دیود و انواع آن – کاربرد دیود در مدار

دیود یکی دیگر از قطعات الکترونیکی است که دارای دو پایه می­ باشد. این دو پایه کاتد(منفی) و آند (مثبت) نام دارند. پایه کاتد، معمولا کوتاهتر است و یا به نوار سفید (یا سیاه) روی بدنه دیود، نزدیکتر است.

دیود را در نقشه با حرف D نشان می­دهند و از کاربرد های آن در مدار های الکترونیکی می­توان به یکسوسازی، نور افشانی، تنظیم ولتاژ و استفاده از آن ها به عنوان سنسور های نوری اشاره کرد و انواع آن عبارت است از: دیود های رکتیفایر، نور افشان و حساس به نور، زنر، آشکار ساز، وری کپ، تونل و … که ما در اینجا به سه نوع پرکاربرد آن می پردازیم.

به علت مواد استفاده شده در دیود ها جریان از یک طرفشان عبور می­کند.

در این قطعات از دو عنصر سیلیسیم یا ژرمانیم (عناصر نیمه هادی یا نیمه رسانا) استفاده شده­ است که با عناصری دیگر ترکیب شده و قطعات  P[۱](مثبت) و N[۲] (منفی) را به وجود می­ آورند.

این دو قطعه، اگر به تنهایی استفاده شوند، قادرند تا جریان را به راحتی از خود عبور دهند، اما در صورتی که اتم های این دو قطعه به هم نزدیک شوند، جریان فقط از P به N می­رود.

در LED ها P را آند و N را کاتد نیز می نامند.

اگر بخواهیم چگونگی عملکرد دیود را بررسی کنیم، باید وارد مباحث پیچیده فیزیک کوانتوم بشویم، زیرا بررسی اجمالی عملکرد این قطعه، چندان قابل درک نیست؛ بنابراین، فعلا دیود را به همین صورت که گفته شد، قبول کنید.

  • اتصال پایه های دیود به صورت P آند به مثبت یا ورودی جریان و N به منفی یا خروجی جریان را بایاس (یا پیش ولت) مستقیم و اتصال عکس این حالت را، بایاس معکوس نامیده اند.

دیود های رکتیفایر و نحوه استفاده از آن ها در مدار

این گونه دیود ها تنها در بایاس مستقیم جریان را از خود عبور می­دهند.

شکل زیر ظاهر این دیود ها و شمای آن ها در نقشه و جهت جریان در آن ها را نشان می­دهد.

دیود 1دیود 2

از این دیود ها می­توان در ورودی جریان استفاده کرد تا وقتی که مثبت و منفی مدار اشتباه وصل شد، جریانی وارد مدار نشود.

شکل زیر نحوه اتصال این دیود به عنوان دیود محافظ برای مصرف کننده را نشان می­دهد.

دیود 3

از این خاصیت جالب دیود های رکتیفایر در آدابتور نیز می­توانید استفاده کنید.

آدابتور وسیله ای است که جریان AC را به DC تبدیل می­کند.

روش استفاده از دیود در آدابتور بستگی به نوع ترانسفورمر دارد.

اگر ترانسفورمر دارای ٣ خروجی بود، باید دیود ها را به صورت زیر ببندیم.

دیود 4

در مدار تصویر بالا، جریان متناوب AC از دو مسیر بالا و پایین خروجی ترانسفورمر خارج می­شود.

این دو خروجی با یکدیگر اختلاف فاز ۱۸۰ درجه دارند، یعنی اگر بالایی مثبت و در بیشترین میزان ولتاژ خود باشد، پایینی منفی و در کمترین میزان ولتاژ است.

سیگنال بالایی:

دیود 5

سیگنال پایینی:

دیود 6

حالا با استفاده از دیود، منفی ها را به یک سیم می­فرستیم و مثبت ها را نیز به یک سیم دیگر می­فرستیم.

اتفاقی که می­افتد، این است که در یک سیم جریان به صورت تصویر زیر است:

دیود 7

و در سیم دیگر به صورت زیر است:

دیود 8

دیود در جریان های متناوب

جریان های متناوب معمولا یک فرکانس ثابت دارند. مثلا در مورد برق شهری ۵۰ هرتز هست.

این به این معنا است که ولتاژ در سیم فاز برق شهری، در مدت زمان ۱ ثانیه، ۵۰ دفعه از حدود ۳۲۰- به ۳۲۰+ و از ۳۲۰+ دوباره به ۳۲۰- ولت، ولتاژش نسبت به سیم نول تغییر پیدا می­کند.

اما ولتاژ به طور میانگین ۲۲۰ ولت است (ولتاژ rms).

این تغییرات ولتاژ و شدت جریان بالای برق بسیار خطرناک است و تماس مستقیم با آن موجب آسیب دیدگی جدی یا مرگ می­شود.

اگر ولتاژ تغذیه متناوب ۲۲۰ ولت باشد و Ratio ترانسفرمر حدود ۰.۱۱۰ باشد، اختلاف ولتاژ حاصل در سیم بالایی با وسطی بین ۰ ولت تا حدود ۱۲ ولت متغییر است و ولتاژ پایینی با وسطی نیز بین ۰ ولت تا ۱۲- ولت متغییر است.

دیود 9

  • دقت داشته باشید که در این نوع از ترانسفرمر ها، سیم وسط همیشه ولتاژ ۰ ولت دارد.

اگر ترانسفورمر دارای ٢ خروجی باشد، باید دیود ها را به صورت پل ببندیم.

پل دیودی نیم موج های مثبت و منفی هر یک از خروجی ها را از یکدیگر جدا می­کند و مثبت ها و منفی ها را جداگانه با یکدیگر ترکیب می­کند.

دیود 10

در اینجا ما صرفا مثبت و منفی را از هم جدا کرده­ایم و ولتاژ مستقیم ۰ دیگر وجود ندارد، یعنی ولتاژ بالایی ۶+ ولت و پایی ۶- است که اختلاف آن دو تقریبا ۱۲+ شده است.

دیود 11

  • برای مستقیم کردن جریان و حذف فرکانس آن، نیاز به خازن دارید؛ در بخش خازن به نحوه استفاده از خازن برای مستقیم کردن ولتاژ و جریان خواهیم پرداخت.
برای استفاده از این نوع دیود باید چند چیز را بدانیم:
  • حداقل جریان مورد نیاز (IS) که برای گذر جریان لازم است.
  • حداکثر جریان قابل تحمل دیود (IBV) که اگر رعایت نشود به دیود آسیب می­رسد.
  • حداقل ولتاژ ورودی (VJ) که برای ورود جریان لازم است.
  • حداکثر ولتاژ قابل تحمل دیود (BV) که اگر رعایت نشود به دیود آسیب می­رسد.
  • مقاومت دیود (RS) که برای محاسبه دقیق­تر لازم است.

برای تهیه دیود از بازار نیازمند یک فایل دیتاشیت (Datasheet) دیود مورد نظر هستید که در آن مشخصات استانداردهای دیود را داشته باشد.

فایل دیتاشیت را می توانید با استفاده از سریال دیود در گوگل سرچ کنید.

در جدول زیر به خصوصیات چند نمونه از استاندارد های پر کاربرد دیود های رکتیفایر اشاره شده است:

RS (Ω) BV (v) VJ (v) IBV (A) IS (A) Type
۲ m ۵۰ ۵۵۰ m ۵ m ۳۶ n ۱N1183
۲ m ۶۰۰ ۵۵۰ m ۵ m ۳۶ n ۱N1190
۲ m ۵۰ ۵۵۰ m ۳ m ۳۶ n ۱N1199
۲ m ۱۰۰ ۵۵۰ m ۲.۵ m ۳۶ n ۱N1200
۴۳.۲ m ۵۰ ۳۰۰ m ۱.۲ ۴۰۳ n ۱N4001
۸.۱ m ۵۰ ۵۵۰ m ۳ ۵۰۰ n ۱N5400

دیود های نوری و مادون قرمز و نحوه استفاده از آن ها در مدار

در این دیود ها موادی قرار داده شده که باعث می­شود پرتو های نوری بر اثر گذر نیروی الکتریکی از آن ها ساطع شود.

در دیود های نور افشان (LED) نور حاصل توسط چشم دیده می­شود ولی در دیود های مادون قرمز (inf.D) پرتو های حاصل (پرتو های فروسرخ) قابل دیدن نیستند (این پرتو ها با دوربین آشکار می­شوند). به کمک فتو دیود ها(ph.D) می­توانید انرژی حاصل از آن ها را دریافت کنید.

دیود های نوری دارای ٢ پایه هستند، یک پایه که بلندتر است و به ورودی جریان متصل می­شود و آند نام دارد و پایه دیگر که به خروجی جریان متصل می­شود و کاتد نام دارد.

تصویر زیر ظاهری که این دیود ها معمولا دارند و شمای آن ها در نقشه را نشان می­دهد.دیود 12

دیود 13

  • بعضی از دیود های نور افشان دو رنگ هستند و دارای ٣ پایه می­باشند؛ یک پایه مشترک است و دو پایه دیگر هرکدام مربوط به یک رنگ است. اگر هر دو رنگ باهم روشن شوند، از ترکیب آن دو یک رنگ دیگر نیز ساخته می­ شود.

دیود های نور افشان معمولا می­توانند به طور متوسط جریان ١٠ میلی آمپر و ولتاژ بین ٣ تا ۵ ولت را تحمل کنند.

این دیود ها در بایاس مخالف چنانچه جریان کم باشد، آن را عبور نمی­ دهند.

در صورتی که بسوزند جریان بسیار کمی از خود عبور می­دهند و دیگر نور تولید نمی­ کنند.

دیود های فرستنده و گیرنده مادون قرمز کاربرد های بسیاری دارند، مثلا برای تعیین فاصله، تشخیص رنگ، ارسال اطلاعات، دزدگیر ها و … می­توانید از آن ها استفاده کنید.

فرکانس ارسالی و اطلاعات می­تواند به کمک آی سی تایمر، وارد دیود مادون قرمز شود و توسط فتو دیود دریافت و با یک آی سی تقویت کننده عملیاتی، قبول یا رد شود.

سون سگمنت (۷segment)

سون سگمنت از ۷ یا ۸ دیود نور افشان، به صورت پکیج شده (بسته بندی شده) به شکل عدد ۸ یا .۸ (عدد ۸ انگلیسی و یک نقطه در راست آن) تشکیل شده است.

این پکیج های LED، یک یا دو پایه آند (آند مشترک) یا یک یا دو پایه کاتد (کاتد مشترک) دارند و بقیه پایه ها، هرکدام مربوط به روشن کردن یکی از LED های پکیج هستند.

تصویر زیر، یک نمونه از این پکیج ها (کاتد مشترک) را نشان می­دهد:

دیود 14

دیود های زنر و نحوه استفاده از آن ها در مدار

این نوع از دیود ها همانند یک مقاومت هستند که با تغییر ولتاژ مقاومت آن تغییر می­کند؛ یعنی P و N آن ها طوری ساخته شده، که اگر در بایاس مخالف اختلاف ولت دو سر دیود از حدی بالاتر رود، اضافه ولتاژ نسبت به آن حد را از خود عبور می­دهد.

این عمل موجب می­شود تا ولتاژ اضافی از بین برود.

از این خاصیت می­توان برای ثابت نگه داشتن ولتاژ استفاده کرد.

برای استفاده از زنر بهتر است که از مقاومت بار استفاده شود.

شمای زنر در نقشه:

دیود 15

مقاومت بار: مقاومتی که به صورت سری قبل از زنر در مدار بسته می­شود تا از آسیب دیدن زنر جلوگیری کند. هرچه مقاومت بار کمتر باشد، اختلاف بیشترین و کمترین ولتاژ کمتر است.

نحوه قرار دادن زنر و مقاومت بار به همراه مصرف کننده و منبع تغذیه نیز به صورت زیر است:

دیود 16

در تصویر بالا Z1 دیود زنر و R1 مقاومت بار است.

مثال زیر نحوه محاسبات را در زنر نشان می­دهد:

یک منبع تغذیه ١٠v داریم که تلرانس[۳] آن ١٠% است، یعنی ولتاژ ریپل[۴] آن یک ولت می­باشد، می­توانیم به کمک زنر یک ولتاژ ۸v با ولتاژ ریپل کم داشته باشیم.

برای استفاده از زنر باید موارد زیر را بدانیم:
  • ولتاژ ریپل منبع تغذیه
  • میزان ولتاژ مورد نیاز مصرف کننده (این ولتاژ بهتر است حداقل v١ از مقدار کمترین ولتاژ اصلی منبع تغذیه کمتر باشد.)
  • میزان جریان مصرف کننده
  • میزان توان زنر (که طی محاسبات بدست می­آید) و حداکثر ولتاژ زنر
  • توان و مقدار مقاومت بار (که طی محاسبات به دست می­آید.)

ولتاژ ریپل منبع تغذیه معمولا روی آن نوشته شده میزان ولتاژ مصرف کننده نیز در صورتی که پیش ساخته باشد، روی آن نوشته شده و اگر خودتان ساخته باشید، با استفاده از فرمول های گفته شده می­توانید آن را محاسبه کنید.

میزان جریان مصرف کننده را میتوان از طریق محاسبه یا به وسیله اهم متر و ولتاژ مصرف کننده و قانون اهم بدست آورد.

حداکثر ولتاژ زنر نیز برابر است با ولتاژ مورد نیاز مصرف کننده و میزان توان زنر نیز از طریق رابطه زیر بدست می­ آید:

P=I×V

که در رابطه بالا P توان زنر، V ولتاژ مصرف کننده و I جریان مصرف کننده است و برای تهیه از بازار باید زنری با ولتاژ V و توان P تهیه کرد.

مقدار مقاومت بار نیز از طریق رابطه زیر بدست می­ آید:

دیود 17

که در رابطه بالا منظور از I جریان مورد نیاز مصرف کننده، منظور از  ولتاژ مصرف کننده و منظور از Vmax بیشینه ولتاژ و Vmin کمینه ولتاژ منبع تغذیه است.

توان مقاومت بار نیز از طریق رابطه زیر بدست می­ آید:

دیود 18

در رابطه بالا نیز، I همان جریان مصرف کننده است.

* سعی کنید که مدار را طوری تنظیم کنید که توان زنر حداکثر ۱ وات شود تا هنگام تهیه زنر، با مشکل مواجه نشوید.

نمونه های کاربردی دیود

گیت OR:

وسایل لازم: ٢دیود ۱N4001 (رکتیفایر)، ٢مقاومت، منبع تغذیه.

یرای اینکه بتوانیم آنچه را که در ذهن داریم را روی مدار پیاده کنیم، نیازمندیم به تعریف منطق «و»، «یا» و «مخالف» برای جریان های الکتریکی.

منطق برای جریان های الکتریکی با قطعات خاصی تعریف می­ شود که آن ها را گیت های منطقی نامیده­ اند.

این مدار همان «یا» را برای مدار تعریف می­ کند؛ به این صورت که جریان I3 با توجه به I1 و I2 قطع یا وصل می­ شود.

دیود 19

در جدول زیر که آن را جدول درستی[۵] می­ نامند، ۰ به معنای قطع و ۱ به معنای وصل جریان می­ باشد.

I1 ۰ ۰ ۱ ۱
I2 ۰ ۱ ۰ ۱
I3 ۰ ۱ ۱ ۱

تحلیل مدار: جریان از مثبت وارد می­شود و پس از عبور از مقاومت ها وارد دیود ها می­شود. با توجه به خاصیتی که دیود ها دارند، دیگر از خروجی گیت جریانی وارد نمی­شود و به عبارتی دیگر ما در اینجا جریان را مهار کرده­ایم. جریان خروجی همانطور که از تصویر بالا پیداست، جمع جریان های ورودی بعد از مقاومت ها است.

جدا کننده مثبت و منفی:

از این مدار در مواقعی استفاده می­ شود که مثبت و منفی جریان مستقیم مشخص نباشد.

دیود 20

 

بخش قبلی: مقاومت و نحوه استفاده از آن در مدار

بخش بعدی: خازن و کاربرد آن در مدار

 

[۱]               positive

[۲]               Negative

[۳]                درصد تغییرات (Tolerance)

[۴]                میزان تغییرات  ولتاژ  ( Ripel )

[۵]               True table

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.

ده + هجده =