Versuch 03: Diodensimulation

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Statische Kennlinien von Dioden werden mit Simulationen und analytischer Formel verglichen.

3.1. LTSPICE Simulation

Bauen Sie in LTSPICE folgende Schaltung auf und simulieren Sie die Schaltung. Mit einem Rechtsklick auf die Dioden können Sie den Diodentyp auswählen. Wählen Sie den Eingangsspannungsbereich so, dass der Strom im Bereich von 1nA bis 100mA variiert.

Abb:.1: LTSPICE Schaltplan zur Messung der Diodenkennlinie.
Stellen Sie die Kennlinien linear und logarithmisch von 0/1nA..100mA dar. Für die logarithmische Darstellung verwenden Sie die Absolutwertfunktion: abs(). In der graphischen Darstellung der Kurven, kann man durch einen Rechtsmausklick auf die Kurvenbeschriftung über dem Diagramm eine Funktion eingeben. Fügen Sie hier einen Screenshot der Simulationsergebnisse in linearer Auftragung ein.
Kopieren Sie hier vom Clipboard ( < Strg > v ) einen Screenshot (< Alt > < Druck > ).

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Fügen Sie hier einen Screenshot der Simulationsergebnisse in logarithmischer Auftragung ein.
Kopieren Sie hier vom Clipboard ( < Strg > v ) einen Screenshot (< Alt > < Druck > ).

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3.2. Untersuchung der Diodengleichung in EXCEL

Öffnen Sie die Exceldatei WS2012_Diode.xlsx aus dem Verzeichnis L:.
Speichern Sie die Datei in ihrem persönlichen Verzeichnis.
Die Diodengleichung wird mit den Parametern I_s und U_T, n und R für den Bahnwiderstand in Durchlassrichtung ausgewertet. Machen Sie sich mit dem Aufbau der Tabelle vertraut.
Die Werte in Spalten A und B werden vom Benutzer eingegeben.
In Spalte C wird die Spannung nach der Diodengleichung berechnet, da I_D bei Berücksichtigung des Bahnwiderstandes auch im Exponenten vorkommt:
\( I_D = I_S\left(e^\frac{U- I_D \cdot R}{nU_T}-1\right) \)
In Flussrichtung kann die Gleichung bei Vernachlässigung der -1 nach der Spannung U umgestellt werden.
\( U = n U_T \ln{\frac{I_D}{I_S}} + I_D \cdot R \)
Beobachten Sie, wie sich die Kurve durch Variation der Parameter verändert. Verwenden Sie für I_S =1E-9A und 5E-9A und n=1,2,3 und R_n=0,10,100 Ω.
Wie ändert sich die Kurve, wenn I_S größer wird?

Wie ändert sich die Kurve, wenn n größer wird?

Wie ändert sich die Kurve, wenn R_n größer wird?

3.3. Vergleich von Diodenmessung und Gleichung

Kopieren Sie nun die Diodenmesswerte in Flussrichtung von Ihrem letzen Versuch (Start → Einfügen → Werte einfügen) in die Spalten A und B des Blattes Versuch3_Messung. Lesen Sie den Fehler ab. Desweiteren wird der Fehler (Fneu(n), Fneu(I_s))automatisch für Änderungen der Parameter n und I_s berechnet. Bestimmen Sie n, I_s und R, damit der Fehler minimal wird.
Tragen Sie hier n ein:
Tragen Sie hier I_s ein:
Tragen Sie hier R ein:
Fügen Sie hier einen Screenshot der Messergebnisse mit optimierten Parametern und minimalem Fehler ein.
Kopieren Sie hier vom Clipboard ( < Strg > v ) einen Screenshot (< Alt > < Druck > ).

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Führen Sie unter folgendem Link Diodenfit eine Kurvenanpassung durch und überprüfen Sie ihr Ergebnis.

3.4. Vergleich von Diodensimulation und Gleichung

Kopieren Sie nun 17 Diodensimulationswerte im Bereich von 0.2V.. 1V einer Diode von SPICE in die Spalten A und B des Blattes Versuch3_SPICE. Lesen Sie den Fehler ab. Desweiteren wird der Fehler automatisch für Änderungen der Parameter n und I_s berechnet. Bestimmen Sie n und I_s damit der Fehler minimal wird.
Tragen Sie hier n ein:
Tragen Sie hier I_s ein:
Tragen Sie hier R ein: Fügen Sie hier einen Screenshot der Simulationsgebnisse mit optimierten Parametern und minimalem Fehler ein.
Kopieren Sie hier vom Clipboard ( < Strg > v ) einen Screenshot (< Alt > < Druck > ).

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Rechts-klicken Sie in LTSPICE auf die Diode und wählen Sie Pick new Diode. Identifizieren Sie rechts unter SPICE model die Parameter Is, Rs und N und vergleichen Sie mit Ihren Werten.

Geben Sie diese Werte in Excel ein und verwenden Sie 0.026V für UT. Was stellen Sie fest?.

3.5. Erläuterungen zu Excel

Analog zu Versuch 1 gibt es ein Blatt in Excel mit den Modellparametern der Diode, einer Wertetabelle und linearen und logarithmischen Diagrammen der Diodenkennlinie. Für eine Spannung U wird der Diodenstrom I_D berechnet. Die korrekte Spannung V2 mit Berücksichtigung des Bahnwiderstandes berechnen wir aus der Diodenspannung und der Serienwiderstandsspannung in Spalte C.

	A	B	C	D	E	F
9	V1	ID	V2	ID
10	-2.00	=IS*(exp(A10/n/VT)-1)	=B10*RN+UT*n*ln(B10/IS+1)	=B10

Die Platzhalter IS, n, VT, RN und UT müssen durch die korrekten Bezüge ersetzt werden. Die obige Tabelle wird in einem linearen und logarithmischen Diagramm der Spalten C und D im Bereich von V2=0 bis 2V und ID=-100mA..100mA dargestellt. Um später Mess- und Simulationswerte in Spalte A und B mit der Diodengleichung zu vergleichen, wird in Spalte E der relative Fehler berechnet.

	A	B	C	D	E	F
9	V1	ID	V2	ID	Relativer Fehler der Spannung
10	-2.00	=IS*(exp(A10/n/VT)-1)	=B10*RN+UT*n*ln(B10/IS+1)	=B10	=(C10-A10)*(C10-A10)/C10/C10

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