آشنایی با دیود(Diode) و کاربردهای آن

مدل ایده‎آل 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!

یک دیود معمولی در مدار مطابق شکل زیر نمایش داده میشود. هر دیود شامل دو پایه است که یکی از آن ها “آند” و دیگری “کاتد” نام دارد. جریان الکتریکی در صورتی عبور خواهد کرد که از سر آند وارد و از کاتد خارج شود یعنی در جهت فلش دیود عبور خواهد کرد. در نتیجه ولتاژ پایه آند باید “بیشتر” از ولتاژ پایه کاتد باشد. برای تشخیص پایه ها در دیود معمولا کارخانه سازنده یک نوار با رنگ متفاوت سمت پایه کاتد ایجاد میکند که قابل شناسایی است.

یادآوری: جهت قراردادی جریان از ولتاژ بیشتر(آند) به سمت ولتاژ کمتر(کاتد) است.

اگر اختلاف ولتاژ بین دو سر دیود منفی باشد( V_Anode-V_Cathode< 0) دیود اصطلاحا در ناحیه Reverse Bias یا بایاس معکوس قرار دارد وجریانی عبور نخواهد کرد و میگوییم دیود خاموش است و میتوان آن را یک سیم قطع شده در نظر گرفت.

در صورتی که اختلاف ولتاژ بین دو سر دیود مثبت باشد(V_Anode-V_Cathode > 0) دیود اصطلاحا در ناحیه Forward Bias یا بایاس مستقیم قرار دارد و دیود مثل سیم عمل کرده و جریان عبور خواهد کرد و میگوییم دیود روشن است.

به طور خلاصه ولتاژ دو سر دیود را با V_D نشان میدهیم و اگر V_D <0 باشد جریان عبور نخواهد کرد و در مقابل اگر V_D >0 باشد جریان عبور میکند.

به یاد داشته باشید که اگر “ولتاژ آند” بیشتر از “ولتاژ کاتد” باشد دیود در ناحیه Forward Bias قرار خواهد گرفت و جریان عبور خواهد کرد.

نمودار زیر مشخصه یک دیود ایده آل می باشد. در ناحیه ای که ولتاژ دیود منفی V_D <0  می باشد جریان عبور از آن صفر خواهد بود  (I_D=0). در ناحیه ای که ولتاژ دیود مساوی و بزرگتر از صفر باشد دیود جریان را هدایت میکند. دقت کنید که خط عمودی روی محور I نشان دهنده هر جریانی می باشد. این نوع نمودار مشخصه، مختص دیود ایده آل می باشد که در ولتاژ صفر هم جریان عبور خواهد کرد. یعنی وقتی دیود اتصال کوتاه میشود بین دو سر آن اختلاف ولتاژی دیده نمیشود و صفر تلقی خواهد شد، خواهیم دید که در دیود واقعی اوضاع تفاوت می کند.

جدول زیر به طور مختصر توضیحات بالا را شرح میدهد:

نمونه ای از مدارهای شامل دیود را در شکل زیر مشاهده می‌کنید:

در شکل سمت چپ ولتاژ آند دیود D₁ بیشتر از ولتاژ کاتد است در نتیجه جریان عبور خواهد کرد و دیود مانند یک سیم اتصال کوتاه خواهد شد در این حالت دیود در حالت بایاس مستقیم قرار دارد.

در شکل سمت راست دیود D₂ برعکس قرار گرفته و ولتاژ آند صفر شده و ولتاژ کاتد بیشتر از صفر است در نتیجه V_D <0 و دیود مدار باز خواهد شد و جریانی از آن عبور نخواهد کرد و دیود در حالت بایاس معکوس قرار خواهد گرفت.

متاسفانه دیود ایده آل وجود ندارد و مطالب گفته شده برای آشنایی با دیود مطرح شد! نگران نباشید همانطور که در اوایل مقاله گفته شد دیود واقعی رفتاری بسیار شبیه به دیود ایده آل دارد.

دیود واقعی

یک دیود واقعی برای عبور دادن جریان به مقداری توان نیاز دارند و در بایاس معکوس “نمیتواند” از عبور همه جریان جلوگیری کند و یک جریان نشتی بسیار کوچک از آن عبور خواهد کرد. دیود های واقعی کمی مشخصه پیچیده تری دارند و هرکدام یک رفتار خاصی دارند. ولی در کل مانند مشخصه زیر رفتار میکنند:

به طور کلی در این نمودار سه ناحیه وجود دارد که در ادامه این نواحی را معرفی خواهیم کرد.

ناحیه Forward Bias

مانند ناحیه بایاس مستقیم در دیود ایده آل می باشد با این تفاوت که “ولتاژ دیود باید از یک مقداری بیشتر باشد که دیود بتواند در ناحیه هدایت قرار بگیرد” این مقدار V_f یا Forward Voltage نام دارد که در دیود های سیلیکونی ۰٫۷V و در دیود های ژرمانیوم ۰٫۳V مقدار دارند.

 ناحیه Reverse Bias

وقتی ولتاژ کمتر از مقدار V_f و بیشتر از مقدار V_Br باشد دیود خاموش بوده و در ناحیه بایاس معکوس قرار دارد. طبق مشخصه مقدار بسیار کمی جریان نشتی در جهت مخالف از آن عبور میکند که در حدود نانو آمپر می باشد. این جریان Reverse Saturation Current نام دارد.

ناحیه Breakdown

وقتی ولتاژ دیود از یک مقدار آستانه ی V_Br منفی تر شود دیود توانایی بلوکه کردن جریان را از دست میدهد و جریان بسیار زیادی در جهت مخالف دیود عبور خواهد کرد. این ولتاژ آستانه Breakdown Voltage نام دارد. درواقع بعضی از دیود ها برای کار در همین ناحیه شکست طراحی و ساخته شده اند که در قسمت بعدی شرح داده خواهد شد اما دیود هایی که محدودیت دارند در این ناحیه آسیب خواهند دید. معمولا دیود ها ناحیه شکستی بین ۵۰V- تا ۱۰۰V- دارند.

مشخصاتی که قبلا در مورد آنها توضیح داده شد به طور کامل و مستند در Datasheet مربوط به هر قطعه قرار دارد. قبل از کاربرد یک دیود در مدار الکترونیکی توصیه می شود حتما به Datasheet آن قطعه مراجعه کنید و اطلاعات لازم را کسب کنید.

برای نمونه مشخصات یک دیود معمولی به نام ۱N4148 در تصویر زیر ذکر شده. ملاحظه میکنید که بیشترین مقدار ولتاژ دیود در بایاس مستقیم ۱۰۰۰mV یا همان ۱V و ولتاژ شکست دیود ۱۰۰V- است.

یکی از بهترین وسیله ها برای نمایش اطلاعات مربوط به قطعات نمودار های لگاریتمی است که در یک نگاه اطلاعات کاملی  مربوط به رفتار دیود قابل نمایش است. در دیتاشیت دیود، نموداری مربوط به جریان مستقیم (I_f) و ولتاژ مستقیم (V_f) قرار داده شده است. با استفاده از این نمودار می توان پی برد که این دیود برای جریان های مستقیم ۲۰۰mA و کمتر مناسب می باشد.

بیشتر بخوانید :

آموزش الکترونیک – دیود و مبانی نیمه هادی

تریستور چیست؟

تستر تریاک و تریستور

عیب یابی موتورهای الکتریکی

ترانزیستور چگونه کار می کند

IGBT چیست؟