a3_dioda_formatat14.pdf

8/14/2019 A3_dioda_formatat14.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/a3diodaformatat14pdf 1/10

A3

DIODA SEMICONDUCTOARE

1. OBIECTUL APLICA!IEI

Se studiaz! caracteristicile statice ale diodei semiconductoare " N4"48, alediodei modelate PSpice ca întrerup!tor de tensiune #i ale diodei Zener " N750. Sedetermin! punctul static de func$ionare al unui circuit cu diod! modelat! liniarfolosind teoremele Kirchhoff #i prin simulare Pspice, comparând apoi rezultateleob$inute. Ca aplica$ie a diodei Zener este analizat stabilizatorul parametric clasic pe

baza caracteristicilor de transfer #i de ie#ire.

2. CARACTERISTICI STATICE

2.1. Caracteristica static" a diodei semiconductoarePrin caracteristic! static! a diodei se în$elege expresia matematic! #i graficul

dependen$ei )u( ii D D D = , unde Di este curentul prin diod!, iar Du este c!derea detensiune la bornele diodei.

• Ecua " ia matematic! a caracteristicii statice a diodei semiconductoare este:

−= #

mkT

DquexpS MI Di (3.")

unde: M – coeficient de multiplicare în avalan#! a purt!torilor de sarcin!, [ )∞∈ ;# M IS - curentul invers de satura$ie al diodei (foarte mic, de ordinul nA…µA)

q – sarcina electronului, [ ]C #06 ,#q #9−⋅= m – coeficient tehnologic, ( )2;#m∈

k – constanta Boltzmann, [ ] K / J #033 ,# K 23−

⋅= T – temperatura absolut! medie a mediului în care func$ioneaz! dioda.• Graficul caracteristicii statice a diodei (fig. 3.") poate fi delimitat în trei zone:

• zona ": e situat! în cadranul I, dioda fiind polarizat ! direct ( Di >0, Du >0);

• zona 2: e situat! în cadranul III, dioda e polarizat ! invers ( Di <0, Du <0) #i

S D I i −≅ ;

• zona 3: e situat! tot în cadranul III, dioda fiind în continuare polarizat! invers ( Di <0, Du <0) dar t tanconsu D = #i −∞→ Di (teoretic). Practic,

diodele obi#nuite se distrug prin str ! pungere invers! în aceast! zon!.Exist! un tip special de diode (numite diode Zener sau diode stabilizatoare

de tensiune) menite s! func$ioneze în zona 3.



22 APLICA$ IA NR.3

Fig.3.". Simbolul #i caracteristica static! a diodei

2.2. Modelarea PSpice a diodei semiconductoare

Datorit! neliniarit!$ii caracteristicii statice a diodei exprimat! prin rela$ia (3."), înmulte aplica$ii practice dioda este înlocuit! cu diverse modele liniarizate caresimplific! mult analiza circuitului, f !r ! a introduce erori substan$iale.

Iat! câteva dintre aceste modele, reprezentate grafic în fig.3.2 prin câte dou! segmente de dreapt! corespunz!toare diodei blocate #i în conduc$ie:

". model de diod! ideal! cu rezisten$! în conduc$ie 0 RON = , rezisten$! în blocare∞→OFF R , în care c!derea de tensiune pe dioda în conduc$ie 0V D = (fig.3.2.a);

2. model cu 0 RON = , ∞→OFF R , V 7 ,0V D = (fig.3.2.b);3. model cu 0 RON > , ∞→OFF R (rezisten$a finit! în conduc$ie), V 7 ,0V D = (fig.3.2.c);4. model cu 0 RON > , ∞<OFF R (rezisten$a finit! în blocare), V 7 ,0V D = (fig.3.2.d).

Di

D

uD

iD

Du

DV

+

-

D

a) model liniarizat prin 0 RON = ,∞→OFF R , V 0V D = b) model liniarizat prin 0 RON = ,∞→OFF R , 0V D =

Cadranul I

Du

Di

Cadranul III

3

2

"

Di

Du0



DIODA SEMICONDUCTOARE 23

iD

Du

-

R

V

on

+D

D

VD

Du

D

+D

-

i

onR

R off

c) model liniarizat prin

V 7 ,0V D = , ∞→OFF R , V 7 ,0V D = d) model liniarizat prin

0 RON > , ∞<OFF R , V 7 ,0V D =

Fig.3.2. Caracteristicile statice ale unor modele liniarizate

3. DESF#$URAREA APLICA!IEI

3.1. Caracteristica static" a diodei 1N4148

În fig.3.3. este prezentat! schema pentru trasarea caracteristicii statice a diodeide comuta$ie " N4"48.

" N4"48

R="00

+

-

S

" 2

0

V

20V

Fig.3.3. Circuit pentru trasarea caracteristicii statice a diodei " N4"48

3.1.1. În programul Notepad din pachetul de programe Design Center Eval sedeschide fi#ierul de intrare c:\electron\L3\careal.cir prin activarea op$iunii Open dinmeniul Files corespunz!tor. Se cite#te programul corespunz!tor circuitului dinfig.3.3:

Caracteristica statica a diodei " N4"48VS " 0 20VR " 2 "00



24 APLICA$ IA NR.3

D 2 0 D" N4"48.LIB C:\MSIMEV53\LIB\DC3EVAL.lib.DC V -"0V "0V 0.2V.PROBE.END

3.1.2. Deoarece fi#ierul de intrare caractdi.cir con$ine instruc$iunea .PROBE devizualizare a rezultatelor simul!rii, dup! rularea programului PSpice care va creafi#ierul de ie#ire caractdi.out #i fi#ierul de date caractdi.dat, se încarc! în programul

Probe fi#ierul caractdi.dat. Se schimb! axa X ca s! reprezinte V(2), selectând dinmeniul Plot op$iunea X Axis, Axis Varible. Cu instruc$iunea Trace se alege pe axa ycurentul I(D).3.1.3. Se deseneaz! graficul caracteristicii statice ob$inute la punctul 3.2.2. Se

compar ! cu cele din fig.3.2. Ce observa$i?

3.2. Caracteristica static" a diodei modelate liniar cu întrerup"tor detensiune

În fig.3.4 este prezentat! schema circuitului pentru trasarea caracteristiciidiodei modelate liniar, folosind un întrerup!tor de tensiune, notat SDR.

Schema din fig.3.4 permite ob$inerea tuturor graficelor de caracteristici staticeliniarizate prezentate în fig.3.", prin modificarea sau nu a valorii sursei de tensiuneconstant! VD (0V sau 0,7V) #i a parametrilor întrerup!torului comandat de tensiune

SDR.

SDR +

-

R

DR

VS

" 2

0

"0V +-

3

"K

VD0,7V

Fig.3.4. Circuit pentru trasarea caracteristicii diodei modelate

3.2.1. În programul Notepad din pachetul de programe Design Center Eval sedeschide fi#ierul de intrare c:\electron\L3\caractdm.cir prin activarea op$iunii Open din meniul Files corespunz!tor. Se cite#te programul corespunz!tor circuitului dinfig.3.4:

Caracteristica diodei* modelata ca intrerupator comandat in tensiune *




VS " 0 "0VSDR 2 3 2 3 ICTVD 3 0 0.7VR " 2 "K.MODEL ICT VSWITCH (RON="00.0 ROFF=20K VON="mV VOFF=0mV).DC VS -"0V "0V 0.2V.PROBE.END

Instruc$iunea SDR 2 3 2 3 ICT introduce în fi#ierul de intrare întrerup!torulcontrolat în tensiune SDR, care are sintaxa:

S<nume> <nod(+)> <nod(-)> <control(+)> <control(-)> <model>Modelul întrerup!torului SDR este denumit ICT #i este definit în instruc$iunea:

.MODEL <nume> <tipul componentei> (<nume parametru>=<valoare>...)

în care VON este c!derea de tensiune a comutatorului închis (dioda conduce), iarVOFF este c!derea de tensiune a comutatorului deschis (dioda este blocat!).3.2.2. Deoarece fi#ierul de intrare caractdm.cir con$ine instruc$iunea .PROBE devizualizare a rezultatelor simul!rii, dup! rularea programului PSpice care va creafi#ierul de ie#ire caractdm.out #i fi#ierul de date caractdm.dat, se încarc! în programul

Probe fi#ierul caractdm.dat. Se schimb! axa X ca V(2) selectând din meniul Plot op$iunile X Axis Settings, Axis Variable #i se traseaz! graficul I(SDR), selectând dinmeniul Trace op$iunea Add Trace. Se deseneaz! graficul ob$inut.3.2.3. Se modific! parametrii circuitului echivalent ob$inându-se urm!toarele fi#iere:

caractdm_ ".cir ( Ω #00 RON = , Ω G# ROFF = , V 0V D = ) #i caractdm_2.cir( Ω M # RON = , Ω G# ROFF = , V 7 ,0V D = ) #i se reia punctul 3.2.2. Se deseneaz! noilegrafice ob$inute. Explica$i modific!rile ap!rute #i justifica$i alegerea celui mai bun setde parametri.

3.3. Caracteristica static" a unei diode Zener

Pentru a trasa caracteristic! static! a diodei Zener tip " N750, se utilizeaz! circuitul din fig.3.5, dioda fiind comandat! în curent. Programul corespunz!tor este

urm!torul (c:\electron\L3\dz_caract.cir):

Caracteristica diodei Zener " N750IS 0 " DZ " 0 D" N750.LIB "DC3EVAL.LIB".DC IS -5mA 5mA 0."mA.PLOT DC V(").PROBE

.END



26 APLICA$ IA NR.3

"

0

SI DZ

Fig.3.5. Circuit pentru trasarea caracteristicii statice a diodei Zener " N750

3.3.1. Dup! rularea programului, în programul Probe se încarc! fi#ierul de datedz_caract.dat. Se alege pe axa X variabila V(") #i se traseaz! graficul curentului S I

ce circul! prin dioda Zener în func$ie de c!derea de tensiune V(") pe diod!.3.3.2. Compara$i caracteristica static! ob$inut! la punctul 3.3." cu cele din figurile 3." #i 3.2. Ce observa$i?

3.4. Determinarea PSF al diodei modelate Punctul static de func " ionare (PSF) al diodei alimentat! în curent continuu este

un punct de coordonate ( ) D D I ,U PSF situat în planul ( ) D D D uii = alcaracteristicilor statice.

R="K

D+

-

+

-

R="K

"0VS

" 2

0

2"

S

0

V

VD+-

3

r D

"0V DV"0V

0.7V

a) schem! electric! b) schem! electric! echivalent! de calcul a PSF

Fig.3.6. Exemplu de calcul al PSF al diodei

Ca exemplu de calcul al PSF, se propune schema din fig. 3.6.a. Înlocuind dioda polarizat! direct cu modelul s!u de curent continuu corespunz!tor fig.3.2.c) - în carecomutatorul este închis, rezisten$a în conduc$ie este notat! Ω #0r D = #i c!derea de

tensiune pe dioda în conduc$ie este V 7 ,0V D = - se ob$ine schema echivalent! dinfig.3.6.b.




A) Calculul PSF %i al altor m!rimi electrice ale circuitului folosind teoremele

Kirchhoff Se scriu ecua$iile Kirchhoff ata#ate circuitului din fig.3.6.b:

( )

−=

+=−

DS D

D D DS

RI V U

I r RV V (3.2)

Înlocuind valorile componentelor din fig.3.6.b în sistemul (3.2), rezult! valorilenumerice ale ( ) D D I ,U PSF . L!s!m ca tem! rezolvarea numeric! a sistemului (3.2)

precum #i calculul poten$ialele tuturor nodurilor, c!derile de tensiuni pe toatecomponentele #i puterea disipat! pe sursa de tensiune continu! S V .

B) Calculul PSF %i al altor m!rimi electrice ale circuitului folosind pachetul Design

Center Eval:

Se ruleaz! cu programul Pspice din Design Center Eval fi#ierul de intrare psf.cir corespunz!tor schemei echivalente din fig.3.6.b, care se g!se#te în directorulc:\electron\L3:

Calculul PSF al diodei modelateVS " 0 "0R " 2 "krD 2 3 "0VD 3 0 0.7.end

Se copiaz! rezultatele analizei, care se g!sesc în fi#ierul de ie#ire psf.out . Secompar ! rezultatele cu cele ob$inute la punctul 3.4.A).

3.5. Stabilizator parametric cu diod" Zener

Stabilizatoarele parametrice realizate cu diod! Zener se bazeaz! pe proprietateadiodei Zener de a p!stra tensiunea la bornele sale aproximativ constant! în zona 3 destr ! pungere invers! (fig.3.") la varia$iile tensiunii sursei de alimentare, rezisten$ei de

sarcin!, temperaturii etc.Schema stabilizatorului parametric din fig.3.7 are dioda Zener (notat! DZ, de parametri V #0U z = #i mA5 I z = ) montat! în paralel cu rezisten$a de sarcin! S R pentru a men$ine tensiunea 0V constant!.

Rezisten$a R se nume#te rezisten "! de balast #i are rol de protec$ie a diodeiZener la cre#terea curentului prin ea.

Capacitatea stabilizatorului parametric din fig.3.7 de a men$ine tensiunea 0V constant! la varia$iile tensiunii de alimentare I V #i ale rezisten$ei de sarcin! S R poatefi analizat! pe graficele a dou! caracteristici:

• caracteristica de transfer ( ) t tanconsS R I 00 V V V == , care pune în eviden$!

stabilizarea tensiunii de ie#ire la varia$iile tensiunii de intrare I V ;



28 APLICA$ IA NR.3

• caracteristica de ie %ire ( )t tancons I V S 00 I V V == , care pune în eviden$!

stabilizarea tensiunii de ie#ire la varia$iile rezisten$ei de sarcin! S R (implicit acurentului S I prin sarcina S R , deoarece S 0S R / V I = ).

+

-

R

VI

20V

DZ

"0V

470

R S

2K VO

0

" 2

Fig.3.7. Stabilizator parametric cu diod! Zener.

3.5.1. Pentru trasarea caracteristicii de transfer ( )t tanconsS R I 00 V V V == , se ruleaz!

fi#ierul de intrare stabdz_ctr.cir din directorul c:\electron\L3 \stabdz_ctr.cir:

Stabilizator parametric cu dioda Zener* caracteristica de transfer *VI " 0

R " 2 470DZ 0 2 DZ"0VRS 2 0 2K.MODEL DZ"0V D (BV="0V IBV=5mA).DC VIN 0V 20V 0.5V.PROBE.END

Pe axa X, Probe alege automat variabila I V baleiat! în analiza de curent

continuu. Se afi#eaz! cu secven$a de comenzi Trace, Add Trace tensiunea V(2). Pe onou! ax! Y, se traseaz! #i curentul ) D( I Z . Se deseneaz! graficele ob$inute.Folosind cursorul cu secven$a Tools, Cursor, Display se m!soar ! tensiunea de ie#ire

0V pentru o valoare a tensiunii de intrare I V de "5V. Ce observa$i?

3.5.2. Pentru trasarea caracteristicii de ie#ire ( )t tancons I V S 00 I V V == , simul!m

rezisten$a de sarcin! S R printr-o surs! de curent S I . Circuitul devine cel din fig.3.8.Se ruleaz! fi#ierul de intrare stabdz_cie.cir care se g!se#te în directorul

c:\electron\L3 :

Stabilizator parametric cu dioda Zener* caracteristica de iesire *




VI " 0 20VR " 2 470DZ 0 2 DZ"0VIS 2 0.MODEL DZ"0V D (BV="0V IBV=5mA).DC IS 0mA 40mA 0.5mA.PROBE.END

+

-

R

VI

20VDZ

"0V

470

IS

VO

0

" 2

Fig.3.8. Stabilizator parametric cu diod! Zener având sarcina simulat! cu o surs! de

curent.

Caracteristica dorit! se obine trasând cu Probe graficul lui V(2). Folosind

secven$a de instruc$iuni Plot, Add Plot se traseaz! al doilea grafic ) D( I Z . Observa$ic! tensiunea pe rezisten$a de sarcin! r !mâne constant! atâta timp cât DZ poatecompensa varia$ia de curent prin sarcin! (pân! pu$in dup! 20mA când ) D( I Z seanuleaz!). Folosind cursorul cu secven$a Tools, Cursor, Display se m!soar ! tensiuneade ie#ire 0V pentru un curent de sarcin! S I de "0mA. Ce observa$i?

4. ÎNTREB#RI $I PROBLEME

4.1. Explica$i cele 5 caracteristici ale diodei modelate fig. 3.2 a), b), c), d).4.2. Care este scopul introducerii instruc$iunii .PROBE din fi#ierelecaractdm.cir, caractdi.cir, dz_caract.cir, etc?

4.3. Explica$i urm!toarele linii de program:.MODEL DZ"0V D (BV="0V IBV=5mA).DC IS 0mA 40mA 0.5mA.LIB "DC3EVAL.LIB"

4.4. Determina$i curentul D I al unei diode polarizate invers având: # M = ,nA#0 I S = , V #U D −= , 2 ,#m = #i poten$ialul termic mV 26 q / KT V T == .



30 APLICA$ IA NR.3

4.5. O diod! D este modelat! prin ecua$ia: [ ]V i#00u D D ⋅= . Care dintremodelele din fig.3.2 corespunde acestei ecua$ii? Care este valoarea rezisten$ei Dr înconduc$ie a diodei?

4.6. O diod! modelat! are caracteristica static! desenat! în fig.P3.".

a) Desena$i modelul echivalent al diodei; b) Scrie$i expresia tensiunii Du la bornele diodei;c) Dac! dioda e str ! b!tut! de un curent A#0 I D = , calcula$i tensiunea

DU la bornele diodei.

Fig.P3.". Caracteristica static! a diodei din problema 4.6

uD

iD

0 0.7V

4

π

a3_dioda_formatat14.pdf

Documents