LUCRAREA DE LABORATOR NR

A3 DIODA SEMICONDUCTOARE 1. OBIECTUL APLICAŢIEI Se studiază caracteristicile statice ale diodei semiconductoare 1N4148, ale diodei modelate PSpice ca întrerupător de tensiune şi ale diodei Zener 1N750. Se determină punctul static de funcţionare al unui circuit cu diodă modelată liniar folosind teoremele Kirchhoff şi prin simulare Pspice, comparând apoi rezultatele obţinute. Ca aplicaţie a diodei Zener este analizat stabilizatorul parametric clasic pe baza caracteristicilor de transfer şi de ieşire. 2. CARACTERISTICI STATICE 2.1. Caracteristica statică a diodei semiconductoare Prin caracteristică statică a diodei se înţelege expresia matematică şi graficul dependenţei i D = i D ( u D ) , unde iD este curentul prin diodă, iar u D este căderea de tensiune la bornele diodei. • Ecuaţia matematică a caracteristicii statice a diodei semiconductoare este:   qu   i D = MI S exp D  − 1 (3.1)   mkT   unde: M – coeficient de multiplicare în avalanşă a purtătorilor de sarcină, M ∈ [1; ∞ ) IS - curentul invers de saturaţie al diodei (foarte mic, de ordinul nA…µA) q – sarcina electronului, q = 1,6 ⋅ 10 −19 [C ] m – coeficient tehnologic, m ∈ (1; 2 ) k – constanta Boltzmann, K = 1,33 ⋅ 10 − 23 [J / K ] T – temperatura absolută medie a mediului în care funcţionează dioda. • Graficul caracteristicii statice a diodei (fig. 3.1) poate fi delimitat în trei zone: • zona 1: e situată în cadranul I, dioda fiind polarizată direct ( i D >0, u D >0); • zona 2: e situată în cadranul III, dioda e polarizată invers ( i D <0, u D <0) şi iD ≅ −I S ; • zona 3: e situată tot în cadranul III, dioda fiind în continuare polarizată invers ( i D <0, u D <0) dar u D = cons tan t şi i D → −∞ (teoretic). Practic, diodele obişnuite se distrug prin străpungere inversă în această zonă. Există un tip special de diode (numite diode Zener sau diode stabilizatoare de tensiune) menite să funcţioneze în zona 3. APLICAŢIA NR.3 22 iD Cadranul I iD uD 1 uD 0 2 3 Cadranul III Fig.3.1. Simbolul şi caracteristica statică a diodei 2.2. Modelarea PSpice a diodei semiconductoare Datorită neliniarităţii caracteristicii statice a diodei exprimată prin relaţia (3.1), în multe aplicaţii practice dioda este înlocuită cu diverse modele liniarizate care simplifică mult analiza circuitului, fără a introduce erori substanţiale. Iată câteva dintre aceste modele, reprezentate grafic în fig.3.2 prin câte două segmente de dreaptă corespunzătoare diodei blocate şi în conducţie: 1. model de diodă ideală cu rezistenţă în conducţie RON = 0 , rezistenţă în blocare ROFF → ∞ , în care căderea de tensiune pe dioda în conducţie VD = 0 (fig.3.2.a); 2. model cu RON = 0 , ROFF → ∞ , VD = 0 ,7V (fig.3.2.b); 3. model cu RON > 0 , ROFF → ∞ (rezistenţa finită în conducţie), VD = 0 ,7V (fig.3.2.c); 4. model cu RON > 0 , ROFF < ∞ (rezistenţa finită în blocare), VD = 0 ,7V (fig.3.2.d). iD iD D uD uD D + a) model liniarizat prin RON = 0 , ROFF → ∞ , VD = 0V VD b) model liniarizat prin RON = 0 , ROFF → ∞ , VD = 0 DIODA SEMICONDUCTOARE 23 iD iD uD D uD D + VD - R off R on c) model liniarizat prin VD = 0,7V , ROFF → ∞ , VD = 0 ,7V + - VD R on d) model liniarizat prin RON > 0 , ROFF < ∞ , VD = 0 ,7V Fig.3.2. Caracteristicile statice ale unor modele liniarizate 3. DESFĂŞURAREA APLICAŢIEI 3.1. Caracteristica statică a diodei 1N4148 În fig.3.3. este prezentată schema pentru trasarea caracteristicii statice a diodei de comutaţie 1N4148. R=100 1 2 VS 20V + - 1N4148 0 Fig.3.3. Circuit pentru trasarea caracteristicii statice a diodei 1N4148 3.1.1. În programul Notepad din pachetul de programe Design Center Eval se deschide fişierul de intrare c:\electron\L3\careal.cir prin activarea opţiunii Open din meniul Files corespunzător. Se citeşte programul corespunzător circuitului din fig.3.3: Caracteristica statica a diodei 1N4148 VS 1 0 20V R 1 2 100 APLICAŢIA NR.3 24 D 2 0 D1N4148 .LIB C:\MSIMEV53\LIB\DC3EVAL.lib .DC V -10V 10V 0.2V .PROBE .END 3.1.2. Deoarece fişierul de intrare caractdi.cir conţine instrucţiunea .PROBE de vizualizare a rezultatelor simulării, după rularea programului PSpice care va crea fişierul de ieşire caractdi.out şi fişierul de date caractdi.dat, se încarcă în programul Probe fişierul caractdi.dat. Se schimbă axa X ca să reprezinte V(2), selectând din meniul Plot opţiunea X Axis, Axis Varible. Cu instrucţiunea Trace se alege pe axa y curentul I(D). 3.1.3. Se desenează graficul caracteristicii statice obţinute la punctul 3.2.2. Se compară cu cele din fig.3.2. Ce observaţi? 3.2. Caracteristica statică a diodei modelate liniar cu întrerupător de tensiune În fig.3.4 este prezentată schema circuitului pentru trasarea caracteristicii diodei modelate liniar, folosind un întrerupător de tensiune, notat SDR. Schema din fig.3.4 permite obţinerea tuturor graficelor de caracteristici statice liniarizate prezentate în fig.3.1, prin modificarea sau nu a valorii sursei de tensiune constantă VD (0V sau 0,7V) şi a parametrilor întrerupătorului comandat de tensiune SDR. R 1 2 DR 1K + VS - 10V SDR 3 + VD - 0,7V 0 Fig.3.4. Circuit pentru trasarea caracteristicii diodei modelate 3.2.1. În programul Notepad din pachetul de programe Design Center Eval se deschide fişierul de intrare c:\electron\L3\caractdm.cir prin activarea opţiunii Open din meniul Files corespunzător. Se citeşte programul corespunzător circuitului din fig.3.4: Caracteristica diodei * modelata ca intrerupator comandat in tensiune * DIODA SEMICONDUCTOARE 25 VS 1 0 10V SDR 2 3 2 3 ICT VD 3 0 0.7V R 1 2 1K .MODEL ICT VSWITCH (RON=100.0 ROFF=20K VON=1mV VOFF=0mV) .DC VS -10V 10V 0.2V .PROBE .END Instrucţiunea SDR 2 3 2 3 ICT introduce în fişierul de intrare întrerupătorul controlat în tensiune SDR, care are sintaxa: S<nume> <nod(+)> <nod(-)> <control(+)> <control(-)> <model> Modelul întrerupătorului SDR este denumit ICT şi este definit în instrucţiunea: .MODEL <nume> <tipul componentei> (<nume parametru>=<valoare>...) în care VON este căderea de tensiune a comutatorului închis (dioda conduce), iar VOFF este căderea de tensiune a comutatorului deschis (dioda este blocată). 3.2.2. Deoarece fişierul de intrare caractdm.cir conţine instrucţiunea .PROBE de vizualizare a rezultatelor simulării, după rularea programului PSpice care va crea fişierul de ieşire caractdm.out şi fişierul de date caractdm.dat, se încarcă în programul Probe fişierul caractdm.dat. Se schimbă axa X ca V(2) selectând din meniul Plot opţiunile X Axis Settings, Axis Variable şi se trasează graficul I(SDR), selectând din meniul Trace opţiunea Add Trace. Se desenează graficul obţinut. 3.2.3. Se modifică parametrii circuitului echivalent obţinându-se următoarele fişiere: caractdm_1.cir ( RON = 100 Ω , ROFF = 1GΩ , VD = 0V ) şi caractdm_2.cir ( RON = 1MΩ , ROFF = 1GΩ , VD = 0 ,7V ) şi se reia punctul 3.2.2. Se desenează noile grafice obţinute. Explicaţi modificările apărute şi justificaţi alegerea celui mai bun set de parametri. 3.3. Caracteristica statică a unei diode Zener Pentru a trasa caracteristică statică a diodei Zener tip 1N750, se utilizează circuitul din fig.3.5, dioda fiind comandată în curent. Programul corespunzător este următorul (c:\electron\L3\dz_caract.cir): Caracteristica diodei Zener 1N750 IS 0 1 DZ 1 0 D1N750 .LIB "DC3EVAL.LIB" .DC IS -5mA 5mA 0.1mA .PLOT DC V(1) .PROBE .END APLICAŢIA NR.3 26 1 IS DZ 0 Fig.3.5. Circuit pentru trasarea caracteristicii statice a diodei Zener 1N750 3.3.1. După rularea programului, în programul Probe se încarcă fişierul de date dz_caract.dat. Se alege pe axa X variabila V(1) şi se trasează graficul curentului I S ce circulă prin dioda Zener în funcţie de căderea de tensiune V(1) pe diodă. 3.3.2. Comparaţi caracteristica statică obţinută la punctul 3.3.1 cu cele din figurile 3.1 şi 3.2. Ce observaţi? 3.4. Determinarea PSF al diodei modelate Punctul static de funcţionare (PSF) al diodei alimentată în curent continuu este un punct de coordonate PSF (U D , I D ) situat în planul i D = i D (u D ) al caracteristicilor statice. 1 1 VS + 10V - R=1K D R=1K 2 2 rD 10 VS + 10V - 3 + - 0 VD VD 0.7V 0 a) schemă electrică b) schemă electrică echivalentă 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 polarizată direct cu modelul său de curent continuu corespunzător fig.3.2.c) - în care comutatorul este închis, rezistenţa în conducţie este notată rD = 10 Ω şi căderea de tensiune pe dioda în conducţie este V D = 0 ,7V - se obţine schema echivalentă din fig.3.6.b. DIODA SEMICONDUCTOARE 27 A) Calculul PSF şi al altor mărimi electrice ale circuitului folosind teoremele Kirchhoff Se scriu ecuaţiile Kirchhoff ataşate circuitului din fig.3.6.b: VS − VD = (R + rD )I D (3.2)  = − U V RI S D  D Înlocuind valorile componentelor din fig.3.6.b în sistemul (3.2), rezultă valorile numerice ale PSF (U D , I D ) . Lăsăm ca temă rezolvarea numerică a sistemului (3.2) precum şi calculul potenţialele tuturor nodurilor, căderile de tensiuni pe toate componentele şi puterea disipată pe sursa de tensiune continuă VS . B) Calculul PSF şi al altor mărimi electrice ale circuitului folosind pachetul Design Center Eval: Se rulează cu programul Pspice din Design Center Eval fişierul de intrare psf.cir corespunzător schemei echivalente din fig.3.6.b, care se găseşte în directorul c:\electron\L3: Calculul PSF al diodei modelate VS 1 0 10 R 1 2 1k rD 2 3 10 VD 3 0 0.7 .end Se copiază rezultatele analizei, care se găsesc în fişierul de ieşire psf.out. Se compară rezultatele cu cele obţinute la punctul 3.4.A). 3.5. Stabilizator parametric cu diodă Zener Stabilizatoarele parametrice realizate cu diodă Zener se bazează pe proprietatea diodei Zener de a păstra tensiunea la bornele sale aproximativ constantă în zona 3 de străpungere inversă (fig.3.1) la variaţiile tensiunii sursei de alimentare, rezistenţei de sarcină, temperaturii etc. Schema stabilizatorului parametric din fig.3.7 are dioda Zener (notată DZ, de parametri U z = 10V şi I z = 5 mA ) montată în paralel cu rezistenţa de sarcină RS pentru a menţine tensiunea V0 constantă. Rezistenţa R se numeşte rezistenţă de balast şi are rol de protecţie a diodei Zener la creşterea curentului prin ea. Capacitatea stabilizatorului parametric din fig.3.7 de a menţine tensiunea V0 constantă la variaţiile tensiunii de alimentare VI şi ale rezistenţei de sarcină RS poate fi analizată pe graficele a două caracteristici: • caracteristica de transfer V0 = V0 (VI ) R = cons tan t , care pune în evidenţă S stabilizarea tensiunii de ieşire la variaţiile tensiunii de intrare VI ; APLICAŢIA NR.3 28 • caracteristica de ieşire V0 = V0 (I S )V = cons tan t , care pune în evidenţă I stabilizarea tensiunii de ieşire la variaţiile rezistenţei de sarcină RS (implicit a curentului I S prin sarcina RS , deoarece I S = V0 / RS ). 1 R 2 470 + VI 20V - DZ 10V VO RS 2K 0 Fig.3.7. Stabilizator parametric cu diodă Zener. 3.5.1. Pentru trasarea caracteristicii de transfer V0 = V0 (VI ) R = cons tan t , se rulează S fişierul de intrare stabdz_ctr.cir din directorul c:\electron\L3 \stabdz_ctr.cir: Stabilizator parametric cu dioda Zener * caracteristica de transfer * VI 1 0 R 1 2 470 DZ 0 2 DZ10V RS 2 0 2K .MODEL DZ10V D (BV=10V IBV=5mA) .DC VIN 0V 20V 0.5V .PROBE .END Pe axa X, Probe alege automat variabila VI baleiată în analiza de curent continuu. Se afişează cu secvenţa de comenzi Trace, Add Trace tensiunea V(2). Pe o nouă axă Y, se trasează şi curentul I ( DZ ) . Se desenează graficele obţinute. Folosind cursorul cu secvenţa Tools, Cursor, Display se măsoară tensiunea de ieşire V0 pentru o valoare a tensiunii de intrare VI de 15V. Ce observaţi? 3.5.2. Pentru trasarea caracteristicii de ieşire V0 = V0 (I S ) V =cons tan t , simulăm I rezistenţa de sarcină RS printr-o sursă de curent I S . Circuitul devine cel din fig.3.8. Se rulează fişierul de intrare stabdz_cie.cir care se găseşte în directorul c:\electron\L3 : Stabilizator parametric cu dioda Zener * caracteristica de iesire * DIODA SEMICONDUCTOARE 29 VI 1 0 20V R 1 2 470 DZ 0 2 DZ10V IS 2 0 .MODEL DZ10V D (BV=10V IBV=5mA) .DC IS 0mA 40mA 0.5mA .PROBE .END R 2 1 470 + VI 20V - DZ 10V VO IS 0 Fig.3.8. Stabilizator parametric cu diodă Zener având sarcina simulată cu o sursă de curent. Caracteristica dorită se obine trasând cu Probe graficul lui V(2). Folosind secvenţa de instrucţiuni Plot, Add Plot se trasează al doilea grafic I ( DZ ) . Observaţi că tensiunea pe rezistenţa de sarcină rămâne constantă atâta timp cât DZ poate compensa variaţia de curent prin sarcină (până puţin după 20mA când I ( DZ ) se anulează). Folosind cursorul cu secvenţa Tools, Cursor, Display se măsoară tensiunea de ieşire V0 pentru un curent de sarcină I S de 10mA. Ce observaţi? 4. ÎNTREBĂRI ŞI PROBLEME 4.1. Explicaţi cele 5 caracteristici ale diodei modelate fig. 3.2 a), b), c), d). 4.2. Care este scopul introducerii instrucţiunii .PROBE din fişierele caractdm.cir, caractdi.cir, dz_caract.cir, etc? 4.3. Explicaţi următoarele linii de program: .MODEL DZ10V D (BV=10V IBV=5mA) .DC IS 0mA 40mA 0.5mA .LIB "DC3EVAL.LIB" 4.4. Determinaţi curentul I D al unei diode polarizate invers având: M = 1 , I S = 10 nA , U D = −1V , m = 1,2 şi potenţialul termic VT = KT / q = 26 mV . APLICAŢIA NR.3 30 4.5. O diodă D este modelată prin ecuaţia: u D = 100 ⋅ i D [V ]. Care dintre modelele din fig.3.2 corespunde acestei ecuaţii? Care este valoarea rezistenţei rD în conducţie a diodei? 4.6. O diodă modelată are caracteristica statică desenată în fig.P3.1. a) Desenaţi modelul echivalent al diodei; b) Scrieţi expresia tensiunii u D la bornele diodei; c) Dacă dioda e străbătută de un curent I D = 10 A , calculaţi tensiunea U D la bornele diodei. iD π 4 uD 0 0.7V Fig.P3.1. Caracteristica statică a diodei din problema 4.6