دیود چیست و انواع آن (نحوه کار و نماد دیود)

در این مطلب میخواهیم پر کاربرد ترین نیمه هادی یعنی دیود را معرفی کنیم. در این مطلب میفهمیم دیود چیست و چطور کار میکند. نماد و انواع دیود را به همراه کاربرد آنها در مدار به طور کامل معرفی خواهیم کرد.

مطالب پیشنهادی برای خواندن :

• مدار چیست؟
• ولتاژ و جریان
• مدار سری و موازی

دیود چیست؟

عملکرد اصلی یک دیود ایده آل کنترل جهت جریان  است. جریان عبوری از یک دیود فقط در یک جهت می تواند حرکت کند. دیود از عبور جریانی که سعی دارد در جهت معکوس حرکت کند، جلوگیری میکند.

هر دیود دارای دو ترمینال است و هر پایه به مدار متصل می شود. این ترمینال ها قطبی هستند ، به این معنی که دو ترمینال کاملاً متفاوت هستند. انتهای مثبت دیود را آند و انتهای منفی آن را کاتد می نامند. جریان می تواند از آند به کاتد جریان یابد ، اما نمیتواند از کاتد به آند جریان یابد.

نماد دیود در مدار به شکل یک مثلث است که در برابر یک خط قرار دارد.

ترمینال متصل به قاعده مثلث سمت آند را نشان میدهد. جریان از سمت آند میتواند حرکت کند. اما از سمت کاتد (خط عمودی) نمیتواند عبور کند.

نحوه کار دیود

به نمودار زیر دقت کنید:

• زمانی که ولتاژ دیود منفی باشد (جریان در جهت معکوس حرکت کند) گفته می شود که دیود OFF یا در جهت معکوس است.
• زمانی که ولتاژ دیود منفی نباشد (جریان در جهت درست حرکت کند) گفته میشود که دیود ON است و جریان را هدایت میکند.

همانطور که در تصویر بالا نشان داده شده است:

• زمانی که جریان از سمت آند وارد میشود، دیود اجازه عبور را میدهد و دیود مثل یک اتصال کوتاه عمل میکند.
• زمانی که جریان از سمت کاتد وارد شود، دیود اجازه عبور نمیدهد و دیود مثل یک مدار باز عمل میکند.

رابطه ولتاژ-جریان دیود

مهمترین مشخصه دیود رابطه ولتاژ جریان (i-v) آن است. منحنی i-v یک دیود کاملاً غیر خطی است و تقریبا مشابه با تصویر زیر است.

بسته به ولتاژ اعمال شده، یک دیود در یکی از سه ناحیه کار می کند:

1. ولتاژ بایاس مستقیم Forward: هنگامی که ولتاژ دیود مثبت باشد ، دیود “ON” است و جریان می تواند عبور کند. ولتاژ دیود باید بیشتر از VF باشد تا جریان قابل توجهی عبور کند.
2. بایاس معکوس Reverse: این حالت “OFF” دیود است ، جایی که ولتاژ دیود کمتر از VF است اما بیشتر از -VBR است. در این حالت جریان مسدود شده و دیود خاموش است.
3.  ولتاژ شکست Breakdown: وقتی ولتاژ اعمال شده روی دیود بسیار بزرگ و منفی باشد ، جریان زیادی می تواند در جهت معکوس ، از کاتد به آند جریان یابد.

ولتاژ مستقیم (Forward)

به منظور “روشن کردن” و هدایت جریان در جهت مستقیم، یک دیود نیاز به مقدار مشخصی ولتاژ مثبت دارد که روی آن اعمال شود. ولتاژ مورد نیاز برای روشن کردن دیود را ولتاژ مستقیم (VF) می نامند. همچنین به آن ولتاژ قطع یا ولتاژ روشن نیز می گویند.

همانطور که از منحنی i-v می دانیم ، جریان و ولتاژ دیود به یکدیگر وابسته هستند. ولتاژ بیشتر به معنای جریان بیشتر ، ولتاژ کمتر به معنای جریان کمتر است. اگر ولتاژ به میزان ولتاژ مستقیم (VF) برسد، جریان عبوری بسیار زیاد میشود.

VF یک دیود خاص به این بستگی دارد که از چه مواد نیمه هادی ساخته شده باشد. به طور معمول ، یک دیود سیلیکونی دارای VF در حدود 0.6 تا 1 ولت است. یک دیود مبتنی بر ژرمانیم ممکن است پایین تر از 0.3 ولت باشد. دیود های ساطع کننده نور می توانند VF بسیار بزرگتری داشته باشند ، در حالی که دیودهای شاتکی به طور خاص برای VF کمتر از حد معمول طراحی شده اند.

ولتاژ شکست (Breakdown)

اگر به اندازه خیلی زیاد ولتاژ منفی روی دیود اعمال شود، دیود تسلیم میشود و اجازه میدهد جریان در جهت معکوس حرکت کند. این ولتاژ منفی بزرگ را ولتاژ شکست می نامند. بعضی از دیود ها برای کار در این ناحیه طراحی شده اند. برای دیود های معمولی این ولتاژ شکست حدود 50- تا 100- ولت یا حتی خیلی بیشتر است.

انواع دیود

در اینجا انواع مختلف دیود ها را بررسی میکنیم.

دیود های سیگنال

دیود های سیگنال استاندارد از ابتدایی ترین و متوسط ترین اعضای خانواده دیود ها هستند. آنها معمولاً افت ولتاژ متوسط به بالا و کمترین میزان جریان را دارند. یک نمونه معمولی از دیود سیگنال 1N4148 است.

هدف کلی این دیود ها افت ولتاژ معمولی 0.72 ولت و حداکثر 300mA جریان جاری شده در ولتاژ مستقیم است.

دیود های قدرت

یکسو کننده یا دیود قدرت یک دیود استاندارد با بالا ترین میزان جریان است. این درجه بندی جریان بالاتر معمولاً به ازای یک ولتاژ مستقیم بزرگتر انجام می شود. 1N4001 نمونه ای از دیود قدرت است. 1N4001 دارای میزان جریان 1A و ولتاژ مستقیم 1.1V است.

اکثر دیود ها به صورت سطحی SMD نیز موجود هستند:

دیود ساطع کننده نور (LED)

درخشان ترین عضو خانواده دیود ها دیود ساطع کننده نور (LED) است. این دیود ها اگر در حالت بایاس مستقیم قرار بگیرند، درخشان میشوند.

مانند دیود های معمولی، LED ها فقط جریان را از یک جهت عبور می دهند. آن ها همچنین دارای میزان ولتاژ مستقیم هستند که همان ولتاژ مورد نیاز برای روشن شدن آن ها است. میزان VF یک LED معمولاً بیشتر از یک دیود معمولی است (1.2 ~ 3V)، و این به رنگی که LED ساطع می کند بستگی دارد.

برای کسب اطلاعات بیشتر، مقاله LED چیست؟ را بخوانید.

دیود های شاتکی

دیود بسیار رایج دیگر دیود شاتکی است.

ترکیب نیمه هادی های دیود شاتکی با دیود طبیعی کمی متفاوت است و این منجر به ولتاژ مستقیم بسیار کمتری می شود که معمولاً بین 0.15 ولت و 0.45 ولت است.اما ولتاژ شکست بسیار بزرگی دارند. دیود های شاتکی در کاهش اتلاف توان بسیار مفید هستند.

برای کسب اطلاعات بیشتر، مقاله دیود شاتکی را بخوانید.

دیود های زنر

دیود های زنر نوع عجیبی از خانواده دیود می باشند. آن ها معمولاً برای عبور جریان معکوس استفاده می شوند.

دیود زنر به گونه ای طراحی شده است که ولتاژ شکست بسیار دقیقی دارد که به آن شکست زنر یا ولتاژ زنر می گویند. آن ها می توانند به عنوان تنظیم کننده ولتاژ برای بار های کوچک مورد استفاده قرار گیرند.

برای کسب اطلاعات بیشتر، مقاله دیود زنر را بخوانید.

فوتودیود ها

فوتوديود ها ديود هايی هستند كه بطور ويژه ساخته شده اند و برای توليد جريان الكتريكی از فوتون هی نور انرژي مي گيرند. نوع عملکرد آن ها برعکس LED می باشد.

سلول های خورشیدی بخش اصلی فناوری فوتودیود هستند. اما از این دیود ها می توان برای تشخیص نور یا حتی ارتباط نوری نیز استفاده کرد.

کاربرد دیود

دیود ها طیف وسیعی از کاربرد ها را دارند. تقریباً در هر مدار یک نوع دیود پیدا خواهید کرد. آن ها می توانند در هر چیزی از یک ناحیه دیجیتال با سیگنال کوچک گرفته تا یک مدار تبدیل ولتاژ بالا وجود داشته باشند. بیایید برخی از این کاربرد ها را بررسی کنیم.

یکسو کننده ها

مدار یکسو کننده جریان متناوب (AC) را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می کند. این تبدیل برای انواع وسایل الکترونیکی خانگی حیاتی است. سیگنال های AC از پریزهای دیواری خانه شما بیرون می آیند ، اما جریان برق DC است که برق اکثر کامپیوتر ها و قطعات کوچک الکترونیک ها را تأمین می کند.

جریان در مدار های AC به سرعت بین دو جهت مثبت و منفی حرکت می کند. اما جریان در سیگنال DC فقط در یک جهت حرکت می کند. بنابراین برای تبدیل از AC به DC فقط باید اطمینان حاصل کنید که جریان نمی تواند در جهت منفی کار کند.

یکسوکننده موج کامل از چهار دیود برای تبدیل برآمدگی های منفی در سیگنال AC به برآمدگی های مثبت استفاده می کند.

این مدار ها یک قطعه حیاتی در منابع تغذیه AC-DC هستند که سیگنال 240-120 ولت AC  پریز را به سیگنال های DC 3.3V ، 5V ، 12V و … تبدیل می کنند.

حفاظت جریان معکوس

تا به حال شده که باتری را به روش غلط جا بزنید؟ یا سیم های قرمز و سیاه برق را اشتباه متصل کنید. دیود ها در این حالت از عبور جریان معکوس جلوگیری میکنند. این دیود ها اطمینان حاصل میکنند که جریان فقط در جهت مثبت جریان می یابد.

اشکال دیود محافظت معکوس این است که به دلیل افت ولتاژ مستقیم ، مقداری ولتاژ از دست می دهد. این امر باعث می شود که دیود های شاتکی گزینه ای عالی برای دیود های محافظت معکوس باشند.

گیت های منطقی

ترانزیستورها را فراموش کنید! گیت های منطقی دیجیتال ساده ، مانند AND یا OR می توانند از دیودها ساخته شوند.

برای مثال، یک دیود دارای دو ورودی و یا گیت OR را می توان از دو دیود با با کاتد مشترک ساخت. خروجی مدار منطقی نیز در آن گره قرار دارد. هر زمان که یک ورودی (یا هر دو) منطق 1 باشد (HIGH یا 5 ولت)، خروجی نیز به منطق یک تبدیل می شود. وقتی هر دو ورودی منطقی 0 باشند (LOW یا 0 ولت)، خروجی از طریق مقاومت کم می شود.

یک گیت AND نیز به روشی مشابه ساخته می شود. آند های هر دو دیود به هم متصل می شوند ، جایی که خروجی مدار قرار دارد. هر دو ورودی منطقی باید 1 باشند تا جریان به سمت خروجی برود اما اگر هر یک از ورودی ها 0 باشد ، جریان از منبع 5 ولت از طریق دیود عبور می کند.

دیود های فلای بک و کاهش ولتاژ گذرای کوتاه مدت

از دیود ها اغلب برای محدود کردن آسیب احتمالی ناشی از افزایش ناگهانی ولتاژ استفاده می شود. دیود های فلای بک کاهش ولتاژ گذرا (TVS) دیود های خاصی هستند، مانند دیود های زنر ولتاژ شکست کم (غالباً در حدود 20 ولت) دارند اما دارای میزان توان بسیار زیاد (اغلب در محدوده کیلووات) هستند. آن ها برای جابجایی جریان ها و جذب انرژی در هنگام وجود ولتاژ بیشتر از ولتاژ شکست طراحی شده اند.

دیود های فلای بک کار مشابهی را در کاهش ولتاژ گذرا انجام می دهند ، به ویژه آن ولتاژ هایی که توسط یک جزء القایی مانند موتور ایجاد می شوند.

این فقط تعداد کمی از کاربرد های این جزء نیمه هادی شگفت انگیز است.

دیود چیست؟

دیود یک قطعه الکترونیکی دو پایه است که انواع مختلفی دارد و برای یکسو کردن جریان استفاده میشود.

کار دیود چیست؟

دیود برای یک طرفه کردن جریان الکتریکی استفاده میشود. دیود به جریان فقط اجازه عبور از یک جهت را میدهد.