دیود یکی از اساسی‌ترین قطعات الکترونیکی است که در تمام مدارهای امروزی نقش کلیدی دارد. آیا می‌دانید این قطعه کوچک چگونه جریان را فقط در یک جهت هدایت می‌کند و چه تأثیری در یکسوسازی، تنظیم ولتاژ و حتی تولید نور دارد؟ اگر به دنبال درک ساده اما کاربردی از عملکرد دیودها، انواع مختلف آن و نقش حیاتی‌شان در دنیای الکترونیک هستید، این مقاله را از دست ندهید!
یکی از کاربردهای دیود در مدار یکسوساز درایوهای فرکانس‌متغیر است. اگر با درایو و کاربرد آن در سیستم‌های اتوماسیون صنعتی آشنا نیستید، می‌توانید دوره درایو‌من ماهر را تهیه کنید. در این دوره به‌صورت عملی و کاربردی مهارت کار با درایوهای الکتریکی را می‌آموزید.
دیود چیست؟
دیود یک قطعه الکترونیکی دو سر است که جریان الکتریکی را فقط در یک جهت هدایت می‌کند. این قطعه از ترکیب دو نوع نیمه‌رسانا یعنی نیمه‌رسانای نوع P و نیمه‌رسانای نوع N ساخته شده است که در کنار هم تشکیل اتصال P-N را می‌دهند.
ساختار داخلی دیود
دیود از طریق فرایند دوپینگ (Doping) ایجاد می‌شود. در این فرایند، ناخالصی‌هایی به نیمه‌رسانا اضافه می‌شوند تا خواص الکتریکی آن تغییر کند.
- اتصال P-N و ناحیه تخلیه
زمانی که نیمه‌رسانای نوع P (دارای حفره‌های مثبت) و نیمه‌رسانای نوع N (دارای الکترون‌های آزاد) به یکدیگر متصل شوند، الکترون‌های آزاد از ناحیه N به سمت ناحیه P حرکت کرده و با حفره‌ها ترکیب می‌شوند. این فرایند باعث ایجاد ناحیه تخلیه (Depletion Region) می‌شود، که یک لایه با بار الکتریکی خنثی است و مانع از عبور آزادانه جریان در شرایط عادی می‌شود.
- پایه‌های دیود: آند و کاتد
- ناحیه P (آند – Anode): با افزودن عناصری مانند گالیوم یا بور، تعداد حفره‌های مثبت افزایش یافته و این بخش پلاریته مثبت دارد.
ناحیه N (کاتد – Cathode): با افزودن ناخالصی‌هایی مانند فسفر یا آنتیموان، تعداد الکترون‌های آزاد بیشتر شده و این بخش پلاریته منفی دارد.
نماد مداری دیود
نماد مداری دیود شامل یک مثلث و یک خط عمودی است:
- مثلث نشان‌دهنده جهت جریان مجاز (از آند به کاتد) است.
- خط عمودی در سمت کاتد قرار دارد و نشان‌دهنده ممانعت از عبور جریان در جهت معکوس است.
🔺| → جهت مجاز عبور جریان
—| → مانع عبور جریان در جهت معکوس
در مقاله زیر در مورد سوئیچ‌های الکترونیک قدرت به‌صورت مفصل بحث شده است.
دیود چگونه کار می‌کند؟
دیود یک قطعه نیمه‌رسانا است که جریان الکتریکی را در یک جهت عبور داده و در جهت مخالف از عبور آن جلوگیری می‌کند. عملکرد دیود به وضعیت بایاس مستقیم و بایاس معکوس بستگی دارد.
- بایاس مستقیم (Forward Bias)
- آند به قطب مثبت و کاتد به قطب منفی منبع تغذیه متصل می‌شود.
- عرض ناحیه تخلیه کاهش می‌یابد و جریان الکترون‌ها از ناحیه N به P برقرار می‌شود.
- اگر ولتاژ اعمالی از ولتاژ سد (Threshold Voltage) بیشتر شود، جریان به شدت افزایش می‌یابد.
- بایاس معکوس (Reverse Bias)
- آند به قطب منفی و کاتد به قطب مثبت منبع تغذیه متصل می‌شود.
- عرض ناحیه تخلیه افزایش می‌یابد و دیود مانع عبور جریان می‌شود.
- فقط مقدار بسیار کمی جریان نشتی عبور می‌کند.
- در صورت افزایش بیش از حد ولتاژ معکوس، شکست دیود رخ داده و جریان شدیدی عبور می‌کند.
نمودار جریان بر حسب ولتاژ در دیود (منحنی I-V)
۱. رفتار دیود در بایاس مستقیم:
- در ابتدا، با افزایش ولتاژ، جریان عبوری بسیار کم است.
- وقتی ولتاژ به مقدار ولتاژ زانو (Knee Voltage) برسد (حدود ۰.۷ ولت برای دیودهای سیلیکونی و ۰.۳ ولت برای دیودهای ژرمانیومی)، جریان به‌طور ناگهانی افزایش می‌یابد.
- بعد از این نقطه، افزایش بیشتر ولتاژ باعث افزایش نمایی جریان عبوری از دیود می‌شود.
۲. رفتار دیود در بایاس معکوس:
- در این حالت، دیود جریان بسیار کمی عبور می‌دهد که به آن جریان نشتی (Leakage Current) گفته می‌شود.
- تا زمانی که ولتاژ به مقدار ولتاژ شکست (Breakdown Voltage) نرسد، دیود تقریباً هیچ جریانی عبور نمی‌دهد.
- پس از ولتاژ شکست، جریان به شدت افزایش می‌یابد که می‌تواند به آسیب یا سوختن دیود منجر شود، مگر در دیودهای ویژه مانند دیود زنر که در این شرایط هم جریان را کنترل می‌کنند.
۳. نکات اضافه برای نمودار:
- شیب نمودار در ناحیه بایاس مستقیم پس از ولتاژ زانو به دلیل افزایش ناگهانی جریان به‌شدت بالا می‌رود.
- در ناحیه بایاس معکوس، افزایش ولتاژ منفی تأثیر چندانی ندارد تا زمانی که دیود به ولتاژ شکست برسد.
- در دیودهای مختلف (سیلیکونی، ژرمانیومی، زنر و غیره)، ولتاژ زانو و ولتاژ شکست متفاوت است.
نمودار به‌صورت زیر است:
📈 در بایاس مستقیم: رشد نمایی جریان پس از عبور از ولتاژ سد
📉 در بایاس معکوس: جریان ناچیز تا رسیدن به ولتاژ شکست
دیود در مدار: نحوه قرارگیری و محاسبه جریان و ولتاژ
مثال مدار شامل یک دیود و مقاومت
یک دیود سیلیکونی با یک مقاومت ۱۰۰Ω سری شده و به یک منبع تغذیه ۵ ولتی متصل شده است. می‌خواهیم جریان عبوری از مدار و افت ولتاژ دو سر دیود را محاسبه کنیم.
مرحله ۱: درک نحوه قرارگیری دیود در مدار
- دیود در بایاس مستقیم است (آند به +۵V و کاتد به مقاومت متصل است که به زمین می‌رود).
- ولتاژ دو سر دیود سیلیکونی در بایاس مستقیم تقریباً ۰.۷ ولت است.
- بقیه ولتاژ (۵V – ۰.۷V = ۴.۳ ولت) روی مقاومت افت خواهد کرد.
مرحله ۲: محاسبه جریان مدار
طبق قانون اهم:
نتیجه‌گیری
- دیود در بایاس مستقیم قرار دارد و جریان عبوری از آن ۴۳ میلی‌آمپر است.
- افت ولتاژ روی دیود ۰.۷ ولت و افت ولتاژ روی مقاومت ۴.۳ ولت است.
نکته: اگر دیود در بایاس معکوس قرار گیرد (جهت آن را برعکس کنیم)، تقریباً هیچ جریانی عبور نمی‌کند، مگر مقدار بسیار کمی جریان نشتی.
- دیود پیوند P-N یا (P-N Junction Diode): دیود معمولی است که از اتصال نیمه‌رسانای P و N تشکیل شده و جریان را فقط در بایاس مستقیم عبور می‌دهد. در بایاس معکوس، جریان بسیار کمی از آن عبور می‌کند تا زمانی که به ولتاژ شکست برسد.
- دیود شاتکی (Schottky Diode): این دیود از اتصال یک فلز به نیمه‌رسانای نوع N ساخته شده و دارای ولتاژ هدایت کمتر (حدود ۰.۲ تا ۰.۴ ولت) و زمان سوئیچینگ سریع است که آن را برای مدارهای فرکانس بالا و منابع تغذیه سوئیچینگ مناسب می‌کند.
- دیود زنر (Zener Diode): دیود خاصی که در بایاس معکوس نیز کار می‌کند و در ولتاژ شکست مشخصی شروع به هدایت جریان می‌کند. در تنظیم ولتاژ و مدارهای محافظت در برابر اضافه ولتاژ کاربرد دارد.
- دیود بهمنی (Avalanche Diode): مشابه دیود زنر، اما در مکانیزم شکست بهمنی عمل می‌کند. در ولتاژ شکست بالا دچار افزایش ناگهانی جریان شده و برای کاربردهای حفاظتی مانند محدود‌کننده ولتاژ استفاده می‌شود.
- دیود ورکتور (Varactor Diode): این دیود در بایاس معکوس کار کرده و ظرفیت خازنی متغیری دارد که متناسب با ولتاژ اعمالی تغییر می‌کند. در مدارهای تنظیم فرکانس و مخابراتی استفاده می‌شود.
- دیود PIN: دارای یک لایه نیمه‌رسانای ذاتی (Intrinsic) بین نواحی P و N است که باعث افزایش مقاومت در بایاس معکوس می‌شود. در مدارهای فرکانس بالا، آشکارسازهای نوری و تقویت‌کننده‌های مایکروویو کاربرد دارد.
- دیود تونلی (Tunnel Diode): دارای یک ناحیه تخلیه بسیار باریک و خاصیت تونل‌زنی کوانتومی است که موجب هدایت سریع و کار در فرکانس‌های بالا می‌شود. در نوسان‌سازها و مدارهای فرکانس بالا استفاده می‌شود.
- دیود گان (Gunn Diode): یک دیود بدون اتصال P-N که بر اساس اثر گان (Gunn Effect) کار می‌کند و در نوسان‌سازهای مایکروویو و تقویت‌کننده‌های فرکانس بالا کاربرد دارد.
- فتو دیود (Photodiode): در بایاس معکوس کار کرده و با دریافت نور، جریان الکتریکی تولید می‌کند. در حسگرهای نوری، دوربین‌ها و مدارهای آشکارساز استفاده می‌شود.
- دیود ساطع‌کننده نور (LED – Light Emitting Diode): در بایاس مستقیم، انرژی الکتریکی را به نور مرئی یا مادون قرمز تبدیل می‌کند. در نمایشگرها، روشنایی و ارتباطات نوری استفاده می‌شود.
- دیود لیزری (Laser Diode): مشابه LED، اما پرتوی لیزر با شدت بالا و تکفام تولید می‌کند. در تجهیزات پزشکی، مخابرات نوری و دستگاه‌های خواندن دیسک‌های نوری کاربرد دارد.
- دیود معکوس (Backward Diode یا Back Diode): نوع خاصی از دیود تونلی که در ولتاژهای کم، جریان را در هر دو جهت هدایت می‌کند اما خاصیت یکسوکنندگی در ولتاژهای بالا دارد. در مدارهای فرکانس بالا و حفاظتی استفاده می‌شود.
- دیود سیگنال کوچک (Small Signal Diode): دیودی با جریان و ولتاژ کم که زمان سوئیچینگ سریعی دارد. در پردازش سیگنال‌های ضعیف و مدارات مخابراتی استفاده می‌شود.
کاربردهای دیود
- یکسوسازی جریان (Rectification): دیودها در منابع تغذیه AC به DC برای یکسو کردن جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) استفاده می‌شوند. در یکسوکننده نیم‌موج، فقط نیمه مثبت موج عبور می‌کندو در یکسوکننده تمام‌موج (پل دیود)، هر دو نیم‌سیکل موج استفاده شده و جریان DC صاف‌تر تولید می‌شود.
- تنظیم ولتاژ و تثبیت‌کننده (Voltage Regulation): دیود زنر برای تثبیت ولتاژ در مدارها به کار می‌رود. این نوع دیود در مدارهای منبع تغذیه و محافظ ولتاژ استفاده می‌شود.
- حفاظت مدار در برابر ولتاژ معکوس: دیودها از خراب شدن قطعات حساس در صورت اتصال نادرست تغذیه جلوگیری می‌کنند. دیود شاتکی به دلیل ولتاژ هدایت کم، در مدارهای حفاظتی کاربرد دارد.
- مدارهای برش‌دهنده و نگهدارنده (Clipping & Clamping Circuits): در مدار برش یا کلیپر (Clipper) برای حذف بخشی از سیگنال ولتاژ در مدارات پردازش سیگنال به کار می‌رود و در مدار نگهدارنده یا کلمپر (Clamper) برای جابجایی سطح DC یک سیگنال استفاده می‌شود.
- نوسان‌سازها و مدارات مخابراتی: دیود تونلی و دیود گان در نوسان‌سازهای فرکانس بالا و مدارات رادیویی و مایکروویو استفاده می‌شوند.
- تولید و آشکارسازی نور: دیود LED در نمایشگرها، روشنایی، چراغ‌های خودرو و تجهیزات پزشکی کاربرد دارد و فتودیود (Photodiode) در حسگرهای نوری، دوربین‌ها، ریموت کنترل‌ها و تجهیزات پزشکی به‌کار می‌رود.
- دیودهای خازنی (Varactor Diode) در مدارات تنظیم فرکانس: در مدارات مخابراتی برای تغییر فرکانس نوسانگرها استفاده می‌شود.
- مدارات ضرب‌کننده و افزاینده ولتاژ: در مدارات ضرب‌کننده ولتاژ و مدارهای ولتاژ بالا (مانند تلویزیون‌های CRT و سیستم‌های راداری) استفاده می‌شود.
- دیودهای لیزری در مخابرات نوری و تجهیزات پزشکی: دیودهای لیزری در دیسک‌خوان‌های نوری، ارتباطات فیبر نوری، جراحی‌های پزشکی و اسکنرهای بارکد استفاده می‌شوند.
- دیودهای خاص در حسگرها و تجهیزات حفاظتی: دیود بهمنی و دیود زنر در مدارهای جلوگیری از افزایش ناگهانی ولتاژ (Surge Protection) کاربرد دارند.
در مقاله زیر مدار داخلی درایو و نحوه کار آن شرح داده شده است.
پل دیودی چیست؟
پل دیودی (Bridge Rectifier) یک مدار یکسوساز تمام‌موج است که با استفاده از چهار دیود جریان متناوب (AC) را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می‌کند.
ساختار و نحوه عملکرد:
- چهار دیود در یک پیکربندی خاص قرار گرفته‌اند تا هر دو نیم‌سیکل موج AC را یکسو کنند.
- در نیم‌سیکل مثبت AC، دو دیود جریان را عبور می‌دهند، و در نیم‌سیکل منفی AC، دو دیود دیگر جریان را در همان جهت برقرار می‌کنند.
- این فرایند باعث تولید خروجی DC پالسی می‌شود که با استفاده از یک خازن صافی می‌توان آن را به DC پایدارتر تبدیل کرد.
مزایای پل دیود
✔ بازدهی بالاتر نسبت به یکسوکننده نیم‌موج
✔ استفاده از هر دو نیم‌سیکل موج AC
✔ عدم نیاز به سیم اتصال مرکزی (Center Tap) در ترانسفورماتور
کاربردهای پل دیود
- منابع تغذیه DC
- شارژرهای باتری
- مدارهای الکترونیکی و صنعتی
- مبدل‌های برق متناوب به مستقیم (AC to DC Converters)
نتیجه
پل دیود یک روش موثر و پرکاربرد برای یکسوسازی جریان متناوب است که در بسیاری از مدارهای الکترونیکی و منابع تغذیه استفاده می‌شود.
نتیجه‌گیری
دیودها یکی از مهم‌ترین قطعات الکترونیکی هستند که در یکسوسازی جریان، تثبیت ولتاژ، حفاظت از مدارها، تولید نور و بسیاری از کاربردهای دیگر استفاده می‌شوند. انواع مختلف دیود، مانند دیود پیوند P-N، شاتکی، زنر، LED و فتودیود، هرکدام ویژگی‌ها و کاربردهای خاص خود را دارند. درک عملکرد دیودها و نحوه استفاده از آن‌ها در مدارهای الکترونیکی، به مهندسان و علاقه‌مندان الکترونیک کمک می‌کند تا طراحی‌های بهینه‌تر و کارآمدتری داشته باشند.
سوالات متداول
دیود از اتصال دو نوع نیمه‌رسانا P و N ساخته شده است. در بایاس مستقیم، ناحیه تخلیه کوچک شده و جریان عبور می‌کند، اما در بایاس معکوس، ناحیه تخلیه گسترش یافته و مانع عبور جریان می‌شود. این خاصیت باعث می‌شود دیود فقط در یک جهت هدایت کند.
ولتاژ زانو مقدار حداقلی ولتاژ مورد نیاز برای هدایت دیود در بایاس مستقیم است. برای دیودهای سیلیکونی، این مقدار حدود ۰.۷ ولت و برای دیودهای ژرمانیومی حدود ۰.۳ ولت است.
دیود زنر برخلاف دیود معمولی، در بایاس معکوس نیز هدایت می‌کند، اما فقط زمانی که ولتاژ به مقدار شکست تعیین‌شده برسد. این ویژگی باعث می‌شود دیود زنر در تثبیت و تنظیم ولتاژ کاربرد داشته باشد.
پل دیود یک مدار متشکل از چهار دیود است که برای یکسوسازی تمام‌موج استفاده می‌شود. این مدار نسبت به یکسوساز نیم‌موج کارایی بالاتری دارد، زیرا هر دو نیم‌سیکل موج AC را به جریان DC تبدیل می‌کند.
- از روی نماد مدار: آند با مثلث و کاتد با خط عمودی نشان داده می‌شود.
- از روی بدنه دیود: معمولاً کاتد با یک نوار رنگی مشخص شده است.
با مولتی‌متر: در حالت تست دیود، زمانی که پراب قرمز روی آند و پراب مشکی روی کاتد باشد، دیود هدایت می‌کند. در جهت مخالف، دیود باید مدار را باز نشان دهد.
