5.2 Етапи виконання роботи

1. Зібрати в середовищі ECAD-програми (МС, EWB, Multisim) схему для вимірювання ВАХ діода (рисунок 5.5).

Рисунок 5.5 – Схема для вимірювання ВАХ діоду

2. Провести моделювання на постійному стумі, приєднавши вимірювальні прилади (тестер, амперметри та вольтметри).

3. Зібрати схему однофазного мостового випрямляча. Отримати осцилограми вхідної та вихідної напруги.

4. Під`єднати згладжуючий LC-фільтр та порівняти отримані характеристики. Розрахувати коефіцієнти пульсацій та згладжування.

5. Провести моделювання трифазного мостового випрямляча (схема з бібліотеки МС rectifier_6_pulse.cir). Визначити середнє значення випрямленої напруги, розрахувати коефіцієнт пульсацій.

5.3 Контрольні питання

1. Класифікація діодів, моделей діодів.

2. Пояснити, чому ВАХ діода має експоненційний характер.

3. Зобразити структуру потужного діода та нанести на неї на відповідні ділянки елементи схеми заміщення моделі Еберса-Молла.

4. Рівняння та параметри моделі Spice-моделі діоду.

5. Частотні властивості діодів.

6. Типи та параметри випрямлячів на діодах.

7. Назвіть схеми випрямлення, що досліджуються у даній роботі, і поясніть принцип дії кожної з них.

8. Призначення і особливості трифазних схем випрямлячів.

9. Вкажіть призначення, основні параметри й види згладжуючих фільтрів.

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №6

Тема: Моделі біполярного транзистора (БТ) та макромодель тиристора.

Мета: Дослідити моделі БТ, схему заміщення та рівняння моделі Еберса-Молла, макромодель тиристора.

6.1 Основні теоретичні відомості

6.1.1 Моделі БТ

Найбільше розповсюдження в ECAD для моделювання малопотужних біполярних транзисторів (БТ) отримав різновид моделі Еберса-Молла (модель переносу, або Логана), однак вони не враховують двовимірні та тривимірні ефекти: зміну розміру «ефективного» емітера (локальне розширення бази та неоднаковість коефіцієнта підсилення вздовж емітерного переходу), модуляцію розподіленого опору бази. Крім того, в них не враховується наявність області «квазінасичення» на ВАХ транзистора та ще деякі ефекти, пов`язані з високим рівнем інжекції. Тому для моделювання потужних БТ використовують різновид зарялокерованої моделі Mextram (рисунок 6.1), або модель Гуммеля-Пуна.

Рисунок 6.1 – Схема заміщення моделі Mextram

Систему рівнянь моделі наведено в [16].

Коефіцієнт передачі  (в схемі із ЗЕ) залежить від струму колектору I_к. При малих струмах коефіцієнт передачі малий із-за наявності генераційно-рекомбінаційного струму просторового заряду. По мірі збільшення струму його дифузійна складова починає переважати генераційно-рекомбінаційну, що призводить до збільшення .

Залежність коефіцієнта передачі струму  від напруги U_ке зумовлена рядом ефектів, пов'язаних із зміною границі ОПЗ колекторного переходу при зміні U_ке. При малій щільності струму (низький рівень інжекції) основну роль грає розширення ОПЗ колектора в область бази, за рахунок чого зменшується товщина квазіелектронейтральної бази та збільшується коефіцієнт передачі струму (ефект Ерлі) [9].

Зростання коефіцієнта передачі в області малих щільностей струму пов'язане також із зростанням коефіцієнта переносу із-за збільшення електричного поля в базі. При великих зворотних напругах U_ке додаткове зростання  пов'язане з явищем лавинного розмноження носіїв заряду в ОПЗ колектора.

В області підвищених щільностей струму і невеликих напруг U_ке починає відбиватися ефект Кірка (зрушення кордону квазіелектронейтральної бази в колектор, створення «наведеної» бази), та пов'язаний з ним ефект квазінасичення (падіння напруги на “наведеній” базі, що призводить до зростання U_ке). Ці ефекти призводять до зниження ефективності емітера (), збільшення падіння напруги на транзисторі в відкритому стані, зменшенню коефіцієнта переносу , зростанню постійної накопичування _f та, у кінцевому підсумку, до зниження коефіцієнта передачі струму  [10].

Температурна залежність  пов'язана в першу чергу із зростанням часу життя неосновних носіїв в базі при збільшенні температури. Для більшості БП VT виконується пропорційність:   Т^1...2.

Як показав аналіз, модель Mextram має однакову систему параметрів, незалежно від того, який типономінал БТ обрано. Серед цих параметрів багато таких, що залежать від температури (біля 10). Окрім параметрів, характерних для моделі Еберса-Молла, вимагається задавати опори структур, зокрема постійної та «наведеної» бази, умови переходу до високого рівня інжекції та ряд інших параметрів, методика розрахунку яких невідома для користувачів демо-версій – всього 73 параметри. Для порівняння, в сучасній моделі Еберса-Молла – 56 параметрів, з них 17 - температурні коефіцієнти.

Рисунок 6.2 - Представлення тиристора

у вигляді поєднання двох транзисторів

6.1.2 Макромодель тиристора в МС

Провівши уявно розріз, (рисунок 6.2), можна представити типову тиристорну структуру у вигляді сполучення NPN та PNP транзисторів, при якому колектор одного транзистора буде базою іншого, та навпаки [9].

Еквівалентна схема двохтранзисторної моделі тиристора (рис.6.3) дозволяє моделювати із достатньою точністю статичні та динамічні характеристики тиристора, якщо для транзисторів використовуються моделі, що враховують залежність передачі  від режиму (моделі зарядокеровані). Резистори, які шунтують емітерні переходи транзисторів, моделюють зниження  на малих струмах.

Рисунок 6.3 - Макромодель тиристора в МС

Двохтранзисторна макромодель для малопотужного тиристора досить часто застосовується у Spice-сумісних програмах [10, 16]. Система параметрів та рівняння моделі тиристора мають вигляд:

RGK: якщо (IGT/IH)>.36,

RGK=(IGT/IH)*(.75/IGT);

якщо (IGT/IH)<=.36),

RGK= (IGT/IH)*(.75/(.36*IH));

TF1=(BF1*BF2-1)*Trise/(1.8*BF1);

TR1=1.25*K2*TQ;

Trise =2*TON/3;

AF1=.1+(IGT/(.9*IH));

BF2= 9;

BF1=(AFT)/(1-(AFT));

AFT: якщо (.5<AF1<=.9) AFT=(AF1*AF1),

якщо (AF1>.9), AFT=(AF1*0.9);

якщо (AF1<=.5), AFT=(AF1*0.5);

IS1= 10^{-(VTMIN+.74)/.11}; IS2= IS1;

CJC2=IH*0.21/(K1* );

CJE1=(CJC2)*.75 ,

де RGK – опір розтікання затвор (керуючий електрод) - катод;

IGT, IH – струм вмикання, струм утримання керуючого електрода;

TF1 – тривалість переносу заряду через базу у нормальному режимі;

BF1,BF2 – коефіцієнт передачі β струму транзисторів VT1, VT2;

AF1, AFT – коефіцієнт передачі α струму транзисторів VT1, VT2;

IS2, IS1 – струм насичення транзисторів VT1, VT2;

CJC2 – ємність колекторного переходу транзистора VT2;

CJE1 – ємність емітерного переходу транзистора VT1;

Trise, TON – тривалість наростання струму, тривалість вмикання;

DVDT – максимальна швидкість наростання напруги ;

VTMIN – мінімальна напруга утримання;

RE1 – опір розтікання емітера : RE1=5е^-3ОМ;

TQ – тривалість розсисання залишкового заряду;

K1, K2 – емпіричні коефіцієнти.

Для діодів VD1- VD3 використана стандартна модель Еберса-Молла, до якої треба певним чином внести такі параметри:

VD1: IS=.001*(IS1); BV=VDRM,

VD2: BV=VDRM;

VD3: is=.001*IS1; BV=5 ,

де BV та VDRM - напруга пробою, IS - струм насичення.

Модель оформлено як макрос, який викликається наступним чином:

SCR(IH,IGT,TON,VTMIN,VDRM,DVDT,TQ,K1,K2)