Як я моделюю світлодіод із SPICE?

Які діодні модифікатори використовуються на практиці для моделювання світлодіодів зі SPICE (Berkeley v.3f5)? Вони доступні мені:

#       Name    Parameter                    Units      Default Example  Area
1       IS      Saturation current             A         1e-14   1e-14    *
2       RS      Ohmic resistance               Ω         0       10       *
3       N       Emission coefficient           -         1       1.0
4       TT      Transit-time                   s         0       0.1ns
5       CJO     Zero-bias junction capacitance F         0       2pF      *
6       VJ      Junction potential             V         1       0.6
7       M       Grading coefficient            -         0.5     0.5
8       EG      Activation energy              eV        1.11    1.11 Si
                                                                 0.69 Sbd
                                                                 0.67 Ge
9       XTI     Saturation-current temperature exponent  3.0     3.0 jn
                                                                 2.0 Sbd
10      KF      Flicker noise coefficient      -         0
11    AF      Flicker noise exponent         -         1
12    FC      Coeff. for for.-bias dep. cap. formula   0.5
13    BV      Reverse breakdown voltage      V         ∞       40.0
14    IBV     Current at breakdown voltage   A         1.0e-3
15    TNOM    Parameter measurement temp.    °C        27      50

3.4.2 Модель діода (D)
Характеристики постійного струму діода визначаються параметрами IS та N. Включено омічний опір, RS. Ефекти зберігання заряду моделюються тимчасовим часом, ТТ і нелінійною ємністю шару виснаження, яка визначається параметрами CJO, VJ та M. Температурна залежність струму насичення визначається параметрами EG, енергією та XTI, показник температури струму насичення. Номінальна температура, при якій вимірювались ці параметри, - TNOM, яка за замовчуванням відповідає значенню загального кола, зазначеному в контрольній лінії .OPTIONS. Зворотний пробій моделюється експоненціальним збільшенням струму зворотного діода і визначається параметрами BV та IBV (обидва є додатними числами).

Наприклад, використовуючи цей основний, дешевий червоний:

Мені мало хвилюються високочастотні характеристики - просто хотілося б відповідати IV-кривій в межах своїх експлуатаційних характеристик (-10uA / -5V витік до + 100mA / + 2,2 ^'ish V вперед):

Як ви заявили, є 3 параметри, які диктують діодну відповідь постійного струму. Це струм насичення ( IS ), коефіцієнт викидів ( N ) та омічний опір ( RS ). Мені вдалося підігнати криву з досить високою точністю, тому я задокументую свою модель моделі.

Модель SPICE для діода тісно відповідає рівнянню діода Шоклі:

If = IS(e^(Vf/(N*Vt)) - 1)

де Vt = kT/q = 26mVпри кімнатній температурі.

1. Отримайте фактичні значення з графіків, поданих у таблиці, для використання для порівняння. Чим більше очок, тим краще, і чим точніше, тим краще. Нижче наведена таблиця, яку я оцінив за поданою вами цифрою:

   Vf  If (mA)
   1.3 0.001
   1.4 0.010
   1.5 0.080
   1.6 0.700
   1.7 5.000
   1.8 20.000
   1.9 40.000
   2.0 65.000
   2.1 80.000
   

2. Підключіть значення до Excel та змініть вісь y на шкалу журналу. Ви повинні отримати графік, схожий на оригінальний графік із таблиці. Додати ще один стовпець для графа з Якщо розраховується від прямого напруги і константи IS і N . Ми можемо використовувати цю конфігурацію , щоб итеративно знайти IS і N .

3. Вирішіть для IS і N . Ми намагаємось відповідати лінійній частині графа (1,3 <= Vf <= 1,7). Налаштування IS перемістить криву на вісь y. Отримайте обчислений графік у тому самому порядку величини. Наступним кроком є ​​пошук коефіцієнта викидів ( N ). N впливає і на амплітуду, і на нахил, тому може знадобитися деяке регулювання ІС, щоб тримати криву в одному і тому ж кульковому парку. Після того, як нахили збігаються (лінії паралельні), обріжте ІС так, щоб обчислені дані відповідали значенням аркуша. Я дістав IS = 1e-18, і N=1.8для діода, який ти перерахував.

4. Визначте РС . Це трохи хитро. RS відповідає за викривлення струму від 1,7 В і вище. Розглянемо моделювання омічного опору як резистора послідовно з діодом. Зі збільшенням струму через діод падіння напруги через омічний опір призводить до того, що напруга Vf в прямому діоді збільшується повільніше. При малих струмах цей ефект незначний.

Перше, що потрібно зробити, - це отримати бальну оцінку РС, яку можна використовувати в більш точних рішеннях. Ви можете обчислити ефективне значення RS із значень аркуша даних шляхом зворотного обчислення для Vf, використовуючи виміряне If . Різниця напруги між вхідним значенням і обчисленим Vf може використовуватися з прямим струмом для створення опору. При більш високих струмах це буде хорошим початковим значенням.

Щоб побудувати діодний струм за допомогою RS , потрібно спочатку обчислити діод Vf заданої напруги для комбінації серії резистор-діод. У Вікіпедії перелічено ітераційну функцію - вона легко сходить, якщо значне падіння напруги резистора. Цю функцію було досить легко встановити в Excel. Для значень Vf нижче 1,8 я жорстко кодував вхідне значення, оскільки ітеративна функція не збігалася. Тоді візьмемо це значення Vf, щоб обчислити Іф ідеального діода. Я побудував це за допомогою оригінального графіка даних.

Використовуючи пробну помилку та помилку, ви зможете отримати значення RS, яке досить добре перекривається зі значеннями аркуша даних. Залишилося лише зібрати модель разом у SPICE, щоб перевірити свою роботу.

Нижче наведена моя діодна модель, яку я перевірив за допомогою HSPICE. Дані моделювання є майже ідеальним накладом для графіка даних.

.model Dled_test D (IS=1a RS=3.3 N=1.8)

Я використав цю статтю , яка дуже допомогла з параметрами спецій діода.

Я очистив свою електронну таблицю, і tyblu зробив її доступною для завантаження тут . Використовуйте на свій страх і ризик, результати не гарантовані тощо ... тощо ...

По- перше, я хотів би зазначити, що ви можете прочитати додаткові параметри діодних BV , ІБК та CJO безпосередньо з LED таблиці , як «зворотний струм» Ir на Vr і як «Ємність» C .

Додаючи чудову відповідь W5VO, я дещо впорядкував процес для себе наступним чином:

1. Я використовував тип діаграми діаграми розсіяння XY як лінії лише на OpenOffice (YMMV з Excel тощо) і встановив мінімуми та максимуми осей вручну, наприклад (X, Y) = (1.4-4.0, 0.01-50.0), щоб запобігти автоматичному налаштуванню поза межами моїх вибіркових даних.

2. Після перших трьох стовпців вибіркових точок Vf_sampled , If_sampled , а також If_estimate з використанням рівняння діода Шоклі, я додав четвертий для обчисленого Vf_estimate . Пам'ятайте, що Rs - це серійний опір (див. Зображення внизу), а If_estimate насправді дає нам струм для використання тут, тому можна просто обчислити комірки стовпця як:
   Vf_estimate = Vf_sampled + (If_estimate * Rs) .

3. Тепер я міг би додати третю криву, в якій я використав новий четвертий стовпець ( Vf_estimate ) як координату X, а третій стовпець ( If_estimate ) як координату Y, і який я тепер міг легко зіставити з першою кривою (дані вибірки з графіка на аркуші даних). Зауважте, що я не хотів просто замінювати другу криву, оскільки пряма лінія була дуже корисною в моїх оцінках.

4. Я впевнений, що я дещо повторюю W5VO тут, але це нагадує про роль констант Is , Rs і N з точки зору форми кривої (у нашій шкалі log-lin ):

   • Є тільки впливає на стан кривих (вгору / ліворуч або вниз / вправо).
   • N впливає на нахили кривої , а також на положення (оскільки це лінійний коефіцієнт, і криві завжди проходять через початок, який завжди знаходиться поза шкалою).
   • Rs визначає кривизну (прогресивний зсув праворуч) нової третьої кривої (оскільки це лінійний член в іншому напрямку).

5. Речі, які я виявив, можуть бути корисними:

   • Ви можете виявити, що друга крива (пряма) повинна бути трохи крутішою та вгору / вліво, ніж це могло б здатися від вибіркових даних, оскільки кривизна через Rs починається від початку.
   • Ви можете отримати досить точний вибірковий вигляд, збільшивши таблицю даних (припускаючи PDF), взявши скріншот і відкривши його в улюбленій програмі малювання. Потім можна використовувати, наприклад, інструмент вибору або прямолінійний інструмент для вимірювання відстані в пікселях між інтервальними лініями та відстані точки до лінії інтервалу з меншим значенням. Для лінійних осей ця частка перекладається на прості значення даних.
   • Діаграма XY розсіювання дозволяє використовувати довільні точки даних. Ви можете піти з меншою кількістю зразків, ніж з рівновіддаленим відбором проб. Ви можете вибирати дані лише в тих місцях, де це найлегше і де строго потрібно. Наприклад, на півлогічній шкалі ви можете пробити вибірки на інтервальних лініях логарифмічної шкали. Якщо вам потрібно, ви можете мати більше точок (рядків) для оціночних кривих. (Принаймні, графіки OpenOffice, здається, ігнорують точки, для яких немає відповідної координати Y.)
     Зауважте, що значення X ( Vf_sampled ) все ще повинні бути у порядку зростання або зменшення. Інакше лінії стають безладом.
   • Зверніть увагу на масштаб одиниць, які ви оцінюєте / намічаєте / намагаєтеся знайти (наприклад, міліампер) і пам’ятайте, що SPICE зазвичай використовує голі одиниці (ампери).
   • Зауважте, що Vt W5VO знаходиться в мілі вольт. Якщо ви використовуєте вольт, використовуйте значення 0,026 .
   • Перевірте, які метричні префікси (m, p, u тощо) приймає ваш симулятор SPICE. Використання позначень експонентів (наприклад, 12E-34) може бути простішим.
   • Редагування діапазону комірок для діаграми, здавалося, завжди скидало (нову) третю криву, щоб мені довелося повторно додати діапазон даних до X-координат і повторно змінити третій стовпець як його діапазон Y. Враховуйте це, додаючи більше точок або моделюючи декілька світлодіодів на одному графіку - робіть такі зміни відразу. (Зміна даних всередині комірок очевидно не викликало скидання.)
   • Вигнута інтерполяція на діаграмі може звести вас з глузду від перекриття або підкреслення, а також не показувати, чому, тобто, де перебувають фактичні точки даних.
   • Відрізки прямої лінії також можуть вводити в оману, оскільки відповідні точки закінчуються в різних місцях, а лінійна інтерполяція не відстежує логарифмічну природу кривої. (Усі точки даних вибіркової кривої та нової третьої кривої повинні знаходитися поза (вгору / зліва) відрізків прямої лінії іншої.)

AFAIK, наша модель для світлодіодів по суті є резистором Rs і оцінкою Is / N серії: (-R -> - D-)

^{імітувати цю схему - Схематично створено за допомогою CircuitLab}

Я зібрав програму Python, яка буде моделювати характеристики прямого зміщення діода на основі характеристик IV листа даних.

http://leicesterraspberrypi.wordpress.com/projects/modelling-a-diode-for-use-in-spice-simulations/

Сміливо спробуйте і прокоментуйте.

Ось ті, які я б використав

#       Name    Parameter                    Units      Default Example  Area
2       RS      Ohmic resistance               Ω         0       10       *
6       VJ      Junction potential             V         1       0.6
13    BV      Reverse breakdown voltage      V         ∞       40.0
14    IBV     Current at breakdown voltage   A         1.0e-3

Для вашого VJ = 1,8 типу, BV = 5. Це приносить вам більшу частину шляху.

Якщо когось цікавить, чому його / її односторінковий аркуш не має кривої If / Vf, це, мабуть, тому, що він / вона не має повного листа даних. Я знаю, що напр. Optosupply публікує на своєму веб-сайті лише підсумки на першій сторінці, але вони надсилають вам повні характеристики (з усіма кривими If / Vf, відносною інтенсивністю та спектром тощо) на запит.

Ви, ймовірно, також можете отримати корисні цифри для всіх значень, використовуючи таблицю з іншого світлодіода одного кольору з тією ж хімією (тим самим виробником). Просто перевірте, чи відповідають основні характеристики (як струми, напруги та довжини хвилі).

Чудові відповіді, але легко вирішити рівняння діода Шоклі алгебраїчно. Зауважте лише, що "мінус 1" у формулі дуже не має значення для прямих струмів, які на порядок більше, ніж Is, що дуже мало, скажімо, 1E-12 A. Знайдіть у графіку лише дві точки, які легко читаються Значення I та V та підключіть їх до формули. Поділ обох формул усуває Є, тому N легко обчислити. Потім заповніть N у формулі, щоб знайти Is.

Ось мої макроси LibreOffice Calc у Basic:

Const Q as double = 1.6E-19
Const K as double = 1.38E-22
Const T as double = 300

rem The Shockley diode equation, to build the graph Id(Vd) for hardcoded values of Is and N
Function shockley(Vd as double) as double
    Const Is1 as double = 5.94463E-18
    rem Note that 'Is' is a reserved word and cannot be the name of a variable
    Const N as double = 0.191367
    shockley = Is1 * (exp(Vd * Q / (N * K * T )) - 1)
End Function

rem Step 1 in solving the diode equation for N using values from a graph
Function ComputeN(V1 as double, V2 as double, I1 as double, I2 as double) as double
    ComputeN = (Q / (K * T)) * (V1 - V2) / (log(I1) - log(I2))
End Function

rem Step 2 in solving the diode equation for Is
Function ComputeIS(V as double, I as double, N as double) as double
    ComputeIS = I / (exp(Q * V / (N * K * T)))  
End Function

rem for debugging
sub Test
    dim N as double
    N = ComputeN(1.85, 1.3, 0.1, 1.5E-6)
    dim Is1 as double
    Is1 = ComputeIs(1.85, 0.1, N)
end sub

Якщо ви подивитеся на формули, ви можете розпізнати лише опис прямої лінії з нахилом q / NkT, але також дельта Log (Id) / delta Vd.

Я отримую дещо подібне значення для Is: 5.94E-18 = 5,94 ат-ампера (W5VO знайдено 1 aA), але сильно відрізняється N = 0,19 (W5VO знайдено 1,8, помилка?), Але дані також обчислюються назад у тому ж графіку :

Стовпчик Vd - напруги, Id - діодний струм за реальною формулою, Id0 - струм зі спрощеною формулою, де "мінус 1" змінюється на "мінус нуль". Оскільки Id0 - це справжня експоненціальна крива, ви можете взяти логарифм у стовпці Id0_log. (Ви не можете прийняти журнал кривої, яка стає нульовою та негативною, як Id) Діаграма з Id0_Log проти Vd. У цьому сюжеті я зробив найнижчу частину пунктирною, тому що там вже НЕ є власне діодний струм, але показує значення Is на перетині з віссю Y.

Слідуючи експоненціальній кривій ліворуч, ви приводите асимптотально до нуля. Але "мінус 1" віднімає величину Is, так що реальна діодна крива проходить через початок і при негативних напругах показує зворотний струм витоку величини Is.

Якби оригінальна крива виробників була б на дійсно великій графіці журналу, ми могли б просто використати лінійку, щоб продовжити пряму лінію вниз, щоб легко знайти Is на Vd = 0, а потім обчислити N, а не обчислити спочатку N, а потім з над макрос. Метод лінійки описаний у «Книзі пряностей» Андрія Володимиреску (1994).