• 4.8

دیود چیست؟

دیود چیست؟
فهرست مطالب

در مدارهای الکترونیکی گاهی نیاز است جریان الکتریکی در یک جهت جاری شود و در جهت مقابل جریانی جاری نشود. در این مواقع از قطعه ای به نام دیود (Diode) در مدار استفاده می کنیم. در این یادداشت میخواهیم این قطعه که پرکاربرد ترین نیمه هادی است را معرفی کنیم و به مطالبی مانند کاربرد دیود، انواع دیود، ساختار و عملکرد آن بپردازیم.

دیود چیست؟

دیود یکی از قطعات الکترونیکی است که جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور میدهد و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بسیار بالایی نشان میدهد. فرض کنید یک مدار داریم که می خواهیم جریان فقط از بخش اول آن به بخش دوم آن برود و به هیچ وجه از بخش دوم به بخش اول بر نگردد. برای تحقق این امر باید از دیود استفاده کنیم به طوریکه همانند تصویر پایین، پایه مثبت یا آند دیود به بخش اول مدار و پایه منفی یا کاتد دیود به بخش دوم مدار وصل شود.

دیود چیست؟

ساختار دیود

دیودها، اولین قطعه تولید شده با نیمه هادی ها هستند. دیود از اتصال دو نیمه رسانا از نوع N و P ساخته می شود. پایه ای که به نیمه هادی نوع N متصل است کاتد و پایه ای که به نیمه هادی نوع P متصل است آند نام دارد.

دیود ها چه ساختاری دارند؟

عملکرد دیود

در این بخش می خواهیم رفتار دیود در حالت های مختلف را بررسی کنیم. دیود دارای دو ناحیه عملکرد بایاس مستقیم (forward bias) و بایاس معکوس (reverse bias) است. در ادامه هر کدام از این دو حالت را توضیح می دهیم:

1) بایاس مستقیم

اگر ولتاژ مثبت به آند و ولتاژ منفی به کاتد وصل شود، دیود در بایاس مستقیم قرار می گیرد. فرض کنید همانند شکل پایین، دیود به صورت بایاس مستقیم به یک منبع ولتاژ dc وصل شده و مقاومت R نیز برای جلوگیری از آسیب رسیدن به دیود در نظرگرفته شده است. 

دیود در بایاس مستقیم

یکی از پارامترهای دیود، ولتاژ آستانه (threshold voltage) آن است. اگر در بایاس مستقیم، میزان اختلاف ولتاژ بین آند و کاتد از ولتاژ آستانه دیود بیشتر باشد، دیود هدایت میکند. برای دیودهای سیلیسیومی ولتاژ آستانه حدود 0.6 تا 0.7 ولت و برای دیودهای ژرمانیومی بین 0.2 تا 0.3 ولت است.

بنابراین در مدار فوق، اگر ولتاژ منبع Vs از 0.7 ولت (با فرض اینکه دیود از نوع سیلیسیوم باشد) بیشتر شود، دیود هدایت می کند و جریان در مدار جاری می شود. در این حالت، دیود همانند اتصال کوتاه عمل می کند.

2) بایاس معکوس

اگر ولتاژ مثبت به کاتد و ولتاژ منفی به آند وصل شود، دیود در بایاس معکوس قرار می گیرد. در مدار شکل پایین، دیود به صورت معکوس بایاس شده است. در این حالت، دیود اجازه عبور جریان نمی دهد و همانند مدار باز عمل می کند.

دیود در بایاس معکوس

البته لازم به ذکر است که در حالت بایاس معکوس، نمی توان هر ولتاژی را به دیود اعمال کرد، چون احتمال سوختن دیود وجود دارد. یکی دیگر از پارامترهای دیود که در دیتاشیت به آن اشاره شده، ولتاژ شکست یا breakdown voltage است و بیانگر این است که اگر ولتاژ اعمالی به دو سر دیود در حالت بایاس معکوس از این عدد بزرگتر باشد، دیود خواهد سوخت.

کاربرد دیود

دیود در مدارات الکتریکی کاربردهای زیادی می تواند داشته باشد که یکی از مهمترین آنها، تبدیل جریان الکتریکی متناوب (AC) به مستقیم (DC) است که به این بخش در مدار، رکتیفایر یا یکسوساز می‌گویند. در بسیاری از آداپتورها، از یک یا چند دیود برای یکسوسازی جریان متناوب استفاده میشود.

کاربرد های دیود

همچنین برای جلوگیری از سوختن وسیله الکتریکی بر اثر اتصال معکوس تغذیه از دیود استفاده میشود. علاوه بر این، دیودها در مدارات چند برابر کننده ولتاژ، مدارات برش دهنده و... نیز کاربرد دارند.

آشنایی با انواع دیود ها

دیودها به منظور استفاده ها و کارکردهای مختلف، انواع متعددی دارند اما به طور کلی میتوان دیودها را به این صورت دسته بندی کرد:

معرفی انواع دیود

1) دیود یکسوساز

این دیودها برای یکسوسازی یا یکطرفه کردن ولتاژ متناوب به کار میروند و در محدوده فرکانس کاری ۵۰ تا ۶۰ هرتز ساخته میشوند. یکی از پرکاربردترین نوع این دیودها، دیودهای سری 1N400X (از جمله 1N4007) هستند که برای جریانهای پایین در حد ۱ آمپر کاربرد دارند.

دیودهای سری 1N540X (از جمله 1N5408) نیز دیود یکسوکننده هستند و چون جریان بالاتری (تا ۳ آمپر) نسبت به سری 1N400X دارند، در بخش یکسوسازی منابع تغذیه استفاده میشوند.                                        

معرفی دیود یکسوساز

2) دیود اتصال نقطه ای

دیودهای معمولی در بایاس معکوس، یک ظرفیت خازنی درحدود پیکو فاراد ایجاد می کنند. اگر بخواهیم این دیودها را در فرکانس های بالا به کار ببریم، به دلیل ظرفیت خازنی در بایاس معکوس، مقاومت معکوس دیود کم شده و باعث عبور جریان از دیود میشود. برای کم کردن ظرفیت خازنی دیود، مناسبترین راه، کم کردن سطح اتصال هادی هاست. لذا سطح اتصال هادی ها در این نوع دیودها را به گونه ای می سازند که برای فرکانس های بالا و جریان های کم مناسب باشند. 

یکی از پرکاربردترین این نوع دیودها، دیود 1N4148 می باشد که در مدارات فرکانس بالایی که دیود لازم باشد، از آن استفاه میشود. این دیود البته برای جریان های پایین (تا ۲ آمپر) مناسب است. ظرفیت خازنی این دیود ۴ پیکوفاراد است در حالیکه دیودهای معمولی، چند ده پیکوفاراد خازن دارند.                                        

آشنایی با دیود اتصال نقطه ای

3) دیود شاتکی

دیودهای معمولی نمی توانند خیلی سریع قطع و وصل شوند. در مداراتی که نیاز به دیود با سرعت قطع و وصل بالا وجود دارد از دیودهای شاتکی استفاده میشود. این دیودها که به دیودهای Fast معروف هستند، دارای ولتاژ آستانه پایینتری نسبت به دیودهای معمولی هستند. همین عامل به این دیودها کمک میکند که در زمان کوتاهتری از وضعیت رسانایی به وضعیت نارسانایی انتقال یابند.

این دیودها در منابع تغذیه سوئیچینگ و مبدل های الکترونیک قدرت که نیاز به سرعت قطع و وصل بالا وجود دارد، کاربردهای زیادی دارند. دیودهای خانواده HER30X و MR85X و 1N58XX نمونه هایی از دیودهای شاتکی موجود در بازار هستند.                                            

عکسی از دیود شاتکی

4) دیود خازنی (واراکتور)

اگر دو نیمه هادی P و N را به عنوان دو رسانا و لایه سد بین آنها را به عنوان ماده دی الکتریک در نظر بگیریم، این مجموعه یک خازن را تشکیل میدهد که در ناحیه تخلیه حدود چند پیکوفاراد است. چون تشکیل این خازن، نتیجه وجود لایه سد در دیود است، این دیود همیشه باید در ناحیه بایاس معکوس باشد. 

از این دیودها در جاهایی که نیاز به خازن کنترل شده با ولتاژ داریم استفاده میشود. با افزایش ولتاژ معکوس دو سر این دیودها، ظرفیت خازنی آنها کاهش می یابد. این دیود ها در مدارات رادیو و تلویزیون به عنوان خازن متغیر استفاده میشوند. همچنین در مدارات کنترل فرکانس برای تبدیل تغییرات ولتاژ DC به تغییرات فرکانس این نوع دیودها کاربرد دارند.

 به عنوان نمونه هایی از این نوع دیودها میتوان به پارت نامبرهای زیر اشاره کرد:

  • BB103
  • BB135
  • BB187
  • 1SV55
  • 1S2688
  • HVU17
  • FC52M

 

معرفی دیود خازنی یا واراکتور

5) دیود زنر

دیود زنر هم مانند دیود معمولی از اتصال دو کریستال P و N ساخته میشود. جنس نیمه هادی های این دیود از سیلیسیوم بوده و در بایاس موافق، مانند یک دیود معمولی سیلیسیومی عمل می کند. برخلاف دیودهای معمولی که در بایاس مخالف و در منطقه شکست، آسیب می بینند، دیودهای زنر به گونه ای ساخته میشوند که بتوانند در منطقه شکست کار کنند.

 وقتی ولتاژ بایاس مخالف دیود زنر را به تدریج افزایش دهیم، در یک ولتاژ خاص که به آن ولتاژ شکست دیود زنر می گویند، شروع به هدایت می کند. در واقع با رسیدن دیود زنر به نقطه شکست دیود، ولتاژ دو سر آن تقریبا ثابت می ماند و جریان عبوری از آن افزایش می یابد. از این خاصیت دیود زنر برای تثبیت ولتاژ استفاده میشود.

بنابراین دیود زنر نوع خاصی از دیود است که جریان را در دو جهت از خود عبور میدهد و اساسا برای کار در ناحیه شکست طراحی شده است. از این دیود، در مدارات تنظیم ولتاژ برای تولید ولتاژ رفرنس استفاده میشود. همچنین این دیود در مدارات برشگر، مدارات سوئیچینگ و مدارهای حفاظتی کاربرد دارد.                                             

دیود های زنر

6) دیود نوری (LED)

دیودهای نوری یا LEDها، دیودهایی هستند که جریان عبوری از خود را به نور تبدیل می کنند. این دیودها در بایاس مستقیم و در شرایطی که ولتاژ و جریان موردنیازشان تامین شود، از خود نور تولید می کنند و در بایاس معکوس خاموش هستند. اغلب ال ای دی های متداول بسته به رنگ نوری که تولید می کنند، به ولتاژی بین 1.2 تا 3.6 ولت و جریانی بین 10 تا 30 میلی آمپر نیاز دارند.

ال ای دی ها از نظر ظاهری علاوه بر انواع DIP و smd شامل دو نوع دیگر Power-LED و COB (مخفف Chips On Board) نیز می باشند که در ساخت پنل های سقفی، چراغ های دکوراتیو و پروژکتورهای خیابانی کاربرد دارند. یکی از رایج ترین کاربردهای LED ها، استفاده در ساخت تابلو روان ها و سون سگمنت‌ها است.

انواع دیود های نوری (LED)

7) دیود IR و فتو دیود

دیود IR یا Infrared Diode که با عنوان سنسور مادون قرمز نیز شناخته می شود، یک دیود مادون قرمز است که می تواند فرستنده مادون قرمز یا گیرنده آن باشد. دیود نوع فرستنده که موج مادون قرمز را تولید می کند، سفید رنگ است و در بایاس مستقیم کار می کند و گیرنده مادون قرمز که به آن فتو دیود نیز می گویند، سیاه رنگ است و در بایاس معکوس کار می کند.

دیودهای IR کاربردهای زیادی دارند، مثلا در کنترل و گیرنده تلویزیون ها، تشخیص مانع در آسانسورها، ربات های مسیریاب، دوربین های مدار بسته، سنجش دور موتور و ... از این دیودها استفاده می شود.

آشنایی با دیود IR

 

8) دیود لیزری

دیود لیزری همانند LED برای تولید نور استفاده می شود اما نور ایجاد شده توسط دیود لیزری در یک نقطه کوچک منسجم و متمرکز است و شدت آن نسبت به LED بسیار بیشتر است. از این دیودها به طور گسترده در چاپگرها و اسکنرهای لیزری، اشاره گر لیزری، بارکد خوان ها، ارتباطات فیبر نوری، پخش کننده های CD/DVD و بسیاری از کاربردهای دیگر از جمله کاربردهای پزشکی، صنعتی و ابزار دقیق استفاده می شود.

آشنایی با دیود های لیزری

9) دیود تونلی

این دیودها دارای هدایت جریان در جهت معکوس و سرعت سوئیچینگ بالا (در حد نانو ثانیه) هستند و از آنجا که سرعت پاسخگویی زیادی دارند، در مدارات فرکانس بالا استفاده می شوند. از دیود تونلی در مدارات نوسان ساز و گیرنده های FM استفاده می شود.

عکس دیود تونلی

10) دیود خنثی ساز ولتاژ گذرا یا TVS

دیود خنثی ساز ولتاژ گذرا (Transient Voltage Suppression)، به منظور حفاظت از المان‌های حساس الکترونیکی در برابر افزایش ولتاژ لحظه‌ای در مدارات الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد. این دیود به صورت موازی با المان موردنظر قرار می‌گیرد. عملکرد این دیود مشابه دیود زنر است، یعنی در بایاس معکوس، جریانی از آن عبور می کند و ولتاژ به مقدار نامی دیود محدود می شود.

در برخی از مدارهای مجتمع به صورت داخلی روی پایه های حساس به ولتاژ گذرا، دیود TVS تعبیه شده است و در برخی دیگر باید به صورت خارجی دیودهای TVS قرار دهیم. در پروژه های آزمایشگاهی، نیازی به استفاده از این دیودها نیست. اما اگر بخواهیم بردی طراحی کنیم که در محیط صنعتی کار کند، استفاده از این دیودها ضروری است. به خصوص اگر از قطعات حساس به ولتاژ گذرا مانند RAMها، CPUها، حافظه های SD/MMC Card در طراحی استفاده کرده باشیم.

عکس از مدل های دیود TVS

جمع بندی

در این یادداشت، ابتدا به بررسی دیودها و ساختار و نحوه عملکرد آن پرداخته شد و سپس در ادامه، انواع مختلف دیودها به همراه نکات عملی و کاربردی آنها بیان گردید. در مقالات بعدی، به طور اختصاصی و با جزئیات بیشتر در مورد مباحث دیگر مربوط به دیودها از جمله تست دیودها، بحث یکسوسازی و انواع آن و ... خواهیم نوشت.

تمامی موارد فوق را به صورت عملی همراه با نکات تجربی دیگر در مورد انواع دیودها و روش های تست آنها به طور کامل در آموزش جامع متخصص الکترونیک بررسی کرده ایم.

در پایان، ممنون که همراه ما بودید. هر سوال یا ابهامی در مورد مطالب ارائه شده در این مقاله دارید حتما در کامنت ها بنویسید، به تمام سوالات پاسخ داده میشه. اگه انتقاد یا پیشنهادی هم داشتید ممنون میشم با ما در میان بزارید.

منابع: Electrical Technology Electrical 4U

هادی حاجی محمدی

15 مطلب منتشر شده

هادی حاجی محمدی هستم، علاقمند به دنیای الکترونیک و سیستم‌های هوشمند. در زمینه منابع تغذیه سوئیچینگ، اینترنت اشیا و برنامه‌نویسی بردهای الکترونیکی فعالیت داشتم و در حال حاضر مقالات وبلاگ برقی شو رو می نویسم.

درباره این مطلب نظر دهید !
قالب فروش فایل

مطالب مرتبط