فهرست مطالب
دیود 3
دیود در مدار الکتریکی 4
دیود چگونه کار می کند ؟ 6
مشخصه دیود در گرایش مستقیم 8
مشخصه دیود در گرایش معکوس 8
تست دیود 9
تست دیود در مدار 9
تست انواع دیود توسط مولتی متر 9
تست دیود معمولی 9
تست دیود ژرمانیومی 10
تست در حالت معکوس 10
انواع دیود 10
دیود زنر 11
تست دیود زنر 13
دیود خازنی (ورکتور) 13
ساخت دیود متغیر 14
کاربرد دیود خازنی یا دیود متغیر 14
دیود تونلی 15
کاربرد دیود تونلی 15
دیود نورانی (LED ) 15
کاربرد دیود نورانی (LED ) 16
تست دیود نوری ( Led ) 16
تست Led فرستنده مادون قرمز 17
دیود نوری 17
کاربرد دیود نوری 18
دیود های رکتیفایر 18
دیود چگونه کار می کند ؟ – یکسوسازی 18
یکسو سازی جریان متناوب با یک دیود 19
پل دیود یا Bridge Rectifiers 19
دیودهای شاتکی 20
دیودهای سیگنال 20
دیود
دیود یک قطعه الکترونیکی است که از به هم چسباندن دو نوع ماده n و p هر دو از یک جنس ، سیلیسیم یا ژرمانیم) ساخته می شود. که با شمای فنی زیر نمایش داده می شود. چون دیود یک قطعه دو پایانه است، اعمال ولتاژ در دو سر پایانه هایش سه حالت را پیش می آورد. دیود بی بایاس یا بدون تغذیه که ولتاژ دو سر دیود برابر صفر است و جریان خالص بار در هر جهت برابر صفر است.بایاس مستقیم یا تغذیه مستقیم که ولتاژ دو سر دیود بزرگتر از صفر است که الکترونها را در ماده n و حفره ها را در ماده p تحت فشار قرار می دهد تا یونهای مرزی با یکدیگر ترکیب شده و عرض ناحیه تهی کاهش یابد. (گرایش مستقیم دیود) .تغذیه یا بایاس معکوس که ولتاژ دو سر دیود کوچکتر از صفر است، یعنی ولتاژ به دو سر دیود طوری وصل می شود که قطب مثبت آن به ماده n و قطب منفی آن به ماده p وصل گردد و به علت کشیده شدن یونها به کناره عرض ناحیه تهی افزایش می یابد (گرایش معکوس دیود).
دیود در مدار الکتریکی
اگر مطابق شکل زیر دیودی را طوری به یک باتری وصل کنیم که قطب مثبت باتری به نیمرسانای نوع و قطب منفی باتری به نیمرسانای نوع وصل شود بعد از بستن کلید چه اتفاقی می افتد؟ آیا جریانی برقرار می شود؟
اگر جای قطب های باتری را عوض شود چطور؟
وقتی در حالت اول کلید وصل می شود قطب های باتری باعث می شوند الکترون ها و حفره ها از پیوندگاه دور شوند (در شکل بالا الکترون ها به سمت راست و حفره ها به سمت چپ حرکت کنند) و این باعث می شود ناحیه تهی بزرگتر شود. این ناحیه که از حامل های بار الکتریکی خالی شده به صورت یک عایق الکتریکی خیلی خوب عمل می کند. به عبارتی می توانیم بگوییم میدان الکتریکی که توسط باتری ایجاد شده موافق میدان الکتریکی ناحیه تهی است بنابراین افزایش میدان الکتریکی در ناحیه تهی از حرکت بارهای الکتریکی جلوگیری می کند. پس در این حالت دیود از عبور جریان الکتریکی جلوگیری می کند.
ولی وقتی مطابق شکل زیر باتری (برعکس حالت قبل) وصل شود – یعنی قطب مثبت باتری به نیمرسانای نوع و قطب منفی باتری به نیمرسانای نوع وصل شود- الکترون ها به سمت نیمرسانای نوع و حفره ها به سمت نیمرسانای نوع (الکترون ها به سمت چپ و حفره ها به سمت راست) حرکت می کنند و بدین ترتیب ناحیه تهی از بین رفته و بار الکتریکی در جهت میدان حرکت می کند. به عبارتی می توانیم بگوییم میدان الکتریکی باتری خلاف جهت میدان الکتریکی در ناحیه تهی است و این باعث می شود جریان الکتریکی در مدار برقرار شود.
در این حالت دیود اجازه می دهد جریان الکتریکی عبور کند.
حال از دیدگاه پتانسیل الکتریکی مسئله وصل شدن باتری به دیود را بررسی می کنیم. همانطور که در شکل زیر می بینید میدان الکتریکی ایجاد شده در ناحیه تهی به این معنی است که برای بردن یک بار مثبت از ناحیه به ناحیه باید کار انجام دهیم (که بر اثر آن انرژی پتانسیل الکتریکی بار مثبت افزایش می یابد). بنابراین پتانسیل الکتریکی ناحیه از ناحیه بیشتر است. اگر اختلاف پتانسیل الکتریکی ناحیه و ناحیه را برابر در نظر بگیریم آنگاه برای جا به جایی هر بار مثبت از ناحیه به ناحیه باید به اندازه انرژی بدهیم. بنابراین وقتی قطب مثبت باتری به نیمرسانای نوع و قطب منفی باتری به نیمرسانای نوع وصل کنیم در واقع یک پتانسیل الکتریکی بیشتر (قطب مثبت) را به نوع و یک پتانسیل الکتریکی کمتر (قطب منفی) به نوع وصل کرده ایم و این چنین اختلاف پتانسیل الکتریکی ناحیه و را افزایش داده ایم. پس برای حرکت حفره از ناحیه به ناحیه یا حرکت الکترون از ناحیه به ناحیه به انرژی بیشتری نسبت به قبل از اتصال باتری نیاز داریم. پس وصل شدن باتری به این شکل نمی تواند جریان الکتریکی را از دیود عبور دهد. در این حالت می گوییم ما یک "پیش ولت مخالف" به دیود وصل کرده ایم. حال وقتی قطب مثبت را به نیمرسانای نوع و قطب منفی را به نیمرسانای نوع وصل می کنیم در واقع پتانسیل الکتریکی کمتر (قطب منفی) را به نوع و پتانسیل الکتریکی بیشتر (قطب مثبت) را به نوع وصل کرده ایم، بنابراین اختلاف پتانسیل موجود از بین رفته و اختلاف پتانسیل بین دو ناحیه بوجود می آید، در نتیجه پتانسیل الکتریکی ناحیه از پتانسیل الکتریکی ناحیه بیشتر می شود. بنابراین باعث حرکت حفره ها به سمت ناحیه و الکترون ها به سمت ناحیه خواهد شد. پس با وصل کردن باتری به این شکل جریان الکتریکی از دیود عبور می کند. در این حالت می گوییم "پیش ولت موافق" به دیود وصل شده است. در شکل زیر نمودار جریان الکتریکی برحسب ولتاژ دو سر دیود رسم شده است. همانطور که می بینید پیش ولت مخالف (معکوس) جریانی برقرار نکرده است ولی با افزایش "پیش ولت موافق" (مستقیم) جریانی در مدار برقرار شده است.
" مستقیم " " معکوس "
با توجه به مطالب بالا می توان گفت دیود در یک جهت جریان را عبور می دهد و در جهت دیگر جریان را عبور نمی دهد، بنابراین می توان از آن به عنوان یکسو کننده در مدارها استفاده نمود. نماد دیود برای استفاده در مدارها به این شکل است.
دیود چگونه کار می کند ؟
منحنی رفتار یک دیود در هنگام اعمال ولتاژ مثبت
اگر به یک پیوند PN ولتاژ با پلاریته موافق متصل کنیم جریان از این پیوند عبور کرده و اگر ولتاژ را معکوس کنیم در مقابل عبور جریان از خود مقاومت نشان می دهد. باید اشاره کنیم که قصد نداریم تا به تفضیل وارد بحث فیزیک الکترونیک شویم و فقط سعی خواهیم کرد با بیان نتایج حاصل از این شاخه علمی ابتدا عملکرد دیود و سپس ترانزیستور را بررسی کنیم. همانطور که می دانید دیود ها جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می دهند و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بالایی نشان می دهند.
این خاصیت آنها باعث شده بود تا در سالهای اولیه ساخت این وسیله الکترونیکی، به آن دریچه یا Valve هم اطلاق شود.
از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی عبور جریان را از خود ممکن می سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و – به کاتد) آنرا آماده کار کنید. مقدار ولتاژی که باعث میشود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی نماید ولتاژ آستانه یا (forward voltage drop) نامیده می شود که چیزی حدود 0.6 تا 0.7 ولت می باشد. به شکل اول توجه کنید که چگونه برای ولتاژهای مثبت – منظور جهت درست می باشد – تا قبل از 0.7 ولت دیود از خود مقاومت نشان می دهد و سپس به یکباره مقاومت خود را از دست می دهد و جریان را از خود عبور می دهد.
نماد فنی و دو نمونه از انواع دیوید
اما هنگامی که شما ولتاژ معکوس به دیود متصل می کنید (+ به کاتد و – به آند) جریانی از دیود عبور نمی کند، مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی یا Leakage معرف است که در حدود چند µA یا حتی کمتر می باشد. این مقدار جریان معمولآ در اغلب مدار های الکترونیکی قابل صرفنظر کردن بوده و تاثیر در رفتار سایر المانهای مدار نمیگذارد. اما نکته مهم آنکه تمام دیود ها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژمعکوس بیش از آن شود دیوید می سوزد و جریان را در جهت معکوس هم عبور می دهد. به این ولتاژ آستانه شکست یا Breakdown گفته می شود.
در دسته بندی اصلی، دیودها را به سه قسمت اصلی تقسیم می کنند، دیودهای سیگنال (Signal) که برای آشکار سازی در رادیو بکار می روند و جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می دهند، دیودهای یکسوکننده (Rectifiers) که برای یکسوسازی جریانهای متناوب بکاربرده می شوند و توانایی عبور جریانهای زیاد را دارند و بالآخره دیود های زنر (Zener) که برای تثبیت ولتاژ از آنها استفاده می شود.
مشخصه دیود در گرایش مستقیم
فرض کنید توسط مداری بتوانیم ولتاژ دو سر یک دیود را تغییر دهیم و توسط ولتمتر و آمپرمتر ولتاژ و جریان دیود را در هر لحظه اندازه گیری کرده ،بر روی محورهای مختصات رسم نماییم.جریان I در جهتی است که دیود قادر به عبور آن است .به همین علت اصطلاحاَ گفته می شود دیود در گرایش مستقیم یا بایاس مستقیم است . در هر حال اگر توسط پتانسیومتر ولتاژ دو سر دیود را از صفر افزایش دهیم ،مشاهده می شود تا ولتاژ به خصوصی ، جریان قابل ملاحظه ای از دیود عبور نمی کند.به این ولتاژ زانو می گویند ،این ولتاژبرای دیودهای از جنس ژرمانیم 2/0 ولت و برای دیودهای سیلیسیم 7/0 ولت است .تا ولتاژ زانو اگرچه دیود در جهت مستقیم است ، اما هنوز دیود روشن نشده است .از این ولتاژ به بعد ، به طور ناگهان جریان در مدار افزایش یافته و هرچه ولتاژ دیود را افزایش دهیم ، جریان دیود افزایش می یابد .
مشخصه دیود در گرایش معکوس
هرگاه جهت دیود را تغییر داده یعنی برعکس حالت گرایش مستقیم ، در جهت بایاس معکوس جریان مدار خیلی کم بوده و همچنین با افزایش ولتاژ معکوس دو سر دیود جریان چندان تغییر نمی کند به همین علت به آن جریان اشباع دیود گویند که این جریان حاصل حاملهای اقلیت می باشد . حدود مقدار این جریان برای دیودهای سیلیسیم ،نانو آمپر و برای دیودهای ژرمانیم حدود میکرو آمپر است. ارگ ولتاژ معکوس دیود را همچنان افزایش دهیم به ازاء ولتاژی ، جریان دیود به شدت افزایش می یابد . ولتاژ مزبور را ولتاژ شکست دیود می نامند و آنرا با VB نشان می دهند . دیودهای معمولی ،اگر در ناحیه شکست وارد شوند از بین می روند .(اصطلاحاَ می سوزند). بنابر این ولتاژ شکست دیود یکی از مقادیر مجاز دیود است که توسط سازنده معین می گردد و استفاده کننده از دیود باید دقت نماید تا ولتاژ معکوس دیود به این مقدار نرسد. البته در حالت مستقیم نیز جریان دیود اگر از حدی تجاوز نماید به علت محدودیت توان دیودباعث از بین رفتن دیود می گردد.این مقدار نیز یکی از مقادیر مجاز دیود است و به آن جریان مجاز دیود گفته می شود و توسط سازنده دیود معین می گردد. درحالت کلی ما دو نوع دیود داریم دیود سلسیم و دیود ژرمانیم که هر کدام ولتاژ شکت جدا گانه دارند .
سلسیم ولتاژ شکست 7/0 ولت
ژرمانیم ولتاژ شکست 2/0 ولت
تست دیود
اگر اهم متر را به پایه های آن وصل کنیم از یک طرف عقربه حرکت می کند اگر پروب اهم متر را عوض کردیم عقربه نماید حرکت کند اگر از هیچ طرف عقربه حرکت نکند یا از دو طرف عقربه حرکت کند دیود خراب است .
تست دیود در مدار
پروب اهم متر را به دو سر دیود وصل می کنیم اگر ولتاژ دو سر دیود یکسان بود دیود خراب است و اگر آند از کاتد ولتاژ کمتر داشت دیود سالم است اگر دو سر دیود ولتاژ نداشته باشد دیود خراب است .
تست انواع دیود توسط مولتی متر
در ابتدا ی توضیحات باید به عرض برسانم که تست قطعات در مدار و تست قطعات در خارج ازمدار باهم متفاوت است بنا براین همیشه این نکته را در نظر داشته باشیم .
تست دیود معمولی :
دیودهای معمولی را بشناسیم این دیودها از جنس سیلسیوم بوده برای کاربردهای متفاوت قابلیت عبور جریانهای مختلفی را دارند ساده ترین نوع آن دیود N4148 1می باشد که ظاهری کوچک مانند درودهای زنر کم وات دارد و پوسته ی شیشه ای دارد . ویا دیودهای N4001 1 و که در یکسو سازی فرکانس پائین بیسترین کاربرد را دارند مانند کار برد در آدابتورها .
بعد از شناخت سطحی با دیود معمولی تست آن را توضیح می دهم .
ابتدا قطعه را خارج از مدار تست می کنیم :
در صورتیکه مولتی متر ما هیوکی 3007 باشد !
ترمینالهای مولتی متر را در گرایش مستقیم جهت تست عبور جریان از دیود به پایه های دیود اتصال دهید در این حالت باید ترمینال قرمز به کاتد و ترمینال مشکی به آند دیود متصل باشد می دانیم کاتد توسط خط مدور روی بدنه دیود مشخص است در این حالت از دیود جریانی که توسط پیل داخل مولتیمتر در آن جاری می شود عبور می کند ومقاومت دیود را برای این جریان می توانیم روی صفحه مولتی متر قرائت کنیم معمولاً حدود 20 الی 30 اهم است . و در این حالت حتماً مولتی متر باید روی RX1 باشد زیرا می خواهیم به حداکثر مقدار مقاومت ممکن دیود توجه داشته باشیم ودر این حالت این مقدار بایستی از 30 اهم بیشتر نشود . وگرنه دیود در گرایش مستقیم نمی تواند جریان را به خوبی از خود عبور دهد .
تست دیود ژرمانیومی :
دیود های ژرمانیومی یک دیود اتصال نقطه ای و شیشه ای شفافی بود ند که در مواردی ازجمله آشکار سازی در دتکتورها قابل استفاده بودند اخیراً در دستگاههای الکترونیکی کاربرد زیادی ندارند . روش تست : در گرایش مستقیم با مولتیمتر در رنج Rx1 راه بدهد . و در گرایش معکوس و در رنج Rx100 راه ندهد نشتی جزئی مانعی ندارد .
تست دیود دوبل : هرگاه دو عدد دیود به صورت آند مشترک و یا کاتد مشترک به هم متصل شوند دیود دوبل را تشکیل می دهند .
روش تست : چون دو دیود آند مشترک و یا کاتد مشترک دارند و کاتد و آند هر کدام در دسترس می باشد و مانند دیود پل مدار بسته ای ندارند بنا براین هر کدام از دیودها را مانند یک دیود ساده می توان تست نمود و از همان روش تست دیود ساده یعنی در گرایش مستقیم در رنج Rx1 دیود باید راه بدهد و در گرایش معکوس در رنج Rx10k هیچگونه نشتی قابل قبول نیست .
تست دیود پل : در خارج ازمداردر ده مرحله اجرا می شود .
تست در حالت معکوس :
در این حالت ترمینال قرمز مولتی متر را به آند دیود وترمینال مشکی آن را به کاتد اتصال می دهیم اما چون باید مولتی متر را مُد RX10K بگذاریم باید توجه داشته باشیم که بادست پایه های مولتیمتر لمس نشود چون مولتی متر را در حالت سنجش مقاومت بالا گذاشته ایم زیرا می خواهیم کوچکترین نشتی ممکن دیود را بسنجیم و لابد دراین حالت هیچ گونه نشتی قابل قبول نیست و باید عقربه اصلاً انحرافی نشان ندهد .
انواع دیود
1. دیود زنر 2. دیود خازنی (ورکتور) 3. دیود تونلی 4. دیودنورانی (LED ) 5. دیود نوری
دیود زنر
دیود های زنر یا شکست ، دیود های نیمه هادی با پیوند p-n هستند که در ناحیه بایاس معکوس کار کرده و دارای کاربردهای زیادی در الکترونیک ، مخصوصآ به عنوان ولتاژ مبنا و یا تثبیت کننده ی ولتاژ دارند. هنگامی که پتانسیل الکتریکی دو سر دیود را در جهت معکوس افزایش دهیم در ولتاژ خاصی پدیده شکست اتفاق می افتد، بد ین معنی که با افزایش بیشتر ولتاژ ، جریان بطور سریع و ناگهانی افزایش خواهد داشت. دیود های زنر یا شکست دیود هایی هستند که در این ناحیه یعنی ناحیه شکست کار میکنند و ظرفیت حرارتی آنها طوری است که قادر به تحمل محدود جریان معینی در حالت شکست می باشند، برای توجیه فیزیکی پدیده شکست دو نوع مکانیسم وجود دارد. مکانیسم اول در ولتاژهای کمتر از 6 ولت برای دیودهایی که غلظت حامل ها در آن زیاد است اتفاق می افتد و به پدیده شکست زنر مشهور است. در این نوع دیود ها به علت زیاد بودن غلظت ناخالصی ها در دو قسمت p و n ، عرض منطقه ی بار فضای پیوند باریک بوده و در نتیجه با قرار دادن یک اختلاف پتانسیل v بر روی دیود (پتانسیل معکوس) ، میدان الکتریکی زیادی در منطقه ی پیوند ایجاد می شود .با افزایش پتانسیل v به حدی می رسیم که نیروی حاصل از میدان الکتریکی ، یکی از پیوند های کووالانسی را می شکند. با افزایش بیشتر پتانسیل دو سر دیود از انجایی که انرژی یا نیروهای پیوند کووالانسی باند ظرفیت در کریستال نیمه هادی تقریبا مساوی صفر است ، پتانسیل تغییر چندانی نکرده ، بلکه تعداد بیشتری از پیوندهای ظرفیتی شکسته شده و جریان دیود افزایش می یابد .آزمایش نشان میدهد که ضریب حرارتی ولتاژ شکست برای این نوع دیود منفی است ، یعنی با افزایش درجه حرارت ولتاژ شکست کاهش می یا بد. بنابر این دیود با ولتاژ کمتری به حالت شکست می رود (انرژی باند غدغن برای سیلیکن و ژرمانیم در درجه حرارت صفر مطلق بترتیب 1.21 و0.785 الکترون_ولت است، و در درجه حرارت 300 درجه کلوین این انرژی برای سیلیکن ev 1.1و برای ژرمانیم ev0.72 خواهد بود). ثابت می شود که میزان انرژی الکتریکی لازم برای ایجاد پدیده زنر در حدود 2*10است. این مقدار برای دیود هایی که در آنها غلظت حامل ها خیلی زیاد است در ولتاژهای کمتر از 6 ولت ایجاد می شود . برای دیودهایی که دارای غلظت حاملهای کمتری هستند ولتاژ شکست زنر بالاتر بوده و پدیده ی دیگری بنام شکست بهمنی در آنها اتفاق می افتد (قبل از شکست زنر) که ذیلا به بررسی آن می پردازیم . مکانیسم دیگری که برای پدیده شکست ذکر می شود ، مکانیسم شکست بهمنی است. این مکانیسم در مورد دیودهایی که ولتاژ شکست آنها بیشتر از 6 ولت است صادق می باشد . در این دیود ها به علت کم بودن غلظت ناخالصی ، عرض منطقه ی بار فضا زیاد بوده و میدان الکتریکی کافی برای شکستن پیوندهای کووالانسی بوجود نمی آید ، بلکه حاملهای اقلیتی که بواسطه انرژی حرارتی آزاد می شود ، در اثر میدان الکتریکی شتاب گرفته و انرژی جنبشی کافی بدست آورده و در بار فضا با یون های کریستال برخورد کرده و در نتیجه پیوندهای کووالانسی را می شکنند . با شکستن هر پیوند حاملهای ایجاد شده که خود باعث شکستن پیوند های بیشتر می شوند.
بدین ترتیب پیوندها بطور تصاعدی یا زنجیری و یا بصورت پدیده ی بهمنی شکسته می شوند و این باعث می شود که ولتاژ دو سر دیود تقریبا ثابت مانده و جریان آن افزایش یافته و بواسطه ی مدار خارجی محدود می شود . چنین دیود هایی دارای ضریب درجه ی حرارتی مثبت هستند . زیرا با افزایش درجه ی حرارت اتمهای متشکله کریستال به ارتعاش در آورده ، در نتیجه احتمال برخورد حاملهای اقلیت با یونها ، بهنگام عبور از منطقه بار فضا زیادتر می گردد . به علت زیاد شدن برخوردها احتمال اینکه انرژی جنبشی حفره یا الکترون بین دو برخورد متوالی به مقدار لازم برای شکست پیوند برسد کمتر شده و در نتیجه ولتاژ شکست به وجود می آید.
استفاده از دیود زنر برای تهیه ولتاژ ثابت
دید کلی
دیود های که در ناحیه شکست معکوس ساخته شده اند به دیود زنر معروف هستند در این دیود هر دو پدیده در ایجاد شکست این دیود ها نقش دارند (شکست بهمنی ، شکست زنری )ولتاژ شکست این نوع دیودها را ولتاژ زنر نیز می نامند و با Vz نمایش می دهند . مقدار ولتاژ شکست در دیود زنر به میزان چگالی ناخالصی بستگی دارد . با افزایش چگالی نا خالصی ولتاژ شکست دیود کاهش می یابد . کاربرد دیود زنر تثبیت ولتاژ در تنظیم کننده های ولتاژ استفاده می شود . شکل دارد .
تست دیود زنر :
مولتی متر در گرایش مستقیم روی RX1 ومانند دیود معمولی باید 20 الی 30 اهم را نشان دهد واصطلاحاً گویند مولتی متر در گرایش مستقیم راه می دهد . در گرایش معکوس مولتی متر باید روی مُد RX1K بوده و هیچ گونه نشتی قابل قبول نیست . اما جهت تست کامل دیود زنر باید دیود را توسط ولتاژ بالا تر از ولتاژ شکست و مانند شکل زیر درمدار زیر قرار داده و ولتاژ شکست آن را اندازه گیری نمود . تا از درستی ولتاژ شکست دیود مطمئن شویم.
دیود خازنی (ورکتور)
وقتی که دیودی در بایاس معکوس قرار می گیرد، با افزایش ولتاژ معکوس لایه تهی تقریبا فاقد حاملهای بار الکتریکی است، شبیه به یک عایق یا دی الکتریک عمل می کند. از سوی دیگر نواحی n و p شبیه به رسانای خوب عمل می کنند. با یک تجسم ساده می توان نواحی p و n را در دو طرف لایه تهی مانند یک خازن تخت موازی در نظر گرفت. از این جهت ظرفیت این خازن تخت موازی را ظرفیت خازن انتقال یا ظرفیت لایه تهی گویند. ظرفیت خازن انتقال (Ct) هر دیود با افزایش ولتاژ معکوس کاهش می یابد. دیودهای سیلسیوم که برای این اثر ظرفیتی طراحی و بهینه شده اند، دیود با ظرفیت متغیر یا ورکتور نام دارند.
هرگاه یک پیوند P-N به صورت بایاس معکوس شود ، در حوالی پیوند یک ناحیه تهی و یا بار فضایی متشکل از بارهای ساکن مثبت در طرف N و بارهای ساکن منفغی در طرف P به وجود می آید. با توجه به اینکه در نواحی خنثای P و N ، حاملهای بار الکتریکی آزاد بوده و همانند هادی عمل می کنند ، می توان پیوند P-N را در این حالت به صورت خازنی مدلسازی نمود که در آن ، نواحی خنثی همانند دو جوشن خازن ، ناحیه تهی (همانند دی الکتریک خازن ) را در میان گرفته اند . ظرفیت خازن دیودهای سگینال معمولی در حدود چند پیکو فاراد است. دیود های که منحصراً جهت استفاده به عنوان یک خازن متغیر ساخته می شوند به دیود خازنی و یا دیود ورکتور مشهور هستند. این گونه دیودها همیشه به صورت معکوس بایاس می شوند.دیودهای خازنی معمولاً از جنس سیلیکن و برای ظرفیتهای نامی تا pf 2500ساخته می شوند.
ساخت دیود متغیر
در دیود متغیر ، رابطه ظرفیت دیود با پتانسیل گرایش معکوس به صورت است، که اگر پیوند خطی باشد، است. ولی اگر پیوند تیز باشد، است. پس حساسیت ولتاژ برای یک پیوند تیز بیشتر از پیوند شیبدار خطی است. به این دلیل ورکتور غالبا با روشهای آلیاژی یا رشد رونشستی و یا کاشت یونی ساخته می شوند. مشخصات لایه رونشستی و ناخالصی بستر را می توان طوری انتخاب کرد که پیوندهای با نمای n بزرگتر از بدست آید.چنین پیوندهایی فوق تیز نامیده می شوند. ورکتور موازی با یک القاگر تشکیل یک مدار تشدید می دهد. با تغییر ولتاژ معکوس ورکتور می توانیم فرکانس تشدید را تغییر بدهیم. این کنترل الکترونیکی فرکانس تشدید در موارد مختلف مدارهای الکترونیکی کاربرد فراوان دارد.
کاربرد دیود خازنی یا دیود متغیر
دیود متغیر یا ورکتور به شکل متداولتری برای بهره گیری ویژگی های ولتاژ متغیر ظرفیت بکار می رود. مثلا یک ورکتور با مجموعه ای از ورکتورها را می توان در طبقه تنظیم ، که گیرنده رادیویی به جای خازن حجیم صفحه متغیر ظرفیت مورد استفاده قرار داد. در این صورت اندازه مدار می تواند بسیار کوچک شده قابلیت اطمینان آن بهتر شود. از دیگر کاربردهای ورکتورها می توان به تولید رمونی ها ، ضرب فرکانس های مایکرویو ، فیلتر های فعال اشاره کرد. برای تنظیم ولتاژ مدارهای تشدید LC در نوسان سازها و نیزدر مدارهای مدولاسیون فرکانس استفاده می شود.
دیود تونلی
تفاوت اساسی ساختمان دیود تونلی با دیودهای معمولی در چگالی بسیار بالای ناخالصی در نیمه هادیهای نوع N و P به کار رفته در آن است .در دیود تونلی عرض ناحیه تهی بسیار کم بوده و در حدود 01/0 دیود های معمولی می باشد.این دیوددر ولتاژ های معکوس و ولتاژهای مستقیم کوچک دارای مقاومت بسیار کوچکی است. از ویژگهای بارز دیود تونلی داشتن مقاومت منفی در بخشی از مشخصه است .
کاربرد دیود تونلی
در طراحی نوسانسازهای فرکانس بالا استفاده می شود. برای کنترل دستگاها بکار میرود و از دو قسمت پیوند P-N تشکیل شده است .می توان قیمت ارزان ، اغتشاش کم ، سرعت زیاد و توان مصرفی کم در آن را نام برد.
دیود نورانی (LED )
دیود های نورانی معمولاً از بلور نیمه هادی گالیم -ارسنیک(Ga-As )ساخته می شوند. در این بلور بازده ترکیب مجدد الکترون آزاد و حفره بسیار بیشتر از بلورهای سیلیکن یا ژرمانیم است. نکته دیگر در مورد این بلور آن است که آزاد شدن انرژی در هر ترکیب مجدد به صورت تابش یک فوتون نوری است . در بلورهای سیلیکن و ژرمانیم این انرژی به شکل دما تلف می شود . مشخصه دیودهای نورانی مشابه دیودهای معمولی است . تنها تفاوت در ولتاژ آستانه هدایت است که در دیودهای نورانی مادون قرمز تا سبز مقدار آن از 4/1 تا9/2 ولت تغییر می کند . دیودهای نورانی به صورت مستقیم بایاس می شوند. با افزایش جریان مستقیم ،تولید فوتونهای نوری زیادتر شده و درنتیجه شدت نور تابشی افزایش می یابد.
کاربرد دیود نورانی (LED )
دیودهای نورانی در نمایشگرهای دیجیتالی برای نشان دادن اعداد و یا حروف ، تبدیل جریان متناوب به مستقیم مورد استفاده قرار می گیرندتبدیل جریان متناوب به مستقیم .از جمله مواردمهم کاربرد دیودهای نورانی مادون قرمز ، مخابرات فیبر نوری است .
→
تست دیود نوری ( Led ) :
ابتدا توضیحاتی راجع به بستن مدارات Led را در خدمت همکاران تقدیم می کنم . اولین مطلب مهمی که به نظرم می رسد و بارها این موضوع را در مدارات الکترونیک شاهد بوده ام قرار دادن دیودهای Led در مدارات الکترونیکی بدون مقاومت کنترل جریان واین مسئله باعث خواهد شد که دیودled طول عمر کمتر ونیز صدمه رسیدن به مدارات می گردد . چون Led یک دیود می باشد و بنا براین باید به عنوان دیود در مدارات مورد استفاده قرار گیرد . و هیچ وقت دیود را در مدار به عنوان مصرف کننده در نظر نداشته باشید . ونیز می دانیم هیچ مداری بسته بدون مصرف کننده نیست . نتیجه عرایضم این است که در یک مداربسته که از Led استفاده می کنیم حتماً مقاومت کنترل جریان را با حساب وکتاب درستی در نظر داشته باشیم . مصرف یک Led از 10 الی 20 میلی آمپر است وبرای استفاده دائمی از یک Led در مدار مقاومت کنترل جریان آن را براساس این مقدار مصرف محاسبه کنیم ونیز می دانیم ولتاژ مورد نیاز یک Led بستگی به رنگ نور آن از 7/1 الی 2/2 ولت متفاوت است البته خیلی راحت این ولتاژ بدست می آید کافی است وقتی Led را در مدار قرار می دهیم ( باسری نمودن مقاومت کنترل جریان آن ) مقدار ولتاژ دوسر Led را اندازه گیری نمائیم . تا ولتاژ مورد نیاز Led بدست آید . از دو مطلب فوق نتیجه می گیریم که : " اولاً : با یک پیل 5/1 ولتی انتظار روشن شدن Led را نداشته باشیم چون هر Led با یک ولتاژ مخصوص خود روشن می شود .
ثانیاً : اگر می خواهیم گرایش مستقیم یک Led را تست کنیم باید ولتاژ اعمالی به Led بیشتر از 5/1 باشد و نیز می دانیم که مولتی مترها اکثراً مانند مولتی متر هیوکی 3007 برای تست در حالت اهمی از باطری 5/1 ولتی برای مُدهای Rx1 و Rx100 و Rx1k استفاده می کنند و این ولتاژ نمی تواند یک دیود Led را روشن کند چون همچنانکه دربالاعنوان شد حداقل 7/1 ولت جهت شکستن سد پتانسیل Led لازم است .
بنا براین جهت تست در حالت حتی گرایش مستقیم یک Led باید از مُد Rx10k که تغذیه آن معمولاً توسط یک پیل 9 ولتی انجام می گیرد استفاده نمود . "
تست Led گرایش مستقیم : مولتی متر در مُد Rx10k و مولتیمتر باید راه بدهد .
گرایش معکوس : مولتیمتر در همین مُد و هیچ گونه نشتی قابل قبول نیست .
تست Led فرستنده مادون قرمز :
گرایش مستقیم : مولتی متر در مُد Rx1 و مولتیمتر باید راه بدهد .
گرایش معکوس : مولتیمتر در مُد Rx10k و هیچ گونه نشتی قابل قبول نیست
دیود نوری
در این نوع دیود، شدت جریان معکوس تقریباً متناسب با شدت نور تابش شده به سطح آن می باشد. این نوع دیود در حقیقت یک پیوند P-N معمولی است که در داخل یک پوشش پلاستیکی که یک طرف آن شفاف می باشد قرار گرفته است. دیود نوری به صورت معکوس بایاس می شود. با تابش فوتونهای نوری به محل پیوند و جذب این فوتونها توسط الکترونهای پیوندهای کووالان اتمهای نیمه هادی ، به میزان حاملهای اقلیت افزوده شده و جریان این حاملها افزوده شده و جریان این حاملها تشدید می شود. معمولاًمشخصه ولتاژ-جریان دیودهای نوری توسط کارخانه سازنده داده می شود. در این مشخصه تغییرات جریان معکوس دیود بر حسب ولتاژ معکوس دو سر آن به ازای مقادیر مختلف شار نورانی نمایش داده می شود.
کاربر دیود نوری
دیودهای نوری در صنعت کاربرد های زیادی دارند.از جمله در خواندن اطلاعات کارتهای سوراخ شده کامپیوتری ، شمردن اشیاء در خط تولید ، کلیدهای نوری و نیز در مخابرات فیبر نوری به کار می روند. کاربرد باتریهای خورشیدی محدود به فضای دور نیست. حتی با تضعیف شدت تابش خورشید توسط جو می توان توسط این باتریها توان مفیدی را برای کاربردهای زمینی بدست آورد. یک باتری خوش ساخت از سیلیسیوم می تواند دارای بازده خوب در تبدیل انرژی الکتریکی باشد.
دیود های رکتیفایر
برای یکسو کردن ولتاژ متناوب کاربرد دارد و بصورتهای نیمه موج ، تمان موج و پل در مدار قرار می گیرد .
شماره های متداول آن 5004 – 4005- 4004 – 1N
دیود چگونه کار می کند ؟ – یکسوسازی
یکسو ساز نیم موج با استفاده از یک دیود.
دیود های یکسوساز عموما" در مدارهای جریان متناوب بکار برده می شوند تا با کمک آنها بتوان جریان متناوب (AC) را به مستقیم (DC) تبدیل کرد. این عملیات یکسوسازی یا Rectification نامیده می شود. از مشهورترین این دیودها می توان به انواع دیودهای 1N400x و یا 1N540x اشاره کرد که دارای ولتاژ کاری بین 50 تا بیش از 1000 ولت هستند و می توانند جریان های بالا را یکسو کنند. این ولتاژ، ولتاژی است که دیود می تواند بدون شکسته شدن – سوختن – در جهت معکوس آنرا تحمل کند. دیودهای یکسوساز معمولآ از سیلیکون ساخته می شوند و ولتاژ بایاس مستقیم آنها حدود 0.7 ولت می باشد.
یکسو سازی جریان متناوب با یک دیود
شما می توانید با قرار دادن فقط یک دیود در مسیر جریان متناوب مانع از گذر سیکل منفی جریان در جهت مورد نظر در مدار باشید به شکل اول دقت کنید که چگونه قرار دادن یک دیود در جهت موافق، فقط به نیم سیکل های مثبت اجاز خروج به سمت بار را می دهد. به این روش یکسوسازی نیم موج یا Half Wave گفته می شود. بدیهی است برای بالابردن کیفیت موج خروجی و نزدیک کردن آن به یک ولتاژ مستقیم باید در خروجی از خازن هایی با ظرفیت بالا استفاده کرد. این خازن در نیم سیکل مثبت شارژ می شود و در نیم سیکل منفی در غیاب منبع تغذیه، وظیفه تغذیه بار را بعهده خواهد داشت.
یکسو ساز تمام موج با استفاده از پل دیود
پل دیود یا Bridge Rectifiers
اما برای آنکه بتوانیم از نیمه منفی موج ورودی که در نیمی از سیکل جریان امکان عبور به خروجی را ندارد، استفاده کنیم باید از مداری بعتوان پل دیود استفاده کنیم. پل دیود همانطور که از شکل دوم مشخص است متشکل از چهار دیود به یکدیگر متصل می باشد. جریان متناوب به قسمتی که دو جفت آند و کاتد به یکدیگر متصل هستند وصل می شود و خروجی از یک جف آند و یک جفت کاتد به یکدیگر متصل شده گرفته می شود. روش کار به اینصورت است که در سیکل مثبت مدار دیودهای 1 و 2 عمل کرده و خروجی را تامین میکنند و در سیکل منفی مدار دیودهای 3 و 4 عمل می کند و باز خروجی را در همان وضعیت تامین می کند.
دیودهای شاتکی
مشکل ذخیره بار در پیوند p-n در دیودهای شاتکی حذف با به حداقل رسیده است.این کار از طریق یک سد پتانسیل که میان یک فلز ویک نیمه هادی وصل می شودانجام می پذیرد. یک لایه فلزی روی یک لایه اپی تکسیال باریک از سیلیکون نوع n قرار داده می شود.سد پتانسیل رفتار یک پیوند p-n شبیه سازی می کند. عمل یکسو سازی فقط به حامل های اکثریت بستگی دارد و در نتیجه حامل های اقلیت اضافی برای ترکیب شدن وجود ندارند. اثر بازیابی منحصرا به خاطر ظرفیت خازنی خود پیوند نیمه هادی است.
کاربرد دیود شاتکی: برای مدارات دیمر کاربرد دارد که با آن می توان زاویه آتش گیت تریستور را کنترل نمود .
دیودهای واریکاپ: این دیود کار آشکار سازی تصویر را در تلویزیون انجام می دهد .
دیودهای سیگنال
این نوع از انواع دیودها برای پردازش سیگنالهای ضعیف – معمولا" رادیویی – و کم جریان تا حداکثر حدود 100mA کاربرد دارند. معروفترین و پر استفاده ترین آنها که ممکن است با آن آشنا باشید دیود 1N4148 است که از سیلیکون ساخته شده است و ولتاژ شکست مستقیم آن 7/0 ولت است. اما برخی از دیود های سیگنال از ژرمانیم هم ساخته می شوند، مانند OA90 که ولتاژ شکست مستقیم پایینتری دارد، حدود 0.2 ولت. به همین دلیل از این نوع دیود بیشتر برای آشکار سازی امواج مدوله شده رادیویی استفاده می شود. بصورت یک قانون کلی هنگامی که ولتاژ شکست مستقیم دیوید خیلی مهم نباشد، از دیودهای سیلیکون استفاده می شود. دلیل آن مقاومت بهتر آنها در مقابل حرارت محیط یا حرارت هنگام لحیم کاری و نیز مقاومت الکتریکی کمتر در ولتاژ مستقیم است. همچنین دیود های سیلیکونی سیگنال معمولا" در ولتاژ معکوس جریان نشتی بسیار کمتری نسبت به نوع ژرمانیم دارند. از کاربرد دیگری که برای دیودهای سیگنال وجود دارد می توان به استفاده از آنها برای حفاظت مدار هنگامی که رله در یک مدار الکترونیکی قرار دارد نام برد.
هنگامی که رله خاموش می شود تغییر جریان در سیم پیچ آن میتواند در دوسر آن ولتاژ بسیار زیادی القا کند که قرار دادن یک دیود در جهت مناسب میتواند این ولتاژ را خنثی کند. به شکل اول توجه کنید.
استفاده از دیود سیگنال در مدار رله برای جلوگیری از ایجاد ولتاژ های ناخواسته زیاد
دیود رسانای غیر اهمی
– 21 –