جلسه سوم : آشنایی با انواع دیود و کاربرد های آن

به نام خدا

انواع دیود

دیود وسیله ای است که جریان را در بایاس مستقیم عبور می دهد و در بایاس معکوس مانع عبور جریان می شود. از نیمه هادی نوع P و N تشکیل شده است.

این وسیله در پروژه های رباتیک کاربرد های مختلفی دارد . مانند : محافظت پردازنده ، آپ امپ ها ، بافر ها و … در مقابل ولتاژ القایی برگشتی از یک سیم پیچ ( مانند سیم پیچ موجود در رله ها و یا سیم پیچ موتور ها ) و یا کاهش ولتاژ پله به پله ( با گذاشتن این الملان در یک مسیر جریان، افت ولتاژی تقریبا حدود 0.7 ایجاد می کند ) و یا برای یکسو سازی ولتاژ های AC. همچنین نوع LED آن ها استفاده بسیار فراوان در ساخت تابلو های تبلیغاتی LED ثابت و روان دارند . ( آموزش های ساخت تابلو LED در سایت قرار داده خواهند شد )

وصل کردن ولتاژ به دیود را بایاس کردن آن می نامند . اتصال ولتاژ به این وسیله به دو صورت امکان پذیر است :

نیمه هادی نوع P را به قطب مثبت باتری و نیمه هادی نوع N را به قطب منفی آن متصل می کنیم. این حالت را بایاس مستقیم می گویند .

نیمه هادی نوع P را به قطب منفی و نیمه هادی نوع N را به قطب مثبت آن وصل می نماییم. این حالت را بایاس معکوس می نامند .

در صورتی که دیود در حالت بایاس مستقیم باشد جریان در مدار برقرار خواهد شد. هر دیود دارای یک پتانسیل سد است که در عمل از عبور جریان جلوگیری می کند. به عبارتی دیگر می توان گفت برای عبور جریان از دیود در حالت بایاس مستقیم، ولتاژ دو سر دیود باید از پتانسیل سد آن دیود بیشتر باشد. پتانسیل سد برای دیود های سیلیسیومی بین 0.5 تا 0.7 و برای دیود های ژرمانیومی بین 0.2 تا 0.3 ولت می باشد.

ولتاژ شکست معکوس دیود یا PIV:

حداکثر ولتاژی که می توان در ولتاژ معکوس به دو سر دیود اعمال کرد بدون این که به آن آسیبی برسد، ولتاژ شکست معکوس PIV (Peak Inverse Voltage) نام دارد.

جریان اشباع معکوس :

به جریانی که در بایاس معکوس از دیود عبور میکند جریان بایاس معکوس می گویند.

انواع دیود:

– نور دهنده یا LED :

LED وقتی در بایاس مستقیم قرار می گیرد با عبور جریان از آن نور ساطع می شود. در بایاس معکوس همانند دیود معمولی عمل می کنند و مدار باز هستند. برای این منظور در ساختمان آن ها از ترکیب عناصری نظیر فسفر، آرسنیک و گالیوم استفاده می کنند. با انتخاب ترکیب مختلف از این عناصر انواع LED به رنگ های سبز، زرد و قرمز می سازند.

برای کنترل جریان LED معمولا یک مقاومت با آن سری می کنند.

– فتو دیود :

این دیود همانند دیود معمولی از یک اتصال PN تشکیل می شود اما با این تفاوت که محل اتصال پیوند پوشیده نمی شود و آن را توسط یک شیشه یا پلاستیک شفاف می پوشانند تا نور بتواند به آن برسد. برای متمرکز کردن هر چه بیشتر امواج نور از یک لنز استفاده می شود. همواره در بایاس معکوس به کار می رود و جریان اشباع معکوس گذرنده از آن به میزان نور تابیده شده به محل پیوند بستگی دارد. هر چه نور تابیده شده به محل پیوند بیشتر باشد جریان اشباع معکوس نیز بیشتر می شود. جریان اشباع معکوس علاوه براین که با شدت نور رابطه مستقیم دارد با طول موج نیز رابطه دارد. نیمه هادی به کار برده شده در دیود نوری یا فتو دیود بستگی به طول موج قابل پوشش ان دارد. در شکل زیر طول موج پوشش داده شده توسط نیمه هادی های سیلیکون، سیلیسیوم و ژرمانیوم به همرا طول موج قابل تشخیص برای چشم انسان نشان داده شده است:

– زنر :

زنر عموما از جنس سیلیسوم ساخته می شوند. دیود زنر در بایاس معکوس استفاده می شود. اگر در بایاس معکوس ولتاژ دو سر دیود را افزایش دهیم در یک ولتاژ خاص ، دیود در بایاس معکوس شروع به هدایت می کند که به این ولتاژ ولتاژ زنر گفته می شود. بعد از این ولتاژ اگر ولتاژ اعمالی را باز هم زیاد کنیم ولتاژ دو سر دیود ثابت می ماند. برای کار این قطعه در ناحیه زنری ( ثابت ماندن ولتاژ دو سر دیود) باید شروط زیر برقرار باشد:

ولتاژ معکوس اعمالی به دیود باید مساوی یا بزرگتر از ولتاژ زنر باشد و جریان عبوری از دیود هم از حداقل جریانی که برای روشن شدن دیود لازم است بیشتر باشد.

توان مصرفی دیود زنر برابر با حاصل ضرب ولتاژ زنر در جریان عبوری از دیود.

– مادون قرمز :

این دیود ها از نظر ظاهری همانند دیود های نور دهنده LED هستند. تنها تفاوت آن ها که با دیود های نور دهنده دارند این است که این دیود در محدوده امواج مادون قرمز از خود نور منتشر می کند که چشم قادر به دیدن آن نیست.

– تونلی :

این دیود معمولا از جنس گالیوم- آرسنید ساخته می شود. دیود تونلی دارای یک ناحیه مقاومت منفی است. کاربرد آن در فرکانس های بالا و خصوصا اسیلاتور ها می باشد.

– اتصال نقطه ای :

این دیود ها دارای PIV کمتر از دیود معمولی، جریان اشباع معکوس بیشتر و توان مصرفی کمتری هستند. نیمه هادی به کار برده شده عموما از جنس ژرمانیوم است. کاربرد این دیود ها در آشکار ساز ها و سوئیچینگ سریع است.

– دیود قدرت :

دیود های قدرت از جنس سیلیسیوم هستند و پیوند آن ها دارای سطح وسیع تری نسبت به حالت دیود معمولی است و به همین دلیل توان قابل تحمل آن ها بیشتر است.

– وارکتور :

این دیود که دیود خازنی نیز نامیده می شود در بایاس معکوس کاربرد دارد. همان طور که گفته شد دیود ها در محل پیوند خود تشکیل یک ظرفیت خازنی را می دهند که ناحیه سد به عنوان دی الکتریک و دو نیمه هادی به عنوان تیغه های خازن در نظر گرفته می شوند. ظرفیت خازن هم به مساحت و طول دو نیمه هادی و جنس و ضخامت دی الکتریک بستگی دارد. در بایاس معکوس هر چه ولتاژ بیشتر شود عرض دی الکتریک بیشتر می شود بنابراین یک خازن متغیر با ولتاژ خواهیم داشت. محدوده ظرفیت خازنی این دیودها در محدوده پیکوفاراد است. کاربرد این دیود ها در مدار های مخابراتی و رادیویی به عنوان یک خازن متغیر است. در جدول زیر محدوده تقریبیاین ظرفیت نسبت به ولتاژ نشان داده شده است.

نکاتی در مورد اتصال :

– اگر با هم سری شوند PIV کل برابر است با مجموع PIV ها
– اگر چند دیود سری شده در بایاس مخالف باشند جریان عبوری از آن ها برابر است با کوچکترین جریان اشباع معکوس دیود ها. مثلا اگر جریان اشباع معکوس سه دیود 10، 20 و 28 میکرو آمپر باشد جریان عبوری از دیود ها 10 میکرو آمپر خواهد بود.
– اگر با هم موازی شده باشند جریان عبوری کل برابر است با مجموع جریان های عبوری از دیود ها.
– اگر تعدادی دیود با ولتاژ آستانه متفاوت با هم موازی بسته شوند دیودی هدایت می کند که ولتاژ آستانه کمتری داشته باشد.
– هنگامی به صورت آند مشترک اتصال داده شده باشند دیودی هدایت می کند که ولتاژ کاتد آن منفی تر از بقیه باشد.
– اگر به صورت کاتد مشترک بسته شده باشند دیودی هدایت می کند که آند آن دارای ولتاژ مثبت تری نسبت به بقیه باشد.

تشخیص پایه ها :

برای تشخیص دادن پایه ها می توان از یک مولتی متر دیجیتال استفاده کرد. روش کار به این صورت است که ابتدا مولتی متر را بر روی تست دیود قرار می دهیم، سپس پراب های مولتی متر را به دو سر دیود اتصال می دهیم. وقتی که پراب مثبت به آند و پراب منفی به کاتد آن متصل باشد مقدار ولتاژ آستانه اولیه دیود بر روی صفحه نشان داده خواهد شد(معمولا بازر مولتی متر به صدا در آمده و بوق می زند) و وقتی پراب مثبت به کاتد و پراب منفی به آند دیود وصل شده باشد ولتاژی که دو سر دیود قرار می گیرد که همان ولتاژ باتری مولتی متر است نشان داده می شود. اگر دیود خراب باشد( از داخل اتصال کوتاه یا اتصال باز شده باشد) ، در هر دو اتصال موافق و مخالف به یک صورت عمل می کند.

دسته بندی اصلی :

در دسته بندی اصلی، دیود ها را به سه قسمت اصلی تقسیم می کنند. دیود های سیگنال که برای آشکار سازی در رادیو به کار می روند و جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می دهند. دیود های یکسو کننده که برای یکسو سازی جریان های متناوب به کار برده می شوند و توانایی عبور جریان های زیاد را دارند و بالاخره دیود های زنر که برای تثبیت ولتاژ از آن ها استفاده می شود.

استفاده از دیود سیگنال در مدار رله برای جلوگیری ازایجاد ولتاژ های ناخواسته زیاد :