CC BY
10
4. Announcing the ADVANCED ENCRYPTION STANDARD (AES)/ Federal Information Processing Standards Publication 197, 2001
5. Придумываем и храним надежные пароли в XXI веке, официальный сайт Лаборатории Касперского, URL: https://blog.kaspersky.ru/paroli-xxi-vek/744/ (дата обращения: 01.05.2016).
Милешкин А. Е. преподаватель
кафедра «Общенаучных и технических дисциплин» Ковылкинский филиал НИ МГУ им. Н. П. Огарёва
Россия, г. Ковылкино ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МАКРОМОДЕЛЕЙ КОМПОНЕНТОВ ФОТОРЕЗИСТОРНЫХ ОПТРОНОВ CONSTRUCTION OF MATHEMATICAL MACROMODELS COMPONENTS OF THE OPTOCOUPLERS WITH PHOTORESISTOR
Аннотация: Ввиду того, что библиотека NI Multisim не включает в себя компоненты фоторезисторных оптронов, автором предложены решения по созданию таких компонентов, что позволит в дальнейшем использовать их при моделировании оптронных устройств, основанных на фоторезисторных структурах. В статье описаны методы полиномиальной интерполяции функции зависимости параметров оптрона, а также составления эквивалентной схемы замещения с управляемыми источниками тока.
Abstract: Due to the fact that the library NI Multisim does not include the components of the photoresist optocouplers, the author offers solutions for the creation of such components, which will then be used for modeling optronic devices based on the photoresist structures. This article describes methods for polynomial interpolation function according to the parameters of the optocoupler, and the drawing up of equivalent circuit with controllable power sources.
Ключевые слова: моделирование, схема, компонент, Multisim, оптрон, фоторезистор.
Keywords: modeling, circuit, component, Multisim, optocoupler, LDR.
Основное назначение оптронов (оптопар) состоит в гальванической развязке между электронными устройствами или между их различными узлами. Существует большое разнообразие оптопар для самых различных применений от многих производителей электронных компонентов. Это могут быть одно- и многоканальные оптроны, простые и с интеграцией дополнительных компонентов, с различным коэффициентом CTR, изоляционными параметрами и другими характеристиками. Среди большого разнообразия этих изделий разработчик всегда сможет выбрать оптрон, необходимый для своего проекта. Это может быть высокопроизводительная оптопара для приложений с большой степенью усиления или широкой рабочей полосой частот; высоковольтная оптопара для работы с импульсным
переменным напряжением на выходе; оптопара для общего применения, а также множество других вариантов, включая уникальные комплексные решения. Различные производители выпускают подобные или даже аналогичные оптроны. Зачастую удается заменить один компонент другим, не уступающим по качеству, но более дешевым аналогом. Или усовершенствовать устройство благодаря замене на качественно лучший компонент в таком же конструктивном/ функциональном исполнении.
Последние версии программы NI Multisim, в частности Multisim 13.0 и Multisim Blue дают возможность проектирования и моделирования схем, включающие разные типы оптронов. База компонентов NI Multisim содержит оптроны различных иностранных производителей. Среди них диодные, транзисторные и тиристорные оптопары. На их основе в программе могут быть смоделированы различные оптронные устройства с возможностью дальнейшего проведения их анализа. Однако компонентов резисторных оптронов библиотека Multisim не содержит и построение моделей с их использованием невозможно. В связи с этим возникла необходимость изучения методов разработки новых компонентов резисторных оптронов в NI Multisim для дальнейшего моделирования устройств на их основе.
На одном из этапов создания нового компонента в Multisim необходим ввод spice-модели. Создадим spice-модель резисторного оптрона, используя в метод полиномиальной интерполяции зависимости проводимости фоторезистора от силы тока светодиода.
Резисторная оптопара NSL-32SR3 фирмы Silonex считается одной из самых быстрых на рынке, что позволяет использовать ее для широкого спектра применений, требующих особой точности и быстроты, в том числе для организации функционирования структурируемой кабельной (волоконно-оптической) сети. Схематичное обозначение резисторного оптрона показано на рис. 1.
Сила тока на фоторезисторе связана с напряжением следующей формулой:
/сОЪ) = 0т • ^С , (1)
где —электрическая проводимость фоторезистора.
Рис. 1 — Схематичное представление резисторной оптопары
Проводимость фоторезистора и ток на светодиоде связаны экспоненциальным соотношением:
ln(0m(/D) = P(ln(/D)). (2)
Обозначим х = ln(/D)), тогда
Sm (ZD)=exp(P(x)). (3)
Далее необходимо интерполировать логарифмическую функцию полиномом у = Р(х) = Pxx2 + Р2х + ^з. Для нахождения коэффициентов полинома были использованы эмпирические данные зависимости проводимости фоторезистора и силы тока светодиода для оптопары NSL-32SR3B. Были получены следующие значения: P1 = -0,092947; P2 = -0,54364; P3 = - 4,6619.
Зависимость силы тока от напряжения на светодиоде можно записать:
ln(/D) = P(Vb) = Р1Х3 + Р2*2 + + £4 . (3)
Тогда
= exp(P(KD)) . (4)
Использовав экспериментальные значения ВАХ светодиода были вычислены коэффициенты полинома: P1 = 3,1752, P2 = -4,467, P3 = 15,496, P4 = -34,539. Произведя некоторые преобразования, получим:
/D = exp(24.154 • К(1,2)-46.803). (5)
Листинг SPICE-файла модели NSL-32SR3: .SUBCKT NSL32R3 1 2 3 4 bled 1 5 i=exp(v(1,2)*24.154-46.803) vid 5 2 0
blogivd 6 0 v=ln(i(vid)) rhlog 6 0 1
bcell 3 4 i=v(3,4)*(exp(v(6)*(-0.092947*v(6)-0.54364)-4.6619)) .ENDS
Теперь создадим компонент фоторезисторного оптрона NSL-32SR2 методом замещения эквивалентной схемой. Для этого создадим в Multisim модель, изображенную на рис. 2.
Рис. 2 — Схема замещения резисторной оптопары NSL-32SR2 в программе NI Multisim
I1, I2, I3 и I4 являются контролируемыми источниками тока. Значение тока источника I1 зависит от значения тока, проходящего через светодиод U1 (источник напряжения V2). А напряжение, которое создается между узлами cb2 и 0 является управляющим для источника I4. Таким образом, ток светодиода контролирует сопротивление между узлами ldr1 и ldr2.
Постепенное нарастание и убывание тока имитируется с помощью элементов R5, С1. А нелинейная зависимость входных и выходных параметров устройства имитируется с помощью нелинейного фильтра, созданного элементами I3, R1, C3. Темновое сопротивление фоторезистора оптопары будет зависеть от величины сопротивления R4.
Параметром для источника V1 выступает таблица значений X и Y кусочно-линейной функции. Здесь координата X — значение силы тока в цепи светодиода в mA, а координата Y — величина, равная 1000/Rldr, где Rldr — сопротивление фоторезистора. Источник V2 в цепи светодиода настроен на напряжение равное нулю, и служит только для передачи значений тока источнику I1.
После окончания создания схемы резисторного оптрона создается Spice netlist (ИНСТРУМЕНТАРИЙ >> Просмотрщик Spicenetlist >> Сохранить Spice netlist). При этом в указанном пользователем месте создается файл с расширением .cir. Данный файл следует отредактировать путем добавления строки в самом начале:
.SUBCKT NSL-32SR2 led+ led- ldr1 ldr2 .
Здесь led+, led-, ldr1, ldr2 — названия выводов подсхемы, количество которых должно соответствовать количеству выводов модели. Порядок их расстановки (через пробелы) — любой, но его надо запомнить, т.к. потом,
когда заполняется таблица соответствия выводов символа выводам модели в шаге 7 (при создании нового компонента), следует учитывать, что цифры, которые появятся в столбце выводов модели соответствуют позиции имени цепи (вывода подсхемы).
В самом конце файла модели необходимо написать:
.ENDS.
Реализация схем включения в NI Multisim позволила построить зависимость светового сопротивления от входного тока для резисторных оптронов NSL-32SR2 и NSL-32SR3 (рис. 3).
NSL-32SR2
NSL-32SR3
0,035 О 0,03 ^ 0,025
■О '
k 0,02
0 '
1 0,015
о 0,01 со '
g. 0,005
с
п0
10
12
W mA
0
2
4
6
8
Рис. 3 — Зависимость проводимости фоторезистора от входного тока для фоторезисторных оптронов NSL-32SR2 и NSL-32SR3
Таким образом, созданные компоненты фоторезисторных оптронов в результате математического моделирования в программе Multisim, подтвердили обладание свойствами реальных оптронов. Методы полиномиальной интерполяции функций зависимостей параметров оптрона, а также составления эквивалентной схемы замещения с управляемыми источниками тока могут использоваться для создания любых моделей фоторезисторных оптронов.
Использованные источники:
1. Денисов Б. Н. Фоторезистор как многофункциональный элемент оптоэлектроники / Б. Н. Денисов // Радиотехника и электроника. - 2007 г. -Т. 52, №4. - С. 509-512.
2. Хернитер Марк Е. Электронное моделирование в Multisim / Марк Е. Хернитер. - М . : ДМК Прес, 2010. - 488 с.
3. NSL-32SR2 Datasheet (PDF) - Silonex Inc. [Электронный ресурс]. - URL: http://datasheet.octopart.com/NSL-32SR2-Silonex-datasheet-77138.pdf.
4. NSL-32SR3 Optocoupler [Электронный ресурс]. - URL: http://datasheet.octopart.com/NSL-32SR3-Silonex-datasheet-12605541.pdf.
