Расчет оптимального сопротивления нагрузки.

Графические методы определения напряжения фотосигнала по ВАХ показан на рисунке 8 рисунке 9.

Рисунок 8 — Графические методы определения напряжения фотосигнала по ВАХ

Рисунок 9 — Графические методы определения напряжения фотосигнала по ВАХ

Графическим способом для выбранного Ф_расч. и U_п оптимальное сопротивления нагрузки можно найти по формуле:

Rн.опт. = 1/tg(α)

Из схемы включения по закону Кирхгофа следует равенство токов через фотодиод I_д и через нагрузку I_н

I_д = I_н.

При этом напряжение питания u_п (заданная величина) складывается из напряжения на фотодиоде uд и напряжения на нагрузке u_н

u_д + u_н = u_п.

Имеется экспериментально полученная ВАХ. т.е.

I_общ = I_д = f (u_д).

Известно, что

I_н = u_н / R_н = f2(u_н).

Требуется найти зависимость I_н = f3(u_д). Из закона Кирхгофа имеем

u_н = u_п - u_д,

откуда получаем уравнение нагрузочной прямой

I_н = (u_п - u_д) / R_н = u_п / R_н - u_д / R_н

или

I_общ = I_д = I_н = u_п / R_н - u_д / R_н.

Для графического построения нагрузочной прямой находим на ВАХ (см.рис. 8) следующие точки:

"а" (I_д = I_н = 0; u_д = u_п);

"б" - режим короткого замыкания (u_д = 0; u_н = u_п; I_д = I_н = u_н / R_н = u_п /R_н).

Если на графике ВАХ есть две кривые, полученные (см.рис. 9)

в темноте (Ф = 0), когда u_{д т} + u_{н т} = u_п;

при облучении Ф 0, когда u_{д обл} + u_{н обл} = u_п,

и нагрузочная прямая, то напряжение фотосигнала определится по формуле

u_с = u_{н обл} - u_{н т} = u_{д т} - u_{д обл}.

Графоаналитический метод позволяет выбрать оптимальное R_н при заданных напряжении питания u_п и максимальном потоке излучения Ф_макс, обеспечивающее в фотодиодном режиме одновременно наибольшее u_{с макс} и линейность энергетической характеристики I_д = f(Ф).

Ток, протекающий через фотодиод равен (см. рис. 6)

I_д = I_ф + I_т

I_{д макс}= I_{ф макс} + I_т.

Напряжение фотосигнала u_с увеличивается при уменьшении напряжения на фотодиоде u_д и при u_д  0 принимает максимальное значение. Это достигается при оптимальном сопротивлении нагрузки

R_{н опт}  u_п / I_{д макс} = u_п / (I_{ф макс} + I_т) = u_п / (S_I Ф_макс + I_т),

где S_I и I_т - задаваемые по паспорту ФД токовая чувствительность к потоку излучения и темновой ток.

Фототок не зависит от приложенного напряжения u_д = u_п - u_н, но линейно зависит от падающего потока излучения. Напряжение фотосигнала u_с = u_ф при заданном потоке Ф зависит от параметров цепи включения: u_п и R_н.

Если R_н и u_п выбраны так, что нагрузочная прямая пересекает ВАХ в области насыщения, то напряжение фотосигнала u_ф = u_с можно рассчитать по формуле (не пользуясь графическим методом):

u_с = u_{н обл} - u_{н т} = (I_общ - I_т) R_н = I_ф R_н = S_I Ф_ф R_н.

В этом случае напряжение фотосигнала u_с не зависит от напряжения питания u_п и определяется лишь одним параметром - сопротивлением нагрузки, а энергетическая характеристика фотосигнала - линейна: с ростом R_н растет u_с. Однако, если R_н увеличить или u_п уменьшить до такой степени, что нагрузочная прямая пересекает ВАХ не в области насыщения, то линейность энергетической характеристики нарушается и пользоваться формулой нельзя.

При правильном выборе R_н значение u_с в фотодиодном режиме может  к u_п и может быть в сотни раз больше, чем в фотогальваническом режиме.