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[1](مثبت) و N[2] (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.
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.
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.
در مدار تصویر بالا، جریان متناوب AC از دو مسیر بالا و پایین خروجی ترانسفورمر خارج میشود.
این دو خروجی با یکدیگر اختلاف فاز 180 درجه دارند، یعنی اگر بالایی مثبت و در بیشترین میزان ولتاژ خود باشد، پایینی منفی و در کمترین میزان ولتاژ است.
سیگنال بالایی:
سیگنال پایینی:
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:
و در سیم دیگر به صورت زیر است:
دیود در جریان های متناوب
جریان های متناوب معمولا یک فرکانس ثابت دارند. مثلا در مورد برق شهری 50 هرتز هست.
این به این معنا است که ولتاژ در سیم فاز برق شهری، در مدت زمان 1 ثانیه، 50 دفعه از حدود 320- به 320+ و از 320+ دوباره به 320- ولت، ولتاژش نسبت به سیم نول تغییر پیدا میکند.
اما ولتاژ به طور میانگین 220 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 220 ولت باشد و Ratio ترانسفرمر حدود 0.110 باشد، اختلاف ولتاژ حاصل در سیم بالایی با وسطی بین 0 ولت تا حدود 12 ولت متغییر است و ولتاژ پایینی با وسطی نیز بین 0 ولت تا 12- ولت متغییر است.
* دقت داشته باشید که در این نوع از ترانسفرمر ها، سیم وسط همیشه ولتاژ 0 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.
در اینجا ما صرفا مثبت و منفی را از هم جدا کردهایم و ولتاژ مستقیم 0 دیگر وجود ندارد، یعنی ولتاژ بالایی 6+ ولت و پایی 6- است که اختلاف آن دو تقریبا 12+ شده است.
* 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 |
| 2 m | 50 | 550 m | 5 m | 36 n | 1N1183 |
| 2 m | 600 | 550 m | 5 m | 36 n | 1N1190 |
| 2 m | 50 | 550 m | 3 m | 36 n | 1N1199 |
| 2 m | 100 | 550 m | 2.5 m | 36 n | 1N1200 |
| 43.2 m | 50 | 300 m | 1.2 | 403 n | 1N4001 |
| 8.1 m | 50 | 550 m | 3 | 500 n | 1N5400 |
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:
* 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 ٥ 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 (7segment)
سون سگمنت از 7 یا 8 دیود نور افشان، به صورت پکیج شده (بسته بندی شده) به شکل عدد 8 یا .8 (عدد 8 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 های زنر (زینر) 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:
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:
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[3] آن ١٠% است، یعنی ولتاژ ریپل[4] 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:
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:
در رابطه بالا نیز، I همان جریان مصرف کننده است.
* سعی کنید که مدار را طوری تنظیم کنید که توان زنر حداکثر 1 وات شود تا هنگام تهیه زنر، با مشکل مواجه نشوید.
نمونه های کاربردی دیود
گیت OR:
وسایل لازم: ٢دیود 1N4001 (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.
در جدول زیر که آن را جدول درستی[5] می نامند، 0 به معنای قطع و 1 به معنای وصل جریان می باشد.
| I1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| I2 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| I3 | 0 | 1 | 1 | 1 |
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.
[1] positive
[2] Negative
[3] درصد تغییرات (Tolerance)
[4] میزان تغییرات ولتاژ ( Ripel )
نوشته شده توسط: محمد مهدی کفش کنان – مهندس الکترونیک و برنامه نویسی فول استک و بنیانگذار WiCardTech