دیود چیست و انواع آن کدام است؟
دیود چیست و چه کاربردهایی دارد؟ این سوالی است که ذهن بسیاری از افراد را درگیر کرده است ، بنابراین در این مقاله ما دیودها را بررسی می کنیم. ما همچنین در مورد ساختار و کاربرد دیود صحبت می کنیم.
هنگامی که مدارهای الکترونیکی نیاز به جریان الکتریکی در یک جهت و بدون جریان (مدار باز) در جهت دیگر دارند ، ما از قطعه ای به نام دیود استفاده می کنیم. (رفع جریان در مدار)
دیود به عنوان دریچه دهلیزی قلب عمل می کند. دریچه دهلیزی بطنی خون را به یک جهت هدایت می کند و جریان خون را در جهت دیگر مسدود می کند. دیود همچنین برق را از یک طرف هدایت می کند. از یک طرف ، از عبور جریان جلوگیری می کند.
دیود چیست؟
دیود در واقع یک دستگاه الکترونیکی با دو سر است. دیود جریان الکتریکی را در یک جهت هدایت می کند (در این حالت مقاومت دیود ناچیز است) و در جهت دیگر مقاومت بسیار بالایی (ایده آل بی نهایت) در برابر جریان دارد.
به دلیل این ویژگی دیود ، در سالهای اولیه ساخت این قطعه الکترونیکی به آن "دریچه" نیز می گفتند. رایج ترین نوع دیود از کریستال نیمه هادی ساخته شده است. دیود با اتصال دو نیمه هادی از نوع P و N ساخته می شود. پایه متصل به نیمه هادی نوع N را "کاتد" و پایه متصل به نیمه هادی نوع P را "آند" می نامند. دیود اولین جزء تولید شده با نیمه هادی ها است.
مهمترین کاربرد دیود عبور جریان در یک جهت (جلو دیود) و جلوگیری از جریان در جهت مخالف (جهت معکوس) است. در نتیجه ، دیود را می توان به عنوان یک شیر برقی یک طرفه در نظر گرفت. این ویژگی دیود برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم استفاده می شود.
از نظر الکتریکی ، هنگامی که یک دیود برای کار آماده می شود ، یک ولتاژ (بایاس) را در جهت صحیح به آند اعمال می کند و جریان را مستقیماً به کاتد هدایت می کند ، که به آن بایاس گفته می شود.
مقدار ولتاژی که باعث می شود یک دیود هدایت جریان الکتریکی را شروع کند ولتاژ آستانه (threshold voltage) نامیده می شود که برای دیودهای سیلیکونی حدود 0.6 تا 0.7 ولت برای دیودهای ژرمانیوم 0.2 تا 0.3 ولت است.
اما وقتی ولتاژ معکوس به دیود (+ به کاتد و - به اصطلاح بایاس معکوس) متصل می شود ، هیچ جریانی از آن عبور نمی کند. به جز جریان بسیار کوچکی که به عنوان "جریان نشت" چند میکروآمپر یا کمتر شناخته می شود. این مقدار جریان معمولاً در اکثر مدارهای الکترونیکی ناچیز است و بر رفتار سایر عناصر مدار تأثیر نمی گذارد.
هرچه مواد کریستالی منظم تری برای ساخت دیود استفاده شود ، دیود بهتر و جریان نشتی کمتری دارد. با فناوری جدید ، میزان جریان نشتی در دیودها عملاً صفر است. توجه به این نکته ضروری است که همه دیودها دارای آستانه ای برای حداکثر ولتاژ معکوس هستند ، جایی که اگر ولتاژ معکوس از آن بیشتر شود ، دیود می سوزد (کریستال ذوب می شود) و جریان را در جهت معکوس عبور می دهد. این ولتاژ آستانه "ولتاژ شکست" نامیده می شود.
بایاس دیود
اتصال ولتاژ به دیود را بایاس دیود می گویند اعمال ولتاژ در دو انتهای پایه آن باعث دو حالت می شود.
بایاس مستقیم
در این حالت مثبت ، باتری به آند (قطب p) می رود و باتری منفی به کاتد (قطب n) می رود و باعث می شود که یک جریان در دیود جریان یابد و ولتاژ روی آن حدود 0.6 کاهش یابد.
بایاس معکوس
ولتاژ به دو سر دیود متصل است ، به طوری که قطب مثبت به کاتد و قطب منفی به آند (قطب معکوس دیود) متصل می شود. وقتی ولتاژ معکوس را به دیود وصل می کنید ، هیچ جریانی از دیود عبور نمی کند مگر جریان بسیار کمی که به عنوان جریان نشتی چند میکرو آمپر یا کمتر شناخته می شود.
اما نکته مهم این است که همه دیودها دارای آستانه حداکثر ولتاژ معکوس هستند ، اگر ولتاژ معکوس از آن بیشتر شود ، دیود می سوزد و جریان را در جهت معکوس منتقل می کند. این ولتاژ را آستانه شکست یا Breakdown می نامند.
نماد مداری
اکثر دیودها دارای یک نوار خاکستری در یک سر قطعه هستند که جهت کاتد را نشان می دهد. نماد مداری مثلثی است که در انتهای آن خط عمود بر کاتد قرار دارد. این نماد نشان می دهد که جریان معمولی در مدار از آند به کاتد هدایت می شود. در عمل ، الکترونهای موجود در مدار از منفی به مثبت حرکت می کنند ، اما جریان متعارف در جهت مخالف الکترون ها جریان دارد.
طبقه بندی کلی دیودها
در دسته اصلی ، دیودها به سه قسمت اصلی تقسیم می شوند: دیودهای تشخیص رادیویی و سیگنال های مورد استفاده برای جریان در محدوده میلی آمپر ، و یکسو کننده ها (یکسو کننده ها) برای تصحیح جریان استفاده می شود. از جریان های متناوب استفاده می شود و توانایی عبور جریان های بزرگ به ، و دیودهای زنر برای تثبیت ولتاژ استفاده می شود.
دیودهای سیگنال
این نوع دیود برای رسیدگی به سیگنالهای ضعیف (معمولاً رادیویی و جریان کم) حداکثر تا حداکثر 100 میلی آمپر استفاده می شود. معروف ترین و پرکاربردترین دیودی که ممکن است با آن آشنا باشید ، دیود 1N4148 است که از سیلیکون ساخته شده است و ولتاژ مستقیم بایاس آن 0.7 ولت است.
اما برخی از دیودهای سیگنال نیز از ژرمانیوم ساخته شده اند ، مانند OA90 که ولتاژ مستقیم بایاس کمتری در حدود 0.2 ولت دارد. بنابراین ، این نوع دیود بیشتر برای تشخیص امواج رادیویی تعدیل شده استفاده می شود.
دیود سیلیسیم بهتر است یا ژرمانیم؟
به عنوان یک قاعده کلی ، دیودهای سیلیکونی زمانی استفاده می شوند که ولتاژ خرابی مستقیم دیود اهمیت چندانی نداشته باشد. این امر به این دلیل است که هنگام لحیم کاری مقاومت بهتری در برابر محیط یا حرارت و همچنین مقاومت الکتریکی کمتری در ولتاژ مستقیم دارند. همچنین ، دیودهای سیلیکونی سیگنال به طور کلی جریان نشت بسیار کمتری در ولتاژ معکوس نسبت به ژرمانیوم دارند.
یکی دیگر از کاربردهای دیودهای سیگنال استفاده از آنها برای محافظت از مدار در زمان قرارگیری رله در مدار الکترونیکی است.
هنگامی که رله خاموش است ، تغییر جریان سیم پیچ آن می تواند باعث ایجاد ولتاژ بسیار بالا در دو طرف شود و قرار دادن دیود در جهت مناسب می تواند این ولتاژ را خنثی کند.
در مقاله زیر ، دیود چیست و کجا استفاده می شود و انواع مهم دیودها را بررسی می کنیم.
دیود لیزری (laser diode)
این نوع دیودها از نظر LED ها از نظر تولید چراغ های منسجم متفاوت هستند. این مدل شامل درایوهای DVD و CD ، اشاره گرهای لیزری نقطه ای و .. استفاده می شود.
ديود زنر (zener diode)
دیود زنر برای تثبیت ولتاژ استفاده می شود. نوار سیاه روی دیود زنر کاتد دیود است. ولتاژ روی دیود زنر تقریبا ثابت است و تغییرات جریان هیچ تاثیری بر آن ندارد. از دیودهای زنر در ناحیه گسل استفاده می شود. ولتاژ خرابی این دیودها ولتاژ زنر نامیده می شود و با Vz نشان داده می شود و مقدار آن بین 2.4 ولت تا 200 ولت ساخته شده است. از آنجا که دیود زنر باید بایاس معکوس باشد ، کاتد آن به منبع ولتاژ مثبت (منبع) و آند آن به قطب منفی منبع ولتاژ متصل می شود ، در این صورت جریان از کاتد به آند جهت خواهد داشت. به آزمایش این دیود با مولتی متر همان دیود معمولی است.
دیود LED
LED ها دقیقاً مانند دیودهای معمولی هستند و مستقیماً بایاس هستند ، یعنی منبع تغذیه مثبت به آند وصل می شود و قدرت منفی به کاتد متصل می شود و نور ساطع می کند. بسته به رنگ LED سبز ، آبی ، قرمز و ..نامیده می شود.
ديود شاتکی (schottky diode)
دیودهای نیمه هادی با افت ولتاژ کم در حالت مستقیم بایاس و سرعت سوئیچینگ بسیار زیاد است. در دیودهای معمولی ، هنگام عبور جریان الکتریکی افت ولتاژ در حدود 0.6 تا 1.7 ولت است ، در حالی که در دیودهای شاتکی افت ولتاژ حدود 0.15 تا 0.45 ولت است. دیود شاتکی با ترکیب دو دیود معمولی تولید می شود.
پل دیود
این مداری است که با تغییر در قطبیت منبع تغذیه ، قطبیت خروجی را تغییر نمی دهد و عموماً برای تصحیح جریان متناوب و بدست آوردن جریان مستقیم کل موج استفاده می شود.
دیودهای سیگنال
این نوع دیودها برای مدیریت سیگنالهای ضعیف - معمولاً "رادیویی" - و جریان کم - حداکثر تا حدود 100 میلی آمپر استفاده می شوند. 0.7 ولت .اما برخی از دیودهای سیگنال نیز از ژرمانیوم ساخته شده اند ، مانند OA90 که ولتاژ خرابی مستقیم آن کمتر از 0.2 ولت است. بنابراین ، این نوع دیود بیشتر برای تشخیص امواج رادیویی تعدیل شده استفاده می شود.
به عنوان یک قاعده کلی ، دیودهای سیلیکونی زمانی استفاده می شوند که ولتاژ خرابی مستقیم دیود اهمیت چندانی نداشته باشد. این امر به این دلیل است که هنگام لحیم کاری مقاومت بهتری در برابر محیط یا حرارت و همچنین مقاومت الکتریکی کمتری در ولتاژ مستقیم دارند. همچنین ، دیودهای سیلیکونی سیگنال به طور کلی جریان نشت بسیار کمتری در ولتاژ معکوس نسبت به ژرمانیوم دارند.
یکی دیگر از کاربردهای دیودهای سیگنال استفاده از آنها برای محافظت از مدار در زمان قرارگیری رله در مدار الکترونیکی است. هنگامی که رله خاموش است ، تغییر جریان سیم پیچ آن می تواند باعث ایجاد ولتاژ بسیار بالا در دو طرف شود و قرار دادن دیود در جهت مناسب می تواند این ولتاژ را خنثی کند.
فتو دیود: این دیود شامل دو نیمه هادی نوع P&N است. تفاوت در این است که اتصال P&N با پلاستیک مشکی پوشانده نشده است تا نور را بتاباند ، اما با شیشه یا پلاستیک شفاف پوشانده شده است تا نور به راحتی از آن عبور کند. یک لنز بسیار کوچک به دیودهای نوری متصل است تا بتواند نور منعکس شده روی آن را متمرکز کرده و به محل پیوند منتقل کند.
دیود متغیر:
هنگامی که یک دیود در قطبش معکوس قرار می گیرد ، به عنوان یک عایق یا دی الکتریک عمل می کند و ولتاژ معکوس لایه خالی را افزایش می دهد ، که تقریباً هیچ حامل بار الکتریکی ندارد. از طرف دیگر ، مناطق n و p به عنوان رسانای خوب عمل می کنند. در یک آرایش ساده ، میدان های p و n در دو طرف لایه خالی را می توان خازن های مسطح موازی در نظر گرفت.
بنابراین ، ظرفیت این خازن مسطح موازی را خازن خازن انتقال یا خازن لایه خالی می نامند. با افزایش ولتاژ معکوس ، ظرفیت خازن انتقال (Ct) هر دیود کاهش می یابد. دیودهای سیلیکونی که برای این اثر خازنی طراحی و بهینه شده اند ، دیودهای با ظرفیت متغیر نامیده می شوند.
ساخت دیود متغیر در یک دیود متغیر ، اگر اتصال خطی باشد ، این رابطه بین ظرفیت دیود و پتانسیل بایاس معکوس است.اما اگر اتصال تیز باشد ،اینطور است. بنابراین ،حساسیت ولتاژ برای یک پیوند تیز بیشتر از یک پیوند خطی شیب دار است. بنابراین ، بردارها اغلب با روشهای آلیاژی یا با رشد یا کاشت یون ساخته می شوند. خواص لایه رسوب و ناخالصی بستر را می توان به گونه ای انتخاب کرد که پیوندهایی با ظاهری n بزرگتر از آنچه بدست می آید ،داشته باشند.
چنین ارتباطاتی فوق تیز نامیده می شود. بردار موازی سلف (دیود متغیر) تشکیل مدار را تشدید می کند. با تغییر ولتاژ اینورتر می توان فرکانس رزونانس را تغییر داد. این کنترل فرکانس الکترونیکی به طور گسترده ای در موقعیت های مختلف مدار الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد.
کاربرد دیود متغیر معمولاً از دیودها یا بردارهای متغیر برای استفاده از ویژگی های ظرفیت خازن متغیر استفاده می شود.به عنوان مثال ،یک بردار با مجموعه بردار می تواند در کلاس تنظیم استفاده شود که در آن گیرنده رادیویی به جای خازن حجیم صفحه متغیر ظرفیت استفاده می شود. در این حالت ،اندازه مدار را می توان تا حد زیادی کاهش داد و قابلیت اطمینان آن افزایش یافت.از دیگر کاربردهای بردارها می توان به تولید رامون ،تقویت فرکانس های مایکروویو فعال اشاره کرد.
دیود خازنی ( واراکتور ) :
این دیود از دو نیمه هادی نوع P&N تشکیل شده است. دیود خازنی یک دیود جایگزین خازن است و مقدار آن با ولتاژ دو سر نسبت عکس دارد.
کلام آخر
دیود یک قطعه الکترونیکی نیمه هادی است که به عنوان یک سوئیچ برای جریان عمل می کند و به جریان اجازه می دهد تا در جهت خاصی پخش شود و درعین حال جلوی جریان را برای انتشار در جهت مخالف مسدود می کند. مواد دیودها با توجه به کاربرد آنها متفاوت است. اما آنها معمولاً از نیمه هادی هایی مانند ژرمانیوم (Ge) ، سیلیکون (Si) و سلنیوم (Se) ساخته می شوند.
