دیود چیست و چه کاربردی دارد
دیود چیست؟ در مدارهای الکترونیکی گاهی باید جریان الکتریکی در یک جهت حرکت کند و در جهت دیگر جریانی جاری نشود. در این مواقع از قطعه ای به نام دیود در مدار استفاده می کنیم.
دیود چیست؟
دیود از دو لایه نیمه‌هادی تشکیل شده است که به صورت p-n جوش داده شده‌اند. لایه‌ای به نام P و دیگری به نام N که به ترتیب نشان‌دهنده لایه ی نوع P و N می‌باشد. واژه “دیود” مخفف “دو قطبه” (Diode) است و به اشاره به دو ترمینال یا سر قطبی دیود می‌باشد. به عبارتی دو سمت دیود، یک سمت دیود (سمت P) به عنوان آند (Anode) شناخته می‌شود و سمت دیگر (سمت N) به عنوان کاتد (Cathode) شناخته می‌شود.
ویژگی مهم دیود، خاصیت یک طرفه ی انتقال جریان الکتریکی است. این به این معنی است که دیود می‌تواند جریان الکتریکی را در یک جهت عبور دهد ولی در جهت مخالف آن را مسدود می‌کند. مهم ترین کاربرد دیود، عبور جریان در یک جهت (diode’s forward direction) و ممانعت در برابر گذر جریان در جهت مخالف (reverse direction) است. در نتیجه می توان به دیود مثل یک شیر الکتریکی یک طرفه نگاه کرد. این ویژگی دیود برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم استفاده می‌شود.
به لحاظ الکتریکی، یک دیود، هنگامی جریان را از خود می‌گذراند که با برقرار کردن ولتاژ (بایاس کردن) در جهت درست + به آنُد و – به کاتُد که به آن بایاس مستقیم می گویند آمادهٔ کار شود. مقدار ولتاژی که باعث می شود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی کند، ولتاژ آستانه (threshold voltage) نامیده می شود که چیزی حدود 0/6 تا 0/7 ولت برای دیودهای سیلیکون و 0/2 تا 0/3 ولت برای دیود ژرمانیوم است.
اما هنگامی که ولتاژ معکوس به دیود متصل شود، (+ به کاتد و – به آند که به آن بایاس معکوس می گویند) جریانی از آن نمی گذرد. مگر جریان بسیار کمی که به «جریان نشتی» معروف است و در حدود چند میکروآمپر یا حتی کمتر است. این مقدار جریان معمولاً در اغلب مدارهای الکترونیکی قابل چشم پوشی است و تأثیری در رفتار سایر المان های مدار نمی گذارد. هرچه جنس بلور به کار رفته در ساخت دیود، به لحاظ ساختار، منظم تر باشد، دیود مرغوب تر و جریان نشتی، کمتر خواهد بود.
مقدار جریان نشتی در دیودهای با فناوری جدید، عملاً به صفر می رسد. نکته ی مهم آنکه تمام دیودها یک آستانه برای بیشینه ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژ معکوس، بیش از آن شود، دیود می‌سوزد (بلور ذوب می شود) و جریان را در جهت معکوس نیز می گذراند. به این ولتاژ آستانه، «ولتاژ شکست» گفته می شود.
دیودها، یکی از اجزای اساسی در مدارهای الکترونیکی هستند. برخلاف مقاومت‌ها که جریان الکتریکی را در یک جهت عبور می‌دهند، دیودها مسیری جهت‌دار برای جریان فراهم می‌کنند. در اینجا، دربارهٔ دو نوع مشتق دیود به نام‌های بایاس مستقیم و معکوس بحث خواهیم کرد.
دیود بایاس مستقیم (Forward Bias)
وقتی دیود برای کارکرد در مدار بایاس مستقیم قرار می‌گیرد، یعنی پایهٔ مثبت آن به منبع ولتاژ مثبت و پایهٔ منفی آن به منبع ولتاژ منفی متصل می‌شود. در این حالت، جریان الکترونیکی به طور طبیعی از سمت پایهٔ منفی به سمت پایهٔ مثبت جریان پیدا می‌کند. این به معنای “بایاس مستقیم” است.
وقتی دیود بایاس مستقیم می‌شود، ناخالصی‌های موجود در ساختار دیود (مانند اکسیژن یا آلاینده‌های دیگر) عملکرد آن را تسهیل می‌کنند و جریان الکترونیکی را به راحتی عبور می‌دهند. با افزایش ولتاژ بایاس، جریان در دیود افزایش می‌یابد و دیود به عنوان یک منبع جریان عمل می‌کند.
دیود بایاس معکوس (Reverse Bias)
وقتی دیود برای کارکرد در مدار بایاس معکوس قرار می‌گیرد، یعنی پایهٔ مثبت آن به منبع ولتاژ منفی و پایهٔ منفی آن به منبع ولتاژ مثبت متصل می‌شود. در این حالت، دیود در برابر جریان الکترونیکی مقاومت بسیار بالایی ایجاد می‌کند و به عنوان یک راکتور قطع جریان عمل می‌کند. این به معنای “بایاس معکوس” است.
در حالت بایاس معکوس، تقریباً هیچ جریان الکترونیکی قابل توجه‌ای از سمت پایهٔ منفی به سمت پایهٔ مثبت عبور نمی‌کند. به جای آن، تشدید الکتریکی در ناخالصی‌های موجود در دیود ایجاد می‌شود که باعث می‌شود دیود به عنوان یک عایق عمل کند و جریان را مسدود کند. بنابراین، تفاوت اصلی بین بایاس مستقیم و بایاس معکوس در دیود، در جریان الکترونیکی است که در هر حالت به طور متفاوت عبور می‌کن
کاربرد دیود در علم و فناوری چیست؟
کاربردهای دیود در علوم و فناوری الکترونیک بسیار گسترده است. برخی از کاربردهای مهم دیود عبارتند از:
روشنایی
روشناییبیشتر ما با دیودها در قالب لامپ‌ها و LEDها آشنا هستیم. دیودهای نوری یا LEDها، به عنوان منابع روشنایی کاربرد دارند. آنها در تلویزیون‌ها، نمایشگرها، لامپ‌های روشنایی خانگی و صنعتی، تابلوهای نمایش، ترافیک نشانه‌ها و بسیاری از دستگاه‌های الکترونیکی دیگر استفاده می‌شوند.
الکترونیک
دیودها به عنوان قطعات مهم در مدارهای الکترونیکی استفاده می‌شوند. آنها در مدارهای تقویت، تنظیم و سوئیچینگ استفاده می‌شوند. انواع دیود الکترونیکی شامل:
- دیودهای رله
- دیودهای تقویت (انتقالی)
- دیودهای ضربه‌ای
مبدل های برق
در مبدلهای برق مانند مبدل های AC به DC (خاصیت خنثی کردن) و مبدل های DC به AC (خاصیت سوئیچینگ)، دیودها نقش حیاتی را بازی می‌کنند. آنها برای تبدیل فراکنترها، تنظیم ولتاژ و جریان و محافظت در برابر اتصال برعکس استفاده می‌شوند.
نمایشگرها
دیودها به عنوان قطعات کلیدی در تراشه‌ها و نمایشگرها استفاده می‌شوند. به عنوان مثال، دیودهای OLED برای ساخت صفحه‌های نمایش شفاف و باریک در گوشی‌های هوشمند و تلویزیون‌ها استفاده می‌شوند.
تکنولوژی خورشیدی
در سلول‌های خورشیدی، دیودها به عنوان دیودهای فتوولتائیک (Photovoltaic Diodes) استفاده می‌شوند. آنها نور خورشید را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.
انواع دیود
به طور خلاصه، دیودها به عنوان قطعات مهم و بسیار گسترده در الکترونیک و فناوری استفاده می‌شوند و کاربردهای بسیاری در مختلف صنایع و زمینه‌ها دارند.
- ديود معمولی: ظاهر ديودهای معمولی بصورت زير است. نوار سفيد رنگ روی ديود مشخص کننده کاتد می باشد.
- دیود زنر (Zener Diode): این نوع دیود برای حفظ ولتاژ ثابت در برخی ادوات الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. ولتاژ زنر در این دیودها برای محدود کردن ولتاژهایی استفاده می‌شود که می‌تواند در طی آنها خطای بیش از حد رخ دهد.
- دیود سیلیسیم (Silicon Diode): این نوع دیود از سیلیسیم به عنوان ماده نیمه‌هادی استفاده می‌کند و بسیار رایج است.
- دیود شاتکی (Schottky Diode): این دیودها با افت ولتاژ پایین در حالت بایاس مستقیم و سرعت کلید زنی بسیار بالا می باشد.
- دیود لیزری (Laser Diode): این دیودها برای تولید نور لیزر استفاده می‌شوند و در برخی از کاربردهایی مانند دستگاه‌های خواندن و نوشتن سی‌دی و دی‌وی‌دی مورد استفاده قرار می‌گیرند.
- دیود نوری (Light Emitting Diode یا LED): دیودهای نوری برای تولید نور در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرند، از جمله صفحه‌های نمایش LED، لامپ‌های LED و سیگنال‌های نوری در الکترونیک.
- دیود تونل (Tunnel Diode): این دیودها در برخی از برنامه‌های ادوات فرکانس بالا، تقویت کننده‌های توان و ادوات سوئیچینگ استفاده می‌شوند.
- دیود بهمنی (Varactor Diode): فعال شدن این دیودها زمانی اتفاق می افتد که قدرت معکوس از طریق نیروی واپاشی می افتد. عملکرد این دیودها تقریباً مشابه زنر است، اما با تغییرات زمانی اتفاق می‌افتد که یک ولتاژ برگشتی یک سد پتانسیل را بشکند و جریان در مقادیر زیادی جاری شود.
این فقط برخی از انواع رایج دیودها هستند و هنوز انواع دیگری وجود دارند که در صنایع و برنامه‌های الکترونیکی مختلف استفاده می‌شوند.
عملکرد پل دیود چگونه است؟
پل دیود (Diode Bridge) یک تراشه یا مدار الکترونیکی است که از چهار دیود تشکیل شده است و برای تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) استفاده می‌شود. پل دیود به عنوان یک محول جریان در مدارهای منابع تغذیه و دستگاه‌های الکترونیکی استفاده می‌شود.
عملکرد پل دیود بر مبنای دیودهای سنتزی (مانند دیودهای سیلیکونی) است. این چهار دیود به صورت متقابل متصل شده‌اند تا جریان AC ولتاژ ورودی را به جریان DC تبدیل کنند. دو دیود در پل دیود به عنوان دیودهای فوقانی (Top Diodes) شناخته می‌شوند و دو دیود دیگر به عنوان دیودهای زیرانی (Bottom Diodes) شناخته می‌شوند.
زمانی که جریان AC ولتاژ ورودی وارد پل دیود می‌شود، دیودهای فوقانی و زیرانی به طور متناوب باز و بسته می‌شوند. دیودهای فوقانی در هنگام نیم دور مثبت و دیودهای زیرانی در هنگام نیم دور منفی باز می‌شوند. این عمل باعث تبدیل جریان AC به جریان DC با تغییر جهت جریان در هر نیم دور می‌شود.
