¿Cómo se modela un LED con SPICE?

Question

¿Qué modificadores de diodos se utilizan en la práctica para modelar LEDs con SPICE (Berkeley v.3f5)? Estos están disponibles para mí:

#       Name    Parameter                    Units      Default Example  Area
1       IS      Saturation current             A         1e-14   1e-14    *
2       RS      Ohmic resistance                        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 Modelo de diodo (D)
Las características de corriente continua del diodo están determinadas por los parámetros IS y N. Se incluye una resistencia óhmica, RS. Los efectos de almacenamiento de carga se modelan mediante un tiempo de tránsito, TT, y una capacitancia no lineal de la capa de agotamiento que se determina mediante los parámetros CJO, VJ y M. La dependencia de la temperatura de la corriente de saturación se define mediante los parámetros EG, la energía y XTI, el exponente de temperatura de la corriente de saturación. La temperatura nominal a la que se miden estos parámetros es TNOM, que por defecto es el valor del circuito especificado en la línea de control .OPTIONS. La ruptura inversa se modela mediante un aumento exponencial de la corriente inversa del diodo y está determinada por los parámetros BV e IBV (ambos son números positivos).

Por ejemplo, usando este rojo básico y barato:

No me importan mucho las características de alta frecuencia, sólo me gustaría poder igualar su curva IV dentro de sus especificaciones de funcionamiento (fuga de -10uA/-5V a +100mA/+2,2 'ish V hacia adelante):

Answer 1

Como has dicho, hay 3 parámetros que dictan la respuesta de CC de un diodo. Son la corriente de saturación ( ES ), el coeficiente de emisión ( N ), y la resistencia óhmica ( RS ). Pude ajustar la curva con una precisión bastante alta, así que documentaré el procedimiento de mi modelo.

El modelo SPICE para el diodo coincide con la ecuación del diodo de Schokley:

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

donde Vt = kT/q = 26mV a temperatura ambiente.

1. Obtenga los valores reales de los gráficos proporcionados en la hoja de datos para utilizarlos en la comparación. Cuantos más puntos, mejor, y cuanto más precisos, mejor. A continuación se muestra una tabla que he estimado a partir de la cifra que ha proporcionado:

   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. Introduce los valores en Excel y cambia el eje Y a una escala logarítmica. Deberías obtener un gráfico idéntico al original de la hoja de datos. Añade otra columna para tu gráfico, con Si calculado a partir de la tensión directa y las constantes ES et N . Podemos utilizar esta configuración para encontrar iterativamente ES et N .

3. Resolver para ES et N . Estamos tratando de hacer coincidir la parte lineal del gráfico (1,3 <= Vf <= 1.7). Ajuste de ES moverá la curva en el eje y. Consigue que la gráfica calculada tenga el mismo orden de magnitud. El siguiente paso es encontrar el coeficiente de emisión ( N ). N afecta tanto a la amplitud como a la pendiente, por lo que algún ajuste de ES puede ser necesario para mantener la curva en la misma línea. Una vez que las pendientes coinciden (las líneas son paralelas), recorte ES para que los datos calculados coincidan con los valores de la hoja de datos. He obtenido IS = 1e-18 et N=1.8 para el diodo que has enumerado.

4. Identificar RS . Esto es un poco complicado. RS es responsable de la curvatura de la corriente a partir de 1,7V. Considera la posibilidad de modelar la resistencia óhmica como una resistencia en serie con el diodo. A medida que la corriente a través del diodo aumenta, la caída de tensión a través de la resistencia óhmica hace que la tensión del diodo hacia adelante Vf para aumentar más lentamente. En corrientes pequeñas, este efecto es insignificante.

Lo primero que hay que hacer es obtener una estimación aproximada de la RS para utilizarla en las soluciones más precisas. Se puede calcular el valor efectivo de RS a partir de los valores de la hoja de datos haciendo un cálculo retroactivo para Vf utilizando las medidas Si . La diferencia de tensión entre el valor de entrada y el Vf calculado puede utilizarse con la corriente de avance para generar una resistencia. En las corrientes más altas, este será un buen valor de partida.

Para trazar la corriente del diodo utilizando RS , hay que calcular primero el diodo Vf dada una tensión para la combinación en serie de resistencias y diodos. La Wikipedia enumera un función iterativa - converge fácilmente si la caída de tensión de la resistencia es significativa. Esta función fue bastante fácil de configurar en Excel. Para Vf valores inferiores a 1,8, codifiqué el valor de entrada porque la función iterativa no convergía. Entonces toma esto Vf para calcular el If del diodo ideal. He trazado esto con el gráfico original de la hoja de datos.

Utilizando el método de prueba y error, deberías ser capaz de conseguir un RS valor que consigue una buena superposición con los valores de la hoja de datos. Todo lo que queda es tirar el modelo juntos en SPICE para verificar su trabajo.

Abajo está mi modelo de diodo que verifiqué usando HSPICE. Los datos de simulación son casi una superposición perfecta para el gráfico de la hoja de datos.

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

Utilicé este artículo que ayudó mucho con los parámetros de las especias de los diodos.

He limpiado mi hoja de cálculo, y tyblu la ha puesto a disposición para su descarga aquí . Utilícelo bajo su propio riesgo, los resultados no están garantizados, etc... etc...

Answer 2

He creado un programa en Python que modelará las características de polarización directa de un diodo basándose en las características I-V de la hoja de datos.

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

No dudes en probarlo y comentarlo.

Answer 3

En primer lugar, me gustaría señalar que se pueden leer los parámetros adicionales del diodo BV , Ibv et Cjo directamente de la hoja de datos del LED como "corriente inversa" Ir en Vr y como "Capacitancia" C .

---

Además de la gran respuesta de W5VO, yo he simplificado el proceso de la siguiente manera:

1. He utilizado el tipo de gráfico de Gráfico de dispersión XY como sólo líneas en OpenOffice (YMMV con Excel, etc.) y establecer los mínimos y máximos de los ejes manualmente, por ejemplo, (X,Y)=(1,4-4,0, 0,01-50,0), para evitar que se autorregule fuera del ámbito de mis datos muestreados.

2. Después de las tres primeras columnas de puntos muestreados Vf_sample , Si se muestrea así como el Si_estimación utilizando la ecuación del diodo de Schokley, añadí un cuarto una para una calculada Vf_estimación . Recuerda que Rs es un serie resistencia (ver imagen en la parte inferior) y la Si_estimación en realidad nos da la corriente a utilizar aquí, por lo que uno puede simplemente calcular las celdas de la columna como:
   Vf_estimate = Vf_sampled + (If_estimate * Rs) .

3. Ahora pude añadir una tercera curva, en la que utilicé la nueva cuarta columna ( Vf_estimación ) como la coordenada X y la tercera columna ( Si_estimación ) como la coordenada Y, y que ahora podía comparar fácilmente con la primera curva (los datos muestreados del gráfico en la hoja de datos). Tenga en cuenta que no quería simplemente reemplazar la segunda curva, ya que la línea recta era bastante útil en mis estimaciones.

4. Estoy seguro de que estoy repitiendo un poco W5VO aquí, pero es necesario recordar el papel de las constantes Es , Rs et N en términos de la forma de la curva (en nuestro log-lin escala):

   • Es sólo afecta a la posición de las curvas (arriba/izquierda o abajo/derecha).
   • N afecta a las pendientes de las curvas así como las posiciones (ya que es un coeficiente lineal y las curvas siempre pasan por el origen, que siempre está fuera de la escala).
   • Rs define la curvatura (el barrido progresivo hacia la derecha) de la nueva tercera curva (ya que es un término lineal en la otra dirección).

5. Cosas que encontré que pueden ser de utilidad:

   • Es posible que la segunda curva (la línea recta) tenga que ser ligeramente más pronunciada y hacia arriba/izquierda de lo que parece a partir de los datos muestreados, porque la curvatura debida a Rs comienza en el origen.
   • Puedes obtener un muestreo bastante preciso ampliando la hoja de datos (suponiendo que sea un PDF), tomando una captura de pantalla y abriéndola en tu programa de dibujo favorito. A continuación, puede utilizar, por ejemplo, la herramienta de selección o de línea recta para medir la distancia en píxeles entre las líneas de intervalo y la distancia del punto a la línea de intervalo de menor valor. Para los ejes lineales, esa fracción se traduce en valores de datos fáciles.
   • El gráfico de dispersión XY permite utilizar puntos de datos arbitrarios. Puede utilizar menos muestras que con el muestreo equidistante. Puede optar por muestrear los datos sólo en los puntos en los que sea más fácil y en los que sea estrictamente necesario. Por ejemplo, en una escala semilogarítmica puede muestrear en las líneas de intervalo de la escala logarítmica. Si lo necesitas, aún puedes tener más puntos (filas) para las curvas estimadas. (Al menos los gráficos de OpenOffice parecen ignorar los puntos para los que no hay una coordenada Y correspondiente).
     Tenga en cuenta que los valores X ( Vf_sample ) deben estar en orden ascendente (o descendente). De lo contrario, las líneas se convierten en un lío.
   • Tenga en cuenta la escala de las unidades que está estimando/trazando/tratando de encontrar (por ejemplo, miliamperios) y recuerde que SPICE generalmente utiliza las unidades desnudas (amperios).
   • Tenga en cuenta que W5VO Vt está en mili voltios. Si utiliza voltios, utilice el valor 0.026 .
   • Compruebe qué prefijos métricos (m, p, u, etc.) acepta su simulador SPICE. Utilizar la notación de exponentes (por ejemplo, 12E-34) puede ser más sencillo.
   • Al editar el rango de celdas para el gráfico parecía que siempre se restablecía la (nueva) tercera curva, por lo que tenía que volver a añadir el rango de datos a las coordenadas X y volver a cambiar la tercera columna como su rango Y. Tenga en cuenta esto cuando añada más puntos o modele varios LEDs en el mismo gráfico - haga estos cambios de una sola vez. (El cambio de los datos dentro de las celdas, obviamente, no provocó el reinicio).
   • La interpolación curva en el gráfico puede inducirle a error al sobrepasar o quedarse corto y no mostrarle el porqué, es decir, dónde están los puntos reales de los datos.
   • Los segmentos de líneas rectas también pueden inducir a error, ya que los puntos correspondientes acaban en lugares diferentes y la interpolación lineal no sigue la naturaleza logarítmica de la curva. (Todos los puntos de datos de la curva muestreada y de la nueva tercera curva deben estar fuera (arriba/izquierda) de los segmentos de línea recta de la otra).

---

AFAIK, nuestro modelo para el LED es esencialmente un Rs resistencia y Es / N estimar el diodo en serie: (-R->-D-)

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Answer 4

Estos son los que yo utilizaría

#       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

Para tu VJ=1,8 típico, BV=5. Con eso tienes la mayor parte del camino recorrido.

Answer 5

Si alguien se pregunta por qué su hoja de datos de una sola página no tiene una curva If/Vf, probablemente sea porque no tiene la hoja de datos completa. Sé que, por ejemplo, Optosupply sólo publica los resúmenes de la primera página en su sitio web, pero le enviarán las especificaciones completas (con todas las curvas If/Vf, de intensidad relativa y de espectro, etc.) si lo solicita.

También es probable que pueda obtener cifras utilizables para todos los valores utilizando una hoja de datos de otro LED del mismo color con la misma química (del mismo fabricante). Sólo tienes que comprobar que las características básicas (como corrientes, tensiones y longitudes de onda) coinciden.