II. IL DIODO A GIUNZIONE

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1 II. IL DIODO A GIUNZIONE OBIETTIVO: nella cartella DIODO vengono riportati degli esercizi volti al consolidamento delle nozioni teoriche sul diodo e all apprendimento di alcuni concetti base: - modifica dei parametri contenuti nel modello di un dispositivo; - uso di una libreria definita in precedenza; - analisi di Fourier; - uso dei parametri globali (componente PARAMETERS); - simulazione parametrica. In PSPICE il modello del diodo consta di una resistenza parassita serie, un generatore di corrente ed una capacità ad essa parallela. I loro valori dipendono dalle caratteristiche di costruzione e, per quanto riguarda il generatore e la capacità, dalla tensione applicata al componente. La relazione che lega questi valori alla tensione applicata, ma anche ad altre grandezze come la temperatura, si avvale di un nutrito gruppo di parametri ed assegnare un insieme di valori a questi parametri significa caratterizzare un particolare diodo. Volendo scegliere i parametri descrittivi di un diodo occorre specificare il valore da associare a questi parametri e definire l identificativo del modello da archiviare in libreria. Negli esercizi di seguito riportati: - vengono accettati i valori di default per la gran parte dei parametri; - vengono modificati i parametri fondamentali (di seguito evidenziati in grassetto). Si considerino i parametri contenuti rispettivamente nel modello di un diodo (il diodo D1N4148) e nel modello di un diodo Zener (il diodo D1N750):.model D1N4148-X D( Is=2.682n N=1.836 Rs=.5664 Ikf=44.17m Xti=3 Eg=1.11 Cjo=4p M=.3333 Vj=.5 Fc=.5 Isr=1.565n Nr=2 Bv=100 Ibv=100u Tt=11.54n) PARAMETRI SATURATION CURRENT (A) EMISION COEFFICIENT PARASITIC RESISTANCE (Ω) HIGH-INJECTION KNEE CURRENT (A) Is TEMPERATURE EXPONENT BANDGAP VOLTAGE(eV) ZERO-BIAS p-n CAPACITANCE (F) p-n GRADING COEFFICIENT p-n POTENTIAL FORWARD-BIAS DEPLETION CAPACITANCE COEFFICIENT RECOMBINATION CURRENT PARAMETER (A) EMISSION COEFFICIENT FOR Isr REVERSE BREAKDOWN KNEE VOLTAGE (V) REVERSE BREAKDOWN KNEE CURRENT (A) TRANSIT TIME (s).model D1N750-X D( Is=880.5E-18 N=1 Rs=.25 Ikf=0 Xti=3 Eg=1.11 Cjo=175p M=.5516 Vj=.75 Fc=.5 Isr=1.859n Nr=2 Bv=4.7 Ibv=20.245m Nbv= Ibvl=1.9556m Nbvl= Tbv1= u) Si osservi il diverso valore della REVERSE BREAKDOWN KNEE VOLTAGE nei due modelli!!! 2.1 1N4148.sch Caratteristica statica del diodo 1N4148. La simulazione viene impostata tramite un "DC sweep" nel menu Analysis-Setup. Si noti che la rampa di tensione ha inizio a 0.01 V per dare la possibilità di utilizzare la scala logaritmica nell asse delle ordinate: infatti nella caratteristica del diodo se v = 0 i = 0. Per visualizzare i parametri del diodo è necessario selezionare nello schematico il simbolo del componente (che diventerà di colore rosso) ed il menù Edit-Model - Edit Instance Model (Text). E possibile quindi MODIFICARE il valore di uno dei parametri e salvare il nuovo insieme di parametri nella directory desiderata utilizzando: Save to Library: directory_di_lavoro.

2 Notare l'uso del "Current Marker", che permette di visualizzare direttamente con Probe la corrente che fluisce nel diodo, senza ricorrere al menu Trace-Add. Si osservi inoltre che a differenza del "Voltage Marker" il "Current Marker" va posizionato esattamente su un terminale del componente. 2.2 raddrizz.sch Raddrizzatore ad una semionda. Il modello del diodo è stato MODIFICATO (è possibile controllare le modifiche apportate visualizzando il file RADDRIZZ.lib mediante un editor di testo), imponendo il valore della corrente di saturazione Is (per gli altri parametri si utilizzano i valori di default). Si noti che per utilizzare il modello modificato del diodo è necessario che nel menù Analysis Library and Include Files venga indicata la libreria RADDRIZZ.lib (fornita insieme agli esercizi risolti). Sono state selezionate un analisi "DC sweep" ed un'analisi in transitorio per confrontare le tensioni d'ingresso e di uscita. Notare l'uso del "Voltage/Level Marker". Si verifichi nell analisi del transitori che il segnale di uscita sarà composto dalle sole semionde positive ridotte in ampiezza per effetto della caduta di tensione sul diodo. Si può inoltre verificare il comportamento non lineare della rete disegnando la caratteristica di trasferimento ingresso-uscita (DC sweep). Nel caso in cui si scelga di visualizzare i risultati dell analisi del transitorio è possibile attivare l'analisi di Fourier (Trace-Fourier, oppure con il tasto-toggle FFT) mediante Fast Fourier Transform. Si vari ora la frequenza del generatore di tensione e/o i parametri che regolano il transitorio al fine di evidenziare i limiti del diodo rettificatore: il tempo di recupero inverso (un esempio viene riportato nel file raddrizz1.sch). Tale limite si evidenzia nella transizione che porta il diodo dalla polarizzazione in diretta a quella in inversa e consta di un tempo di storage, in cui le cariche diffuse devono essere smaltite, seguito da un tempo di carica della capacità di svuotamento del diodo (tempo di transizione). La divisione dei due tempi (tempo di immagazzinamento e tempo di transizione) è meglio evidenziata se si utilizza un segnale di ingresso onda quadra. Si ricordi che l'impostazione dell'analisi di Fourier nel menu Analysis-Setup-Transient è invece riferita al calcolo delle armoniche della serie di Fourier (comando.four di PSpice). N.B. Per utilizzare una libreria definita in precedenza (ad esempio come in questo caso per la libreria RADDRIZZ.lib) occorre includere tale libreria, ovvero utilizzando i menù Analysis -> Library and Include Files-> path\nome_file.lib. Se si vuole invece modificare il modello fornito, si verifichi che nel menù appena indicato sia stata inclusa la libreria che contiene tale modello. Si osservi, invece, come viene sperimentalmente misurata in laboratorio la caratteristica del diodo nella medesima configurazione circuitale mediante l uso di un oscilloscopio (Ch.1 e Ch.2 individuano i due canali dell oscilloscopio): Esercitazioni di Laboratorio - PSPICE 2

3 i D = i( v ) D ( v v ) ( v v ) i = i = =, v = v R R A B Ch.1 Ch.2 D D Ch clamper.sch Circuito limitatore o clamper. Si imposti un DC-sweep per rilevare la caratteristica ingresso-uscita e si esegua un'analisi in "transitorio" con ingresso sinusoidale per mostrare l'effetto di limitazione della tensione d'ingresso. 2.4 rivmin.sch Rivelatore di minimo. Sono stati definiti due generatori sinusoidali a diversa frequenza. Si considerino le armoniche dei vari segnali per mezzo dell'analisi di Fourier e si valuti l'influenza della caduta di tensione sul diodo. Per i diodi si usa un modello semplificato (libreria definita in RADDRIZZ.lib). 2.5 rivmax.sch Rivelatore di massimo. Duale di rivmin.sch, ma senza il generatore. L'assenza del generatore provoca il taglio della tensione di uscita per valori negativi della tensione d'ingresso. Per i diodi si usi un modello semplificato (libreria definita in raddrizz.lib). Esercitazioni di Laboratorio - PSPICE 3

4 2.6 riv_rc.sch Rivelatore di cresta. La capacità del condensatore viene modificata passo-passo ad intervalli di un'ottava. Il valore della capacità è fissato da un parametro globale (qui chiamato CC1 ) e la modifica passo-passo interviene per mezzo del parametro CC1, che deve essere dichiarato mediante il componente PARAMETERS (icona "PARAMETERS"). Il parametro globale si definisce in Analysis-Setup-Parametric. Per i diodi si usi un modello semplificato (libreria definita in RADDRIZZ.lib). L inserimento di un condensatore in parallelo alla resistenza di carico realizza un rettificatore a semionda con filtro. L effetto sull uscita è quello di ottenere una tensione pressoché costante che può essere utilizzata per alimentare i circuiti. Le ondulazioni (ripple) presenti nella tensione di uscita dipendono dal valore del condensatore, dal carico e dal periodo di non conduzione del diodo (intervallo di scarica del condensatore). Si verifichi l effetto sul segnale di uscita della variazione nel modello del diodo del parametro Tt. 2.7 rivcrest.sch Rivelatore di cresta che agisce sul prodotto di due segnali sinusoidali. Per i diodi si usi un modello semplificato (libreria definita in raddrizz.lib). 2.8 diff_cap.sch Analogo a raddrizz.sch, ma predisposto con un generatore impulsato per la verifica dell'influenza delle capacità di giunzione e di diffusione sul comportamento del diodo in transitorio. Esercitazioni di Laboratorio - PSPICE 4

5 2.9 diff1cap.sch Come diff_cap.sch, ma con tensione forzante sinusoidale da 10MHz. Si consiglia di effettuare le stesse prove di diff_cap.sch. Per il diodo si usa un modello completo (in diff1cap.lib): si osservi l'influenza non trascurabile della capacità di giunzione sch Convertitore buck dello Jaeger. Si noti che lo schema fornito da Jaeger contiene un errore: la soglia superiore per la conduzione dell'interruttore è 1 V, mentre il generatore impulsato fornisce una tensione compresa fra -0.5 e 0.5 V. In questo schema la soglia superiore del generatore è stata modificata a 1.5 V _1.sch Come il precedente, ma con un interruttore che, dopo 1 ms, simula una variazione del carico resistivo ponendo in parallelo ad R1 (5 ohm) il resistore R2 (2 ohm) N750pol.sch Circuito di polarizzazione dello Zener, con uno sweep di tensione. Esercitazioni di Laboratorio - PSPICE 5