Materialen in de Electronica Practicum 2 : Een zonnecel en een diode (dinsdag 21 april 2015)

Transcriptie

1 Vakgroep Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar Materialen in de Electronica Practicum 2 : Een zonnecel en een diode (dinsdag 21 april 2015) Groep 6 Cuyvers Stijn Pascal Jaron Van Messem Laura

2 Inhoudsopgave 1 Zonnecel Belichtingstoestand Belichtingstoestand Belichtingstoestand Diode Inleiding Log(I)-V karakteristiek van de diode Saturatiestroom I 0 en idealiteitsfactor n Lineaire I-V karakteristieken Bijlage A i

3 Hoofdstuk 1 Zonnecel Figuur 1.1: Links : het equivalent schema van de zonnecel. Rechts : de meetopstelling met de zonnecel en de regelbare weerstandsdoos We realiseren bovenstaande schakeling a.d.h.v de weerstandsdoos en de zonnecel. We meten de spanning V onder verschillende belichtingsomstandigheden. In Bijlage A, Tabel 1 kunnen de exacte waarden van onze metingen teruggevonden worden. We kennen nu de I-V karakteristiek en we kunnen dan V oc en I sc bepalen. Het vermogen P(V) kunnen we berekenen via: P = I V (1.1) Daarna gaan we ook het maximale vermogenpunt a.d.h.v de grafiek van P(V) bepalen en berekenen we de vulfactor FF die gedefinieerd is als: F F = I MV M I sc V sc (1.2) Het rendement volgt dan uit: η = I sc V oc F F P in (1.3) 1

4 1.1 Belichtingstoestand 1 Figuur 1.2: Belichtingstoestand 1 Door R heel groot te nemen krijgen we een goede benadering van de openklemspanning V oc. De grootste weerstand die we hebben ingesteld is 5000 Ω, hiermee komt een spanning van 3.96 V overeen. De kortsluitstroom kunnen we berekenen door een zeer kleine weerstand te gebruiken, hier 1 Ω, als we dan de spanning meten volgt de stroom uit: I = V R (1.4) We meten een spanning van V en I is dus A. Het vermogen P(V) is hieronder in een grafiek gegeven: Het maximaal vermogenpunt is (V m, I m ) is het punt waar het afgegeven vermogen maximaal is, in ons geval geeft dit: (3.84 V, A). Als we nu ook de vulfactor berekenen krijgen we uit formule 1.2 een vulfactor F F = Het rendement is: η = I scv oc F F 0.193A 3.96V = P in 839W/m m 2 =

5 Waarbij I sc = A, V oc = 3.96 V, de oppervlakte van het zonnepaneel is 0.014m 2. We weten dat I sc = 0.23 A is bij 1000 W/m 2 dus bij een I sc van A is P in = 839W/m 2 wat een rechtevenredig verband tussen kortsluitstroom en lichtintensiteit is (zie opgave). 3

6 1.2 Belichtingstoestand 2 Figuur 1.3: Belichtingstoestand 2 De grootste weerstand die we gebruikt hebben is Ω. Hiermee komt een spanning van 3.42 V overeen, dit is een goede benadering van onze V oc. I oc vinden we door een zeer kleine weerstand te gebruiken, hier gebruiken we een weerstand van 1 Ω en we krijgen dat I sc gelijk is aan A. De P(V) grafiek is hieronder afgebeeld: Hierbij is het maximaal vermogenpunt (3.219 V, A). Op analoge manier als hiervoor berekenen we de vulfactor en het rendement en we krijgen F F = Het rendement is: η = I scv oc F F 0.017A 3.42V = P in 74W/m m 2 = Waarbij I sc = A, V oc = 3.42V, de oppervlakte van het zonnepaneel is m 2. We 4

7 weten dat I sc = 0.23A is bij 1000W/m 2 dus bij een I sc van A is P in = 74 W/m 2 wat een rechtevenredig verband tussen kortsluitstroom en lichtintensiteit is (zie opgave). 5

8 1.3 Belichtingstoestand 3 Figuur 1.4: Belichtingstoestand 3 De grootste weerstand die we gebruikt hebben is 8282 Ω. Hiermee komt een openklemspanning van 3.81 V overeen. De kortsluitstroom benaderen we door een weerstand van 1 Ω te gebruiken, dit levert een stroom van A. De P(V) grafiek van de derde belichtingstoestand is hieronder weergegeven: Hierbij is het maximaal vermogenpunt (3.53 V, A). Op analoge manier als hiervoor berekenen we de vulfactor en het rendement en we krijgen F F = Het rendement is: η = I scv oc F F 0.016A 3.81V = P in 70W/m m 2 = Waarbij I sc = A, V oc = 3.81 V, de oppervlakte van het zonnepaneel is m 2. We weten dat I sc = 0.23A is bij 1000 W/m 2 dus bij een I sc van A is P in = 70W/m 2 wat een rechtevenredig verband tussen kortsluitstroom en lichtintensiteit is (zie opgave). 6

9 Besluit Uit de drie metingen kunnen we besluiten dat de kortsluitstroom en de openklemspanning stijgen met toenemende lichtintensiteit. De vulfactor zal ook vergroten als de lichtintensiteit toeneemt. 7

10 Hoofdstuk 2 Diode Figuur 2.1: Schakeling om de I-V karakteristiek van een diode uit te meten. V bron is een gelijkspanningsvoeding, regelbaar tussen 0 en 30V. De spanningen V R en E worden met twee digitale multimeters gemeten. 2.1 Inleiding We realiseren bovenstaande schakeling. De reden waarom we de spanning niet rechtstreeks over de diode meten is omdat de diode voorwaarts kan sperren of geleiden (en achterwaarts zeker spert). Indien de diode dus spert, wilt dit zeggen dat er geen stroom door kan lopen en de stroom zich een weg zal banen via de multimeter die ermee in parallel staat, waardoor er een ongewenste spanning komt te staan over de inwendige weerstand van de multimeter. V diode = V 1 V 2 (2.1) ( ) R2 R3 V 1 = V bron = ( ) 1 (2.2) R R2 R3 R 2 R 3 R 1 R 2 + R 1 R 3 + R 2 R 3 V bron (2.3) Er kan bijvoorbeeld genomen worden dat V 2 = 1 2 V 1. We kiezen hierbij R 1 = 1 kω. Hieruit volgt dan dat ( ) 1 = 40 R 2 R 3 8

11 Waaruit dan de volgende waarden kunnen bekomen worden. R 1 = 1 kω R 2 = 120 Ω = 60 Ω R 3 9

12 2.2 Log(I)-V karakteristiek van de diode We meten de spanningen zoals aangeduid op figuur 2.1, de waarden en berekeningen zijn terug te vinden in Bijlage A, Tabel 2. Het log(i)-v diagram ziet er als volgt uit : 2.3 Saturatiestroom I 0 en idealiteitsfactor n We bekijken de exponentile I-V karakteristiek hieronder : 10

13 Kwalitatief : de vorm van de curve van meetpunten is weldegelijk een exponentile curve. Kwantitatief : de exponentile fit aan de curve van meetpunten is van de vorm y = exp(23, 032x), wat wel degelijk een exponentieel verband is tussen de stroom en de spanning. We herhalen de algemene Shockley-wet voor diodes : [ ( ) ] ev I = I 0 exp 1 (2.4) nkt We kiezen 2 willekeurige punten uit Tabel 2, Bijlage A, en vullen deze in in deze vergelijking. Vervolgens lossen we het stelsel op naar de 2 onbekenden I 0 en 1 n 2. Met deze gegevens vinden we dat de saturatiestroom I 0 = en de idealiteitsfactor n = Lineaire I-V karakteristieken Op de I-V karakteristiek zijn er verschillende V d bij verschillende I max. I max = 1 µa V d 0, 26 V I max = 10 µa V d 0, 36 V I max = 100 µa V d 0, 46 V I max = 1 ma V d 0, 56 V Zoals te verwachten valt zal de V d verhogen bij een hogere I max. De diode spanning V d hangt niet enkel af van de eigenschappen van de diode alleen. Een factor die ook meetelt is het interessegebied van de maker van de schakeling. De typische stroom, I typ, kan namelijk sterk verschillen. ( ) Ityp V d = V th ln (2.5) In bovenstaande formule zitten de eigenschappen van de diode alleen vervat in I s en in V t. De typische stroom is de keuze van de gebruiker. I s 11

14 Bijlage A Tabel 1 Belichting 1 : rode lamp Belichting 2 : paarse lamp Belichting 3 : 2 zwarte lampen Weerstand Spanning Weerstand Spanning Weerstand Spanning [Ω] [V ] [Ω] [V ] [Ω] [V ] Meetopstelling Tabel 2 is een samenstelling van de meetresultaten van vier soorten opstellingen. We maken gebruik van 4 soorten weerstandscombinaties, die hieronder vermeldt staan. In de tabel worden deze aangeduidt met hun nummer (1,2,3 of 4). 1. R 1 = 1006 kω, R 2 = 9860 kω, R 3 = 552 kω 2. R 1 = 25.8 kω, R 2 = kω, R 3 = 1.48 kω 3. R 1 = 4.98 Ω, R 2 = kω, R 3 = 1.48 kω 4. R 1 = 982 Ω, R 2 = 120 Ω, R 3 = 55 Ω

15 Tabel 2 Weerstandscombinatie V bron E V R V diode I diode - [V] [V] [V] [V] [A]