Die Strom- Spannungskennlinie einer Si Photodiode

ZusammenfassungIn diesem Experiment soll die Strom- Spannungskennlinie einer Photodiode im unbeleuchteten und beleuchte-tem Zustand registriert werden. Die Photodiode wird mit einem fernsteuerbaren Gleichspannungsnetzgerät ver-bunden. Die Spannung (bzw. der Strom) den das Netzgerät abgibt wird vom Programm in kleinen Schrittenvariiert. Zu jeder Einstellung des Netzgeräts wird mittels fernsteuerbarem Multimeter entweder bei vorgegebenerSpannungseinstellung der durch die Photodiode fließende Strom gemessen oder bei vorgegebener Stromeinstel-lung die Spannung an der Photodiode bestimmt und zum Meßprogramm übertragen. Der Zusammenhang zwi-schen Spannung und Strom ist abzuspeichern und darzustellen. Die Messung wird zunächst im unbeleuchtetemZustand durchgeführt. Ablauf des Programms und die aufgenommene Strom- Spannungskennlinie werden dabeiüberprüft. Danach werden mit dem gleichen Versuchsablauf die Strom-Spannungskennlinien bei zwei unter-schiedlichen Beleuchtungen ermittelt.

Experimentelle Ausstattung1) Blackbox mit 20W Halogenlampe und einer Si- Photodiode2) Netzgerät für Gleichspannung oder Gleichstrom (Keithley 224 Current Source oder Keithley 230 Voltage

Source) mit GPIB Schnittstelle3) Digitales Multimeter (Keithley 197 oder Hewlett Packard 34401A) mit GPIB Schnittstelle4) PC mit GPIB Schnittstelle5) Meßprogramm mit GPIB Unterstützung (LabWindows 2.0 für Basic Programmierung unter MSDOS,

LabWindows/CVI 6.0 für C Programmierung unter MS Windows, LabVIEW 6.0 für grafischeProgrammierung unter MS Windows)

Funktionsweise einer (Si-) PhotodiodeEine Si- Photodiode in Seiten- und Vorderansicht istin Abb. 1 b,c dargestellt Abb. 1 a zeigt schematischden Querschnitt und das vereinfachte Gleichstromer-satzschaltbild einer Photodiode. Die Vorderseite istnur durch eine Metallfingerstruktur kontaktiert, so daßmöglichst viel Licht unmittelbar auf die obere Zoneeines pn-Übergangs auftreffen kann. Im Idealfallgeneriert jedes Photon einen freien Ladungsträger(exakt ein Ladungsträgerpaar bestehend aus einemnegativ geladenem Elektron und einem positiv gela-denem Loch) der mit Hilfe des elektrischen Feldes inder Raumladungszone des pn-Übergangs einem äuße-ren Stromkreis zugeführt werden kann. Das heißt derStrom (Ladungen/Zeit) ist proportional dem Photo-nenfluß des eingestrahlten Lichts. Dieser Stromgene-rator ist im Ersatzschaltbild rechts symbolisiert. Der(notwendige) pn-Ünergang verhält sich bei dem An-liegen einer (äußeren) Spannung wie eine Gleichrich-terdiode. Die Diode ist wie im Schaltbild zu sehenparallel zu dem Stromgenerator angeordnet. Aus die-ser Anordnung der beiden Schaltelemente ergibt sichdie Strom- Spannungskennlinie der Photodiode imunbeleuchteten und beleuchtedem Zustand wie sie inAbb. 2 simuliert wurde. Im unbeleuchtetem Zustandfällt der Stromgenerator weg und man beobachtet die bekannte Halbleiterdiodencharakteristik die im einfachstenFall durch

���

��

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�= 1exp0 Tk

qUIIB

beschrieben wird. I0 ist der Diodenstättigungsstrom (konstant), q der Betrag der Elementarladung und kB dieBoltzmannkonstante. Im Durchlaßbereich durchfließen bei kleinen Spannungen große Ströme die Diode, wäh-rend auch für große Sperrspannungen der Wert des Sättigungsstrom annähernd konstant I0 bleibt. Für U=0 mußI=0 gelten.

Abbildung 1: Aufbau einer Silizium Photodiode.a) Querschnitt und elektronisches Gleich-stromersatzschaltbild. b) Seitenansicht einer inKunstoff vergossenen Si-photodiode. c) Vorder-ansicht mit der lichakiven Fläche (kleine dunkleStruktur im Zentrum).

Bei Licht liefert der Stromgenerator einen praktisch spannungsunabhängigen Strom IL der dem Verluststromentgegengerichtet ist, so daß sich die Beziehung zu

LBT

IkqUII −��

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��

���

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�

�= 1exp0

erweitert. In der Durchlaßrichtung kennzeichnen die beiden Schnittpunkte (U=0, I=-IL) und (I=0,U≈(kBT/q)ln(IL/I0)) mit dem Achsenkreuz (in Abb. 2 grün hervorgehoben) die Grenzen für den Betrieb derPhotodiode als Erzeuger elektrischer Energie. Als Sensor ist das der Bereich indem die Photodiode rezeptivarbeitet. Im Sperrbereich ist I≈-(I0+IL) und der Sensor kann als signalverarbeitendes Element eingesetztwerden. Für den Gleichstromfall ist diese Verwendung wenig sinnvoll. Für zeitabhängige Messungen(Wechselstrom) muß das Ersatzschaltbild der Photodiode allerdings um eine spannungsabhängige Kapazitäterweitert werden (Siehe 3.Experiment) um das Verhalten der Photodiode zu beschreiben. Diese Kapazitätverringert sich mit zunehmender Sperrspannung und erreicht den Wert null wenn der Lawinendurchbruch derDiode einsetzt. Für sehr schnelle Signalerfassungen werden speziell konstruierte Avalanche (=Lawine) –Diodeneben in diesem Bereich verwendet. Da die Photodiode je nach Spannung sowohl elektrische Energie aus einemStromkreis aufnehmen kann als auch elektrische Energie an einen äußeren Stromkreis abgeben kann muß das fürdiesen Versuch verwendete Netzgerät

Betrieb von NetzgerätenWie oben erwähnt stellt die Messung einer Photodiode insbesondere im beleuchteten Zustand bestimmte Anfor-derungen an das Netzgerät. Im folgenden werden daher einige Aspekte für die Auswahl und den Betrieb vonNetzgeräten gegeben. Die grundsätzliche Funktion eines Netzgeräts ist es, einen Stromkreis mit elektrischerEnergie zu versorgen. Das kann im einfachsten Fall eine konstante Spannung (Ersatz einer Batterie) sein. Fürexperimentelle Untersuchungen des Stromkreises benötigt man meist eine einstellbar variable Spannung oderäquivalent einen einstellbar variablen Strom. Unter welchen Umständen es günstiger ist die Spannung vorzuge-ben wobei der notwendige Strom vom Netzgerät den Bedingungen im Stromkreis entsprechend eingeregelt wirdoder den Strom zu definieren und die Spannung wird vom Netzgerät den Anforderungen entsprechend einge-stellt, können Sie in diesem Experiment praktisch ermitteln da in beiden Modi gemessen wird. Die Wirkungs-weise der beiden Betriebsarten ist in Abbildung 3 in einem Strom- Spannungsdiagramm anhand eines Wider-stands R grafisch dargestellt. Da jedes Netzgerät auf einen maximalen Verbrauch elektrischer Leistung dimen-sioniert ist kann die in Abb. 3 rechts gezeigte Situation auftreten wenn, das Netzgerät an seiner physikalischen

Abbildung 2: Berechnete Strom- Spannungskennlinie einer Photodiode. Die bei-den grünen Punkte auf der beleuchteten Kennlinie sind im Text beschrieben. DieBedeutung der farblichen Kennzeichnung der 4 Quadranten des Koordinaten-systems werden im nächsten Abschnitt erklärt (Abb. 4). Die Begriffe „Quelle“und „Senke“ beziehen sich auf ein externes Netzgerät. Für den internenStromgenerator wäre die Definition umzukehren.

Grenze angelangt ist. D.h. das Netzgerät schützt sich vor Überlastung und Zerstörung. Sehr häufig tritt allerdingseine Zerstörung der restlichen im Stromkreis befindlichen Elemente vor dem Erreichen dieser Grenze auf. VieleNetzgeräte sehen daher vor, daß Grenzwerte für Spannung bzw. Strom zumindest in groben Schritten vorgege-ben werden können. So auch die für das Experiment verwendeten Geräte. Die Stromquelle Keithley 224 erlaubtes Ihnen neben dem Einstellen des gewünschten Stroms eine Spannungsbegrenzung (Vlimit) in 1 V Schrittenzwischen 1V und 100V vorzugeben, die Spannungsquelle erlaubt es Ihnen eine Spannung einzustellen und zwi-schen 3 Grenzstrombereichen Ilimit (2mA, 20mA und 100mA) zu wählen.

Außer der Betriebsart eines Netzgeräts ist es für vieleAnwendungen wichtig in welchem der 4 möglichen I-U Quadranten(siehe Abb.4) ein Netzgerät betrieben werden kann. Wie in Abb.4angedeutet bedeutet nur der 1. Quandrant (+I, +U) und der 3.Quadrant (-I, -U), daß das Netzgerät elektrische Energie an denStromkreis abgibt. Es arbeitet als Quelle. Ein Betrieb im 2. und 4.Quadranten bedeuten, daß elektrische Energie aus dem Stromkreisin das Netzgerät eingespeist wird. Es verhält sich als elektronischeLast und dient als Senke. Diese Betriebsart lassen nur wenigeNetzgeräte zu. In der Regel sind zur Vermessung in diesen beidenQuadranten eigens konstruierte elektronische Lasten zu verwenden,die allerdings nicht als Quellen (im 1. Und 3. Quadranten) ver-wendbar sind. Wie aus Abb. 2 zu ersehen ist, muß für einevollständige Charakterisierung der Photodiode im beleuchtetemZustand der 1., 2. Und 3. Quadrant vom Experiment heransprechbar sein. K230 und K224 erlauben den Betrieb sowohl alsQuelle als auch als Senke innerhalb ihrer spezifizierten Grenzwerteohne daß irgendwelche Eingriffe Ihrerseits vorzunehmen sind. DieUntersuchung im 3. Quadranten erfordert eine Umpolung derSpannung und/oder des Stroms. Anders als bei vielen Geräte dienur für den 1. Quadranten ausgelegt sind, kann auch dieSpannungs-. bzw. Stromumpolung bei den verwendeten Gerätenohne externe Schalter einfach durch Angabe des Vorzeichens „+“oder „-“ erfolgen.

VersuchsdurchführungIn diesem Abschnitt wird der allgemeine Teil besprochen, der die Benutzer von LabWindows (C/Basic) undLabVIEW (grafische Programmierung) gleichermaßen betrifft. Anschließend werden die programmspezifischenDetails gesondert erklärt. Zunächst stellen Sie bitte fest ob Sie eine Strom- oder eine Spannungsquelle zur Mes-sung verwenden werden (Die Typenbezeichnung für die Stromquelle ist Keithley 224 und für die Spannungs-

Abbildung 4: Die 4 Quadranten imStrom- Spannungskoordinatennetzund ihre Bedeutung für die Funk-tion einer externen elektrischenEnergieversorgung: Quelle = Zu-führen elektrischer Energie (Netz-gerät), Senke = Abführen elektri-scher Energie (elektronische Last).

Abbildung 3: Betriebsarten eines Netzgeräts. Von links nach rechts: (1) die Spannung wird vorgege-ben, der Strom stellt sich entsprechend dem Widerstand (blaue Linie) ein (und muß gemessen wer-den). (2) Der Strom wird vorgegeben die Spannung stellt sich ein (3) Wird ein Wert für den Stromeingegeben der eine höhere Spannung erfordert als das Netzgerät einstellen kann (oder will, sieheText) so wird nur jener Strom eingestellt der dem maximalen Spannungswert Vlimit entspricht. Nichtgezeigt ist die analoge Situation für eine zu hohe Spannungseinstellung.

quelle Keithley 230). Können Sie den Strom einstellen verwenden Sie das digitale Multimeter zur Messung derSpannung an der Diode, D. Der Schaltungsaufbau ist in Abb. 5 links gezeigt. Bei der Einstellung einerbestimmten Spannung muß der Strom durch die Diode, D gemessen werden (s. Abb. 3 links). Ihr Multimeterfungiert als Amperemeter und wird in Serie mit der Photodiode geschaltet (Abb. 5 rechts).Zur Fernsteuerung müssen beide Geräte mittels GPIB Kabel mit dem PC verbunden sein. Außerdem muß dieGPIB Adresse für beide Geräte festgelegt werden wobei darauf zu achten ist, daß jedes Gerät eine eindeutigeAdresse (≠0 ... PC interne GPIB Adresse) hat. Wie hierbei zu verfahren ist entnehmen Sie bitte den Gerätebe-schreibungen K224, K230, K197 und HP34401. Bevor Sie die Diode elektrisch belasten bedenken Sie bitte, daßin Vorwärtsrichtung (Durchlaßbereich) der Strom durch die Diode nicht größer als 2mA sein soll. In Sperrich-tung soll eine Spannung von 5V nicht überschritten werden. D.h. Sie sollten entweder manuell oder ferngesteuertdas Ilimit auf 2mA (Keithley 230) bzw. das Vlimit auf 5V (Keithley 224) einstellen. Die entsprechenden Anwei-sungen sollten auch zu Beginn ihres Meßprogramms stehen. Für die Programmentwicklung bleibt die 20W Ha-logenlampe ausgeschaltet und der Deckel der „Blackbox“ geschlossen um jeden Lichteinfall zu vermeiden. D.h.die erste Messung wird an der unbeleuchteten Photodiode vorgenommen. Als Grundlage für Ihren Pro-grammablauf können Sie den Programmablauf des 1. Experiments verwenden und ihn entsprechend der Meß-aufgabe anpassen. Das Kernstück des Programms ist wiederum eine Schleife in der ein Meßwert (Spannungbzw. Strom) vom Multimeter eingelesen wird. Bevor diese Daten angefordert werden muß ein Stromwert an dieStromquelle übertragen werden (bzw. ein Spannungswert an die Spannungsquelle). Das Datenpaar Stromwertund gemessene Spannung (oder Spannungswert und gemessener Strom) ergibt einen Punkt ihrer Strom- Span-nungskennlinie. Danach wird die Messung wiederholt wobei der Strom- (oder Spannungs-) wert um einen klei-nen Betrag erhöht (bzw. verringert) wird. Dieser Vorgang wird solange wiederholt bis (zumindest) eine zu defi-nierende Abbruchbedingung erreicht ist. Zu diesem generellen Konzept gibt es mehrere Variationen, die gewisseVor- und Nachteile haben können. Eine einfache Vorgangsweise sei (unter der Annahme, daß Sie eine Strom-quelle verwenden) vorgestellt: Zu Beginn stellen Sie die Stromquelle auf +2mA ein, legen ein Stromdekrementvon. z.B. -0.1mA fest und durchlaufen die Schleif so lange bis ihr Voltmeter einen Spannungswert von wenigerals –2V (das genügt um den Kurvenverlauf zu dokumentieren) ausgibt. Die Vorteile sind die sehr einfache Pro-grammierung und das geringe Risiko die Diode zu überlasten oder zu erwärmen. Der Nachteil ist der abrupteÜbergang von unbelastet zu Beginn zu „Vollast“ bei +2mA. Hier wäre eine Führung des Stroms von 0mA lang-sam ansteigend, bei +2mA eine Umkehr zu kleineren Werten bis in die Sperrichtung, danach eine abermaligeWende und ein zurückführen zu 0mA die bessere Wahl. Außerdem ist erkennbar ob die Kennlinie von der„Durchlaufrichtung“ (+ → - oder - → +) abhängt. Diese Variante erfordert jedoch einen höheren Programmier-aufwand, belastet die Diode stärker und das Risiko bei einem Programmierfehler die Wendepunkte zu „verpass-sen“ (das geht leichter als man zunächst annimmt) ist groß. Wie Sie die Durchführung aufbauen (auch andereVarianten sind möglich) bleibt Ihnen überlassen.Nach der Erfassung der Kennlinie im unbeleuchtetem Zustand wird zunächst geprüft ob bei ihrer Messung fürU=0 auch I=0 gilt (sehr unwahrscheinlich). Folgende Gründe können zu einem unrichtigen Ergebnis führen:• Das Meßgerät hat einen „offset“. Zu überprüfen indem man die beiden Eingänge mit einem Kabel direkt

verbindet. Der Wert der dann registriert wird kann dazu verwendet werden um Ihre Messung im PC zu kor-rigieren (eine Neukalibration des Meßgeräts ist nicht erforderlich und mit unseren Mitteln auch nicht voll-ständig ausführbar).

• Die Messung hängt von der „Durchlaufrichtung“ ab. D.h. eine Kurve die von + → - gemessen wurde istgegenüber einer Kurve die von - → + systematisch verschoben (Bei dem Punkt 0V/0A liegt eine Kurve überdie andere unter diesem Punkt). Die Ursache kann zum einen sein, daß Sie nicht sichergestellt haben, daßder übertragene Meßwert zu einem Einstellwert tatsächlich der „aktuellen“ Meßwertdigitalisierung im Mul-timeter zuzuordnen ist. (Dies gilt besonders bei Verwendung des Keithley 197 Modells, das im „Normalfallpermanent Meßwerte produziert“). Hier hilft, daß man eine Messung erst einleitet (triggert) nachdem derEinstellwert übermittelt wurde (siehe Triggermodi in der Anleitung des K197). Außerdem brauchen sowohl

Abbildung 5: Experimentelle Anordnung zur Messung der Strom- Spannungscharak-teristik der Diode, D, bei Verwendung einer Stromquelle (links) und bei Verwendungeiner Spannungsquelle, rechts.

Photodiode als auch das Netzgerät eine gewisse Zeit bis sich der eingestellte Wert „stabilisiert“ hat (sieheauch Experiment 3). Wird die nachfolgende Messung zu rasch nach der Änderung des Einstellwerts begon-nen stimmt die Zuordnung der Daten nicht. Der gemessene Wert würde einem Einstellwert „irgendwo zwi-schen“ altem und neuem Einstellwert entsprechen. Dagegen hilft eine erzwungene Verzögerung zwischender Änderung des Einstellwerts und dem Beginn der Messung. Am einfachsten läßt sich diese in ihr Meß-programm einbauen ist bei einigen Meßgeräten aber auch programmierbar. Die Dauer der Verzögerung mußdiesmal willkürlich angenommen werden (Präzisere Aussagen wie groß die Verzögerung mindestens seinmuß werden Sie im nächsten Experiment ermitteln).

Nachdem die entsprechenden Verbesserungen in das Programm eingebracht wurden wird die Dunkelstromkenn-linie erneut gemessen. Danach wird bei zwei Beleuchtungsintensitäten ebenfalls eine Kennlinie registriert. Beieingeschalteter Lampe ist der Deckel von der „Blackbox“ abzunehmen, andernfalls kommt es zu einer Überhit-zung des Kästchens. Während der Messung sollten Sie die Warnanzeige für die Begrenzung (Vlimit bzw. Ilimit)zumindest visuell kontrollieren um sicherzustellen, daß der eingestellte Strom- bzw Spannungswert tatsächlichauch ausgegeben wird. Eleganter ist natürlich eine Abfrage innerhalb ihres Programms.

LabWindows spezifische HinweiseDie Vorgangsweise ist hier ganz ähnlich dem letzten Mal. D.h. Sie prüfen interaktiv mit dem Instrumententreiber„GPIB3“ ob ihre am GPIB-Bus befindlichen Geräte das Verhalten zeigen, das Sie erwarten. Danach können Siedie entsprechenden Anweisungen in ihren Quelltext des Programms kopieren. Unter LabWindows steht ihnendie Anweisung Delay (Sekunden); wobei Sekunden als double definiert ist, zur Verfügung. Diese Routine eignetsich für vergleichsweise lange ( > 0.05s) Verzögerungen (Wenn Sie im „debug-modus“ arbeiten meist nochgrößer). Für sehr kurze Verzögerungen (im µs Bereich) bietet sich als einfaches Mittel ein „dummy loop“, wienachfolgend in C skizziert, an. Die Schleife muß allerdings von ihnen erst justiert (Bestimmung eines sinnvollenWerts für Max_loop) werden.

for (i = 0; i < Max_loop; ++)

;Um das Digitalmultimeter Keithley 197 gezielt zu einer Messung zu veranlassen eignen sich alle Triggermodidie mit „Einmal nach ... “ bezeichnet werden (Siehe Anleitung K197.pdf). Für unser Experiment ist der Modus„Einmal nach X“ (T5) eine einfache Wahl. Jedesmal wenn Sie den Großbuchstaben „X“ an das Multimetersenden („Talk to instrument“) beginnt es eine Messung und stellt danach das Ergebnis zum Abruf bereit. D.h.Sie können ihn nach dem nächsten „listen to instrument“ in ihrem Programm oder interaktiv einlesen. Nachdieser einmaligen Messung hört das Gerät zu messen auf (die Geräteanzeige bleibt „eingefroren“) bis zumEmpfang des nächsten „X“. Wird ein „listen to instrument“ ohne vorherige Triggerung ausgeführt resultiert das(1) in einer langen Wartezeit und (2) zu einem Übertragungsfehler (Time Out).Wie in den Anleitungen K230.pdf und K224.pdf erwähnt wird das Erreichen von Vlimt bzw. Ilimit im sogenanntenStatusbyte signalisiert. Das Statusbyte ist eine Gerätezustandsabfrage mit sehr hoher Priorität im GPIBÜbertragungsprotokoll und wird mit dem Aufruf der Funktion Serial Poll (3. Eintrag im Menü„Communication“ des GPIB3-Instrumentetreibes) durchgeführt. Es ist lediglich die GPIB Geräteadresse desentsprechenden Geräts anzugeben. Das „Poll Byte“ oder Gerätestatusbyte (Zahlenwert zwischen 0 und 255)wird vom Instrument zurückgemeldet und muß anhand der Tabelle (in der Gerätebeschreibung) entschlüsseltwerden. Grundlage dafür ist die binäre Arithmetik und wird nachfolgend für den konkreten Fall der Ermittlungdes Grenzwerts kurz erklärt. Ist die Begrenzung aktiv so wird das 5. Bit (Error, 25 = 32 ) und das 0. Bit(Overvoltage bzw. Overcurrent, 20 = 1) des Statusbytes gesetzt. D.h. der Zahlenwert des Statusbytes ist indiesem Fall 32 + 1 = 33. Ist die Begrenzung nicht aktiv, kann trotzdem entweder das 5. Bit oder das 0. Bitgesetzt sein. D. h. in diesem Fall können mehrere Rückmeldungen erfolgen (nicht eindeutig). Um jetzt dieAbfrage eindeutig für unser Problem zu gestalten, muß man mit sogenannten „Masken“ arbeiten. Die Maske istin unserem Fall ebenfalls ein Byte mit dem Wert 33. Werden Statusbyte und Maske mit einer boolschen UNDOperation (Diese vergleicht Bitweise ihre beiden Zahlen und liefert entweder 1 wenn beide Bits gleicherWertigkeit gesetzt sind oder 0 in allen anderen Fällen und konstruiert ein Ergebnisbyte) verknüpft ist dasmögliche Ergebnis entweder 33 oder 0 (also eindeutig!).In C sieht das Verfahren wie folgt aus:

char Maske, Statusbyte;int GPIB_adresse;

Maske = 33;ieee488_poll (GPIB_adresse, Statusbyte);Ergebnis = Statusbyte & Maske;if (!Ergebnis)

/* Begrenzung NICHT aktiv */else

/* Begrenzung aktiv */

Umsetzung des Beispiels mittels LabVIEWDer Ablauf gliedert sich in die, nachfolgend chronologisch geordneten Abschnitte:1. Weiterführende Übungen zur Vertiefung des Verständnisses im Umgang mit LabVIEW basierend auf den in

der Datei lv2.pdf beschriebenen Beispielen2. Aufbau eines Meßplatzes bestehend aus einem digitalen Multimeter (Hewlett Packard 34401A) und einer

programmierbaren Stromquelle (Keithley 224) unter Verwendung der gerätespezifischen LabVIEW VIs.3. Erstellen eines Programms, das den Strom durch die Leuchtdiode ferngesteuert variiert und das detektierte

Signal der Photodiode als Funktion der Stroms darstellt, aufbereitet und abspeichert (Export).4. Mit vorgegebenen LabVIEW routinen soll das Signal „geglättet“ und abgeleitet werden.1. Weiterführende Übungen zur Vertiefung des Verständnisses im Umgang mit LabVIEW basierend auf

den in der Datei lv2.pdf beschriebenen BeispielenVersuchen Sie zunächst anhand der Erklärungen in lv2.pdf sich den Ablauf eines LabVIEW programms zuverdeutlichen. Im Unterschied zu der textbasierten Erstellung eines Quellcodes in dem die zeitliche Abfolge derProgrammausführung dem Zeilenindex folgt (d.h. die Anweisung in der 1. Zeile wird vor der Anweisung in der2. Zeile ausgeführt usw.) erlaubt die grafische Funktionsdarstellung im gleichen Diagrammfenster den(zumindest scheinbar) gleichzeitigen Aufruf mehrerer Programmanweisungen (Multitasking). Zu Ergänzen wäre,daß unter LabVIEW mehrere gleichzeitig laufende Programme zur gleichen Zeit auf die gleichenUnterprogramme zugreifen können (Multithreading). In der Regel müssen Sie sich bei der Programmgestaltunglediglich des 1. Teiles (Multitasking) dieser Fähigkeiten von LabVIEW bewußt sein um zuverlässig dieMeßaufgabe (die in fast allen Fällen eine zeitlich einzuhaltende Abfolge verlangt) der Problemstellungentsprechend durchzuführen. Nach dem Ende der Einarbeitungsphase in dem Sie die beschriebenen Beispielepraktisch nachvollziehen schließen Sie das Programm LabVIEW wieder bevor Sie mit dem nächsten Schrittweitermachen.2. Integration von Meßgeräten die über den GPIB Bus bedient werden in das ProgrammBevor Sie über den Rechner mit den angeschlossenen Meßgeräten kommunizieren wollen müssen die Geräteeingeschaltet und mit dem Verbindungskabel (IEEE488 oder GPIB Kabel, Spezialsteckverbindungen) an GPIBAusgang des PCs angeschlossen sein. Prüfen Sie danach über die Meßgeräte-Tastatur die Einstellung derSchnittstelle und die Adressenzuordnung. Verfahren Sie dazu wie folgt:• Stromquelle Keithley 224 Unmittelbar nach dem Einschalten

führt dieses Gerät einen Zustandstest durch und es erscheinen derReihenfolge nach für ca. 5 s (i) die Revisonsnummer b x.x und(ii) die aktuell eingestellte GPIB-Adresse IE xx in der Anzeige.

• DMM HP34401 Durch das Betätigen der „blauen Taste“ (rechtsunten) und nachfolgend der unteren ganz linken grauen Taste(MENU On-Off) gelangen Sie in das Einstellungsmenü desMeßgeräts. Mit Hilfe der 4 Pfeiltasten „links“ (gleiche Taste wieMENU On-Off aber ohne vorheriges betätigen der blauen Taste),„rechts“, „oben“ und „unten“ navigieren Sie durch die Menüsund deren Einträge. Wählen Sie zunächst das „I/O-Menü“ an.Verifizieren Sie, daß die Verbindung auf IEEE 488 eingestellt istund notieren Sie sich die Zahl (=GPIB Adresse) die Sie imUntermenü ADDR finden.

• Vergleichen Sie die beiden GPIB Adressen. Im Gegensatz zumersten Versuch müssen Sie diesmal sicherstellen, daß die beidenGeräte verschiedene Adressen haben bevor Sie die Geräte vomPC ansprechen. Sollten die beiden eingestellten Adressen identsein schalten Sie die Stromquelle Keithley 224 wieder aus undändern die Adresse entsprechend der Anleitung die im Dokumentk224.pdf nachzulesen ist. Danach schalten Sie das Gerät wiederein.

• Im nächsten Schritt rufen Sie am PC den Measurement undAutomation eXlorer (MAX) auf und führen wie im erstenBeispiel beschrieben einen Scan nach angeschlossenen GPIBgeräten durch. Sie können danach einen interaktiven Test mit denGeräten durchführen. Für das DMM können Sie wie im letzen Versuch in den VISA Eigenschaften einensymbolischen Namen festlegen, auf den Sie sich unter LabVIEW beziehen können. Anders verhält sich die

Abbildung 6: Auffinden derGerätetreiber VIs imFunktionsfenster.

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Sache bei der Stromquelle (siehe k224.pdf) für die Sie in den LabVIEW VIs immer die GPIB Adresseverwenden müssen. Der Grund liegt im Aufbau dieses Gerätetreibers und ist in lv2.pdf kurz erklärt. Siekönnen den MAX jetzt beenden.

• Für das Multimeter das wir im folgenden verwenden wollen befindet sich ein geeigneter „Gerätetreiber“ alsBeispiel schon im Datensatz von LabVIEW und kann im Dateiordner C:\Programme\NationalInstruments\LabVIEW 6\instr.lib\hp34401 gefunden werden. Für den Betrieb des Meßgeräts im heutigenVersuch genügen die VIs die nach Aufruf („Doppelklick“) auf hp34401a.llb zur Verfügung stehen. ZuLabVIEW wird eine CD mit einer Reihe von Gerätetreibern mitgeliefert. Hier könn(t)en Sie versuchen denGerätetreiber für die Stromquelle Keithley (=Hersteller) 224( =Gerätetyp) zu finden und in das Verzeichnis..\instr.lib zu installieren. Da mir schon bekannt ist, daß die CD keinen passenden Treiber beinhaltet, führenSie eine Internetrechere wie in k224.pdf beschrieben durch (ACHTUNG der Meßrechner besitzt keinenInternetanschluß). Die vom Hersteller auf den PC geladene Datei kei224v6.llb übertragen Sie durchKopieren auf eine Diskette in den Ordner ..\instr.lib. Danach können Sie LabVIEW starten. ImFunktionsfenster finden Sie die Geräte VIs für das DMM HP34401 (1 in Abb. 6) und Stromquelle Keithley224 (2 in Abb. 6) wie in Abb. 6 gezeigt. Im Diagrammfenster prüfen Sie ob durch „Rechtsklick“ der Mausob diese beiden Einträge wie in Abb. 6 zu sehen vorhanden sind.

3. Aufbau des Meßplatzes unter Verwendung der vorhandenen Beispielprogramme in LabVIEWSind die Vorbereitungen abgeschlossen kann jetzt der untenstehende Aufbau aufgebaut werden. Nachdem derAufbau fertig gestellt wurde öffnen Sie sowohl das VI HP34401A App. Example.vi aus der Bibliothekhp34401a (1 in Abb. 6) als auch das VI Keithley 224 Control (2 in Abb. 6) so daß Sie beide Eingabefenster amBildschirm sehen. Sie sehen im Eingabefenster alle möglichen Konfigurationseinstellungen. Im Eingabefensterdes DMM wählen Sie zuerst im Auswahlfeld VISA session „Ihr“ Gerät aus. Sofern Sie ihm einen symbolischenNamen zugeordnet haben wählen Sie diesen an. Sollte das nicht der Fall sein wählen Sie den Eintrag„GPIB0::xx:“ Wobei xx für die Geräteadresse steht. Danach ersetzen Sie im Bedienungsfenster der Stromquelleals erstes im Feld GPIB address den (Default) Wert 19 durch die von Ihnen ermittelte GPIB adresse. Ändern Siedie „Output control“ auf ON und tragen Sie den Wert 1e-3 (= 1mA) in das Feld „source“ ein. Danach starten Siedieses VI. Die Spannung am Digitalvoltmeter sollte etwas mehr als0.4V betragen. An der Stromquelle sollte derWert 1.000E-3 in der Anzeige erschienen sein und „Output“ und „Remote“-kontrolle sollten leuchten. MessenSie weder eine Spannung noch beobachten Sie eine Änderungen in der Anzeige der Stromquelle stimmt etwas inder Gerätekommunikation nicht, fragen Sie um Hilfe. Ändert die Stromquelle die Anzeigen wie beschrieben aberSie messen keine Spannung so ist wahrscheinlich etwas in ihrem Schaltungsaufbau fehlerhaft oder diePhotodiode kaputt.Funktioniert alles erwartungsgemäß können Sie jetzt das DMM analog zum letzten Versuch einstellen und dasVI probeweise ausführen. Es nimmt dann die von Ihnen eingegeben Einstellungen vor (Am DMM leuchtet„RMT“ auf) und es liefert einen Meßwert zurück. Ab diesem Zeitpunkt sollten Sie keine Taste am DMM mehrbetätigen können (Local Lock out ist aktiviert). Ist dieser letzte Test positiv verlaufen können Sie mit der Pro-grammentwicklung beginnen wobei Sie wie schon erwähnt auf ihr erstes Projekt zurückgreifen können.

ErgebnisDurch den Vergleich der registrierten Kennlinie unter Verwendung einer Stromquelle und dem Ergebnis beiVerwendung einer Spannungsquelle soll diskutiert ob und wenn ja welche der beiden Verfahren für die Aufga-benstellung die günstigere Wahl ist. Weiters soll das Verhalten der beiden Schnittpunkte der beleuchteten Kenn-linien (U=0, I=-IL) und (I=0, U≈(kBT/q)ln(IL/I0)) mit dem Achsenkreuz (in Abb. 2 grün hervorgehoben) in Ab-hängigkeit von der eingestrahlten Lichtintensität qualitativ beurteilt werden.

Beispielrelevante Dokumente[1] k197.pdf[2] hp34401a.pdf[3] k230.pdf[4] k224.pdf[5] lv2.pdf (Für LabVIEW Programmierer)