Указания

Условия

Задание на моделирование и расчет характеристик диодов

Моделирование характеристик диодов производится при помощи программы Elektronic Workbench (EWB), версии 5.0а, 5.0с, 5.12. Каждый пункт задания помимо моделирования включает аналитический расчет тех же характеристик, осуществляемый с целью определения согласования между результатами моделирования и расчета.

1. Построить на одном графике прямые ветви вольт-амперных характеристик (ВАХ) диода заданного типа при двух различных температурах, полученные путем моделирования. На этом же графике нанести ВАХ, полученные в результате аналитического расчета при тех же условиях.

Диапазон изменения прямого тока: 0 – 10 мА, значения температуры: 27⁰C и 50⁰С.

Моделирование. Для моделирования ВАХ диода составляется схема, показанная на рис.1.1. Отдельные элементы схемы (источник напряжения, прибор для измерения тока и диод) переносятся на поле чертежа после нажатия кнопок с соответствующим обозначением на панели инструментов и вытягивания при помощи удержания левой кнопки мыши в нажатом состоянии. Ориентация элементов на поле может быть изменена при помощи команд в окне, открывающемся после нажатия правой кнопки мыши. Необходимые значения напряжения источника устанавливаются в специальном окне, открывающемся после подведения курсора и двойного щелчка левой кнопкой мыши на значке элемента. Для выбора необходимого типа диода следует поступить аналогичным образом: после открытия окна с библиотеками выбрать ту, в которой должен содержаться диод, а затем после щелчка левой кнопкой мыши – тип диода. Соединение элементов в схему производится при помощи подведения курсора к электродам и удержания в нажатом состоянии кнопки мыши. Следует обращать особое внимание на надежность соединений, которое подтверждается появлением в месте соединения точки большого диаметра, а также на необходимость заземления схемы, без которого моделирование невозможно.

Температура по умолчанию равна 27⁰С. Для ее изменения следует нажать кнопку Analysis, затем Analysis Options, Global и в открывшемся окне установить необходимую температуру (50⁰С).

Для снятия ВАХ при каждом установленном напряжении источника программа переводится в режим моделирования с помощью кнопки в верхнем углу основного окна, и определяется протекающий через диод ток по амперметру.

Возможен и другой путь, при котором ВАХ сразу отображается на графике (для версии EWB 5.12). Для этого необходимо в схеме на рис.1.1 включить преобразователь тока в напряжение (рис.1.2). Этот элемент преобразует ток в цепи диода в напряжение, пропорциональное току. Такое преобразование необходимо вследствие особенностей программы, ориентированной в основном на моделирование и выдачу результатов в виде напряжений в различных узлах схемы. Необходимо также для осуществления процесса моделирования согласно условиям работы программы источник преобразованного напряжения нагрузить на резистор произвольной величины (например 1 кОм по умолчанию). Связь между напряжением источника и током в цепи диода определяется по коэффициенту преобразования. Например, при коэффициенте, равном 1 Ом, напряжению 1 В соответствует ток через диод 1 А, а при коэффициенте 1 кОм – ток 1 мА. Значение коэффициента преобразования по умолчанию устанавливается равным 1 Ом; при необходимости это значение может быть изменено таким же способом, как и для других элементов (например, для источника напряжения).

Далее последовательно нажимаются кнопки Circuit, Schematic Options и в открывшемся окне с помощью курсора отмечается позиция Show Nodes (показать узлы). В результате вблизи каждого узла на схеме появляются специально выделенные номера.

Для моделирования ВАХ необходимо последовательно нажать кнопки Analysis, DC Sweep, в открывшемся окне отметить источник, напряжение которого подлежит свипированию, указать диапазон свипирования (верхний и нижний пределы) и шаг. Затем дается команда на моделирование при помощи кнопки Simulate. В результате в открывающемся окне появляется ВАХ. При этом следует иметь ввиду, что по вертикальной оси всегда будут отложены значения напряжений в узле схемы, номер которого установлен в окне установки параметров свипирования. Если эти напряжения являются результатом преобразований тока в цепи исследуемого диода, то истинные значения величин на оси определяются делением напряжений на коэффициент преобразования в схеме (например, при обычно используемом коэффициенте 1 Ом напряжения на оси в диапазоне 1 мкВ – 1 В соответствуют диапазону токов 1 мкА – 1 А). Панель инструментов в верхней части окна позволяет осуществить редактирование графика – выбор наиболее удобной координатной сетки, изменение масштабов по осям. Имеется удобная возможность считывать координаты любой точки в специальном окне при протягивании визира вдоль ВАХ.

При отсутствии в списке Analysis кнопки DC Sweep (EWB 5.0а,с) для получения и отображения ВАХ на экране можно воспользоваться кнопкой Parameter Sweep.

Расчет. При расчете ВАХ следует воспользоваться соотношением (1.8). Необходимые для расчета значения теплового тока (тока насыщения при 300К) и сопротивления базы можно взять из модели диода, нажав кнопку Edit, в открывающемся окне после двойного щелчка мышью по обозначению диода на схеме. С учетом того, что (1.8) представляет выражение для идеализированной ВАХ, в каждой модели введен коэффициент идеальности n, позволяющий получить наилучшее согласование моделируемой и реальной ВАХ с учетом конструктивно-технологических особенностей диода данного типа. Значения n определяются при просмотре файла модели (например, с помощью программы “WordPad”). При расчете ВАХ по (1.8) и температурной зависимости теплового тока по (1.6) и (1.7) коэффициент идеальности n подставляется в знаменатель показателя экспоненты в (1.6) и (1.7), а в (1.7) показатель степени умножается на 1/ n. Расчет температурной зависимости теплового тока рекомендуется вести исходя из известной величины I ₀(300 K) c использованием (1.6) и (1.7).

2. Построить на одном графике обратные ветви ВАХ диода заданного типа при двух различных температурах, полученные путем моделирования. На этом же графике нанести ВАХ, полученные в результате аналитического расчета при тех же условиях.

Дата добавления: 2015-05-06