دیود - یکسو کننده ولتاژ و جریان الکتریکی

دیود

همانطور که میدانید جریان برق میتواند متناوب (AC) یا مستقیم (DC) باشد. هر چند در مهندسی بیشتر جریان متناوب به کار می‌رود، ولی در بعضی موارد جریان الکتریکی مستقیم نیز مورد احتیاج است. برای مثال برای تغذیه گیرنده‌ها و فرستنده‌های رادیویی ، دستگاه‌های تلویزیون ، برای پرکردن انباره‌ها ، برای تهیه فلزات با روش الکترولیتی ، برای راه‌اندازی موتورهای تراموای ، اتوبوس‌های برقی و لوکوموتیوهای برقی و بسیاری از کاربردهای دیگر. به همین دلیل ، وسایلی که جریان متناوب را به مستقیم تبدیل می‌کنند، یا آنرا یکسو سازی می‌کنند، دارای اهمیت قابل توجهی هستند.

ساختمان یکسو کننده ها

ساختمان یکسو کننده‌ها مبتنی است بر استفاده از لامپ‌های یکسو کننده ، یعنی وسایلی که عبور جریان را در یک جهت اجازه می‌دهند و در جهت مخالف راه آن را سد می‌کنند. این وسیله همان دیود با کاتد گرمایونی (رشته) است. اگر چنین لامپی را در موارد جریان متناوب به طور متوالی به باری وصل کنیم که برای آن جریان مستقیم مورد نیاز است، جریان از مدار فقط در نیم دور می‌گذرد. یعنی وقتی که رشته به عنوان کاتد و صفحه سرد به عنوان آند عمل می‌کند. در نیم دور بعدی ، وقتی صفحه سرد کاتد و رشته آند می‌شود، جریان نمی‌تواند از لامپ عبور کند زیرا الکترون‌هایی که از رشته خارج می‌شوند توسط میدان جذب صفحه نمی‌شوند بلکه برعکس به طرف رشته پس زده می‌شوند. بنابراین ، جریانی که از بار می‌گذرد مستقیم است، یعنی جهتش را عوض نمی‌کند. این روش یکسو کردن جریان متناوب را یکسو سازی نیم موج می‌نامند.

یکسوکننده نیم موج

برای هموار کردن تپش‌های جریان یکسو شونده ، از پالایه "صافی الکتریکی" استفاده می‌شود. ساده ترین پالایه، خازن با ظرفیت نسبتا بالاست که به طور موازی به بار وصل می‌شود. این خازن در طول نیم دوره‌ای که یکسوکننده جریان را در آن هدایت می‌کند پر می‌شود و در طول نیم دوره بعدی در بار خالی می‌شود، و جریان را در آن در طول تمام دوره به طور ثابت نگه می‌دارد. پالایه کاملتر از این ، از دو خازن و یک پیچه با القای زیاد و با هسته آهنی تشکیل شده است.

کنوترون : لامپ‌های یکسو کننده خلا دو الکترودی با الکترود گرمایونی را کنوترون می‌نامند. این یکسو کننده ها در گیرنده‌های رادیو و دستگاههای تلویزیون و سایر وسایل و به طور کلی در مهندسی رادیو استعمال فراوان دارند. کنوترونها (لامپهای یکسو کننده خلا با کاتد گرم) فقط جریان‌های نسبتا ضعیف تا چند ده میلی آمپر را یکسو می‌کنند.

دیودهای یکسوساز عموما در مدارهای جریان متناوب بکار برده می‌شوند تا با کمک آنها بتوان جریان متناوب(AC) را به جریان مستقیم (DC) تبدیل کرد. این عملیات یکسوسازی یا Rectification نامیده می‌شود. از مشهورترین این دیودها می‌توان به انواع دیودهای 1N400x و یا 1N540x اشاره کرد که دارای ولتاژ کاری بین 50 تا بیش از 1000 ولت هستند و می‌توانند جریانهای بالا را یکسو کنند. این ولتاژ ، ولتاژی است که دیود می‌تواند بدون شکسته شدن - سوختن - در جهت معکوس آنرا تحمل کند. دیودهای یکسوساز معمولآ از سیلیکون ساخته می شوند و ولتاژ بایاس مستقیم آنها حدود 0.7 ولت می باشد.

شما می توانید با قرار دادن فقط یک دیود در مسیر جریان متناوب مانع از گذر سیکل منفی جریان در جهت مورد نظر در مدار باشید. به این روش یکسوسازی نیم موج یا Half Wave گفته می‌شود. بدیهی است برای بالابردن کیفیت موج خروجی و نزدیک کردن آن به یک ولتاژ مستقیم باید در خروجی از خازنهایی با ظرفیت بالا استفاده کرد. این خازن در نیم سیکل مثبت شارژ می شود و در نیم سیکل منفی در غیاب منبع تغذیه ، وظیفه تغذیه بار را به عهده خواهد داشت.

اما برای آنکه بتوانیم از نیمه منفی موج ورودی که در نیمی از سیکل جریان امکان عبور به خروجی را ندارد، استفاده کنیم باید از مداری با عنوان پل دیود استفاده کنیم. پل دیود همانطور که از شکل دوم مشخص است متشکل از چهار دیود به یکدیگر متصل می باشد. جریان متناوب به قسمتی که دو جفت آند و کاتد به یکدیگر متصل هستند وصل می شود و خروجی از یک جف آند و یک جفت کاتد به یکدیگر متصل شده گرفته می‌شود. روش کار به اینصورت است که در سیکل مثبت مدار دیودهای 1 و 2 عمل کرده و خروجی را تأمین می‌کنند و در سیکل منفی مدار دیودهای 3 و 4 عمل می کند و باز خروجی را در همان وضعیت تأمین می‌کند.

یکسو کننده تمام موج

انواع دیودها

دیود یکسو کننده معمولی (Rectifiers Diodes)

این دیود ها برای یکسوسازی یا یک طرفه کردن ولتاژ های متناوب یه کار می روند و با جریان متوسط ( IF ) حدود ۵۰mA تا ۱۰۰۰A ساخته می شوند. محدوده فرکانس کاری این دیود ها ۵۰ تا ۶۰ هرتز میباشد.

دیودهای معمولی سیلیسیمی در بایاس مستقیم و به ازای ولتاژهای کمتر از ۰٫۵ ولت جریانی را از خود عبور نمی دهند. اگر ولتاژ بایاس بین ۰٫۵ تا حدود ۰٫۶۵ ولت شود ، جریان ضعیفی در دیود برقرار می شود و اگر ولتاژ بایاس بیشتر از این مقدار شود جریان دیود به طور ناگهانی افزایش می یابد . بنابراین ولتاژ آستانه هدایت دیود معمولی سیلیسیمی حدود ۰٫۶۵ولت می باشد.

دیودهای معمولی ژرمانیومی دارای ولتاژ آستانه هدایت ۰٫۲ ولت می باشند . این دیودها در بایاس مستقیم ، به ازای ولتاژ بایاس کمتر از ۰٫۱ ولت جریانی را از خود عبور نمی دهند و اگر ولتاژ بایاس بین ۰٫۱ تا ۰٫۲ ولت شود ، جریان ضعیفی در دیود برقرار می شود و در صورتی که مقدار ولتاژ بایاس از ۰٫۲ ولت بیشتر شود ، جریان دیود به طور ناگهانی افزایش می یابد.

دیودهای معمولی دارای ولتاژ شکست معکوس بالایی هستند که مقدار ولتاژ شکست معکوس هر نوع دیود توسط کارخانه سازنده آن مشخص می شود . دیودهای معمولی ، از نظر شکل ظاهری انواع مختلفی دارند اما علامت اختصاری همه آنها یکسان است. در تصاویر زیر میتوانید چند نمونه از دیودهای معمولی را مشاهده بفرمایید.

دیود زنر (ZENER DIODE)

دیود زنر هم مانند دیود معمولی از اتصال دو کریستال P و N ساخته می شود.جنس نیمه هادی های این دیود از سیلیسیم بوده و در بایاس موافق مانند یک دیود معمولی سیلیسیمی عمل می کند. بر خلاف دیود های معمولی که در بایاس مخالف ، در منطقه شکست آسیب می بینند ، دیودهای زنر به گونه ای ساخته می شوند تا بتوانند در منطقه شکست کار کنند.

وقتی ولتاژ بایاس مخالف دیود زنر را به تدریج افزایش دهیم ، در یک ولتاژ خاص دیود شروع به هدایت می کند. ولتاژی که دیود زنر به ازای آن در بایاس معکوس هادی می شود به ولتاژ شکست زنر معروف است.در کارخانه های سازنده دیود زنر ، با تنظیم میزان ناخالصی در این دیودها ، دیودهایی با ولتاژهای شکست مختلف ساخته می شوند.با هادی شدن دیود در ولتاژ شکست دیود ، ولتاژ دو سر دیود تقریباً ثابت می ماند و جریان عبوری از دیود افزایش می یابد.از این خاصیت دیود زنر برای تثبیت ولتاژ استفاده می شود.

دیود های زنر معمولاً برای توان های ۰٫۱۵ وات تا ۵۰ وات ساخته می شوند. در تصاویر زیر میتوانید دو نمونه از دیودهای زنر را مشاهده کنید.

نمونه ای از دیودهای زنر

دیود اتصال نقطه­ ای (Point Contact Diode)

دیود های معمولی در بایاس معکوس ، یک ظرفیت خازنی در حدود PF را ایجاد می کنند. اگر بخواهیم این دیود ها را در فرکانس های بالا به کار ببریم ، به دلیل ظرفیت خازنی در بایاس معکوس ، جریان از مدار عبور می کند. زیرا در فرکانس بالا مقاومت معکوس دیود ، کم می شود. از این رو باید ظرفیت خازنی دیودهایی را که در فرکانس بالا به کار می روند کم نمود. برای کم کردن ظرفیت خازن ، ساده ترین ، کم کردن سطح اتصال هادی ها است. لذا اتصال دیود های اتصال نقطه ای را برای فرکانس های بالا و جریان های کم می سازند.

در شکل زیر ساختمان ساده ی یک دیود اتصال نقطه ای را مشاهده می کنید:

ساختار دیود اتصال نقطه ای

برای ساختن این دیود ، کریستال نیمه هادی نوع N را معمولا از جنس ژرمانیوم انتخاب می کنند و یک سیم نازک مخصوص که خاصیت فنری داشته باشد به آن می چسبانند ، سپس یک جریان ضربه ای قوی از آن می گذرانند.در اثر این عمل اولا کریستال نوع N ذوب می شود و نوک سیم در داخل آن فرو می رود. ثانیا در اطراف آن یک ناحیه ی بسیار کوچک P ایجاد می گردد.

دیود شاتکی (Schottky)

دیود های معمولی اتصال PN ، نمی توانند خیلی سریع قطع و وصل شوند. برای بالا بردن سرعت قطع و وصل در یک دیود (برای مثال ۱ مگاهرتز) از این دیود استفاده می شود. اما ساختمان این دیود تقریبا مشابه با دیود اتصال نقطه ای بوده و عملکردی مشابه با آن دارد. تنها تفاوت آن ها در این است که این دیود در توان ها و جریان های بالا به کار می رود.

این دیود ، دیودی است که افت ولتاژ مستقیم پایین‌تری را در مقایسه با دیودهای اتصال p-n سیلیکون عادی، مشخص می‌کند. افت ولتاژ، ممکن است جایی میان ۰٫۱۵ و ۰٫۴ ولت، در جریان‌های پایین در مقایسه با ۰٫۶ ولت برای یک دیود سیلیکونی باشد. افت ولتاژ پایین‌تر، به دیود کمک می‌کند که از وضعیت رسانایی به وضعیت نارسانایی در زمان کوتاهتری، انتقال یابد. بنابراین، برای جلوگیری از اشباع ترانزیستور و همچنین استفاده در کاربردهای مهار ولتاژ، مفید هستند. برای حصول این کارایی، این دیودها، به روشی غیر از دیودهای نرمال، با اتصال فلز به نیمه رسانا، ساخته می‌شوند.

ساختار دیودهای شاتکی

این دیود ها که به دیود های fast هم معروف اند کاربرد فراوانی در منابع تغذیه سویچینگ و مبدل های قدرت ( Converter & Inverter ) دارند.

دیود خازنی واراکتور(Varactor)

دیود خازنی ، مانند یک دیود معمولی است و از دو قطعه نیمه هادی نوع N و P ، که معمولا از جنس سیلیسیم است ، ساخته می شود. همان طور که قبلا یاد گرفتیم ، یک دیود معمولی ، بدون بایاس در محل پیوند یک لایه سد دارد. این لایه به صورت یک عایق بین نیمه هادی P و N قرار می گیرد. اگر دو نیمه هادی P و N را به عنوان دو هادی و لایه ی سد را به عنوان عایق به حساب بیاوریم ، این مجموعه عملا یک خازن است که در منطقه ی تخلیه حدود پیکو فاراد ( PF ) است.

ساختار دیود خازنی

چون این ظرفیت خازنی نتیجه ی لایه ی سد در دیود است ، این دیود باید همیشه در بایاس معکوس به کار گرفته شود تا بتوان از اثر خازنی این دیود استفاده نمود.این دیود های خازنی اندکی با دیود های معمولی تفاوت دارد. اول این که جریان اشباع معکوس آن فوق العاده کم است ، دوم این که سطح دو نیمه هادی را طوری انتخاب می کنند که حداکثر بتواند خازنی با ظرفیت ۲٫۵ نانو فاراد را ایجاد کند.دیود های خازنی با ظرفیت ۳۰۰pF از رایج ترین این دیود ها هستند.

کاربرد این دیود ها در مدارات اسیلاتور در تلوزیون ها و رادیود ها می باشد و می تواند در مدار تیونر رادیو انتخاب شود.