انواع دیود ها

دیود اتصال نقطه ای ( Point Contact Diode )

دیود های معمولی در بایاس معکوس ، یک ظرفیت خازنی در حدود PF را ایجاد می کنند. اگر بخواهیم این دیود ها را در فرکانس های بالا به کار ببریم ، به دلیل ظرفیت خازنی در بایاس معکوس ، جریان از مدار عبور می کند. زیرا در فرکانس بالا مقاومت معکوس دیود ، کم می شود.

از این رو باید ظرفیت خازنی دیودهایی را که در فرکانس بالا به کار می روند کم نمود. برای کم کردن ظرفیت خازن ، ساده ترین ، کم کردن سطح اتصال هادی ها است. لذا اتصال دیود های اتصال نقطه ای را برای فرکانس های بالا و جریان های کم می سازند.

در شکل زیر ساختمان ساده ی یک دیود اتصال نقطه ای را مشاهده می کنید :

برای ساختن این دیود ، کریستال نیمه هادی نوع N را معمولا از جنس ژرمانیوم انتخاب می کنند و یک سیم نازک مخصوص که خاصیت فنری داشته باشد به آن می چسبانند ، سپس یک جریان ضربه ای قوی از آن می گذرانند.
در اثر این عمل اولا کریستال نوع N ذوب می شود و نک سیم در داخل آن فرو می رود. ثانیا در اطراف آن یک ناحیه ی بسیار کوچک P ایجاد می گردد.

در زیر یک نوع دیود اتصال نقطه ای پرکاربرد را معرفی می کنیم :

۱N4148

این دیود یکی از پرکاربرد ترین دیود های اتصال نقطه ای است که در مداراتی که در آن ها دیود لازم است و فرکانس بالا هستند به کار  می رود. البته این دیود باید برای جریان های کم به کار برود.

شکل ظاهری این دیود به صورت زیر می باشد :

مشخصات این دیود به صورت زیر می باشد :

دیود شاتکی(Schottky)

دیود های معمولی اتصال PN ، نمی توانند خیلی سریع قطع و وصل شوند. برای بالا بردن سرعت قطع و وصل در یک دیود برای مثال ۱ مگاهرتز از این دیود استفاده می شود.

اما ساختمان این دیود تقریبا مشابه با دیود اتصال نقطه ای بوده و عملکردی مشابه با آن دارد. تنها تفاوت آن ها در این است که این دیود در توان ها و جریان های بالا به کار می رود.

این دیود ، دیودی است که افت ولتاژ مستقیم پایین‌تری را در مقایسه با دیودهای اتصال p-n سیلیکون عادی، مشخص می‌کند. افت ولتاژ، ممکن است جایی میان ۰٫۱۵ و ۰٫۴ ولت، در جریان‌های پایین در مقایسه با ۰٫۶ ولت برای یک دیود سیلیکونی باشد. افت ولتاژ پایین‌تر، به دیود کمک می‌کند که از وضعیت رسانایی به وضعیت نارسانایی در زمان کوتاهتری، انتقال یابد. بنابراین، برای جلوگیری از اشباع ترانزیستور و همچنین استفاده در کاربردهای مهار ولتاژ، مفید هستند. برای حصول این کارایی، این دیودها، به روشی غیر از دیودهای نرمال، با اتصال فلز به نیمه رسانا، ساخته می‌شوند. دیودهای شاتکی، در کاربردهای RF و یکسو کننده به کار می‌روند.

این دیود ها که به دیود های fast هم معروف اند کاربرد فراوانی در منابع تغذیه سویچینگ و مبدل های قدرت ( Converter & Inverter ) دارند.

در زیر چند نمونه دیود fast موجود در بازار ایران و پرکاربر را معرفی می کنیم :

HER30X

این دیود ها در ۸ نوع موجود می باشند که هر کدام پارامتر های خاص خود را دارند.
در زیر شکل ظاهری این دیود ها را مشاهده ی کنید :

در جدول زیر مشخصات این دیود را مشاهده می کنید :

در شکل بالا مشاهده می کنید که این دیود می تواند حداکثر ۳A جریان متوسط از خود عبور دهد و ولتاژ حداکثر معکوس آن ها نیز بسته به نوع دیود بین ۵۰ تا ۱۰۰۰ ولت تغییر می کند.
در جدول زیر ادامه ی مشخصات را مشاهده می کنید :

MR85X

این دیود نیز دیود بسیار مناسبی برای مدارات فرکانس بالا که دیود در آن ها کاربرد دارد ، می باشد. این دیود نسبت به دیود قبلی دارای زمان بازیابی بسیار کمتری است و می تواند در مدارات سویچینگ با فرکانس ۱MHz نیز استفاده شود.

این دیود حداکثر ۳ آمپر(متوسط) جریان از خود عبور می دهد و حداکثر ولتاژ معکوسی که تحمل می کند در مدل های مختلف بین ۵۰ تا ۶۰۰ ولت تغییر میکند.

این سری دیود در ۵ مدل وجود دارد.
در زیر شکل ظاهری دیود را مشاهده می کنید :

در زیر مشخصات دیود را مشاهده می کنید :

دیود خازنی ( واراکتور) Varactor

دیود خازنی ، مانند یک دیود معمولی است و از دو قطعه نیمه هادی نوع N و P ، که معمولا از جنس سیلیسیم است ، ساخته می شود. همان طور که قبلا یاد گرفتیم ، یک دیود معمولی ، بدون بایاس در محل پیوند یک لایه سد دارد. این لایه به صورت یک عایق بین نیمه هادی P و N قرار می گیرد. اگر دو نیمه هادی P و N را به عنوان دو هادی و لایه ی سد را به عنوان عایق به حساب بیاوریم ، این مجموعه عملا یک خازن است که در منطقه ی تخلیه حدود پیکو فاراد ( PF ) است.

چون این ظرفیت خازنی نتیجه ی لایه ی سد در دیود است ، این دیود باید همیشه در بایاس معکوس به کار گرفته شود تا بتوان از اثر خازنی این دیود استفاده نمود.

این دیود های خازنی اندکی با دیود های معمولی تفاوت دارد. اول این که جریان اشباع معکوس آن فوق العاده کم است ، دوم این که سطح دو نیمه هادی را طوری انتخاب می کنند که حداکثر بتواند خازنی با ظرفیت ۲٫۵ نانو فاراد را ایجاد کند.

دیود های خازنی با ظرفیت ۳۰۰pF از رایج ترین این دیود ها هستند.

در شکل زیر مدار تغذیه ی این دیود را مشاهده می کنید :

کاربرد این دیود ها در مدارات اسیلاتور در تلوزیون ها و رادیود ها می باشد و می تواند در مدار تیونر رادیو انتخاب شود.
منحنی ظرفیت این دیود را نسبت به تغییرات ولتاژ دیود مشاهده می کنید :

۱-مدار یکسو کننده ی نیم موج

مدار یکسو کننده ی نیم موج به صورت زیر می باشد :

در این مدار فرض می شود که دیود های به کار رفته شده ایده آل هستند ؛ یعنی هیچ افت ولتاژی در دوسر ان ها وجود ندارد اما در عمل حدود ۰٫۶ تا ۱٫۵ ولت (بسته به جریان عبوری از دیود ) دو سر دیود ولتاژ افت می کند.

طرز کار مدار فوق بدین صورت است که در نیم سیکل اول چون ولتاژ آند از کاتد مثبت تر است دیود روشن شده و جریان از دیود عبور می کند . پس دیود مانند کلید بسته عمل می کند و ولتاژ بار همان ولتاژ منبع می باشد.

اما در نیم سیکل منفی چون ولتاژ آند از کاتد منفی تر است دیود خاموش است و دیود مانند کلید باز عمل کرده و ولتاژ بار صفر می باشد.

در این حالت تمام ولتاژ منبع در دوسر دیود افت می کند.

حال اگر جهت دیود برعکس شود عکس حالت بالا اتفاق می افتد.

در نیم سیکل مثبت دیود در حالت بایاس معکوس است و قطع می باشد ولی در نیم سیکل دوم دیود در حالت بایاس مستقیم قرار دارد و ولتاژ بار همان ولتاژ منبع  می باشد.

حال این سوال پیش می آید که اگر ولت متر DC را به بار وصل کنیم چه ولتاژی را نشان می دهد؟
همان طور که می دانیم ، ولت متر DC مقدار ولتاژ متوسط را و ولت متر AC مقدار ولتاژ موثر را نشان می دهد . چون در این مدار نوع ولتاژ مستقیم ( یک طرفه ) است پس ولت متر مقدار ولتاژ متوسط را نشان می دهد . مقدار متوسط ولتاژ در این حالت (ولتاژ یکسو شده نیم موج ) برابر است با :

Vdc=Vm/pi=0.318Vm

مقدار ولتاژ متوسط (DC) بر روی شکل نشان داده شده است.

حداکثر ولتاژ معکوس دو سر دیود

یکی از پارامتر های مهم دیود ها ، حداکثر ولتاژ معکوس دو سر آن ها می باشد . هنگامی که دیود در بایاس معکوس است تمام ولتاژ منبع در دوسر آن افت می کند. اگر این ولتاژ از حداکثر ولتاژ معکوسی که دیود می تواند تحمل میکند بیشتر باشد دیود می سوزد.
در مدار یکسو ساز نیم موج حداکثر ولتاژ معکوسی که در دوسر دیود افت می کند برابر Vm است.

۲- مدار یکسو کننده تمام موج با ترانس سر وسط

مدار یکسو کننده تمام موج با ترانس سر وسط به صورت زیر می باشد :

در این مدار دو نیم سیکل منفی و مثبت ولتاژ یکسو می شوند و مقدار ولتاژ متوسط خروجی به ۰٫۶۳۶ Vm افزایش میابد.

برای این که دریابیم چگونه ولتاژ خروجی این مدار مانند شکل بالا می شود باید ببینیم که ولتاژ های ثانویه ی ترانسفورماتور به چه صورت است.

همانطور که در شکل بالا مشاهده می کنید در این نوع یکسو کننده از یک ترانسفورماتور با دو ولتاژ ثانویه یکسان و یک سر زمین استفاده شده است.

ترانسفورماتور زیر را در نظر میگیریم :

ولتاژ دو نقطه ی A و C برابر ولتاژ نقاط AB و BC می باشد زیرا دو ولتاژ با هم سری شده اند ، یعنی VAC =VAB +VBC.

در نیم سیکل مثبت ، نقطه ی A مثبت تر از نقطه ی Cو B و نقطه ی B مثبت تر از نقطه ی C است . اگر نقطه ی B (سر وسط ترانسفورماتور) را مبنا بگیریم ، نقطه ی A نسبت به مبنا ) نقطه ی B) مثبت تر و نقطه ی C نسبت به مبنا (نقطه ی B) منفی تر است. این مطلب در شکل زیر نشان داده شده است :

اینک که با طرز کار ترانسفور ماتور با سر وسط آشنا شدیم ، به بیان طرز کار مدار یکسو ساز می پردازیم.

در مدت نیم سیکل مثبت ، دیود D1 در بایاس مستقیم قرار دارد دیود D2 در بایاس معکوس قرار دارد. بنابراین ، فقط دیود D1 هدایت می کند. لذا ، تمام ولتاژ نیم سیکل مثبت VAB در دوسر بار ، ظاهر می گردد.

در مدت نیم سیکل منفی ، همان طوری که از شکل زیر مشاهده می شود ، دیود D2 در بایاس مستقیم و هادی و دیود D1 در بایاس معکوس قرار گرفته است. در این حالت تمام ولتاژ VCB دو سر بار ، ظاهر می گردد.

نکته : حداکثر ولتاژ معکوسی که در دوسر دیود ها در این مدار قرار می گیرد برابر ۲Vm می باشد.

۳- یکسو کننده ی تمام موج پل

مدار یکسو کننده ی پل به صورت زیر است :

در این مدار از ۴ دیود و یک ترانسفور ماتور استفاده شده است.

طرز کار مدار به این صورت است که در مدت نیم سیکل مثبت، دیود های D1 و D2 در بایاس مستقیم و دیود های D3 و D4 در بایاس معکوس قرار دارند.

بنابراین ، جریان از دیود های D1 و RL و D2 مسیر خود را می بندند . با توجه به این که دیود ها ایده آل فرض شده اند ، لذا تمام ولتاژ ثانویه ی ترانسفورماتور دو سر با ظاهر می گردد.

در مدت نیم سیکل منفی ، با توجه به شکل زیر دیود های D3 و D4 در بایاس موافق و دیود های D1 و D2 در بایاس معکوس قرار دارند . لذا ، جریان از طریق دیود های D3 و D4 و بار RL مسیر خود را می بنند . در این حالت نیز تمام ولتاژ در دوسر بار ظاهر می گردد.

مقدار متوسط ولتاژ خروجی یکسو ساز تمام موج ۰٫۶۳۶ Vm می باشد.
در مدار یکسوکننده ی پل ، حداکثر ولتاژی که در بایاس معکوس دو سر هر دیود ظاهر می شود برابر با Vm می باشد.
معمولا در بازار به جای چهار دیود در این مدار از پل دیود استفاده می شود که در آن ۴ دیود قرار دارد . در شکل زیر نمونه ای از آن ها را مشاهده می کنید :

مقایسه مدار یکسو کننده تمام موج با ترانس سر وسط و پل

۴- مدار یکسو ساز با صافی خازنی

همانر طور که دیدیم ، توسط دیود ها می توان ولتاژ متناوب را به ولتاژ یک طرفه (DC ) تبدیل نمود ، اما این ولتاژ یک سو شده دارای نوسان هایی است ( با فرکانس ۱۰۰ هرتز در یکسو کننده تمام موج و ۵۰ هرتز در یکسو کننده نیم موج ). در الکترونیک و بیشتر مبحث راه اندازی و تغذیه مدارات الکترونیکی و مبحث مدارات کنترل و دیجیتال به یک ولتاژ ثابت نیاز داریم. برای این که بتوانیم ولتاز نوسان دار را به یک ولتاز ثابت تبدیل کنیم ، باید از المان هایی استفاده کنیم که لتوانند انرژی الکتریکی را در خود ذخیره کنند و موقعی که ولتاژ یک سو شده از مقدار Vm به مقدار صفر میل می کند ، این المان ، انرژی ذخیره شده را به مصرف کننده بدهد. این المان ها سلف و خازن می باشند.

صافی خازنی
زمانی که خازن به صورت صافی به کار می رود ، به طور موازی با بار قرار می گیرد. مانند شکل زیر :

چگونگی صاف شدن ولتاژ ، به این صورت است که ابتدا از مقدار صفر تا ماکزیمم ولتاژ نیم سیکل مثبت ، مطابق شکل زیر در خازن ولتاز دخیره می گردد :

زمانی که ولتاژ خروجی از مقدار Vm کم تر می شود ، دیود های یکسو کننده در بایاس معکوس قرار می گیرند. بنابراین ولتاژ دو سر بار از خازن تامین می گردد. به عبارت دیگر ، خارن از طریق بار دشارژ می گردد. همان طور که می دانیم ، منحنی دشارز خازن به صورت نمایی نزولی است :

این شیب نزول به مقدار بار و ظرفیت خازن بستگی دارد. در شکل زیر منحنی دشارژ خازن برای چهار نوع ظرفیت خازن با بار مساوی رسم شده است.

در شکل زیر منحنی دشارژ خازن در دوسر بار را نشان داده ایم :

در شکل های زیر اثر تغییر ظرفیت را در ولتاژ ریپل مشاهده می کنید :

در شکل زیر تاثیر تغییرات جریان را بر ولتاژ ریپپل مشاهده می کنید :

پس با توجه به اطلاعات بالا می توانیم ولتاژ ریپل را در صافی خازنی به صورت زیر محاسبه کنیم :

۱- دو برابر کننده های ولتاژ

شکل زیر یک مدار دو برابر کننده ولتاژ را نشان می دهد.
در این مدار از دو دیود و دو خازن استفاده شده است.

در این مدار ، بعد از چند سیکل خازن C1 تا ماکزیمم ولتاژ ثانویه ترانسفور ماتور (Vm) و خازن C2 تا ۲Vm شارژ می شود . از توضیح نحوه ی شارژ خازن ها صرف نظر شده است.

نوع دیگر مدار دو برابر کننده ولتاژ ، در شکل زیر رسم شده است . این مدار ، دو برابر کننده ی ولتاژ تمام موج نام دارد.

طرز کار مدار به این صورت است که در مدت نیم سیکل مثبت ولتاژ ثانویه ترانسفور ماتور ، دیود D1 در بایاس مستقیم قرار گرفته و هادی است. لذا خازن C1 تا مقدار حداکثر (Vm) شارژ می شود. در این حالت ، دیود D2 در بایاس معکوس قرار گرفته و قطع است. مانند شکل زیر :

در مدت نیم سیکل منفی ولتاژ ثانویه ی ترانسفور ماتور ، دیود D2 در بایاس مستقیم است . خازن C2 تا مقدار حداکثر ولتاژ (Vm) شارژ می شود . در این حالت ، دیود D1 در بایاس معکوس بوده ، قطع است. مانند شکل رو به رو. اگر باری به مدار وصل نشود ، مقدار ولتاژ خروجی برابر ۲Vm ثابت می ماند در حالی که ولتاژ دو سر هر خازن Vm است و هر یک ، فقط در مدت نیم سیکل شارژ می شود.

بنابراین شکل موجی که خازن ها را شارژ می کند به صورت تمام موج خواهد بود ( به عبارت دیگر مدار توسط واتاژ یکسو شده ی تمام موج تغذیه می گردد).

عیب عمده ی این مدار ها این است که دو خازن سری شده و مقدار ظرفیت کل ، نصف می شود . مقدار حداکثر ولتاژی که دو سر هر دیود در بایاس معکوس قرار می گیرد ، برابر ۲Vm است.

۲- سه و چهار برابر کننده های ولتاژ

یک مدار سه و چهار برابر کنندهی ولتاژ ، در شکل زیر نشان داده شده است . در حقیقت این مدار ، یک مدار دو برابر کننده ی ولتاژ است که در صفحات پیش مورد بررسی قرار گرفت . با این تفاوت که به ازای هر یک برابر افزایش ولتاژ ، یک خازن و یک دیود به آن اضافه شده است. این مدار می تواند با اضافه شدن متوالی دیود ها و خازن ها به عنوان یک مدار پنج و شش و … برابر کننده ، به کار آید.

طرز کار مدار به صورت ساده و خلاصه با توجه به بالا به این صورت است که در مدت نیم سیکل مثبت ولتاژ ثانویه ی ترانسفورماتور ، خازن C1 از طریق دیود D1 به اندازه ی ولتاژ ماکزیمم ) Vm) شارژ می شود . خازن C2 در مدت نیم سیکل منفی و از طریق دیود D2 به اندازه ی ۲Vm شارژ می گردد ( بعد از چند سیکل ) . در مدت نیم سیکل مثبت بعدی ، خازن C3 از طریق دیود D3 به اندازه ۲Vm شارژ می شود ( بعد از چند سیکل ) و در مدت نیم سیکل منفی خازن C4 از طریق دیود D4 به اندازه ۲Vm شارژ می گردد ( در این حالت ولتاژ ثانویه ی ترانسفور ماتور و ولتاژ خازن C1 و C3 با هم جمع و به اندازه ۴Vm می شوند که بین دو خازن C2 و C4 تقسیم می گردد.) بنابراین ، در این مدار ولتاز هر خازن به اندازه ی ۲Vm و ولتاژ معکوس هر دیود به اندازه ی ۲Vm است.
شکل زیر یک مدار n برابر کننده را نشان می دهد . خازن های ردیف بالا ، نمایشگر اعداد فرد مقدار شارژ ، نسبت به ابتدای مدار و خازن های ردیف پایین ، نمایشگر اعداد زوج مقدار شارژ ، نسبت به ابتدای مدار است.