Cvičení 5
Charakteristiky diod V-A charakteristika diody a její mezní parametry Simulace V-A charakteristiky (PSpice) a její analýza (Excel) Modely diody Pracovní bod Po, náhladní lineární obvod (NLO) pro Po Příklad – napěťový dělič s diodou Simulace – napěťový dělič s diodou (PSpice), odečet parametrů NLO (Excel) Měření propustných charakteristik polovodičových diod a jejich graf (Excel)
Elektronické prvky
A2B34ELP
IF
Dioda – voltampérová charakteristika
A
IF [mA]
UF
IF I0 e
200
eUF nkT
150
K
UBR průrazné napětí
100
50
UR [V] 80
70
60
50
40
30
20
10 0
0.2
0.4
typicky nA@T=300K
0.4
1.0
propustný úbytek
0.6 0.8 1.0
0.8
UF@IF=50mA
0.2
IR@UR=50V závěrný proud
0.6
IR [A]
1.2
UF [V]
,
UF
nkT e
Dioda – mezní parametry IF [mA]
IFAV IFSM URRM URSM IZ
Forward AVerage Current IFAV Forward Surge Maximum Current Reverse Repetetive Maximum Voltage Reverse Surge Maximum Voltage Zener Current UBR
URRM 0
UF [V]
UR [V]
IZ IR [A]
Dioda – katalogový list
URRM Reverse Repetetive Maximum Voltage
IFAV IFSM
Forward AVerage Current Forward Surge Maximum Current
UF IR
Forward Voltage Reverse Current
PSpice V-A charakteristika 1) Spustit Capture/Design Entry CIS 2) File – Open Project … 05_D_VA.opj K dispozici jsou tři simulační profily: 1. Pracovní bod 2. Stejnosměrná analýza – VA propustná 3. Stejnosměrná analýza – VA závěrná Proveďte simulaci průběhu propustné charakteristiky diody 1N4001 Výsledek simulace importujte do Excelu (list VA_diody) a zpracujte. Proveďte simulaci průběhu závěrné charakteristiky diody 1N4001
Import charakteristik do Excelu 1) Vybrat okno s grafem obsahujícím charakteristiku, kterou chceme exportovat 2) Vybrat charakteristiku kliknutím LMB na jají název (název zčervená) 3) Uložit charakteristiku pomocí Ctrl-C 4) Vložit přes Ctrl-V na požadované místo v Excelu 50mA
40mA
zde kliknout LMB
20mA
0A
0V
I(D1)
200mV
400mV V_V1
600mV
800mV
Import grafů do Excelu 1) Vybrat okno s grafem, který chceme exportovat 2) Zvolit Window ► Copy to clipboard 3) V dialogovém oknu zaškrtnout pouze USE SCREEN COLORS ► OK 4) Vložit přes Ctrl-V na požadované místo v Excelu
Zpracování výsledků – list VA_diody nasimulovaná charakteristika a její aproximace exponenciálou
zde vložit nasimulovanou charakteristiku
zadání parametrů z aproximace pro zjištění faktoru n
Modely diod – úplné odporové (statické) Exponenciální
IF
IF [mA]
A UF K 0
UUF T IF I0 e 1 pro UF UT
IF I0 e
UF UT
UF [V]
UT kT/e
Modely diod – úplné odporové (statické) Ideální
IF
IF [mA]
závěrná polarizace
A
propustná polarizace
UF K 0
závěrná polarizace
UAK 0
propustná polarizace
IA=0 A
IA 0
UAK K
IA 0
UF [V] IA
A
UAK 0
UAK=0 K
Modely diod – úplné odporové (statické) Linearizovaný po částech
IF
IF [mA]
A UF K 0 U0
IA=0 A
UAK U0
IA 0
UAK U0 UAK K
IA UAK - U0 / RD U0,RD – paramery modelu
UF [V] A IA
RD U0 K
Modely diod – úplné odporové (statické) Aproximace konstantním zdrojem IF
IF [mA]
A UF K 0 U0
IA
IA=0 A
UAK 0
IA 0
UAK K
UF [V]
IA 0
A
UAK U0
pro Si@300K U0š0.6-0.7V
U0 K
Příklad 1: Pro zadané hodnoty napětí U1 určete hodnoty napětí U2, je-li R1 a R2 = 1 kOhm. Uvažujte VA charakteristiku diody dle obrázku. A. U1 = 10V B. U1 = - 10V
Řešení A:
Při U1 = 10V je napětí UAK diody záporné
dioda nevede proud – diodu nahradíme rozpojenými svorkami
K
A
R2 U 2 U1 U1 / 2 R1 R2
Řešení B:
Při U1 = -10V je napětí UAK diody kladné, větší než 0.7V
dioda vede proud – diodu nahradíme zdrojem napětí 0.7V
K
A
K
= A
0.7V
U 2 0.7V
Příklad 2: V obvodu s diodou určete souřadnice jejího pracovního bodu a určete parametry náhradního lineárního obvodu (NLO) pro UCC= 1.2 V. R = 100 IF [mA]
UCC
14 12
1N4007
10 8 6 4
UR [V]
2
5
4
3
2
1 0
0.2
A
0.4 0.6
UF
0.8 1.0
K
0.6
0.8
1.0
1.2
UF [V]
0.2
IF
0.4
IR [A]
Postup řešení:
1. Popsat obvod ve shodě s charakteristikou
R = 100 IF [mA]
UCC
UF
IF
14 12 10 8 6 4
UR [V]
2
5
4
3
2
1 0
0.2
A
0.4 0.6
UF
0.8 1.0
K
0.6
0.8
1.0
1.2
UF [V]
0.2
IF
0.4
IR [A]
Postup řešení:
1. Popsat obvod ve shodě s charakteristikou 2. Sestavit obvodové rovnice
R = 100 IF [mA]
UF
IF
UCC
14 12 10 8 6 4
UR [V]
2
5
4
3
2
1 0
0.2
(1)
IF
A
0.4 0.6
IF = f(UF)
UF
(2)
0.8 1.0
K
0.6
0.8
1.0
1.2
UF [V]
0.2
UCC= R·IF + UF
0.4
IR [A]
Postup řešení:
1. Popsat obvod ve shodě s charakteristikou 2. Sestavit obvodové rovnice 3. Řešení ►analytické (numerické) X grafické
R = 100 IF [mA]
UF
IF
UCC
14 12 10 8 6 4
UR [V]
2
5
4
3
2
1 0
0.2
(1)
IF
A
0.4 0.6
IF = f(UF)
UF
(2)
0.8 1.0
K
0.6
0.8
1.0
1.2
UF [V]
0.2
UCC= R·IF + UF
0.4
IR [A]
Grafické řešení
proud zdroje nakrátko
UCC= R·IF + UF IF= (Ucc-UF)/R
IF [mA]
Ik= UCC/R
14
(2)
12
(1)
(1)
10
pracovní bod
8
P0 [UFo,IFo]
6
GRAF rce (1)
4
UR [V] 5
2 4
3
2
1 0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
UF [V]
0.2 0.4
UCC = Un
0.6
napětí zdroje naprázdno
0.8 1.0
IR [A]
Náhradní lineární obvod NLO – linearizace charakteristiky v okolí P0 linearizace charakteristiky tečnou v P0
IF [mA]
UF= Uo + Rd· IF
14 12
Rd =
10 8
ΔUF ΔIF
6
U0 K
ΔUF 0
0.2
0.4
0.6
Rd
UF
P0
2
A
A
ΔIF
4
IF
U0
0.8
K 1.0
1.2
UF [V]
PSpice Pracovní bod diody 1) Spustit Capture/Design Entry CIS 2) File – Open Project … 05_D_P0.opj K dispozici je simulační profil: 1. 1N5401-Prac_bod Proveďte simulaci grafického řeření polohy pracovního bodu diody pro tři hodnoty parametru Rx= 200, 1k a 5k Souřadnice pracovního bodu a odečtené hodnoty differenciálního odporu Rd zaneste do Excelu (list P0).
Odečet parametrů P0 ze simulace
1) Aktivovat kursor a vybrat charakteristiku, se kterou chceme pracovat, kliknutím LMB i RMB na její název 2) Kursor 1 (LMB) an kursor 2 (RMB) umístíme na dvě různá místa charakteristiky – v okně Probe Cursor pak budou jejich souřadnice aktivace kursoru poloha kursoru 2 - RMB vybraná charakteristika LMB i RMB
P0 poloha kursoru 1 - LMB souřadnice kursorů a jejich diference
Zpracování výsledků – list P0 zde importovat graf řešení úlohy zde doplnit souřadnice P0 a odečtené hodnoty Rd
kalkulátor pro výpočet Rd
Měření VA charakteristik diod Cíl: změřit propustné VA charakteristiky různých typů polovodičových diod a vykreslit grafy jejich charakteristik v Excelu (list UF) MEZNÍ PARAMETRY TYP
IFAV (mA)
IFSM (A)
URRM (V)
1N4007
1000
40
1000
10BQ040
1000
430
40
URSM (V)
Křemíková usměrňovací dioda s pn přechodem. 40
ZD 3V3
Poznámka
Schottkyho usměrňovací dioda Zenerova dioda 3.3 V
LED –IR
65
5
Infračervená GaAlAs svítivka
LED – RED
30
0.185
5
Červená InGaAlP svítivka
LED – YELLOW
30
0.175
5
Žlutá InGaAlP svítivka
LED - BLUE
30
0.150
5
Modrá svítívka GaN na SiC
Princip měření Rx = 1k až 1M
IF [mA] UCC R1
R1
UCC R2
UCC=15V
UF
IF
R2
R1
UCC R3
R3 R4
UCC R4 0
UCC
UF [V]
Přípravek pro měření VA charakteristik diod
volba diody
volba odporu Rx
Zapojení pro měření VA charakteristik diod A IF
UCC
UF
V
Rx
A
IF UF UCC=15V
Rx=4k7
V
Zpracování výsledků – list UF u vybraných diod doplnit naměřené souřadnice UF a IF pracovních bodů
Rx
