دیود چیست؟ شناخت دقیق دیودها و کاربرد آنها { بخش اول}

مقدمه

دوستان سلام. قبلا در مورد خازن و مقاومت صحبت کرده بودیم. در ادامه آموزش های مربوط به الکترونیک به زبان ساده میخوایم در مورد دیود که یه قطعه نیمه هادی هست صحبت کنیم. در این آموزش میخوایم موارد زیر رو یاد بگیریم:

•  دیود چیست؟
•  تیوری مربوط به عملکرد دیودها
  
•  خصوصیات مهم دیودها
  
•  انواع دیودها
•  نمونه ای کاربردهای دیودها

البته قبل از خوندن این بخش توصیه میکنم مطالب زیر رو که قبلا در سایت منتشر کردیم برای فهم بیشتر این مطلب بخونید:

• الکتریسته چیست؟
• ولتاژ، جریان، مقاومت و قانون اهم
• آموزش استفاده از مولتی متر

دیودهای ایده آل

نکته اصلی در دیودهای ایده آل اینه که جریان رو فقط در یک جهت از خودشون عبور میدن. به این جهت میگن جهت مستقیم یا Forward direction. در خلاف این جهت دیود نمیذاره جریانی ازش عبور کنه دقیقا مثل شیرفلکه های یک طرفه که فقط در یک جهت آب رو از خودشون عبور میدن. دیودها هم فقط در یک جهت جریان رو از خودشون عبور میدن.

اگه ولتاژو منفی  وارد دیودها بشه دیود نمیذاره جریانی ازش رد بشه و دیود ایده آل مدارباز عمل میکنه. در این حالت گفته میشه دیود خاموشه یا به صورت reverse bias هست. ( به صورت معکوس بایاس شده)

اگه ولتاژ مثبت وارد دیود بشه دیود جریان ازش رد میشه و به صورت اتصال کوتاه عمل میکنه و اختلاف پتانسیل دو سر اون 0 ولت میشه. که در این حالت میگن دیود روشنه یا به اصطلاح Forward bias هست.

تذکر: Forward bias و reverse bias اصطلاح الکترونیکی ها برای روشن و خاموش بودن یه قطعه هست.

شکل بالا رو ببینید. وقتی ولتاژ منفی جریان برابر صفر هست و وقتی که ولتاژ یه خورده مثبت بشه دیود روشن میشه و به صورت اتصال کوتاه عمل میکنه و جریان رو از خودش عبور میده و ولتاژ دوسرش صفر میشه. در جدول زیر همه حرف هایی رو که زدیم به صورت یه جدول آوردیم:

نماد مداری دیودها

هر دیود دو تا پایه یا ترمینال داره و این پایه ها هم پلاریته دارند. در مورد پلاریته هم قبلا یه جلسه مفصل صحبت کردیم که اگه وقت کردید میتونید بخونید:

• پلاریته چیست؟

اگه بخوایم در یه جمله پلاریته در دیود رو بگیم میشه این که دو تا پایه دیود با هم فرق دارن. نمیشه جا به جا از اونا استفاده کرد. در حالی که در مقاومت ما پایه ها هیچ فرقی با هم ندارن و میشه جاشون رو با هم عوض کرد.

به پایه مثبت دیود میگن آند و به پایه منفی اون میگن کاتد. در دیودها جریان از آند میره به کاتد و در خلاف جهت جریانی جاری نمیشه. اگه یاتون رفت که در دیود جریان از کدوم طرف جاری میشه کلمه ACID رو یاد خودتون بیارید. این کلمه مخفف عبارت anode cathode is diode هست. یعنی اول آند بعد کاتد.

نماد مداری یک دیود استاندارد یه مثلت هست که روی یه ضلعش یه خط وجود داره. البته در ادامه همین میحث میخونیم که دیودها انواع مختلفی دارن و یه خورده هم نمادهاشون ممکنه فرق کنه ولی نماد یه دیود استاندارد همین هست و بقیه دیودها هم نمادشون یا یه خورده تغییر شبیه همین میشه.

پایه ای که به قاعده مثلث وصل شده میشه آند و پایه ای که به اون وصل شده میشه کاتد. جریان فقط از آند میره به سمت کاتد. مدارهای زیر رو ببنیید:

در مدار سمت چپ شکل بالا جریان داره از آند میره به سمت کاتد پس دیود روشن میشه و به صورت اتصال کوتاه عمل میکنه و مشابه مدار کناریش که معادلش هست عمل میکنه.  در مدار سمت راستی جریان میخواد از سمت کاتد بره به آند ولی همون طور که میدونیم دیود نمیذاره و باعث میشه دوید خاموش بشه و مدار باز بشه و مشابه مدار کناریش که معادلش هست عمل کنه.

مشخصه واقعی دیودها

گفتیم که دیود ایده آل فقط در یک جهت جریان عبور میکنه. متاسفانه در عمل دیودها ایده آل نیستن و  در عمل مقداری جریان هم از جهت مخالف عبور میکنه. دیودها وقتی جریان رو از مثبت به منفی هدایت میکنن مقداری توان مصرف میکنن و همه جریان برگشتی رو هم بلاک نمیکنن( یعنی یه خورده جریان هم از منفی میره به مثبت). در دنیای واقعی دیودها یه خورده پیچیده تر هستند و هرکدوم برای خودشون یه مشخصه دارند که نحوه عملکرد اون ها رو توصیف میکنه.

رابطه جریان و ولتاژ

یکی از مشخصه های مهم در دیودها نمودار i-V اون ها هست که رابطه ی بین ولتاژ ها و جریان رو در دیود مشخص میکنه. بر خلاف مقاومت ها که رابطه ولتاژ و  جریان در اون به صورت خطی تغییر میکرد، در دیودها این رابطه به صورت غیر خطی هست. در دیودها رابطه بین i و V به صورت نموداری یه چیزی شبیه شکل زیر هست:

البته در این نمودار مقیاس رعایت نشده.

بستگی به ولتاژی که در دو سر دیود وجود داره، دیود در یکی از نواحی زیر قرار میگیره:

1- Forward bias : وقتی ولتاژ اعمالی به دیود مثبت باشه دیود روشن هست و جریان رو از خودش عبور میده. ولتاژ اعمالی به دیود باید از Forward Voltage ( V_F) بالاتر باشه. تا جریانی که از دیود میگذره قابل توجه باشه. وگرنه طبق شکل میبینید که اگه ولتاژ از V_F کمتر باشه جریان عبوری از دیود خیلی کم میشه.( در مورد مقدار این V_F در ادامه صحبت میکنیم)

2- Reverse bias : این حالت وقتی هست که دیود خاموش هست و زمانی اتفاق میفته که ولتاژ دو سر دیود از V_F کمتر و از V_BR بیشتر باشه. طبق نمودار مشخص هست که مقدار کمی جریان از دیود میگذره( چیزی در حدود نانو آمپر). به جریان در این حالت میگن جریان اشباع معکوس.

3- Breakdown : اگه ولتاژی که به دیود اعمال میشه خیلی بزرگ و منفی باشه( به این ولتاژ میگیم V_BR )  جریان زیادی در جهت عکس یعنی از کاتد به آند جاری میشه که به این حالت میگیم حالت Breakdown .( در مورد V_BR هم در ادامه صحبت میکنیم)

از نمودار i-v مربوط به دیود میفهمیم که رابطه ای بین ولتاژ و جریان دو سر دیود وجود نداره و این دو تا مستقل از هم هستند. ولتاژ بیشتر یعنی جریان بیشتر و ولتاژ کمتر یعنی جریان کمتر. اگه ولتاژ دو سر دیود برسه به حدود V_F از اونجا به بعد با یه کم تغییر ولتاژ جریان زیادی از دیود عبور میکنه. اگه دیود جریان رو به طور کامل از خودش عبور بده معمولا میتونیم فرض کنیم که ولتاژ دو سر اون همون V_F هست.

همونطور که در عکس بالا هم مشاهده میکنید میشه با تنظیم مولتی متر روی حالت دیودی( کمترین مقدار) V_F  رو اندازه گرفت.

مقدار V_F

برای این که دیود روشن بشه و جریان از آند اون بره به سمت کاتد باید یه  ولتاژ مثبتی به  دیود اعمال بشه. به این ولتاژه میگن V_F یا همون Forward Voltage که با نام های Cut-in Voltage یا On-Voltage هم شناخته میشه.مقدار V_F  بستگی به جنس نیمه رسانایی که دیود باهاش ساخته شده داره. معمولا در دیودهای سیلیکونی این مقدار چیزی حدود 0.6 تا 1 ولت هست. دیودهای ژرمانیومی مقدار V_F  شون کمتره و حدود 0.3 ولت هست.دیودهای مختلف همچنین ( که در جلسه بعد به طور کامل بررسیشون میکنیم) ممکنه Forward Voltage هاشون با هم متفاومت باشه. مثلا در LED ها ( توجه داشته باشید که LED خودش یه نوع دیود هست) مقدار V_F شون یه خورده بیشتره یا دیودهای شاتکی جوری طراحی شدن که V_F شون یه مقداراز V_F دیودهای عادی کمتره.

مقدار ولتاژ Breakdown

اگه یه مقدار بزرگی ولتاژ منفی به دیود اعمال بشه باعث میشه جریان در دیود و از کاتد به آند جاری بشه. به این ولتاژ بزرگ و منفی میگن Breakdown Voltage . بعضی دیودها جوری طراحی شدن که در ناحیه Breakdown عمل کنن. اما برای دیودهای عادی خیلی خوب نیست که ولتاژ Breakdown بهشون اعمال بشه.

مقدار Breakdown Voltage برای دیودهای عادی از 50- تا 100- ولت و یا حتی بیشتر هست.

خود دوستان. این جلسه دیگه داره طولانی میشه. ایشالا در جلسه دوم به بررسی انواع دیودها میپردازیم. مثل همیشه میتونید ما رو در تلگرام و یا اینستاگرام دنبال کنید: