دیود چیست؟ هر آنچه که باید بدانید

هنگامی که از اجزای ساده و غیرفعال مانند مقاومت ها، خازن ها و سلف ها گذر کردید، زمان آن فرا رسیده که به دنیای شگفت انگیز نیمه هادی ها قدم بگذارید. یکی از پرکاربردترین قطعات نیمه هادی دیود (Diode) است.

دیودها برای محافظت از مدارها با محدود کردن ولتاژ و همچنین تبدیل AC به DC استفاده می شوند. نیمه هادی هایی مانند سیلیکون و ژرمانیوم برای استفاده حداکثری از دیودها استفاده می شود. حتی اگر آنها جریان را در یک جهت منتقل کنند، روش انتقال آنها متفاوت است. دیودها انواع مختلفی دارند و هر نوع کاربردهای خاص خود را دارد گه در ادامه این مقاله به آن ها می پردازیم؛

دیود ایده آل

عملکرد کلیدی یک دیود ایده آل (ideal diode) کنترل جهت جریان (current-flow) است. جریان عبوری از دیود فقط می تواند در یک جهت حرکت کند که به آن جهت جلو (forward direction) می گویند. جریانی که می خواهد در جهت عکس جریان پیدا کند مسدود می شود. دیودها مانند شیر یک طرفه الکترونیک هستند.

اگر ولتاژ دو طرف یک دیود منفی باشد، هیچ جریانی نمی تواند جریان داشته باشد و دیود ایده آل مانند یک مدار باز به نظر می رسد. در چنین شرایطی گفته می شود که دیود خاموش یا بایاس معکوس است.

تا زمانی که ولتاژ دو طرف دیود منفی نباشد، “روشن” می شود و جریان را هدایت می کند. در حالت ایده آل یک دیود اگر رسانای جریان باشد مانند یک اتصال کوتاه (۰ ولت در سراسر آن) عمل می کند. هنگامی که یک دیود در حال رسانش جریان است، بایاس رو به جلو است (اصطلاحات تخصصی الکترونیک برای “روشن”).

ویژگی های دیود ایده آل

نماد دیود در مدار

هر دیود دارای دو پایه است — اتصالات در هر انتهای قطعه — و آن پایه ها پلاریزه هستند، به این معنی که دو پایه کاملاً متفاوت هستند. مهم است که اتصالات روی دیود را با هم مخلوط نکنید. انتهای مثبت دیود را آند و انتهای منفی را کاتد می نامند. جریان می تواند از انتهای آند به کاتد جریان یابد، اما نه جهت دیگر.

اگر فراموش کردید که جریان از کدام سمت دیود می گذرد، سعی کنید ACID مخفف “anode current in diode” را به خاطر بسپارید: “جریان آند در دیود” (کاتد آند نیز دیود است).

نماد مدار یک دیود استاندارد، مثلثی است که در مقابل یک خط قرار دارد (مانند شکل زیر). همانطور که در ادامه این مقاله آموزشی به آن خواهیم پرداخت، انواع مختلفی از دیودها وجود دارد، اما معمولا نماد مدار آنها چیزی شبیه به شکل زیر خواهد بود:

ترمینال وارد شده به لبه صاف مثلث نشان دهنده آند است. جریان در جهتی جریان می یابد که مثلث/فلش نشان می دهد، اما نمی تواند به سمت دیگری برود.

در بالا چند مثال ساده از مدار دیود آورده شده است. در سمت چپ، دیود D1 بایاس رو به جلو است و اجازه می دهد جریان از مدار عبور کند. در اصل مانند یک اتصال کوتاه به نظر می رسد. در سمت راست، دیود D2 بایاس معکوس است. جریان نمی تواند از مدار عبور کند و اساساً مانند یک مدار باز به نظر می رسد.

ويژگی های دیود واقعی!

در حالت ایده‌آل، دیودها تمام جریانی را که در جهت معکوس جریان می‌یابد را مسدود می‌کنند، یا اگر جریان رو به جلو باشد، مانند یک اتصال کوتاه عمل می‌کنند. متأسفانه، رفتار واقعی دیود کاملا ایده آل نیست. دیودها هنگام انتقال جریان رو به جلو مقداری انرژی مصرف می کنند و تمام جریان معکوس را مسدود نمی کنند.

یک دیود واقعی نه به عنوان یک هادی کامل در هنگام بایاس به جلو و نه به عنوان یک عایق کامل در هنگام بایاس معکوس عمل می کند.

رابطه جریان- ولتاژ

مهمترین مشخصه دیود رابطه جریان-ولتاژ (i-v) آن است. با توجه به اینکه چه ولتاژی در یک قطعه اندازه گیری می شود، این مشخص می کند که جریانی که از یک قطعه عبور می کند چیست.

برای مثال مقاومت ها یک رابطه ساده و خطی i-v دارند… همان قانون اهم. اگرچه منحنی i-v یک دیود کاملاً غیر خطی است. چیزی شبیه به شکل زیر نظر می رسد:

بسته به ولتاژ اعمال شده در آن، یک دیود در یکی از سه حالت زیر عمل می کند:

بایاس رو به جلو: زمانی که ولتاژ دو سر دیود مثبت است، دیود روشن است و جریان می تواند از آن عبور کند. ولتاژ باید بیشتر از ولتاژ پیشرو (VF) باشد تا جریان قابل توجهی باشد.

بایاس معکوس: این حالت “خاموش” دیود است که در آن ولتاژ کمتر از VF اما بیشتر از -VBR است. در این حالت جریان جاری (بیشتر) مسدود است و دیود خاموش است. مقدار بسیار کمی از جریان (در مرتبه nA) – به نام جریان اشباع معکوس – قادر است به صورت معکوس از طریق دیود عبور کند.

خرابی: زمانی که ولتاژ اعمال شده در دیود بسیار زیاد و منفی باشد، جریان زیادی می تواند در جهت معکوس، از کاتد به آند، جریان یابد.

منظور از ولتاژ پیشرو یا VF (Forward Voltage) چیست؟

به منظور “روشن شدن” و هدایت جریان در جهت جلو، یک دیود نیاز به مقدار معینی ولتاژ مثبت دارد تا در سراسر آن اعمال شود. ولتاژ معمولی مورد نیاز برای روشن کردن دیود، ولتاژ پیشرو (VF) نامیده می شود. همچنین ممکن است ولتاژ قطع یا ولتاژ روشن نامیده شود.

همانطور که از منحنی i-v می دانیم، جریان عبوری و ولتاژ در یک دیود به یکدیگر وابسته هستند. جریان بیشتر یعنی ولتاژ بیشتر، ولتاژ کمتر یعنی جریان کمتر. با این حال، هنگامی که ولتاژ به حدود ولتاژ پیشرو می رسد، افزایش های زیاد در جریان همچنان باید فقط به معنای افزایش بسیار کمی در ولتاژ باشد.

برای دیودهای سیلیکونی ولتاژ فوروارد ۶۹۰ میلی ولت و برای ژرمانیوم ۳۰۰ میلی ولت ولتاژ فوروارد است.

اگر یک دیود به طور کامل رسانا باشد، معمولاً می توان فرض کرد که ولتاژ دو طرف آن، درجه بندی ولتاژ رو به جلو (VF) است.

VF یک دیود خاص بستگی به مواد نیمه هادی دارد که از آن ساخته شده است. به طور معمول، یک دیود سیلیکونی دارای VF حدود ۰.۶-1V است. یک دیود مبتنی بر ژرمانیوم ممکن است کمتر، حدود ۰.۳ ولت باشد.

نوع دیود نیز در تعیین افت ولتاژ رو به جلو اهمیت دارد. دیودهای ساطع کننده نور می توانند VF بسیار بزرگتری داشته باشند، در حالی که دیودهای شاتکی (Schottky) یا دیود حامل داغ، به طور خاص برای داشتن ولتاژ پیشرو (VF) بسیار کمتر از حد معمول طراحی شده اند.

ولتاژ شِکست چیست؟ (Breakdown Voltage)

اگر ولتاژ منفی به اندازه کافی به دیود اعمال شود، تسلیم شده و اجازه می دهد جریان در جهت معکوس جریان یابد. این ولتاژ منفی بزرگ، ولتاژ شکست نامیده می شود.

برخی از دیودها در واقع برای کار در ناحیه خرابی طراحی شده اند، اما برای اکثر دیودهای معمولی، قرار گرفتن در معرض ولتاژ منفی زیاد چندان سالم نیست.

برای دیودهای معمولی این ولتاژ شکست حدود -۵۰ ولت تا -۱۰۰ ولت یا حتی منفی تر است.

دیتاشیت دیود

تمام مشخصات فوق باید در دیتاشیت برای هر دیود به تفصیل ذکر شود. به عنوان مثال، دیتاشیت زیر برای یک دیود 1N4148 حداکثر VF (1 ولت) و ولتاژ شکست (۱۰۰ ولت) را (در میان بسیاری از اطلاعات دیگر) فهرست می کند:

یک دیتاشیت حتی ممکن است یک نمودار ولتاژ- جریان بسیار آشنا را به شما ارائه دهد تا این که جزئیات بیشتر نحوه عملکرد دیود را نشان دهد.

نمودار زیر از دیتاشیت دیود، قسمت منحنی و رو به جلو در منحنی i-v را بزرگ می کند. توجه کنید که چقدر جریان بیشتر به ولتاژ بیشتری نیاز دارد:

نمودار بالا به یکی دیگر از ویژگی های مهم دیود اشاره می کند – حداکثر جریان رو به جلو. درست مانند هر جزء، دیودها فقط می توانند قبل از منفجر شدن، توان زیادی را از بین ببرند. همه دیودها باید حداکثر VF، ولتاژ معکوس و اتلاف توان را ذکر کنند.

اگر یک دیود در معرض ولتاژ یا جریان بیشتری نسبت به توان خود باشد، انتظار داشته باشید که گرم شود (یا بدتر از آن؛ ذوب، دود، …).

برخی از دیودها برای جریان های بالا – ۱ آمپر یا بیشتر – مناسب هستند – برخی دیگر مانند دیود سیگنال کوچک 1N4148 که در بالا نشان داده شده است، ممکن است فقط برای حدود ۲۰۰ میلی آمپر مناسب باشند.

دیود 1N4148 تنها نمونه کوچکی از انواع مختلف دیودهایی است که وجود دارد. در ادامه بررسی خواهیم کرد که چه تنوع شگفت انگیزی از دیودها وجود دارد و هر نوع چه هدفی را دنبال می کند.

انواع دیودها

دیودهای معمولی

دیودهای سیگنال

دیودهای سیگنال استاندارد از ابتدایی ترین، متوسط ترین و بدون حاشیه ترین اعضای خانواده دیودها هستند. آنها معمولا دارای یک افت ولتاژ رو به جلو متوسط به بالا و حداکثر جریان کم هستند. یک مثال رایج از دیود سیگنال 1N4148 است.

در این دیود افت ولتاژ رو به جلو معمولی ۰.۷۲V و حداکثر نرخ جریان رو به جلو ۳۰۰mA است.

دیودهای قدرت (Power Diodes)

یکسوکننده یا دیود قدرت یک دیود استاندارد با درجه جریان بیشینه بسیار بالاتر است. این درجه جریان بالاتر معمولا به قیمت یک ولتاژ رو به جلو بزرگ تر به دست می آید. ۱N۴۰۰۱ نمونه ای از یک دیود قدرت است.

دیود ۱N۴۰۰۱ دارای نرخ جریان ۱A و ولتاژ رو به جلو ۱.۱V است.

البته بیشتر انواع دیودها نیز در انواع سطحی قرار می گیرند و شما متوجه خواهید شد که هر دیود راهی دارد (فرقی نمی کند چقدر کوچک یا سخت باشد) تا نشان دهد کدام یک از دو پین آن کاتد است.

دیودهای ساطع کننده نور (LED)

پر زرق و برق ترین عضو خانواده دیودها را باید دیود ساطع کننده نور light-emitting diode (LED) بدانیم. این دیودها با اعمال ولتاژ مثبت به معنای واقعی کلمه روشن می شوند.

مانند دیودهای معمولی، LED ها فقط جریان را از یک جهت عبور می دهند. آنها همچنین دارای رتبه ولتاژ رو به جلو (VF) هستند که ولتاژ مورد نیاز برای روشن شدن آنها است.

نرخ VF یک LED معمولا بزرگتر از دیود معمولی است (۱.۲ تا ۳ ولت) و به رنگی که LED منتشر می کند بستگی دارد. به عنوان مثال، ولتاژ نامی یک LED آبی سوپر روشن حدود ۳.۳ ولت است، در حالی که ولتاژ یک LED قرمز سوپر روشن فقط ۲.۲ ولت است.

واضح است که اغلب LED ها را در برنامه های روشنایی پیدا خواهید کرد. آنها چشمک زن و سرگرم کننده هستند! اما بیشتر از آن، راندمان بالای آنها منجر به استفاده گسترده در چراغ های خیابانی، نمایشگرها، نور پس زمینه و موارد دیگر شده است.

LED های دیگر نوری را منتشر می کنند که برای چشم انسان قابل مشاهده نیست، مانند LED های مادون قرمز، که در کنترلرهای از راه دور مورد استفاده قرار گرفته اند.

Opto-isolator ها یک LED مادون قرمز را با یک حسگر نوری یا فوتوسنسور جفت می‌کنند، که اجازه می دهد جریان هنگامی که نور را از LED تشخیص می دهد، جریان پیدا کند. در زیر نمونه ای از مدار یک Opto-isolator را مشاهده می کنید.

توجه داشته باشید که چگونه نماد شماتیک LED از دیود معمولی متفاوت است. نمادهای LED چند فلش را به بیرون از نماد اضافه می کنند.

دیود شاتکی (Schottky Diodes)

یکی دیگر از دیودهای بسیار رایج دیود شاتکی است که تصویر یک نمونه از آن را در زیر مشاهده می کنید.

دیود شاتکی یا دیود حامل داغ (به انگلیسی: Schottky diode ) (نام گذاری شده به افتخار دانشمند آلمانی والتر شوتکی) یک دیود نیمه هادی با افت ولتاژ پایین در حالت بایاس مستقیم و سرعت کلید زنی بسیار سریع می‌باشد.

ویکی پدیا فارسی

ترکیب نیمه هادی یک دیود شاتکی کمی با یک دیود معمولی متفاوت است و این منجر به افت ولتاژ رو به جلو بسیار کمتری می شود که معمولاً بین ۰.۱۵ ولت و ۰.۴۵ ولت است. اگرچه این نوع از دیودها همچنان ولتاژ شکست بسیار زیادی خواهند داشت.

دیودهای شاتکی به ویژه در محدود کردن تلفات مفید هستند، زمانی که آخرین بیت ولتاژ باید در امان باشد. آن‌ها به اندازه‌ای منحصربه‌فرد هستند که نمادی از مدار خود را با چند خمیدگی در انتهای خط کاتد دریافت کنند.

دیود زنر (Zener Diodes)

دیودهای زنر طرد شده های عجیب خانواده دیودها هستند. آنها معمولاً برای هدایت عمدی جریان معکوس استفاده می شوند.

زنر به گونه ای طراحی شده است که ولتاژ شکست بسیار دقیقی داشته باشد که شکست زنر یا ولتاژ زنر نامیده می شود. هنگامی که جریان کافی به صورت معکوس از زنر عبور می کند، افت ولتاژ در آن در ولتاژ شکست ثابت می ماند.

دیودهای زنر با بهره گیری از خاصیت شکست خود، اغلب برای ایجاد یک ولتاژ مرجع شناخته شده دقیقاً در ولتاژ زنر خود استفاده می شوند. آنها می توانند به عنوان یک تنظیم کننده ولتاژ برای بارهای کوچک استفاده شوند، اما آنها واقعاً برای تنظیم ولتاژ به مدارهایی که مقدار قابل توجهی جریان را می کشند ساخته نشده اند.

زنرها به اندازه کافی خاص هستند که نماد مدار خود را با انتهای موج دار روی خط کاتد به دست آورند. این نماد حتی ممکن است دقیقاً تعیین کند که ولتاژ زنر دیود چقدر است. در اینجا یک دیود زنر ۳.۳ ولت برای ایجاد یک مرجع ولتاژ ۳.۳ ولت عمل می کند:

دیودهای TVS

دیودهای TVS (Transient Voltage Suppressor) قطعاتی هستند که برای محافظت از قطعات حساس مانند نیمه هادی ها استفاده می شوند. آنها به گونه ای طراحی شده اند که به اسپایک ولتاژ (Voltage spikes یا میخ ولتاژ: اضافه توان سریع و کوتاه مدت) واکنش نشان دهند و قبل از ورود به مدار، ولتاژ را در یک مقدار تعیین شده ببندند. آنها به روشی مشابه فیلترهای روی خطوط هوا یا لوله های آب عمل می کنند.

دیودهای TVS در IC ها (مدارهای مجتمع) برای محافظت در برابر اضافه ولتاژ و اثرات قوس الکتریکی، EFT (گذرهای سریع الکتریکی)، ESD (تخلیه الکترواستاتیک)، سوئیچینگ بار القایی، و حتی برخورد صاعقه استفاده می شوند.

موارد استفاده و کاربردهای TVS Diodes شامل حفاظت از اجزا و تجهیزات زیر می باشد:

• حافظه MOS
• تجهیزات مخابراتی
• ریز پردازنده ها (Microprocessors)
• خطوط برق AC
• تجهیزات الکترونیکی داخلی (Domestic electronic equipment)

این اجزا در مقایسه با دیودهای استاندارد سودمند هستند زیرا دارای سطح مقطع اتصال P-N بزرگتر هستند. این طراحی بزرگتر به این معنی است که دیودهای TVS می توانند جریان های بیشتری را به طور ایمن به زمین منتقل کنند و احتمال آسیب را به حداقل برسانند. آنها همچنین واکنش سریعی به اسپایک های گذرای بالا ارائه می دهند و به سرعت برای سرکوب ولتاژ و اطمینان از محافظت مدارها کار می کنند.

فوتودیود (Photodiodes)

فوتودیودها دیودهایی هستند که به طور خاص ساخته شده اند، که انرژی را از فوتون های نور می گیرند (به فیزیک، کوانتوم مراجعه کنید!) تا جریان الکتریکی تولید کنند. به نوعی به عنوان یک ضد LED عمل می کند.

سلول های خورشیدی عامل اصلی فن آوری فوتودیود هستند؛ اما از این دیودها می توان برای تشخیص نور یا حتی برقراری ارتباط نوری نیز استفاده کرد.

کاربردهای دیود

دیودها طیف وسیعی از کاربردها را دارند. تقریباً در هر مدار یک Diode از از انواع مختلف را پیدا خواهید کرد. آنها را می توان در هر چیزی از یک منطق دیجیتال سیگنال کوچک گرفته تا یک مدار تبدیل توان ولتاژ بالا نشان داد. بیایید برخی از این کاربردها را بررسی کنیم.

یکی از کاربردهای عمده دیودها حذف سیگنال های منفی از جریان AC است. این به عنوان دمدولاسیون سیگنال شناخته می شود. این تابع اساساً در رادیوها به عنوان یک سیستم فیلتر کننده به منظور استخراج سیگنال های رادیویی از یک موج حامل استفاده می شود.

یکسو کننده ها (Rectifiers)

یکسو کننده مداری است که جریان متناوب (AC) را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می کند. این تبدیل برای همه انواع لوازم الکترونیکی خانگی حیاتی است. سیگنال های AC از پریزهای دیواری خانه شما خارج می شوند، اما DC همان چیزی است که انرژی بیشتر کامپیوترها و سایر میکروالکترونیک ها را تامین می کند.

جریان در مدارهای AC به معنای واقعی کلمه متناوب می شود – به سرعت بین دو جهت مثبت و منفی تغییر می کند – اما جریان در سیگنال DC فقط در یک جهت جریان دارد. بنابراین برای تبدیل از AC به DC فقط باید مطمئن شوید که جریان نمی تواند در جهت منفی حرکت کند. به نظر می رسد این فقط کار یک Diode است.

یکسو کننده نیمه موج را می توان تنها از یک دیود ساخت. اگر یک سیگنال AC مانند یک موج سینوسی از طریق یک دیود ارسال شود، هر جزء منفی به سیگنال قطع می شود.

این مدارها جزء حیاتی در منابع تغذیه AC-to-DC هستند که سیگنال ۱۲۰/240VAC پریز دیوار را به سیگنال های ۳.3V، 5V، 12V و غیره DC تبدیل می کنند.

حفاظت از جریان معکوس

دیودی که به صورت سری با طرف مثبت منبع تغذیه قرار می گیرد، دیود حفاظت معکوس نامیده می شود. این تضمین می کند که جریان فقط می تواند در جهت مثبت جریان یابد و منبع تغذیه فقط یک ولتاژ مثبت به مدار شما اعمال می کند.

اشکال دیود حفاظت معکوس این است که به دلیل افت ولتاژ رو به جلو، مقداری از دست دادن ولتاژ را القا می کند. این اتفاق، دیودهای شاتکی را به گزینه ای عالی برای دیودهای حفاظت معکوس تبدیل می کند.

گیت های منطقی

ترانزیستورها را فراموش کنید! گیت های منطقی دیجیتال ساده، مانند AND یا OR، می توانند از دیود ساخته شوند.

به عنوان مثال، یک گیت دو ورودی OR می تواند از دو دیود با گره های کاتدی مشترک ساخته شود. خروجی مدار منطقی نیز در آن گره قرار دارد. هرگاه یکی از ورودی ها (یا هر دو) یک منطق ۱ (بالا/۵ ولت) باشد، خروجی نیز منطق ۱ می شود. هنگامی که هر دو ورودی یک منطق ۰ (کم / ۰ ولت) هستند، خروجی از طریق مقاومت پایین کشیده می شود.

یک گیت AND به روشی مشابه ساخته شده است. آندهای هر دو دیود به هم متصل می شوند که خروجی مدار در آنجا قرار دارد. هر دو ورودی باید منطقی ۱ باشند که جریان را مجبور می کند به سمت پین خروجی حرکت کند و آن را نیز بالا بکشد. اگر هر یک از ورودی ها کم باشد، جریان از منبع ۵ ولت از دیود عبور می کند.

برای هر دو گیت منطقی، تنها با افزودن یک دیود می توان ورودی های بیشتری را اضافه کرد.

سوالات متداول درباره دیودها-FAQ

منابع:

sparkfun.com

byjus.com