دیود چیست و چه کاربردی دارد

دیود چیست و چه کاربردی دارد؟ این یکی از سوالاتی است که به ذهن کسانی که به کارهای فنی علاقه دارند می رسد. دیود ها باعث تحولات بسیار بزرگی در علم الکترونیک شدند. مثلا ساختن کامپیوتر یکی از این تکنولوژی بود که زندگی مردم را تغییر داد. حال باید بدانیم ” کار دیود چیست ؟ ” و این قطعه کوچک چطور این تحول بزرگ را ابوجود آورده است.

دیود یک قطعه الکترونیکی است که دو سر دارد، یعنی از یک سر جریان الکتریکی را عبور می‌دهد و از سوی دیگر مانع عبور جریان الکتریکی می‌شود. نام دیگر دیود، یکسو ساز هم هست. ما از دیودها به عنوان دستگاهی با دو الکترود فعال و دو ترمینال که جریان را تنها در یک جهت از آن عبور می دهد، آگاه هستیم. بطور کلی یکی از کاربردهای اصلی دیودها مسدود کردن جریان در یک جهت و اجازه دادن به جریان در جهت دیگر است.

ساختار داخلی دیود

اتصالات P-N در نیمه هادی ها توسط فرآیندی ساخته می شوند که doping نام دارد. بررسی مبحث ساخت اتصالات P-N بسیار تخصصی بوده و از موضوع این مقاله دور است؛ اما به طور خلاصه می توان گفت که در این فرآیند ناخالصی نوع n و p در طرفین اتصال قرار دارد و باعث ایجاد حفره ها و الکترون های آزاد می شود. دیود از مواد نوع P و N ساخته شده و دارای دو پایانه آند و کاتد می باشد. این دستگاه را می توان با کنترل ولتاژ اعمال شده به این ترمینال ها کار کرد.

برای ساخته شدن ناحیه P می توان ناخالصی هایی از نوع گالیوم، آلومینیوم و بور به ماده نیمه هادی اضافه کرد. در اثر اضافه شدن این مواد تعداد بسیار زیادی حفره در این ناحیه ایجاد می شود. ناحیه P در یک دیود به عنوان آند شناخته می شود و پلاریته مثبت آن را می سازد. برای ناحیه N از ناخالصی هایی مثل فسفر، آنتیموان و آرسنیک استفاده می شود که باعث ازدیاد الکترون در این ناحیه خواهد شد. به ناحیه N کاتد گفته شده و دارای پلاریته منفی است. پس هر نوع دیودی فارغ از ویژگی های اختصاصی دارای دو پایه به نام های آند و کاتد است. با توجه به اینکه علامت بار پایه های دیود متفاوت است دو نوع بایاس برای آن می توان در نظر داشت.

دیود چیست و چه کاربردی دارد

قبل از دانستن کاربرد دیود ها، باید بدانیم که یک دیود ایده آل در یک محفظه پلاستیکی یا شیشه ای محصور شده است تا سمت کاتد آن را مشخص کند. یک دیود به دو صورت کار می کند، یا بایاس رو به جلو یا بایاس معکوس. وصل کردن ولتاژ به دیود را بایاس کردن دیود می گویند. می دانیم که دیود جریان را فقط در یک جهت می دهد و از این رو به عنوان یک کلید یک طرفه عمل می کند.

هنگامی که ولتاژ اعمال شده به آند نسبت به کاتد مثبت باشد، دیود در بایاس Forward است. اگر ولتاژ اعمال شده به دیود بیشتر از سطح آستانه باشد (معمولاً برای دیودهای سیلیکونی ≈0.6V است)، دیود به عنوان یک اتصال کوتاه عمل می کند و جریان را می دهد.

اگر قطبیت ولتاژ تغییر کند، یعنی کاتد نسبت به آند مثبت شود، گفته می شود که در بایاس معکوس است و به عنوان مدار باز عمل می کند. در نتیجه هیچ جریانی از آن عبور نمی کند. حوزه های کاربردی دیودها شامل سیستم های ارتباطی به عنوان محدود کننده ها، کلیپرها، گیت ها می باشد. سیستم های کامپیوتری به عنوان دروازه های منطقی، گیره. سیستم های منبع تغذیه به عنوان یکسو کننده و اینورتر؛ سیستم های تلویزیونی به عنوان آشکارسازهای فاز، محدود کننده ها، گیره ها. مدارهای رادار به عنوان مدارهای کنترل بهره، تقویت کننده های پارامتر و غیره. توضیحات زیر کاربرد های مختلف دیودها را به طور خلاصه شرح می دهد.

برخی از عملکرد رایج دیودها

قبل از اینکه به کاربرد های مختلف دیود ها نگاهی بیندازیم، اجازه دهید به سرعت نگاهی به فهرست کوچکی از کاربرد های رایج دیود ها بیندازیم.

• یکسو کننده ها
• کلیپر
• مدار بستن
• حفاظت از جریان معکوس
• ضرب کننده های ولتاژ و…

دیود به عنوان یکسو کننده

رایج ترین و مهم ترین کاربرد دیود، یکسوسازی برق AC به برق DC است. با استفاده از دیود ها می توانیم انواع مختلفی از مدارهای یکسو کننده بسازیم. انواع اصلی این مدارهای یکسو کننده، یکسو کننده های نیم موج، تمام موج با مرکز و یکسو کننده پل کامل هستند. یک دیود منفرد یا ترکیبی از چهار دیود در اکثر برنامه های تبدیل توان استفاده می شود. شکل بالا عملکرد دیود را در یکسوساز نشان می دهد.
در طول نیم سیکل مثبت منبع ورودی، آند نسبت به کاتد مثبت می شود. بنابراین، دیود بایاس به جلو می شود. این باعث می شود که جریان به بار برسد. از آن جایی که بار مقاومتی است، ولتاژ دو سر مقاومت بار برابر با ولتاژ تغذیه خواهد بود، یعنی ولتاژ سینوسی ورودی در بار ظاهر می شود (فقط سیکل مثبت). جریان بار متناسب با ولتاژ اعمال شده است. در طول نیم سیکل منفی موج سینوسی ورودی، آند نسبت به کاتد منفی می شود. بنابراین، دیود بایاس معکوس می شود. از این رو هیچ جریانی به بار نمی رسد. مدار به مدار باز تبدیل می شود و هیچ ولتاژی در بار ظاهر نمی شود.
هر دو ولتاژ و جریان در سمت بار یک قطبی هستند به این معنی که ولتاژ خروجی DC ضربانی است. اغلب، این مدار یکسوسازی دارای یک خازن است که در سراسر بار وصل می شود تا جریان های DC ثابت و پیوسته را بدون هیچ گونه موجی تولید کند.

دیودها در مدارهای برش

مدارهای Clipping در فرستنده های FM استفاده می شوند، جایی که پیک های نویز به یک مقدار خاص محدود می شوند تا پیک های بیش از حد از آنها حذف شود. مدار کلیپر برای قطع ولتاژ فراتر از مقدار از پیش تعیین شده بدون ایجاد اختلال در قسمت باقی مانده از شکل موج ورودی استفاده می شود.

دیودها در مدارهای ضرب کننده ولتاژ

ضریب ولتاژ از دو یا چند مدار یکسو کننده دیود تشکیل شده است که برای تولید ولتاژ خروجی DC برابر با مضرب ولتاژ ورودی اعمال شده، آبشاری می شوند. این مدارهای چند برابری انواع مختلفی دارند مانند دو برابر کننده ولتاژ، سه گانه، چهار برابر و غیره. با استفاده از دیود ها در ترکیب با خازن ها، فرد یا مضربی از پیک ولتاژ ورودی را در خروجی بدست می آوریم.

شکل بالا یک مدار دو برابر ولتاژ نیمه موج را نشان می دهد که ولتاژ خروجی DC آن دو برابر پیک ولتاژ AC ورودی است. در طول نیم چرخه مثبت ورودی AC، دیود D1 بایاس رو به جلو و D2 بایاس معکوس است. بنابراین، خازن C1 تا حداکثر ولتاژ Vm ورودی از طریق دیود D1 شارژ می شود. در طول نیم چرخه منفی ورودی AC، D1 بایاس معکوس و D2 بایاس رو به جلو است. بنابراین، خازن C2 شروع به شارژ کامل D2 و C1 می کند. بنابراین، کل ولتاژ در سراسر C2 برابر با 2Vm است.

در طول نیم سیکل مثبت بعدی، دیود D2 بایاس معکوس می شود بنابراین خازن C2 از طریق بار تخلیه می شود. به همین ترتیب، با آبشاری مدارهای یکسو کننده، مقادیر چندگانه ولتاژ ورودی را در خروجی دریافت خواهیم کرد.

دیودها در مدارهای بستن

مدار کلمپر برای جابجایی یا تغییر پیک مثبت یا منفی سیگنال ورودی به سطح دلخواه استفاده می شود. این مدار با نام های Level Shifter یا DC restorer نیز نامیده می شود. این مدارهای گیره بسته به پیکربندی دیود می توانند مثبت یا منفی باشند. در مدار گیره مثبت، قله های منفی به سمت بالا بالا می روند بنابراین قله های منفی در سطح صفر قرار می گیرند. در مورد مدار گیره منفی، قله های مثبت به گونه ای گیره می شوند که به سمت پایین فشار می آورند تا پیک های مثبت در سطح صفر قرار گیرند.

برای درک کاربرد دیود در مدارهای گیره در طول نیم چرخه مثبت ورودی، دیود بایاس معکوس می شود، بنابراین ولتاژ خروجی برابر با مجموع ولتاژ ورودی و ولتاژ خازن است (با توجه به اینکه خازن در ابتدا شارژ شده است). در طول نیم چرخه منفی ورودی، دیود بایاس رو به جلو است و مانند یک کلید بسته عمل می کند، بنابراین خازن تا یک مقدار پیک سیگنال ورودی شارژ می شود.

دیودها در حفاظت از قطبیت معکوس

حفاظت از قطبیت معکوس یا جریان برای جلوگیری از آسیبی که به دلیل اتصال باتری به روش اشتباه یا معکوس کردن قطبیت های منبع DC رخ می دهد، ضروری است. این اتصال تصادفی منبع تغذیه باعث می شود که جریان زیادی از اجزای مدار عبور کند که ممکن است منجر به خرابی آنها یا در بدترین حالت انفجار آنها شود. بنابراین، برای جلوگیری از مشکل اتصال معکوس، یک دیود محافظ یا مسدود کننده به صورت سری به سمت مثبت ورودی متصل می شود. شکل بالا مدار حفاظت جریان معکوس را نشان می دهد، جایی که دیود به صورت سری با بار در سمت مثبت منبع باتری متصل می شود. در صورت اتصال قطبی صحیح، دیود بایاس رو به جلو می شود و جریان بار از آن عبور می کند. اما در صورت اتصال اشتباه، دیود بایاس معکوس است و اجازه نمی دهد جریانی به بار برسد. بنابراین، بار در برابر قطبیت معکوس محافظت می شود.

دیودها در پنل های خورشیدی

دیودهایی که برای محافظت از پنل های خورشیدی استفاده می شوند، دیودهای بای پس نامیده می شوند. اگر پنل خورشیدی معیوب یا آسیب دیده باشد یا بر اثر ریزش برگ ها، برف و سایر موانع سایه بیاندازد، توان خروجی کلی کاهش می یابد و آسیب نقطه داغ ایجاد می شود زیرا جریان بقیه سلول ها باید از این سلول معیوب یا سایه دار عبور کند و باعث گرم شدن بیش از حد می شود. عملکرد اصلی دیود بای پس محافظت از سلول های خورشیدی در برابر این مشکل گرمایش نقطه داغ است.شکل بالا اتصال دیودهای بای پس در سلول های خورشیدی را نشان می دهد. این دیودها به طور موازی با سلول های خورشیدی متصل می شوند و بدین ترتیب ولتاژ سلول خورشیدی بد را محدود می کنند و جریان سلول های خورشیدی خوب را به مدار خارجی می دهند. بنابراین، با محدود کردن جریان جریان از طریق سلول خورشیدی بد، مشکل گرمای بیش از حد را کاهش می دهد.

انواع دیودهای مهم

• دیود معمولی: این نوع در واقع همان دیودی است که از ابتدای مقاله درباره آن صحبت کردیم و عملکرد آن را شناختیم. P-N Junction Diode یکی از ساده ترین انواع دیودهاست که برای کاربرد یکسوسازی در مدارها استفاده می شود.
• دیود زنر: کاربرد زنر در تثبيت ولتاژ می باشد.
• دیود لیزری: این مدل نور هماهنگ تولید می کند، این دیود در دیسک گردان سی دی، دی وی دی و نشان گر های لیزری کاربرد دارد.
• دیود شاتکی: دیودی نیمه هادی با افت ولتاژ پایین در حالت بایاس مستقیم و سرعت کلید زنی بسیار بالا می باشد.
• دیود LED: دیودهای LED دقیقا مانند دیود های معمولی هستند و بصورت مستقیم بایاس می شوند یعنی مثبت منبع تغذیه به آند و منفی آن به کاتد متصل می شود و نوری ساطع می کند.
• پل دیود: قطعه ای گفته می شود که از ترکیب 4 عدد دیود معمولی بدست می آید و وظیفه اصلی آن یکسوسازی جریان متناوب الکتریکی و برای بدست آوردن جریان مستقیم تمام موج استفاده می شود. مداری است که با تغییر دادن پلاریته تغذیه ورودی آن، پلاریته خروجی تغییر نمی کند.
• دیود بهمنی: این نوع دیود در بایاس معکوس کاربرد دارد و از اثر بهمنی برای عملکردش استفاده می شود و عموما برای حس گر های نور به کار می رود، وقتی که حساسیت زیاد توسط پردازش بهمنی حاصل می شود.