt und weiß nicht, woher er kommt. Ich habe die Messung ein zweites Mal gemacht und es war immer noch da. Vielleicht etwas übrig gebliebene Kräuselung ...
Ich würde sagen, 2. Klasse. Interessant wäre ein Vergleich mit einem von Toshiba oder Sharp.

Antworten (1)

Ich kann ein paar Vermutungen darüber anstellen, was los sein könnte.

  1. Sie messen den LED-Strom nicht wirklich, sondern nehmen an ICH L E D = ( v ich N − v F ) / 220 und davon ausgehen v F ist eine Konstante. Sie arbeiten in einem Regime, in dem v F wird erheblich variieren (100 mV), und wenn Sie dies vernachlässigen, würde dies (zumindest qualitativ) die Form Ihres Diagramms erklären.

  2. Die LED hat einen parasitären leitenden Pfad, der keine Lichtemission verursacht. Bei niedrigen Strömen nimmt dieser Pfad mehr Strom auf und führt zu reduzierten Lichtemissionen, bis ein gewisser Schwellenwert erreicht ist und der richtige Pfad zu dominieren beginnt.

  3. Bei sehr niedrigen Strömen ändert sich das optische Emissionsmuster der LED, wodurch weniger Licht den Detektor erreicht und mehr im Gehäuse verloren geht.

  4. Die Art und Weise, wie Sie den Detektor anschließen, verursacht ein komisches Verhalten. Das Anschließen der Basis, aber nicht des Emitters, ist keine übliche Art, einen Fototransistor (AFAIK) zu verwenden, und ist nicht das, wofür die Gerätedesigner entwerfen würden. Typische Fototransistorschaltungen sind in einer App Note von Sharp ab Seite 13 dargestellt.

Ich bin wirklich interessiert - wie würde das Diagramm Ihrer Meinung nach bei einem variablen Stromantrieb in die LED und einer angemessenen (oder vielleicht nicht?) Vorspannung des Fototransistors aussehen. Das ist keine Fangfrage. Ich bin wirklich interessiert, Alter. Wäre es linear (innerhalb des Zumutbaren)?
Bei einer idealen Stromquelle an der LED und einer Fotodiode mit 2 Anschlüssen anstelle eines Fototransistors sollte die Reaktion bis hinunter zu Picoampere des LED-Stroms sehr linear sein (mein dritter Punkt in der Antwort wäre die Hauptquelle für Nichtlinearität). Ich arbeite nicht viel mit Fototransistoren, daher bin ich mir nicht sicher, ob es Probleme mit ihnen gibt (parasitäre Pfade vielleicht?).
Ich meine, Sie werden der Photon-Typ genannt, also mussten Sie es wissen. Dein Punkt 3 ist sehr interessant.
Ich messe tatsächlich die Ströme. Tatsächlich ist die Verwendung eines Optokopplers auf diese Weise nicht unsichtbar, da das Zeitverhalten viel schneller ist (vorausgesetzt, Sie verlieren diese Bandbreite natürlich nicht für die Verstärkung!) Und das Verhalten soll tatsächlich sehr linear sein (z. B. Motorola AN571A , p4 ) . Die Charakteristik auf dieser App-Notiz reicht jedoch nicht sehr weit zu kleinen Strömen.
Ihre Punkte 2 und 3 sind sehr interessant! Wissen Sie, warum sich das optische Muster für die Diode mit dem Strom ändern würde?
Ihr Punkt 2 könnte in der Tat der Schlüssel sein, wenn er resistiv ist, wäre dies tatsächlich ein größtenteils konstanter Versatz auf der Kurve, der jedoch verschwindet, wenn Vf abfällt.
LED- und Fotodiodeneigenschaften bei sehr niedrigen Strömen
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