ฉันจะจำลอง LED ด้วย SPICE ได้อย่างไร

ไดโอดโมดิฟายเออร์ใดที่ใช้ในการจำลองแบบ LED ด้วย SPICE (Berkeley v.3f5)? เหล่านี้ที่มีอยู่กับฉัน:

#       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 Diode Model (D)
คุณสมบัติ dc ของไดโอดจะถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์ IS และ N รวมความต้านทานโอห์มมิกด้วย RS เอฟเฟ็กต์การจัดเก็บค่าธรรมเนียมถูกสร้างแบบจำลองโดยเวลาการส่งผ่าน TT และความจุเลเยอร์แบบไม่เชิงเส้นที่กำหนดโดยพารามิเตอร์ CJO, VJ และ M การพึ่งพาอุณหภูมิของกระแสไฟฟ้าอิ่มตัวนั้นกำหนดโดยพารามิเตอร์ EG, พลังงานและ XTI อุณหภูมิปัจจุบันที่อิ่มตัว อุณหภูมิเล็กน้อยที่วัดพารามิเตอร์เหล่านี้คือ TNOM ซึ่งเป็นค่าเริ่มต้นของค่าทั้งวงจรที่ระบุไว้ในบรรทัดควบคุม. OPTIONS Reverse breakdown ถูกจำลองโดยการเพิ่มเลขชี้กำลังในกระแสไดโอดย้อนกลับและถูกกำหนดโดยพารามิเตอร์ BV และ IBV (ซึ่งทั้งสองเป็นจำนวนบวก)

ตัวอย่างเช่นการใช้สีแดงราคาถูกพื้นฐานนี้:

ฉันไม่สนใจลักษณะความถี่สูงมาก - เพียงแค่ต้องการให้ตรงกับ IV-curve ภายในข้อกำหนดการใช้งาน (-10uA / -5V รั่วถึง + 100mA / + 2.2 ^'ish V ไปข้างหน้า):

ตามที่คุณระบุไว้มี 3 พารามิเตอร์ที่กำหนดการตอบสนอง DC ของไดโอด สิ่งเหล่านี้คือความอิ่มตัวปัจจุบัน ( IS ), ค่าสัมประสิทธิ์การปล่อย ( N ) และความต้านทานโอห์มมิก ( RS ) ฉันสามารถใส่เส้นโค้งด้วยความแม่นยำสูงพอสมควรดังนั้นฉันจะบันทึกขั้นตอนแบบจำลองของฉัน

แบบจำลอง SPICE สำหรับไดโอดตรงกับสมการไดโอด Schokley:

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

ที่ไหนVt = kT/q = 26mVที่อุณหภูมิห้อง

1. รับค่าจริงจากกราฟที่ให้ไว้ในแผ่นข้อมูลเพื่อใช้ในการเปรียบเทียบ ยิ่งให้คะแนนมากเท่าไหร่ก็ยิ่งดีเท่านั้นและยิ่งแม่นยำยิ่งขึ้น ด้านล่างเป็นตารางที่ฉันประเมินจากตัวเลขที่คุณให้ไว้:

   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. เสียบค่าลงใน Excel และเปลี่ยนแกน y เป็นสเกลบันทึก คุณควรได้กราฟที่มีลักษณะเหมือนกับกราฟต้นฉบับจากแผ่นข้อมูล เพิ่มคอลัมน์อื่นสำหรับกราฟของคุณด้วยหากคำนวณจากแรงดันไปข้างหน้าและคงที่ISและN เราสามารถใช้การกำหนดค่านี้จะซ้ำพบเป็นและไม่มีข้อความ

3. แก้ปัญหาสำหรับISและN เราพยายามจับคู่ส่วนเชิงเส้นของกราฟ (1.3 <= Vf <= 1.7) การปรับค่าISจะย้ายเส้นโค้งในแกน y รับกราฟที่คำนวณได้ให้มีขนาดเท่ากัน ขั้นตอนต่อไปคือการหาค่าสัมประสิทธิ์การปล่อย ( N ) Nมีผลต่อทั้งแอมพลิจูดและความชันดังนั้นการปรับค่าISบางอย่างอาจจำเป็นเพื่อรักษาความโค้งในสนามเบสบอลเดียวกัน เมื่อเส้นขนานตรงกัน (เส้นตรงขนาน) ตัดแต่งISเพื่อให้ข้อมูลจากการคำนวณตรงกับค่าของแผ่นข้อมูล ฉันได้รับIS = 1e-18และN=1.8สำหรับไดโอดที่คุณระบุไว้

4. ระบุอาร์เอส นี่เป็นเรื่องยุ่งยากเล็กน้อย RSเป็นผู้รับผิดชอบในการโค้งของกระแสไฟฟ้าจาก 1.7V ขึ้นไป พิจารณาการสร้างแบบจำลองความต้านทานโอห์มมิกเป็นตัวต้านทานแบบอนุกรมที่มีไดโอด เมื่อกระแสไฟฟ้าผ่านไดโอดเพิ่มขึ้นแรงดันตกคร่อมความต้านทานโอห์มมิกทำให้แรงดันไฟฟ้าไดโอดไปข้างหน้าVfเพิ่มขึ้นช้าลง ที่กระแสเล็กผลกระทบนี้จะเล็กน้อย

สิ่งแรกที่ต้องทำคือการได้รับการประเมิน ballpark ของ RS เพื่อใช้ในการแก้ปัญหาที่แม่นยำยิ่งขึ้น คุณสามารถคำนวณค่าที่มีประสิทธิภาพของอาร์เอสจากค่าแผ่นข้อมูลโดยหลังการคำนวณสำหรับVfใช้วัดถ้า ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างค่าอินพุตและ Vf ที่คำนวณได้สามารถใช้กับกระแสไปข้างหน้าเพื่อสร้างความต้านทาน ที่กระแสที่สูงกว่านี้จะเป็นค่าเริ่มต้นที่ดี

ในการพล็อตไดโอดกระแสไฟโดยใช้RSคุณต้องคำนวณไดโอดVf ก่อนโดยกำหนดแรงดันไฟฟ้าสำหรับการรวมกันของชุดตัวต้านทานไดโอด Wikipedia แสดงรายการฟังก์ชั่นวนซ้ำ - มันเป็นการรวมเข้าด้วยกันอย่างง่ายดายหากแรงดันไฟฟ้าตัวต้านทานลดลงอย่างมีนัยสำคัญ ฟังก์ชั่นนี้ง่ายพอที่จะติดตั้งใน Excel สำหรับค่าVfต่ำกว่า 1.8 ฉันกำหนดค่าอินพุตอย่างหนักเพราะฟังก์ชั่นวนซ้ำไม่ได้มาบรรจบกัน จากนั้นใช้ค่าVfนี้เพื่อคำนวณ If ของไดโอดในอุดมคติ ฉันวาดมันด้วยกราฟแผ่นข้อมูลดั้งเดิม

การใช้การทดลองและข้อผิดพลาดคุณควรจะได้รับค่าRSที่มีการทับซ้อนกันค่อนข้างดีกับค่าแผ่นข้อมูล สิ่งที่เหลืออยู่คือการรวมโมเดลเข้าด้วยกันใน SPICE เพื่อตรวจสอบงานของคุณ

ด้านล่างเป็นโมเดลไดโอดของฉันที่ฉันตรวจสอบโดยใช้ HSPICE ข้อมูลการจำลองเกือบจะเป็นภาพซ้อนทับที่สมบูรณ์แบบสำหรับกราฟแผ่นข้อมูล

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

ฉันใช้บทความนี้ซึ่งช่วยได้มากกับพารามิเตอร์เครื่องเทศไดโอด

ฉันทำความสะอาดสเปรดชีตของฉันและ tyblu ได้ทำให้มันสามารถดาวน์โหลดได้ที่นี่ ใช้ความเสี่ยงของคุณเองไม่รับประกันผลลัพธ์ ฯลฯ ... ฯลฯ ...

ครั้งแรกผมจะชี้ให้เห็นว่าคุณสามารถอ่านค่าพารามิเตอร์ไดโอดเพิ่มเติมBV , IbvและCJOโดยตรงจากแผ่นข้อมูล LED เป็น "ย้อนกลับปัจจุบัน" Irที่Vrและ "การประจุกระแสไฟ" C

เมื่อเพิ่มคำตอบที่ยอดเยี่ยมของ W5VO ฉันได้ปรับปรุงกระบวนการสำหรับตัวเองด้วยวิธีต่อไปนี้:

1. ฉันใช้แผนภูมิชนิดของพล็อตกระจายของXYเป็นเส้นบน OpenOffice (YMMV กับ Excel และอื่น ๆ ) และตั้งค่าต่ำสุดและสูงสุดของแกนด้วยตนเองเช่น (X, Y) = (1.4-4.0, 0.01-50.0) เพื่อยั่วยุให้เกิดจากการเปลี่ยนอัตโนมัติไปเป็นนอกขอบเขตของข้อมูลตัวอย่างของฉัน

2. หลังจากที่สามคอลัมน์แรกของจุดเก็บตัวอย่างVf_sampled , If_sampledเช่นเดียวกับIf_estimateโดยใช้สมการไดโอด Schokley ผมเพิ่มที่สี่หนึ่งสำหรับคำนวณVf_estimate โปรดจำไว้ว่าอาร์เอสเป็นชุดต้านทาน (ดูภาพด้านล่าง) และIf_estimateจริงจะช่วยให้เราในปัจจุบันที่จะใช้ที่นี่ดังนั้นหนึ่งก็สามารถคำนวณเซลล์คอลัมน์เป็น:
   Vf_estimate = Vf_sampled + (If_estimate * อาร์เอส)

3. ตอนนี้ฉันสามารถเพิ่มเส้นโค้งที่สามซึ่งฉันใช้คอลัมน์ที่สี่ใหม่ ( Vf_estimate ) เป็นพิกัด Xและคอลัมน์ที่สาม ( If_estimate ) เป็นพิกัด Y และตอนนี้ฉันสามารถจับคู่กับเส้นโค้งแรกได้อย่างง่ายดาย (ข้อมูลตัวอย่าง จากกราฟบนแผ่นข้อมูล) โปรดทราบว่าฉันไม่ต้องการแทนที่เส้นโค้งที่สองเพียงเพราะเส้นตรงมีประโยชน์มากในการประมาณของฉัน

4. ฉันว่าฉันค่อนข้างซ้ำ W5VO ที่นี่ แต่ก็ปราชัยเตือนบทบาทของค่าคงที่คือ , อาร์เอสและยังไม่มีในแง่ของรูปทรงโค้ง (ในของเราเข้าสู่ระบบ linขนาด):

   • คือจะมีผลต่อตำแหน่งของเส้นโค้ง (ขึ้น / ซ้ายหรือลง / ขวา)
   • Nมีผลต่อความชันของเส้นโค้งและตำแหน่ง (เนื่องจากเป็นค่าสัมประสิทธิ์เชิงเส้นและเส้นโค้งจะต้องผ่านจุดกำเนิดเสมอซึ่งอยู่นอกระดับเสมอ)
   • Rsกำหนดความโค้ง (การเลื่อนไปทางขวาทางขวา) ของเส้นโค้งที่สามใหม่ (เนื่องจากเป็นคำเชิงเส้นในทิศทางอื่น)

5. สิ่งที่ฉันพบว่าอาจมีการใช้งาน:

   • คุณอาจพบว่าเส้นโค้งที่สอง (เส้นตรง) จะต้องชันขึ้นเล็กน้อยและไปทางซ้าย / ซ้ายมากกว่าที่จะดูจากข้อมูลตัวอย่างเนื่องจากความโค้งเนื่องจากRsเริ่มต้นที่จุดเริ่มต้น
   • คุณสามารถได้รับการสุ่มตัวอย่างที่ถูกต้องอย่างเป็นธรรมโดยการซูมเข้าสู่แผ่นข้อมูล (สมมติว่าเป็น PDF) โดยใช้หน้าจอ screencap และเปิดในโปรแกรมวาดภาพที่คุณชื่นชอบ จากนั้นคุณสามารถใช้เช่นเครื่องมือการเลือกหรือเครื่องมือเส้นตรงเพื่อวัดระยะทางเป็นพิกเซลระหว่างเส้นช่วงเวลาและระยะทางของจุดไปยังเส้นช่วงเวลาที่มีค่าต่ำกว่า สำหรับแกนเชิงเส้นเศษส่วนนั้นแปลเป็นค่าข้อมูลง่าย
   • พล็อตกระจายของ XY อนุญาตให้คุณใช้จุดข้อมูลโดยพลการ คุณสามารถหนีด้วยตัวอย่างน้อยกว่าด้วยการสุ่มตัวอย่างเท่ากัน คุณสามารถเลือกที่จะสุ่มตัวอย่างข้อมูลที่จุดที่ง่ายที่สุดและที่จำเป็นอย่างเคร่งครัด ตัวอย่างเช่นในระดับ semilog คุณสามารถสุ่มตัวอย่างที่เส้นช่วงเวลาของสเกลลอการิทึม หากคุณต้องการคุณยังสามารถมีคะแนนเพิ่มเติม (แถว) สำหรับเส้นโค้งโดยประมาณ (อย่างน้อยชาร์ต OpenOffice ดูเหมือนจะไม่สนใจจุดที่ไม่มีพิกัด Y ที่สอดคล้องกัน)
     โปรดทราบว่าค่า X ( Vf_sampled ) ยังคงต้องเรียงลำดับจากน้อยไปมาก (หรือจากมากไปหาน้อย) ไม่เช่นนั้นเส้นจะเลอะ
   • สังเกตขนาดของหน่วยที่คุณกำลังประเมิน / สร้างแผนภูมิ / พยายามค้นหา (เช่น milliamperes) และจำไว้ว่า SPICE มักใช้หน่วยเปล่า (แอมแปร์)
   • โปรดทราบว่า W5VO ของเวอร์มอนต์อยู่ในหนึ่งในพันโวลต์ หากคุณกำลังใช้โวลต์ใช้ค่า0.026
   • ตรวจสอบว่าคำนำหน้าเมตริกใด (m, p, u, ฯลฯ ) โปรแกรมจำลอง SPICE ของคุณยอมรับ การใช้สัญลักษณ์เลขชี้กำลัง (เช่น 12E-34) นั้นง่ายกว่า
   • การแก้ไขช่วงเซลล์สำหรับแผนภูมิดูเหมือนจะรีเซ็ตเส้นโค้งที่สาม (ใหม่) เส้นโค้งเสมอเพื่อให้ฉันต้องเพิ่มช่วงข้อมูลลงในพิกัด X อีกครั้งและเปลี่ยนคอลัมน์ที่สามเป็นช่วง Y พิจารณาสิ่งนั้นเมื่อเพิ่มคะแนนมากขึ้นหรือสร้างแบบจำลองไฟ LED หลายดวงบนแผนภูมิเดียวกัน - ทำการเปลี่ยนแปลงดังกล่าวทั้งหมดในครั้งเดียว (การเปลี่ยนแปลงข้อมูลภายในเซลล์ไม่ได้ทำให้เกิดการรีเซ็ต)
   • การแก้ไขที่โค้งบนแผนภูมิอาจทำให้คุณหลงทางโดยการแก้ไขหรือไม่แสดงเหตุผลและไม่แสดงสาเหตุที่เป็นจุดที่แท้จริงของข้อมูล
   • ส่วนของเส้นตรงอาจทำให้เข้าใจผิดได้เนื่องจากจุดที่ตรงกันนั้นจบลงในสถานที่ต่างกันและการประมาณเชิงเส้นไม่ได้ติดตามลักษณะลอการิทึมของเส้นโค้ง (จุดข้อมูลทั้งหมดของเส้นโค้งตัวอย่างและเส้นโค้งที่สามใหม่ควรอยู่นอก (ขึ้น / ซ้าย) ของส่วนเส้นตรงของอีกเส้นหนึ่ง)

AFAIK แบบจำลองของเราสำหรับ LED นั้นเป็นตัวต้านทานRsและไดโอดประมาณIs / Nในซีรีย์: (-R -> - D-)

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

ฉันได้รวบรวมโปรแกรม Python ไว้ด้วยกันซึ่งจะทำแบบจำลองคุณลักษณะไบแอสไปข้างหน้าของไดโอดตามลักษณะของแผ่นข้อมูล IV

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

รู้สึกอิสระที่จะลองและแสดงความคิดเห็น

นี่คือสิ่งที่ฉันจะใช้

#       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

สำหรับ VJ ของคุณ = 1.8 typ, BV = 5 นั่นทำให้คุณได้รับประโยชน์มากที่สุด

หากใครสงสัยว่าทำไมแผ่นข้อมูลหน้าเดียวของเขา / เธอไม่มีเส้นโค้ง If / Vf อาจเป็นเพราะเขา / เธอไม่มีแผ่นข้อมูลที่สมบูรณ์ ฉันรู้ว่าเช่น Optosupply เผยแพร่เฉพาะบทสรุปหน้าแรกในเว็บไซต์ของพวกเขา แต่พวกเขาจะส่งรายละเอียดแบบเต็ม (กับ If / Vf ทั้งหมดความเข้มสัมพัทธ์และเส้นโค้งสเปกตรัม ฯลฯ ) ตามคำขอ

คุณอาจได้รับตัวเลขที่ใช้งานได้สำหรับค่าทั้งหมดโดยใช้แผ่นข้อมูลจาก LED อื่นที่มีสีเดียวกันกับเคมีเดียวกัน (โดยผู้ผลิตรายเดียวกัน) เพียงตรวจสอบว่าคุณลักษณะพื้นฐาน (เช่นกระแสแรงดันไฟฟ้าและความยาวคลื่น) ตรงกัน

คำตอบที่ยอดเยี่ยม แต่มันเป็นเรื่องง่ายที่จะแก้สมการช็อตลีย์ไดโอดพีชคณิต เพิ่งทราบว่า "ลบ 1" ในสูตรนั้นไม่เกี่ยวข้องมากสำหรับกระแสน้ำข้างหน้าซึ่งมีลำดับความสำคัญมากกว่า Is ซึ่งมีขนาดเล็กมากพูด 1E-12 A. หาจุดสองจุดในกราฟที่อ่านง่าย ค่า I และ V และเสียบเข้ากับสูตร การหารกำจัดทั้งสองสูตรคือ Is ดังนั้น N จึงคำนวณได้ง่าย จากนั้นเติม N ในสูตรเพื่อค้นหา Is

นี่คือมาโคร LibreOffice Calc ของฉันแบบพื้นฐาน:

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

หากคุณดูสูตรคุณอาจจำคำอธิบายของเส้นตรงที่มีความชัน q / NkT แต่ยังรวมถึง Log (Id) / delta Vd

ฉันได้รับค่าที่คล้ายกันสำหรับ Is: 5.94E-18 = 5.94 atto-ampere (W5VO พบ 1 aA) แต่แตกต่างกันมาก N = 0.19 (W5VO พบ 1.8 ผิดปกติ?) ข้อมูลยังคำนวณกลับไปที่กราฟเดียวกัน :

คอลัมน์ Vd คือแรงดันไฟฟ้า Id คือกระแสไดโอดตามสูตรจริง Id0 เป็นกระแสที่มีสูตรแบบง่ายที่เปลี่ยน "ลบ 1" เป็น "ลบศูนย์" เนื่องจาก Id0 เป็นเส้นโค้งเอ็กซ์โปเนนเชียลที่แท้จริงคุณสามารถใช้ลอการิทึมในคอลัมน์ Id0_log (คุณไม่สามารถบันทึกล็อกของเส้นโค้งที่กลายเป็นศูนย์และลบเช่น Id) พล็อตมาจาก Id0_Log กับ Vd ในพล็อตนี้ฉันทำส่วนจุดต่ำสุดเพราะไม่มีไดโอดปัจจุบันจริงอีกต่อไป แต่แสดงค่าของ Is ที่จุดตัดกับแกน Y

การตามเส้นโค้งเอ็กซ์โปเนนเชียลไปทางซ้ายจะทำให้คุณไม่มีศูนย์ แต่ "ลบ 1" ลบจำนวนของ Is เพื่อให้เส้นโค้งไดโอดจริงผ่านจุดกำเนิดและด้วยแรงดันลบแสดงกระแสย้อนกลับของจำนวน Is

หากเส้นโค้งของผู้ผลิตดั้งเดิมจะอยู่บนพล็อตบันทึกที่มีขนาดใหญ่มากเราอาจใช้ไม้บรรทัดเพื่อขยายเส้นตรงลงไปเพื่อหา Is ที่ Vd = 0 จากนั้นคำนวณ N แทนการคำนวณ N แรกแล้วด้วย ด้านบนของมาโคร วิธีการไม้บรรทัดได้อธิบายไว้ใน "The Spice Book" โดย Andrei Vladimirescu (1994)