Dioda semiconductoare

Dioda semiconductoare

   1.Obiectul aplicatiei

   Se studiaza caracteristicile statice ala diodei semiconductoare 1N4148, ale diodei modelate PSpice ca intrerupator de tensiune si ale didei Zener1N4148. Se determina punctual static de functionare al unui circuit cu dioda modelata liniar folosind teoremele Kichhoff si prin simulare PSpice, comparand apoi rezultatele obtinute. Ca aplicatie a diodei Zener este analizat stabilizatorul parametric classic pe baza caracteristicilor de transfer de iesire.

     2. Caracteristicile statice

     2.1. Caracteristica statica a diodei semiconductoare

   Prin caracteristica statica a diodei se intelege expresia matematica si graficul dependentei i_D=i_D(u_D), unde i_D este curetul prin dioda, iar u_D este caderea de tensiune la bornele bobinei.

 

                  -ecuatia matematica a caracteristicii statice a diodei semiconductoare                   

M- coeficient de multiplicare in avalansa a purtatorilor de sarcina

I_s- curentul invers de saturatie al diode 23223r1710x i

q- sarcina electronului

m- coeficient tehnologic, m(1,2)

k- constanta boltzamnn

T- temperature absoluta medie a mediului in care functioneaza dioda

Graficul caracteristiciistatice a diodei se delimiteaza in trei zone:

-zona 1: e situate in cadranul I, dioda fiind polarizata direct(i_D>0, u_D>0);

-zona 2: e situate in cadranul III, dioda e polarizata invers(i_D<0, u_D<0) si i_D-I_S;

-zona 3: e situate tot in cadrul III,dioda fiind in continuare polarizata invers (i_D<0, u_D<0) dar u_D=constant si i_D  -(teoretic).Practic, doidele obisnuite se distrug prin strapungere inverse in aceasta zona.

Exista un tip special de diode ( numite diode Zener sau diode stabilizatoare de tensiune) menite sa functioneze in zona 3.

2.2. Modelarea PSpice a diodei semiconductoare

      Datorita neliniaritatii caracteristicii statice a diodei exprimate prin relatia (3.1), in multe aplicatii practice dioda este inlocuita cu diverse modele liniarizatecare simplifica mult analiza circuitului, fara a induce erori substantiale.

            Iata  cateva dintre aceste modele, reprezentate graphic in fig 3.2 prin cate doua segmente de dreapta corespunzatoare diodei blocate si in conductie:

1. model de dioda ideala cu rezistenta in conductie R_ON = 0 , rezistenta in blocare 

R_OFF , in care caderea de tensiune pe dioda in conductie V_D = 0 (fig.3.2.a)

2. model cu R_ON = 0, R_OFF , V_D = 0,7V (fig.2.3.b)

3.  model cu R_ON > 0  , R_OFF  ( rezistenta finite in conductie ),  V_D = o.7V (fig.3.2.c);

4.  model cu R_ON > 0, R_OFF < ( rezistenta finita in blocare), V_D = 0.7 ( fig.3.2.d).

     

  3. DESFASURAREA APLICATIEI

 

3.1. Caracteristica statica a diodei de comutatie 1N4148

In fig.3.3 este prezentata schema pentru trasarea caracteristicii statice a diodei de comutatie 1N4148.

V 1 0 20V

R 1 2 100

D 2 0 D1N4148

.LIB C:\MSIMEV53\LIB\DC3EVAL.lib

.DC V -10V 10V 0.2V

.PROBE

.END

3.2.  Caracterstica a diodei modelate liniar cu intrerupator de tensiune

                                    

         In fig.3.4 este prezentata schema circuitului pentru trasarea caracteristicii diodei modelate liniar, folosond un intrerupator de tensiune , notat  SDR.

         Schema din fig.3.4 permite obtinerea tuturor graficelor de caracteristici statice liniarizate prezentate in fig.3.1, prin modificarea sau nu a valorii sursei de tensiune constante Vd (0V sau 0.7V) si a parametrilor intrerupatorului comandat de tensiune SDR.

Desen

  Caracteristica diodei

* modelata ca intrerupator comandat in tensiune *

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

         Instructiunea SDR 2323 ICT introduce in fisierul de intrare intrerupatorul controlat in tensiune SDR, care are sintaxa :

        S<nume > <nod(+)><nod(-)>control(+)><control(-)>model>

Modelul intrerupatorului SDR este denumit ICT si este definit in instructiunea:

MODEL<nume><tipul  componentei>(<nume parametru>=<valoare>.) in care VON este cadere de tensiune a comutatorului inchis ( dioda conduce ), iar VOFF este caderea de tensiune a comutatorului deschis  (dioda este blocata).

3.3. Caracteristica statica  a unei diode Zener

          Pentru  a trasa  caracteristica statica a diodei Zener tip 1N750, se utilizeaza circuitul din fig.3.5, dioda fiind comandata in curent. Programul corespunzator este urmatorul (c:\electron\L3\dz_caract.cir):

3.4.Determinarea PSF al diodei modelate

              Punctul static de functionare (PFS) al diodei alimentata in curent continuu este un punct de coordonare PSF(U_D, I_D ) situate in planul i_D = i_D(u_D )al caracteristicilor statice.

        Ca de exemplu PSF, se propune schema din fig.3.6a. Inlocuind dioda polarizata direct cu modelul sau de curent continuu corespunzator fig.3.2.c - in care comutatorul este inchis, rezistenta in canductie este notata r_D = 10 si caderea de tensiune pe dioda in conductie este V_D = 0.7 - se obtine schema echivalenta din fig.3.6.b.

1) Calculul PSF si al altor marimi electrice ale crcuitului folosind teoremele Kirchhoff

Se scriu ecuatiile Kirchoff atasate circuitului:

Inlocuind valorile componentelor din figura rezulta valorile numerice.

Calculul PSF al unei diode modelate

VS  1 0 10

R 1 2 1k

rD 2 3 10

VD 3 0 0.7

.END

    3.5. Stabilizator parametric cu dioda Zener

     Stabilizatoarele  parametrice realizate cu dioda Zener se bazeaza pe prosperitatea diodei Zener de a pastra tensiunea la bornele sale aproximativ constanta in zona 3 de strapungere inversa la variatiile tensiunii sursei de alimentare, rezistentei de sarcina, temeraturii, etc.

     Schema stabilizatorului parametric  are dioda Zener montata in parallel cu rezistenta de sarcina R_s pentru a mentine tensiunea V₀ constanta.

     Capacitatea stabilizatorului parametric de a mentine tensiunea V₀ constanta la variatiile tensiunii de alimentare V₁ si ale rezistentei de sarcina R_S poate fi analizata pe graficele a doua caracteristici:

-caracteristica de transfer V₀=V₀(V₁)|R_S=const, care pune in evidenta stabilizarea tensiunii de iesire la variatiile tensiunii de intrare V₁;

-caracteristica de iesire V₀=V₀(I_S)|V_I=const,care pune in evidenta stabilizarea tensiunii de iesire la variatiile rezistentei de sarcina R_S

                   Stabilizator parametric cu dioda Zener

*caracteristica de transfer*

*caracteristica de iesire*

       VI 1 0

R 1 2 470

DZ 0 2 DZ10V

RS 2 0 2K

.MODEL DZ10V D (BV=10V IBV=5mA)

.DC VI 0V 20V 0.5V

.PROBE

.END

Stabilizator parametric cu dioda Zener

* caracteristica de iesire *

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