دیود یک قطعه الکترونیکی است که جریان الکتریکی را فقط در یک جهت از خود عبور می دهد. از این قطعه به صورت گسترده در تجهیزات الکترونیکی مدرن و امروزی استفاده می شود. در این آموزش دیود، ویژگی ها، نماد مداری و انواع آن مورد بررسی قرار خواهند گرفت.
نماد مداری
دیود یک قطعه الکترونیکی دو پایه جهت دار می باشد که نماد مداری استاندارد آن در تصویر زیر آورده شده است. به پایه مثبت اصطلاحا آند(anode) و به پایه منفی دیود اصطلاحا کاتد(cathode) گفته می شود.
جریان الکتریکی در دیود فقط می تواند از سمت آند وارد شده و از سمت کاتد خارج شود و اجازه عبور در جهت معکوس را ندارد.
دیود ایده آل
برای درک راحت تر عملکرد دیود می توان در ابتدا آن را به صورت ایده آل در نظر گرفت که در این صورت مهم ترین عملکرد دیود ایده آل، کنترل جهت جریان الکتریکی در مدار می باشد که همانطور که گفته شد، جریان الکتریکی می تواند فقط از سمت آند وارد شده و از سمت کاتد خارج شود.
در صورتی که ولتاژ دو سر دیود منفی باشد(یعنی ولتاژ سر آند نسبت به ولتاژ سر کاتد منفی باشد) در این صورت، جریان الکتریکی اجازه عبور نداشته و دیود ایده آل به صورت مدار باز عمل می کند. در این وضعیت گفته می شود که دیود در بایاس معکوس قرار دارد.
اما در صورتی که ولتاژ دو سر دیود مثبت باشد(یعنی ولتاژ سر آند نسبت به ولتاژ سر کاتد مثبت باشد)، در این صورت دیود روشن است و اجازه عبور جریان را می دهد و در واقع دیود ایده آل به صورت اتصال کوتاه عمل می کند. در این وضعیت گفته می شود که دیود در بایاس مستقیم قرار دارد.
در نمودار زیر، رابطه ولتاژ – جریان در دیود ایده آل نمایش داده شده است.
همچنین در مدار نمونه زیر می توانید نحوه عملکرد دیود ایده آل را در وضعیت بایاس مستقیم و بایاس معکوس مشاهده کنید.
مشخصات دیود واقعی
نحوه عملکرد دیود واقعی مقداری با مدل ایده آل متفاوت است که در تحلیل های دقیق یک مدار الکتریکی بایستی حتما از مدل واقعی استفاده شود. منحنی ولتاژ- جریان دیود واقعی در تصویر زیر آورده شده است:
یک دیود واقعی به صورت کلی دارای سه ناحیه عملکردی است:
بایاس مستقیم(Forward): زمانی که ولتاژ دو سر آن مثبت باشد، دیود روشن است و جریان می تواند از آن عبور کند. مقدار ولتاژ دو سر دیود در این وضعیت بایستی بالاتر از ولتاژ هدایت یا Forward Voltage(Vf) باشد.
بایاس معکوس(Reverse): در صورتی که ولتاژ دو سر دیود کمتر از ولتاژ Vf و بزرگتر از ولتاژ شکست(Vbr) باشد، در این صورت در بایاس معکوس قرار دارد و اجازه عبور جریان را از خود نمی دهد. البته مقدار بسیار کمی جریان الکتریکی در محدوده نانو آمپر که به آن جریان اشباع معکوس گفته می شود از دیود عبور می کند که در نمودار بالا نیز مشخص است.
ناحیه شکست(Breakdown): زمانی که ولتاژ دو سر دیود، منفی بوده و از ولتاژ شکست(Vbr) منفی تر شود، دیود وارد ناحیه شکست شده و در این وضعیت جریان بسیار زیادی طبق نمودار از سمت کاتد به سمت آند عبور می کند.
تعدادی از دیودها مانند دیودهای زنر به گونه ای طراحی میشوند که از آنها در ناحیه شکست در مدار استفاده می شود، اما برای سایر دیودها در صورتی که یک دیود وارد ناحیه شکست شود، آسیب می بیند و می سوزد.
ولتاژ هدایت دیود یا Forward Voltage
دیود برای روشن شدن و عبور جریان از خود، نیاز به مقدار مشخصی ولتاژ مثبت دارد که اصطلاحا به آن ولتاژ هدایت یا Forward Voltage می گویند.
مقدار ولتاژ هدایت بسته به نوع مواد نیمه هادی به کار رفته در آن متفاوت است. به طور معمول دیودهای سیلیکونی دارای ولتاژ هدایت ۰.۶-۱ ولت و دیودهای ژرمانیومی دارای ولتاژ هدایت حدودا ۰.۳ ولت هستند.
همچنین نوع دیود، بر مقدار ولتاژ هدایت آن تاثیرگذار است. به طور مثال دیودهای نوری ولتاژ هدایت بالاتری نسبت به نمونه های شاتکی دارند.
دیتاشیت
تمامی موارد و پارامترهایی که در قسمت های قبلی ذکر شد، بایستی حتما در دیتاشیت دیود ذکر شوند و یک طراح مدار بایستی براساس همین اطلاعات و پارامترها دیود مورد نظر خود را در طراحی مدار انتخاب کند.
به طور مثال دیتاشیت زیر مربوط به دیود ۱N4148 می باشد که طبق اطلاعات ذکر شده، حداکثر مقدار ولتاژ هدایت آن برابر با ۱ ولت، مقدار ولتاژ شکست برابر با ۱۰۰ ولت و حداکثر جریان هدایت برابر با ۳۰۰ میلی آمپر می باشد.
خواندن دیتاشیت یکی از مهم ترین توانایی هایی است که یک مهندس طراحی الکترونیک حتما بایستی بر آن تسلط داشته باشد. اطلاعات بسیار مفیدی از عملکرد قطعه در دیتاشیت آن ذکر میشود.
برای دیود ۱N4148 نیز طبق تصویر زیر می توان منحنی مشخصه ولتاژ- جریان آن را در دیتاشیت مشاهده کرد و نحوه رفتار دیود را در رنج های مختلف ولتاژی و جریانی متوجه شد.
امیدواریم این آموزش اطلاعات مناسبی را در اختیار شما قرار داده باشد. با ارائه نظرات، پیشنهادات و انتقادات خود ما را در هرچه بهتر شدن ارائه مطالب یاری کنید.