آموزش دیود

مهمترین و کلیدی ترین نکته در مورد وظیفه دیودها کنترل جهت جریان عبوری از شاخه می باشد. در مسیری که دیود در آن استفاده شده، جریان فقط در یک مسیر می تواند عبور کند که اصطلاحا به این جریان، جریان مستقیم یا Forward Current میگویند.

در مقابل جریانی که سعی در عبور از دیود در جهت مخالف دارد به وسیله دیود بلوکه شده و اجازه عبور داده نمیشود. ساده ترین مثال برای یک دیود تصور جاده ای یک طرفه برای الکترون ها است!

آموزش دیود

دیود چیست؟

دیودها از نیمه هادی های نوع N و P ساخته می شوند.  هرگاه دو کریستال نیمه هادی نوع N و P به هم اتصال یابند الکترونهای آزاد نیمه هادی نوع N که در نزدیکی محل اتصال P–N قرار دارند به منطقه P نفوذ می نمایند و با حفره های کریستال نوع P ترکیب می شوند و به این ترتیب حفره هایی از بین می روند و الکترونهای آزاد به صورت الکترون های ظرفیت درمی آیند . عبور یک الکترون از محل اتصال سبب ایجاد یک جفت یون می شود زیرا وقتی الکترونی از ناحیه N به ناحیه P وارد می شود در ناحیه N یک اتم پنج ظرفیتی الکترونی را از دست داده و به یون مثبت تبدیل می شود و در مقابل ، در ناحیه P یک اتم سه ظرفیتی الکترونی را دریافت می کند و به یون منفی تبدیل می شود . به این ترتیب در اثر عبور تعداد زیادی الکترون از محل اتصال نیمه هادی ها ، در محل پیوند تعداد زیادی یون مثبت و منفی ایجاد می شود . این یون ها در کریستال ثابت هستند زیرا به علت پیوند کووالانس بین الکترونهای اتم ها ، نمی توانند مانند الکترونهای آزاد حرکت کنند . بنابراین در محل پیوند ناحیه ای به نام لایه تخلیه به وجود می آید که در آن حامل های هدایت الکتریکی یعنی الکترونها و حفره ها وجود ندارند . به ناحیه تخلیه ، ناحیه سد هم گفته می شود . یون های مثبت و منفی در ناحیه تخلیه سبب ایجاد میدان الکتریکی می شوند . این میدان الکتریکی با عبور الکترونهای آزاد از محل اتصال مخالفت می کند . هرگاه میدان ایجاد شده به حدی برسد که مانع عبور الکترون از محل اتصال گردد حالت تعادل به وجود می آید و به این صورت دیود کریستالی ساخته می شود . ولتاژ ایجاد شده در ناحیه تخلیه ، پتانسیل سد نامیده می شود .

بایاس کردن اتصال P–N : هرگاه به دو سر اتصال P–N ولتاژی اعمال کنیم گوییم آن را بایاس نموده ایم . بایاس کردن اتصال P–N به دو صورت مستقیم و معکوس انجام می گیرد .

بایاس مستقیم ( Forward Bias ) : اگر قطب مثبت منبع تغذیه را به نیمه هادی نوع P و قطب منفی منبع تغذیه را به نیمه هادی نوع N وصل کنیم ، دیود را در بایاس مستقیم یا موافق قرار داده ایم.

بایاس معکوس ( Reverse Bias ) : اگر قطب مثبت منبع تغذیه را به کریستال نوع N و قطب منفی آن را به کریستال نوع P متصل کنیم ، دیود را در بایاس معکوس یا مخالف قرار داده ایم.

ولتاژ شکست معکوس دیود : زمانی که ولتاژ معکوس دو سر دیود از یک مقدار مشخصی بیشتر شود جریان معکوس دیود به سرعت و به شدت افزایش می یابد و این جریان زیاد ، حرارت زیادی در دیود تولید می کند که سبب سوختن دیود می شود . به پدیده ای که در این حالت رخ می دهد پدیده شکست و به ولتاژی که در آن ، این پدیده آغاز می شود ولتاژ شکست معکوس دیود می گویند.

پدیده شکست ضرب بهمنی : دیدیم که در بایاس معکوس دیود با زیاد شدن ولتاژ معکوس ، عرض ناحیه تخلیه بیشتر می شود و همچنین شدت میدان الکتریکی در این ناحیه افزایش می یابد . حال اگر ولتاژ معکوس دیود به مقدار خاصی برسد ، در اثر میدان الکتریکی قوی ایجاد شده ، حامل های اقلیت نیمه هادی نوع P در خلاف جهت میدان شروع به حرکت کرده و به سرعت شتاب می گیرند . این حامل ها با شتاب گرفتن خود می توانند با شدت زیاد با یون ها و اتم های واقع در ناحیه تخلیه برخورد نموده و ضمن شکستن پیوندهای کووالانس آنها ، تعدادی حامل جدید را نیز آزاد نمایند . حامل های جدید نیز تحت تأثیر میدان الکتریکی زیاد در ناحیه تخلیه قرار گرفته و پس از برخورد با یون ها و اتم های دیگر، حامل های بیشتری را از پیوندهای کووالانس آنها جدا می سازند.

پدیده شکست زنر : با زیاد شدن ولتاژ معکوس دیود ، شدت میدان الکتریکی در ناحیه تخلیه ممکن است به حدی برسد که بتواند مستقیماً پیوندهای کووالانسی موجود در این ناحیه را شکسته و الکترونهای زیادی را آزاد نماید . در این حالت جدا شدن الکترونها ناشی از برخورد سایر الکترونها با آنها نبوده ، بلکه ناشی از تأثیر مستقیم میدان الکتریکی ناحیه تخلیه بر آنها است .

مقادیر حد در دیودها : برخی از کمیت های دیود اگر از میزان ماکزیمم بیشتر شوند به دیود آسیب می رسانند . مقادیر ماکزیمم این کمیت ها مقادیر حد دیود نام دارند . برخی از مقادیر حد که در کتاب مشخصات دیودها آورده می شوند و با توجه به طراحی می توان از آنها استفاده نمود عبارتند از :

1- حداکثر ولتاژ معکوس : حداکثر ولتاژی که در بایاس معکوس می تواند در دو سر دیود قرار گیرد بطوری که دیود آسیب نبیند ، حداکثر ولتاژ معکوس دیود نام دارد.

معمولاً چهار پارامتر برای حداکثر ولتاژ معکوس قید می شود که این چهار پارامتر عبارتند از : 

1.  حداکثر ولتاژ معکوس DC : حداکثر ولتاژ DC اعمال شده به دو سر دیود در بایاس معکوس که دیود می تواند تحمل کند را حداکثر ولتاژ معکوس DC می گویند و آن را با VR نمایش می دهند . 
2. حداکثر ولتاژ معکوس مؤثر : حداکثر ولتاژ مؤثری که به صورت معکوس می تواند در دو سر دیود قرار گیرد به طوری که دیود آسیب نبیند و آن را با (VR(rms نمایش می دهند . 
3. ولتاژ معکوس قابل تحمل در وضعیت کار عادی : حداکثر ولتاژ معکوس قابل تحمل توسط دیود در وضعیت کار عادی را ولتاژ معکوس قابل تحمل در وضعیت کار عادی می گویند و آن را با VRWM نمایش می دهند . 
4. ماکزیمم ولتاژ معکوس تکرار سیکل ها : حداکثر ولتاژ معکوسی که به صورت تکرار سیکل ها می تواند در دو سر دیود قرار بگیرد بطوری که دیود آسیب نبیند را ماکزیمم ولتاژ معکوس تکرار سیکل ها می گویند و آن را با VRRM نمایش می دهند .

2- حداکثر جریان مستقیم : به حداکثر جریان DC یا متوسط که می توان از دیود در گرایش مستقیم عبور داد به گونه ای که دیود آسیب نبیند حداکثر جریان مستقیم دیود می گویند و آن را با IF نمایش می دهند . در اثر عبور این جریان در محل اتصال P–N حرارت ایجاد می شود . اگر در هوای آزاد ، حرارت ایجاد شده در دیود خوب دفع نشود دیود را روی گرماگیر نصب نمود .

3- حداکثر جریان تکرای : حداکثر جریانی که به صورت تکرار سیکل ها در بایاس مستقیم در دیود جاری می شود را حداکثر جریان تکراری دیود می گویند و آن را با IFRM نمایش می دهند.

4- حداکثر جریان لحظه ای : حداکثر جریانی که در زمان بسیار کوتاه ( حدود چند میکروثانیه ) می تواند از دیود عبور کند به گونه ای که به دیود آسیب نرسد را حداکثر جریان لحظه ای دیود گویند و آن را با IFSM نمایش می دهند .

5- درجه حرارت محل پیوند : حداکثر حرارتی که در یک دیود ، در محل پیوند نیمه هادی های N و P می تواند ایجاد شود به طوری که به دیود آسیب نرسد و آن را با Tj نمایش داده می شود .

آموزش دیود زنر

دیود زنر ( Zener Diode ) : دیود زنر هم مانند دیود معمولی از اتصال دو کریستال P و N ساخته می شود . جنس نیمه هادی های این دیود از سیلیسیم بوده و در بایاس موافق مانند یک دیود معمولی سیلیسیمی عمل می کند . بر خلاف دیود های معمولی که در بایاس مخالف ، در منطقه شکست آسیب می بینند ، دیودهای زنر به گونه ای ساخته می شوند تا بتوانند در منطقه شکست کار کنند . وقتی ولتاژ بایاس مخالف دیود زنر را به تدریج افزایش دهیم ، در یک ولتاژ خاص دیود شروع به هدایت می کند. ولتاژی که دیود زنر به ازای آن در بایاس معکوس هادی می شود به ولتاژ شکست زنر معروف است . در کارخانه های سازنده دیود زنر ، با تنظیم میزان ناخالصی در این دیودها ، دیودهایی با ولتاژهای شکست مختلف ساخته می شوند . با هادی شدن دیود در ولتاژ شکست دیود ، ولتاژ دو سر دیود تقریباً ثابت می ماند و جریان عبوری از دیود افزایش می یابد . از این خاصیت دیود زنر برای تثبیت ولتاژ استفاده می شود.

استاندارد ولتاژهای زنر : دیود زنر در ولتاژهای شکست مختلف مطابق استاندارد سری E ساخته می شود . دو سری استاندارد E12 و E24 متداول تر است . ولتاژ زنر معمولاً از 2.4 ولت تا 200 ولت ساخته می شود. سری E12 دارای تلرانس 10 درصد و سری E24 دارای تلرانس 5 درصد است . معمولاً تلرانس همراه با ولتاژ شکست بر روی دیود نوشته می شود . حرف C برای تلرانس 5 درصد و حرف D برای تلرانس 10 درصد به کار می رود .

توان دیودهای زنر : جریانی که در بایاس معکوس ، از دیود زنر عبور می کند اگر زیاد شود باعث سوختن دیود می شود . زیرا این جریان باعث به وجود آمدن حرارت در محل پیوند P–N می شود . حداکثر جریانی که به ازای آن ، دیود معیوب نمی شود بستگی به توان زنر و ولتاژ شکست زنر دارد .

ضریب حرارتی دیود زنر : مقدار ولتاژ دیود زنر در اثر گرما تغییر می کند . کارخانجات سازنده برای هر دیود زنر ضریبی را تعیین می کنند که این ضریب بیانگر این است که به ازای تغییر حرارت به اندازه یک درجه ، ولتاژ زنر چه تغییری می کند . این ضریب را ضریب حرارتی دیود زنر می نامند . ضریب حرارتی دیود زنر با ولتاژ شکست 5.1 ولت تا 5.6 ولت تقریباً صفر است و برای ولتاژهای کمتر از این مقدار ضریب حرارتی منفی و برای ولتاژهای بیشتر از این مقدار ضریب حرارتی مثبت می باشد .

دیود نور دهنده یا LED : واژه LED از عبارت Light Emitting Diode به معنای دیود منتشر کننده نور گرفته شده است . دیود نور دهنده از دو نیمه هادی نوع N و P ساخته شده است . هرگاه این دیود در بایاس مستقیم قرار گیرد و جریان به اندازه کافی باشد ، دیود از خود نور تولید می کند . نور تولیدی در محل اتصال نیمه هادی های N و P ایجاد می شود . رنگ نور تولیدی به جنس نیمه هادی های استفاده شده در دیود بستگی دارد و این دیودها معمولاً دارای نورهایی به رنگ های آبی ، قرمز ، زرد ، نارنجی ، سفید و سبز هستند . نور تولید شده ، نتیجه بعضی از ترکیبات بین الکترونها و حفره ها می باشد که به صورت پالس های نور ظاهر می شود. لازم به تذکر است که این عمل برای دیودهای معمولی نیز اتفاق می افتد ولی در این دیودها فرکانس نور تولید شده به اندازه ای است که نور قابل رؤیت نمی باشد . بیشترین نور در محل اتصال نیمه هادی های نوع N و P تولید می شود زیرا در این محل ، الکترونها و حفره های بیشتری با یکدیگر ترکیب می شوند.

فتو دیود ( Photo Diode ) : 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.

دیود خازنی یا دیود واراکتور ( Varactor Diode ) : دیود خازنی مانند یک دیود معمولی است و از دو قطعه نیمه هادی نوع N و P که معمولاً از جنس سیلیسیم هستند ساخته می شود . همانطور که قبلاً گفته شد ، در یک دیود معمولی بایاس نشده یک ناحیه تخلیه ایجاد می شود . اگر نیمه هادی های نوع N و P را به عنوان دو هادی و ناحیه تخلیه را به عنوان عایق بین دو هادی در نظر بگیریم ، مجموعه دیود را می توان به عنوان یک خازن در نظر گرفت.

دیود تونلی ( Tunnel Diode ) : دیود تونلی از دو قطعه نیمه هادی نوع N و P که غالباً 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 ( حدود چند هزار برابر ) ، که این موضوع خود باعث به وجود آمدن یک ناحیه تخلیه بسیار نازک در محل پیوند می شود که عرض آن حدود 0.01 عرض ناحیه تخلیه در دیودهای معمولی است .

دیود اتصال نقطه ای ( Point Contact Diode ) : همانطور که قبلاً گفته شد در دیودهای معمولی ، در بایاس معکوس ، یک ظرفیت خازنی ایجاد می شود . اگر بخواهیم این دیودها را در فرکانس های بالا به کار ببریم به علت ظرفیت خازنی ایجاد شده ، در بایاس معکوس جریانی از دیود عبور می کند . یعنی در فرکانس های بالا ، مقاومت معکوس دیود کاهش و جریان افزایش می یابد . یکی از راه های افزایش مقاومت معکوس دیود در فرکانس های بالا این است که ظرفیت خازنی دیودهایی را که در فرکانس های بالا به کار می روند کم کنیم.

روش تست دیود با مولتیمتر

تشخیص آند و کاتد وسالم بودن دیود با استفاده از مولتی متر دیجیتالی :

اغلب مولتی مترهای دیجیتالی دارای وضعیت تست دیود هستند . هرگاه کلید سلکتور مولتی متر دیجیتالی را در وضعیت تست دیود که با علامت اختصاری دیود معمولی مشخص شده است قرار دهید و دیود به وسیله مولتی متر در بایاس موافق قرار بگیرد مولتی متر دیجیتالی ولتاژ بایاس دیود را نشان می دهد که این ولتاژ برای دیودهای سیلیسیومی بین 0.5 تا 0.7 ولت و برای دیودهای ژرمانیومی حدود 0.2 ولت می باشد . البته در بعضی از مولتی مترهای دیجیتالی در این حالت عبارت good نیز بر روی صفحه نمایش مولتی متر ظاهر می شود . اما اگر دیود در بایاس مخالف قرار گیرد ، ولتاژ بایاس مخالف اعمال شده به وسیله مولتی متر به دو سر دیود ، توسط مولتی متر نمایش داده خواهد شد و در بعضی از مولتی مترهای دیجیتالی در این حالت عبارت open بر روی صفحه نمایش مولتی متر نمایش داده می شود.

آموزش دیود شاتکی

آموزش شناخت دیود شاتکی

دیود شاتکی یا دیود حامل داغ (Schottky diode) (نام گذاری شده به افتخار دانشمند آلمانی Walter H. Schottky) یک دیود نیمه هادی با افت ولتاژ پایین در حالت بایاس مستقیم و سرعت کلید زنی بسیار سریع می‌باشد. هنگام عبور جریان الکتریکی از دیود مقداری افت ولتاژ در دو سر دیود ظاهر می‌شود. در دیودهای سیلیکونی معمولی مقدار افت ولتاژ حدود ۰٫۶ تا ۱٫۷ ولت است در حالی که در دیود شاتکی افت ولتاژ حدود ۰٫۱۵ الی ۰٫۴۵ ولت است. به دلیل افت ولتاژ پایین در این نوع دیود می‌توان مدارهایی با سرعت کلید زنی بالا و کارایی بهتری طراحی کرد.

ساختمان دیود

دیود شاتکی بوسیله پیوند یک نیمه رسانا و یک فلز ایجاد میشود که به این پیوند،پیوند فلز – نیمه هادی گفته میشود (بر خلاف دیود های معمولی که دارای پیوند نیمه هادی – نیمه هادی می باشند). معمولا فلز مورد استفاده موليبدنوم‌، پلاتين‌، كروم‌ و یا تنگستن است و نیمه هادی از نوع N می باشد. قسمت فلزی بعنوان آند و نیمه هادی نوع N بعنوان کاتد دیود عمل میکند.

زمان بازیابی معکوس دیود شاتکی

مهمترین تفاوت بین دیود های پیوند p-n و دیود شاتکی در زمان بازیابی معکوس آنها است. یعنی هنگامی که دیود از حالت هدایت به حالت قطع تغییر حالت می دهد. در دیود های p-n زمان بازیابی معکوس به اندازه صدها نانو ثانیه میباشد که این زمان در دیود های سریع به کمتر از ۱۰۰ نانو ثانیه می رسد. در حالی که در دیودهای شاتکی زمان بازیابی معکوس نداریم و زمان قطع و وصل در دیودهای کوچک (دیود سیگنال ) کمتر از ۱۰۰پیکو ثانیه است و برای دیود های قدرت این زمان به ۱۰ نانو ثانیه می‌رسد. همچنین در دیود های پیوند p-n یک جریان بازیابی معکوس نیز داریم ، که در نیمه هادی های قدرت بالا باعث افزایش نویز EMI میشود که این مشکل اساسا در دیود های شاتکی به دلیل سرعت بالای کلید زنی وجود ندارد.

محدودیت دیود شاتکی

مهمترین محدودیت دیود شاتکی در کم بودن ماکزیمم ولتاژ قابل تحمل دیود می‌باشد که معمولا ۵۰ ولت و یا کمتر است و همچنین بالا بودن نسبی جریان نشتی نیز از مهمترین محدودیت های دیود شاتکی می‌باشد.

آموزش شناخت دیود زنر

دیود زنر (Zener Diode) یک نوع ویژه از دیود است که اجازه می دهد تا جریان الکتریک در یک جهت به جلو برود و کاربرد آن به عنوان یک دیود ایده آل است ، اما ویژگی این دیود این است که همچنین اجازه میدهد که جریان الکتریک در جهت معکوس، وقت زمانی که ولتاژ بالاتر از یک مقدار مشخص باشد حرکت کند. نام این ولتاژ مشخص "ولتاژ شکست" ، "ولتاژ زانو" و یا "ولتاژ دیود زنر" است.

دیودهای زنر به طور گسترده ای برای تنظیم ولتاژ در سراسر مدارهای کوچک و به عنوان تنظیم کننده های شنت استفاده می شود. هنگامی که به طور موازی با یک منبع ولتاژ تغییر پذیر به طوری که آن معکوس و یک پهلو متصل شود. زمانی که ولتاژ به ولتاژ شکست معکوس دیود می رسد، به خاطره امپدانس نسبتا کم دیود جریان الکتریک ثابت میماند و ولتاژ دو سر دیود به آن ولتاژ است.

آموزش سلف

آموزش سیم پیچ و سلف

هرگاه از یک سیم جریان عبور کند در اطراف سیم یک میدان مغناطیسی ایجاد می شود . اگر مقدار جریان ثابت باشد ، شدت میدان مغناطیسی در هر نقطه از اطراف سیم ثابت خواهد بود . همچنین در این حالت جهت میدان مغناطیسی نیز همواره ثابت خواهد بود. البته در کلاس آموزش الکترونیک انواع دیود هایی که در این بخش آورده ایم بصورت عملی با مولتیمتر تست و سلامت آن تمرین میشود.

اما در صورتی که مقدار جریان متغیر باشد ، در اطراف سیم یک میدان مغناطیسی متغیر ایجاد خواهد شد . یعنی در این حالت شدت و جهت میدان مغناطیسی پیوسته تغییر می کند . اما در هر حال شدت میدان مغناطیسی ایجاد شده ، در هر لحظه در نزدیکی سیم بیشتر است و هر چه از سیم دورتر شویم میدان مغناطیسی ضعیف تر می شود . حال اگر یک سیم راست را پیچیده و به شکل فنر درآوریم ، با عبور جریان از آن ، میدان مغناطیسی اطراف حلقه های این سیم پیچ با هم جمع شده و یک میدان مغناطیسی قوی تر را تشکیل می دهند که این میدان مغناطیسی شبیه به میدان مغناطیسی اطراف یک آهن ربای دائم می باشد .