دیود چیست؟ کاربرد انواع دیود

دیود چیست؟

دیود تجهیزی کوچک اما پر کاربرد در دنیای الکتریک است که جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور داده و در جهت دیگر از برگشت جریان جلوگیری می کند. به علت این خاصیت دیود، در سال ‌های اولیهٔ ساخت این قطعهٔ الکترونیکی، به آن «دریچه» نیز گفته می شد. 

به عنوان مثال دیود را می توان به دریچه های قلب انسان تشبیه کرد که خون را در یک جهت عبور داده اما از بازگشت آن به جهت مخالف جلوگیری می کند. در نتیجه می توان به دیود مثل یک شیر الکتریکی یک طرفه نگاه کرد. این ویژگی دیود برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم استفاده می‌شود.

پل دیود چیست؟

پل دیود به قطعه ای گفته می شود که از ترکیب 4 عدد دیود معمولی بدست می آید و وظیفه اصلی آن یکسوسازی جریان متناوب الکتریکی می باشد. یک پل دیود را می توان با چهار عدد دیود به صورت دستی ساخت که از لحاظ کاربرد و کارکرد هیچ تفاوتی با پل دیود آماده ندارد. 

همچنین یک پل می توانید برقی AC را گرفته و به برق DC تبدیل نماید پل دیود های می توانند در کنار اتو ترانس ها مورد مصرف قرار گیرند. بدین صورت که در خروجی اتوترانس به صورت موازی بسته می شود و در هنگامی که ولتاژ ورودی تغییر می کند، در خروجی برق DC را در یافت شود.

مقاله پیشنهادی: بهترین نمایندگی اشنایدر

ساختار دیود 

دیود از اتصال دو نیم رسانا از نوع P و N ساخته می شود. به پایه‌ای که به نیمه هادی N متصل است «کاتد» و به پایه‌ای که به نیمه هادی نوع P متصل است «آند» گفته می ‌شود.

به لحاظ الکتریکی، یک دیود، هنگامی جریان را از خود می‌گذراند که با برقرار کردن ولتاژ (بایاس کردن) در جهت درست (+ به آند و – به کاتُد که به آن بایاس مستقیم گفته می‌شود) آن را آماده کار نمود. مقدار ولتاژی که باعث می‌شود تا دیود شروع به رسانش جریان الکتریکی نماید، ولتاژ آستانه نامیده می‌شود که بسته به نوع دیود از ۰٫۲ ولت تا ۱٫۵ ولت می‌باشد.

اما هنگامی‌که ولتاژ معکوس متصل شود، (+ به کاتُد و – به آنُد که به آن بایاس معکوس می‌گویند) تقریباً جریانی از آن، نمی‌گذرد. اما نکتۀ مهم اینکه تمام دیودها یک آستانه برای بیشینه ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژ معکوس، بیش از آن شود، دیود می‌سوزد و جریان را در جهت معکوس نیز می‌گذراند. به این ولتاژ آستانه، «ولتاژ شکست» گفته می‌شود.

دیودها مشخصه‌هایی دارند که از دیتاشیت آن‌ها قابل‌استخراج است:

• جریان متوسط(If): بیشترین مقدار مجاز جریان در بایاس مستقیم
• بیشینه جریان لحظه‌ای(IM): حداکثر جریانی که به مدت ۱۰ میلی‌ثانیه می‌توان به دیود اعمال کرد، بدون اینکه آسیبی به آن برسد.
• بیشینه جریان لحظه‌ای ناتکراری(IFSM): جریانی که با یک‌بار اعمال به دیود، باعث خرابی آن می‌گردد.
• بیشینه ولتاژ معکوس تکراری(VRRM): بیشینه ولتاژی است که در بایاس معکوس به دیود، آسیبی نخواهد رساند.
• بیشینه ولتاژ معکوس نا تکراری(VRSM): بیشینه ولتاژ لحظه‌ای قابل‌تحمل در بایاس معکوس است.

نصب و راه اندازی دیود

در این قسمت قصد داریم تا برخی اصطلاحات تخصصی که در زمینه استفاده از دیود و کار کردن با آنها مورد استفاده قرار میگیرد را بررسی کنیم.

بیشتر بخوانید: خرید بیمتال اشنایدر 

بایاس دیود

بایاس دیود عبارت است از وصل کردن ولتاژ به دو سر دیود که ممکن است باعث بروز دو حالت در دیود شود.

دیود بدون بایاس یا بدون تغذیه

در این حالت ولتاژ دو سر دیود صفر بوده و جریان خالص هر طرف دیود هم صفر است.

دیود با بایاس مستقیم

در این حالت، ولتاژ در دو سر دیود بیشتر از صفر بوده و باعث میشود تا الکترون ها و حفره ها در دو سر دیود تحت فشار قرار گیرد تا عرض قسمت خالی کاهش پیدا کند.

دیود با بایاس معکوس

در این حالت ولتاژ متصل شده به دیود به صورت برعکس و معکوس میباشد که یعنی کوچکتر از صفر هم میباشد و برای این امر قطب مثبت را به سر n. و قطب منفی را به سر p. دیود متصل می کنند و در این حالت عرض قسمت خالی دیود افزایش پیدا میکند.

کاربرد دیود

جثه کوچک انواع دیود موجب این دهنیت می شود که کاربرد خاصی ندارد اما قضیه کاملا برعکس است زیرا که کاربرد دیود آن قدر مهم و زیاد است که می توان آن را به مورچه ی دنیای الکترونیک لقب داد. تقریباً در هر مدار یک نوع دیود پیدا خواهید کرد.

آن ها می توانند در هر چیزی از یک ناحیه دیجیتال با سیگنال کوچک گرفته تا یک مدار تبدیل ولتاژ بالا وجود داشته باشند. بیایید برخی از این کاربرد ها را بررسی کنیم.

یکسو کننده ها

مدار یکسو کننده جریان متناوب (AC) را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می کند. این تبدیل برای انواع وسایل الکترونیکی خانگی حیاتی است. سیگنال های AC از پریزهای دیواری خانه شما بیرون می آیند، اما جریان برق DC است که برق اکثر کامپیوتر ها و قطعات کوچک الکترونیک ها را تأمین می کند.

جریان در مدارهای AC به معنای واقعی کلمه متناوب است ( به سرعت بین دو جهت مثبت و منفی سوئیچ حرکت می کند ) اما جریان در سیگنال DC فقط در یک جهت کار می کند. بنابراین برای تبدیل از AC به DC فقط باید اطمینان حاصل کنید که جریان نمی تواند در جهت منفی کار کند.اینجاست که کاربرد دیود به چشم می خورد. 

حفاظت جریان معکوس

تا به حال شده که باتری را به روش غلط جا بزنید؟ یا سیم های قرمز و سیاه برق را روشن کنید؟ در این صورت ، ممکن است یک دیود بخاطر روشن بودن مدار از شما تشکر کند. دیودی که به صورت سری با سمت مثبت منبع تغذیه قرار می گیرد ، دیود محافظت جریان معکوس نامیده می شود. این اطمینان را می دهد که جریان فقط می تواند در جهت مثبت جریان یابد و منبع تغذیه فقط ولتاژ مثبت را به مدار شما وارد می کند.

این کاربرد دیود زمانی مفید است که اتصال دهنده منبع تغذیه قطبی نباشد و به راحتی جابجا شود و به طور تصادفی منبع منفی را به مثبت مدار ورودی متصل کند.

اشکال دیود محافظت معکوس این است که به دلیل افت ولتاژ مستقیم ، ولتاژ مقداری از دست می دهد. این امر باعث می شود که دیود های شاتکی گزینه ای عالی برای دیود های محافظت معکوس باشند.

دیود های فلای بک و کاهش ولتاژ گذرای کوتاه مدت

از دیود ها اغلب برای محدود کردن آسیب احتمالی ناشی از افزایش ناگهانی ولتاژ استفاده می شود. دیود های فلای بک کاهش ولتاژ گذرا (TVS) دیود های خاصی هستند ، مانند دیود های زنر اما دارای میزان توان بسیار زیاد (اغلب در محدوده کیلووات) هستند. آن ها برای جابجایی جریان ها و جذب انرژی در هنگام ولتاژ بیشتر از ولتاژ شکست طراحی شده اند.

دیود های فلای بک کار مشابهی را در کاهش ولتاژ گذرا انجام می دهند ، به ویژه آن هایی که توسط یک جزء القایی مانند موتور ایجاد می شوند. وقتی جریان از طریق یک سلف به طور ناگهانی تغییر می کند ، یک سنسور ولتاژ ایجاد می شود ، احتمالاً این یک کاهش بسیار بزرگ و منفی است.

یک دیود فلای بک قرار گرفته در برابر بار القایی ، به آن سیگنال ولتاژ منفی یک مسیر ایمن برای تخلیه می دهد ، در واقع بیش از حد از طریق سلف و دیود حلقه می زند تا در نهایت خاموش شود.

مطالب پیشنهادی برای مطالعه:

اینورتر چیست؟

تفاوات اینورتر و درایو

انواع دیود

انواع زیادی از دیود ساخته شده و مورد استفاده قرار می گیرد. در ادامه تمام انواع دیود را معرفی و مقایسه می کنیم. 

دیود سیگنال کوچک

این نوع دیود به دلیل کار کردن در ولتاژهای پایین، عرض ناحیه پیوند کوچک‌تری دارند و در مدارات با جریان کم و فرکانس بالا کاربرد دارند؛ مانند تلویزیون و رادیو.

دیود سیگنال بزرگ

در این مدل دیود به دلیل لایه پیوند بزرگ بین دو سر pn در دیود تبدیل ولتاژ از AC به DC بسیار محدود است و این نیز ظرفیت رو به جلو و ولتاژ معکوس کردن را افزایش میدهد.

موارد استفاده از این مدل دیود هم برای دستگاه های شارژ باتری مانند، مبدل ها می باشد.همچنین به دلیل عملکرد بالا و ولتاژ بالا در این دستگاه میتوان از آن برای سرکوب ولتاژ بالا پیک استفاده کرد.

دیود یکسوکننده

این نوع دیود دارای ناحیه پیوند با عرض زیاد است و ظرفیت خازنی آن نیز بالاست. به همین علت، سرعت سوئیچینگ آن پایین است. این دیودها، متداول‌ترین انواع دیود هستند و توانایی کنترل جریان‌های بالا را نیز دارند. دیود یکسو کننده در مدارهای تبدیل جریان متناوب (َAC) به جریان مستقیم (DC) نیز به کار می‌رود.

دیود زنر

دیود زنر، نوعی دیود است که نه تنها امکان عبور جریان در یک جهت، نظیر هر دیود دیگری را می‌دهد، بلکه در صورتی که ولتاژ از حد خاصی بیشتر شود، در بایاس معکوس نیز امکان عبور جریان در جهت عکس را می‌دهد. این حد ولتاژ، به عنوان ولتاژ زنر شناخته شده است و برای دیودهای زنر با ولتاژ شکست 1.8V تا 200V ثابت است. بنابراین، دیودهای زنر، از صدمه دیدن مدارها، جلوگیری می‌کنند. این دیودها، بیشتر برای کنترل ولتاژ در مدارهای الکتریکی، استفاده می‌شوند.

تست دیود زنر

براي تست ديود زنر در مدار مولتي متر را در حالت rx1 قرار داده و گرايش مستقيم ديود را مانند ديودهاي سيليكوني تست مي كنيم. اگر در اين حالت مولتي متر 25 الي 40 اهم كه بستگي به نوع مولتي متر و جريان آن دارد، نشان مي دهد (يعني عقربه منحرف شده و عدد ياد شده را نشان مي دهد) در اين حالت گويند ديود در گرايش مستقيم راه مي دهد و سالم است .

دیود نورافشان LED

این نوع دیود با قرار گرفتن در بایاس مستقیم و در حالی که شدت جریان به اندازه کافی باشد ، شروع به تابش نور می کند. این نور در محل اتصال دو نیمه هادی و به دلیل آزاد شدن انرژی پیوند ها در حین ترکیب است و به صورت تابش است، تولید می شود.

نور این قطعه به جنس به کار گرفته شده در نیمه هادی وابسته است. این دیود در رنگ و شکل های گوناگونی به چشم می خورد، از موارد استفاده این دیود می توان مواردی همچون گوشی موبایل، دستگاه های صوتی و تصویری و پنل های خودرو را نام برد.

دیود شاتکی

دیودی نیمه هادی با افت ولتاژ پایین در حالت بایاس مستقیم و سرعت کلید زنی بسیار بالا می باشد. در دیود های معمولی هنگام عبور جریان الکتریکی مقدار افت ولتاژ در حدود 0.6 تا 1.7 ولت می باشد در حالی که در دیود شاتکی افت ولتاژ در حدود 0.15 تا 0.45 ولت می باشد. دیود شاتکی از ترکيب دو ديود معمولی تولید می شود.

تست بوق در دیود شاتکی:

برای تست دیود شاتکی روي مدار با تست اتصال کوتاه، سلکتور مولتی متر را روی بازر قرار دهید سپس پروب ها را یکی یکی به پایه های دیود وصل کرده و اگر صدای بازر شنیده شد، ديود خراب است.

 تست دیود شاتکی با مولتی متر:

ابتدا دیود شاتکی را از مدار خارج کنید سپس سلکتور مولتی متر را روی ديود قرار داده و پروب قرمز را به پایه 1 (آند) و پروب مشکی را به پایه 2 (کاتد) متصل كنيد كه در اين حالت مولتی متر مقداری ولتاژی را نشان می دهد.

 جای پروب های قرمز و مشکی را عوض کنيد و پروب قرمز را به پایه 2 (کاتد) و پروب مشکی را به پایه 1 (آند) وصل کنید که در اين حالت مولتیمتر اصطلاحا راه نمی دهد و مقدار OL  (بی نهایت) را نشان می دهد.

 پروب مشکی را به پایه 2 (کاتد) و پروب قرمز را به پایه 3 (آند) اتصال دهید؛ که در اين حالت مولتی متر راه می دهد و مقدار عددی را نشان می دهد. حال جای پروب ها را عوض کنيد و پروب قرمز را به پایه 2 (کاتد) و پروب مشکی را به پایه 3 (آند) وصل کنید که در اين حالت مولتی متر مقدار بی نهایت نشان داده می دهد. اگر اين شروط برقرار باشد دیود شاتکی سالم است.

دیود شاکلی

دیود شاکلی، اولین قطعه‌ی نیمه‌هادی است که چهار لایه دارد. به این نوع دیود، PNPN نیز گفته می‌شود. این قطعه معادل یک تریستور (Thyristor) است که ترمینال گیت ندارد و گیت آن قطع شده است.

از آنجا که دیود شاکلی ورودی ندارد، تنها راه هدایت توسط دیود، بایاس مستقیم است. در صورت اعمال ولتاژ بیش‌تر از ولتاژ شکست آن، جریان جاری می‌شود. برای حالت خاموش آن نیز باید ولتاژی بسیار کم‌تر از ولتاژ شکست به آن بدهیم.

دیود بازسازی پله‌ای

دیود بازسازی پله‌ای، نوع خاصی از دیده است که بار را در پالس مثبت سیگنال ذخیره می‌کند و در پالس منفی سیگنال سینوسی استفاده می‌کند. زمان صعود (rise-time) آن برابر با زمان ضربه است. از این جهت، این دیود دارای پالس‌های بازیابی سرعت است.

کاربرد دیود بازسازی پله‌ای، در ضرب‌کننده‌های مرتبه‌های بالا می‌باشد. فرکانس قطع این دیود بسیار بالاست و در محدوده گیگاهرتز است. به این دیود، «دیود ضربه‌ای ناگهانی | snap-off» و یا «دیود ذخیره‌کننده بار» نیز گفته می‌شود.

به عنوان یک ضرب کننده، فرکانس قطع این دیود چیزی در حدود ۲۰۰ تا ۳۰۰ گیگاهرتز است و در محدوده عملیاتی، فرکانس آن حدود ۱۰ گیگاهرتز می‌باشد. برای ضرب کننده‌های مراتب پایین‌تر، این دیود بسیار کارآمدتر است.

دیود تونلی

دیود تونلی از دو قطعه نیمه هادی نوع N و P که غالبا از جنس ژرمانیوم و گالیم آرسنید می باشند ساخته می شود . میزان ناخالصی نیمه هادی های N و P در دیود تونلی نسبت به دیود معمولی بسیار زیاد است ، که این موضوع خود باعث به وجود آمدن یک ناحیه تخلیه بسیار نازک در محل پیوند می شود.

ناحیه نازک باعث می شود که حامل های زیادی به جای اینکه در ولتاژهای پایین از آن عبور نمایند از آن تونل بزنند. جریان پیک در دیود تونلی می تواند بین چند میکروآمپر تا چند صد آمپر متغیر باشد در حالی که ولتاژ در دو سر دیود از حدود 0.6 ولت تجاوز نمی کند .

دیود خازنی

دیود خازنی یا همان دیود واریکاپ،دیود هایی با ظرفیت و اتصال استاندارد میباشد که تنها در بایاس معکوس عمل میکند و همین امر باعث میشود تا ظرفیت های متغیر با ولتاژ های متغیر نشان دهد. با افزایش ولتاژ معکوس ظرفیت دیود واراکتور کاهش می یابد.

از این مدل دیود عمدتا در مدار های فرکانس رادیویی استفاده می شود که مثلا در تجهیزات ارتباطی برای تنظیم مدار مورد استفاده قرار میگیرد. همچنین از این مدل دیود در خازن های کنترل شده با ولتاژ،نوسانگرهای کنترل شده با ولتاژ، تقویت کننده های پارامتری،ضریب فرکانس استفاده می شود.

دیود لیزری

دیود لیزری دارای پیوند PIN است. الکترون‌ها و حفره‌ها در ناحیه ذاتی (I) با یکدیگر ترکیب می‌شوند. این دیود در ارتباطات فیبر نوری، بارکدخوان‌ها، اشاره‌گرهای لیزری، خواندن و ضبط CD / DVD / Blu-ray و چاپ لیزری استفاده می‌شود.

انواع دیود لیزری:

• Double Heterostructure Laser
• Quantum Well Lasers
• Quantum Cascade Lasers
• Distributed Bragg Reflector Lasers

دیود خنثی ساز ولتاژ گذرا

در نیمه‌هادی‌ها در صورت بروز تغییرات ناگهانی در ولتاژ، حالت گذرا خواهیم داشت که به خروجی آسیب می‌زند. برای جلوگیری از این اتفاق از دیود‌های خنثی ساز استفاده می‌شود. عملکرد دیود خنثی ساز ولتاژ گذرا، مانند عملکرد دیود زنر است.

در زمان گذر ولتاژ، در این دیودها تغییراتی رخ می‌دهد. در حالت عادی، دیود دارای امپدانس زیاد است؛ ولی وقتی ولتاژ گذرا داشته باشیم، دیود وارد «ناحیه شکست بهمنی | Avalanche Breakdown Region» می‌شود و امپدانس آن بسیار کم می‌شود.

مدت زمان شکست بهمنی به چند پیکو ثانیه می‌رسد. در این مدت، دیود ولتاژ حالت گذرا را به یک ولتاژ ثابت حداقل، تبدیل می‌کند. کاربرد دیود خنثی ساز، در زمینه‌های ارتباط از راه دور، پزشکی، ریزپردازنده‌ها و پردازش سیگنال است.

دیود بهمنی

«دیود بهمنی» (Avalanche Diode) یک دیود پیوند PN است که به طور ویژه برای عمل کردن در ناحیه شکست بهمنی طراحی شده است. شکست بهمنی پدیده‌‌ای است که در آن ولتاژ معکوس کافی به پیوند PN اعمال می‌‌شود. به همین دلیل، حامل‌‌های اقلیت یونش ایجاد کرده و شروع به شارش جریان قوی در جهت معکوس می‌‌کنند.

دیود بهمنی از نظر الکتریکی مانند دیود زنر عمل می‌‌کند، اما تراکم آلایش آن در مقایسه با دیود زنر نسبتاً کمتر است. آلایش زیاد در داخل دیود زنر پیوند کوچکی ایجاد می‌‌کند، به گونه‌‌ای که ولتاژهای پایین می‌‌توانند به راحتی آن را بشکنند.

اما دیود بهمنی به دلیل تراکم آلایش اندک پیوند بیشتری دارد و برای شکست آن ولتاژ بالایی لازم است. این پیوند بزرگ باعث می‌‌شود که این دیود در مقایسه با دیود زنر ساده، محافظت بهتری در برابر نوسان برق داشته باشد.

فتودیود

فتو دیود که به آن دیود نوری نیز می گویند مانند دیود معمولی از اتصال دو نیمه هادی نوع N و P ساخته می شود با این تفاوت که محل اتصال نیمه هادی ها ، با مواد پلاستیکی سیاه پوشیده نمی شود بلکه برای اینکه نور به محل اتصال نیمه هادی ها برسد معمولاً آن محل را توسط شیشه و یا مواد پلاستیکی شفاف می پوشانند .

روی اکثر فتودیودها یک لنز بسیار کوچک نصب می شود تا نور تابیده شده به آن منطقه را متمرکز کرده و به محل پیوند برساند .

فتودیود همیشه در بایاس معکوس به کار می رود و با تابش نور به محل اتصال نیمه های های آن ، پیوندهای کووالانس موجود در ناحیه تخلیه در اثر انرژی نور تابیده شده شکسته شده و جریان معکوس فتودیود افزایش می یابد .

هر چه نور تابیده شده به محل اتصال نیمه هادی ها بیشتر باشد مقدار جریان معکوس فتودیود بیشتر می شود و بر عکس ، هر چه نور تابیده شده به محل پیوند کمتر باشد مقدار جریان معکوس فتودیود کمتر می شود .

دیود اتصال نقطه ای

دیودهای معمولی در بایاس معکوس، یک ظرفیت خازنی در حدود 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، مناسب ترین 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 استفاده می شود. 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.

تست دیود با مولتی متر

در برخی موارد می‌توان دیود را در داخل مدار در حالت خاموش تست کرد، ولی این احتمال وجود دارد که وجود مدارهای موازی، در تست اختلال ایجاد کند، لذا پیشنهاد می‌گردد که ابتدا دیود را در مدار تست کنید و اگر نتیجه تست خارج موارد زیر بود، یک پایه آن را از مدار خارج کرده و مجدد تست کنید.

برای تست دیود نیاز به یک مولتی متر دیجیتال است.مولتی متر را در حالت تست دیود(تست بوق) قرار می‌دهیم و پراب ها را مطابق تصویر زیر در دو حالت، به پایه‌های آن وصل می‌کنیم:

بعد جهت قرارگیری پروب های مولتی متر را تغییر دهید.

حال اگر:

• در یک جهت عددی را بر روی مولتی متر مشاهده شد و در جهت دیگر هیچ عددی ندیدیم، در این صورت دیود شما سالم است.
• اگر در هر دو جهت هیچ عددی مشاهده نشد یا در هر دو جهت عدد مشاهده کردید دیود سوخته است.

دیودها اکثراً در هنگام سوختن اتصال کوتاه می‌شوند، بنابراین در این حالت مولتی متر در هر دو حالت یک عدد بسیار نزدیک به صفر نشان خواهد داد و بوق می‌زند.