کاربرد دیود به عنوان یک سوساز

کاربرد دیود به عنوان یک سوساز:
 مدارهای یک سوکننده ی دیودی مدارهای هستند که ولتاژ متناوب را به ولتاژ مستقیم ، یک طرفه تبدیل می نمایند زیرا دیود از یک طرف جریان را عبور می دهد و از جهت دیگر، جریان قطع است. عنصر اصلی مدارهای یک سو کننده دیود است به طور کلی سه نوع یک سو کننده ی تک فاز وجود دارد.

یکسوکننده ی نیم موج:
ساده ترین مداری که به کمک آن می توان جریان متناوب را به جریان یک طرفه تبدیل نمود یک سو کننده ی نیم موج است. علامت GND نشان دهند اتصال زمین است. تمام اتصال زمین ها در یک مدار به وسیله خطوط ارتباطی به هم وصل هستند.

طرز کار یک سو کننده ی نیم موج:
        با توجه به شکل زیر در زمان t0 تا t1 یعنی در نیم سیکل مثبت موج ورودی، آند دیود مثبت است و اگر دیود ایده آل فرض شود دیود مانند یک کلید وصل بوده و جریان در مدار جاری می شود، و در دو سر بار RL افت ولتاژی مطابق شکل موج ورودی پدید می آید.

در زمان t1 تا t2 دیود در گرایش معکوس قرار دارد و جریان عبوری از دیود صفر است. از این رو در  سر بار افت ولتاژی پدید نمی آید به طور کلی شکل موج دو سر بار مانند شکل زیر است.

معمولاً برای تولید موج یک سو شده از برق شهر از یک ترانسفور ماتور کاهنده استفاده می کنند. برای اینکه ولتاژ برق شهر را به ولتاژی کم تر تبدیل کند. در شکل زیر مدار یک سو کننده ی با ترانسفورماتور را مشاهده می کنید.

یک سوساز تمام موج:
در یک سوساز تمام موج برخلاف یک سو ساز نیم موج که فقط در یک نیم سیکل جریان از بار عبور می کند، در تمام سیکل از بار جریان عبور می کند. شکل زیر بلوک دیاگرام مدار یک سو ساز تمام موج به همراه شکل موج های ورودی و خروجی آن نشان داده شده است.

        یک سوساز تمام موج  به دو صورت طراحی می شود.

1. یک سوساز تمام موج با ترانس سر وسط:

       شکل زیر تصویری از مدار یک سو ساز تمام موج با ترانس سر وسط و شکل موج سرهای ثانویه نسبت به سر وسط را نشان می دهد. در نیم سیکل اول وقتی آند دیود D1  مثبت و آند دیود D2 منفی است، دیود D1 وصل و دیود D2 قطع است، جریان مطابق شکل از دیود D1 عبور کرده و در دوسر RL افت ولتاژی به وجود می آورد.

در نیم سیکل بعدی آند دیود D1 منفی و آند دیود D2 مثبت است. از این رو دیود D1 قطع و دیودD2 وصل است و جریان مطابق شکل زیر از دیود D2 و بار RL عبور می کند در نتیجه شکل موج ولتاژ دو سر بار یک سو شده می باشد.

1. یک سوساز تمام موج پل:

          یک سو ساز تمام موج پل مطابق شکل زیر است.

در نیم سیکل اول دیود های D1 و D2 وصل و دیودهای D3 و D4  قطع هستند.

جریان مطابق شکل از دیود ها و بار RL می گذرد. در نیم سیکل دوم دیود های D1 و D2 قطع و دیود های  D3  و D4  وصل هستند و جریان مطابق شکل از دیود های  D3 و D4 و بار  RL می گذرد. از این رو شکل موج دوسر بار به صورت شکل زیر است.

یک سوساز تمام موج پل به صورت مدار مجتمع:
مدار یک سو ساز پل به صورت مدار مجتمع نیز وجود دارد. نمای ظاهری و مدار داخلی یک سو ساز پل در شکل زیر نشان داده شده است.

میانگین ولتاژ دوسر بار در یک سو سازی (Vave) :

در یک سو ساز تمام موج میانگین ولتاژ دو برابر یک سو ساز نیم موج است.

حداکثر ولتاژ معکوس دو سر هر دیود (PIV) :
در مدارهای یک سو ساز، در نیم سیکل که دیود قطع است حداکثر ولتاژی که در دو سر دیود افت می کند PIV نام دارد. برای یک سوسازی نیم موج PIV=VP و در یک سو ساز تمام موج با ترانس سروسطPIV=2VP و در یک سوسازی تمام موج پل PIV=VP است . البته دیودها ایده آل در نظر گرفته شده اند. در جدول شکل سه نوع یک سو سازی و شکل موج ورودی و خروجی و مقادیر مورد نیاز آورده شده و دیودها ایده آل و ولتاژ وصل دو سر آن 0 ولت در نظر گرفته شده است.

یک سوساز با صافی:
ولتاژ به دست آمده از مدار یک سو ساز نیم موج و تمام موج یک طرفه هستند، اما این موج ها تغییراتی نیز دارند. دستگاه های برقی و الکترونیکی برای تغذیه ی خود به ولتاژیDC و بدون تغییر، بدون ضربان نیاز دارند. از این رو ، از صافی برای این منظور استفاده می کنیم. در شکل زیر بلوک دیاگرام یک منبع تغذیه با صافی نشان داده شده است.

یک سوساز نیم موج با خازن صافی:
در شکل های زیر مدار یک سو ساز نیم موج با خازن صافی و شکل موج دو سر بار در لحظات مختلف نشان داده شده است.

یک سوساز تمام موج پل با خازن صافی (آداپتور):
در شکل زیر مدار یک سو ساز تمام موج با خازن صافی نشان داده شده است و همچنین تصویر موج دوسر بار را مشاهده می کنید.

در پایان برای مشاهده نحوه یک سو سازی و همچنین مشاهده ولتاژ و سیگنال ها بصورت عملی از مدار آزمایشی شبیه سازی شده با نرم افزار Proteus v7   استفاده نموده ایم می توانید آن را از لینک زیر دانلود نمائید و اجرا کنید: 
لینک دانلود:
http://s3.picofile.com/file/7474117846/Circuit_Diode_as_a_rectifier.zip.html 
پسورد:
www.Project-esisis.com

نسخه ی pdf قابل دانلود این صفحه:

لینک دانلود:

http://s3.picofile.com/file/7474133224/Electronic_Diode_as_a_rectifier.zip.html

رمز فایل: www.Project-esisis.com

راھنمای دانلودگزارش خرابی لینک

دیود زنر Diode Zener :

       دیود زنر هم مانند دیود معمولی از اتصال دو کریستال P,N ساخته می شود. جنس نیمه هادی های این دیود از سیلیکن بوده و در بایاس موافق، مانند یک دیود معمولی سیلیکنی است. برخلاف دیود های معمولی که در بایاس مخالف، که در منطقه ی شکست آسیب می بینند، دیود زنر به گونه ای ساخته می شود تا بتواند در منطقه ی شکست کار کند. وقتی ولتاژ بایاس مخالف دو سر دیود را به تدریج افزایش دهیم، در یک ولتاژ خاص دیود شروع به هدایت می کند. با هادی شدن دیود ولتاژ دو سر دیود تقریباً ثابت می ماند و جریان عبوری از دیود افزایش می یابد. ولتاژی که دیود زنر به ازای آن در بایاس معکوس هادی می شود به (ولتاژ  شکست زنر) معروف است.

منحنی مشخصه ی ولت آمپر زنر:
در شکل زیر منحنی مشخصه ی ولت آمپر دیود زنر نشان داده شده است: در بایاس موافق مشخصه ی این دیود مانند یک دیود معمولی سیلیکنی است. در بایاس مخالف تا ولتاژ خاصی بنام ولتاژ شکست، جریان بسیار ناچیز نشتی از دیود می گذرد، اما در ولتاژ شکست جریان عبوری از دیود افزایش یافته و ولتاژ دوسر دیود تقریباً ثابت می ماند. با تغییر ناخالصی در نیمه هادی های زنر می توان دیود های زنر با ولتاژ شکست حدود 2 تا 200 ولت تولید نمود.

علامت اختصاری دیود زنر:
       .دیود زنر در مدارها به دوصورت مطابق شکل زیر نشان داده می شود

استاندارد ولتاژ های زنر:

دیود زنر در ولتاژهای شکست مختلف مطابق استاندارد سری E ساخته می شود. دو سری استانداردE12 و E24 متداول تر است. ولتاژ زنر معمولاً از 2.4 ولت تا 200 ولت ساخته می شود. سری E12 دارای تلرانس 10 درصد و سری E24  دارای تلرانس 5 درصد است. معمولاً تلرانس همراه ولتاژ شکست روی دیود نوشته می شود. حرف C برای تلرانس 5% و حرفD  برای تلرانس 10%به کار می رود. برای مثال دیود ذنر BZX32 / C397 دارای ولتاژ شکست 3.9 ولت و تلرانس 5% است.

توان زنر:

جریانی که در بایاس معکوس از دیود می گذرد، در محل اتصال P-N حرارت ایجاد می کند. حداکثر جریانی که ممکن است از دیود زنر در بایاس معکوس بگذرد به گونه ای که به زنر آسیب نرساند، به توان زنر بستگی دارد توان زنر از رابطه ی زیر به دست می آید: واحد آن وات می باشد.

هر دیود زنر برای توان ماکزیموم معینی ساخته می شود. این توان معمولاً از 0.15 وات تا 50 وات است. با مشخص بودن توان زنر و ولتاژ زنر حداکثر جریان عبوری از زنر از رابطه ی زیر به دست می آید.

مدار معادل دیود زنر:

  اگر در ناحیه ی شکست، ولتاژ دو سر زنر را کاملاً ثابت در نظر بگیریم می توان یک دیود زنر را به گونه ی ایده آل، معادل یک باتری در نظر گرفت. در شکل زیر معادل ایده آل زنر را مشاهده می کنید. اما دیود زنر به صورت واقعی معادل یک مقاومت دینامیکی و یک ولتاژ DC مساوی با ولتاژ شکست زنر نشان داده شده است.

مقاومت دینامیکی زنر:
 مقاومت دینامیکی زنر از رابطه ی زیر به دست می آید. شکل زیر تصویری از چگونگی محاسبه ی مقاومت دینامیکی زنر می باشد.

کاربرد دیود زنر:

اگر منبع ولتاژ کم شود جریان زنر کم می شود، اما ولتاژ دوسر آن ثابت می ماند. اگر منبع ولتاژ زیاد شود، جریان زنر زیاد می شود، اما ولتاژ دو سر آن ثابت می ماند. البته لازم است برای تثبیت ولتاژ، ولتاژ منبع از ولتاژ شکست زنر بیش تر باشد تا دیود زنر در ناحیه ی شکست خود کار کند.

در این شکل مدار منبع تغذیه ی 9.1 ولت و 5.1 ولت توسط زنر نشان داده شده است.

استفاده از زنر برای حفاظت دستگاه در مقابل ولتاژ اضافی:
 در مدار زیر مدار حفاظت با دیود زنر رسم شده است. در اثر عواملی نظیر افزایش ولتاژ شبکه یا اتصال ثانویه به اولیه ی ترانس، ولتاژ خروجی منبع تغذیه افزایش می یابد. این افزایش ولتاژ می تواند به بار آسیب برساند، دیود زنر در وضعیت عادی ولتاژ شکستی بیشتر از حداکثر ولتاژ منبع تغذیه دارد و قطع است. اگر ولتاژ خروجی منبع تغذیه زیاد شود دیود زنر در منطقه ی شکست قرار گرفته هادی می شود و جریان آن به طور ناگهانی زیاد تر شده در نتیجه، جریان زیاد سبب سوختن فیوز و قطع ولتاژ دو سر بار می شود.

تحلیل مدار دیود زنر:
 تحلیل شبکه های که دیود زنر را به کار می برند بسیار شبیه به تحلیل دیود های نیمه هادی در بخش های قبل است. ابتدا باید حالت دیود را مشخص کرد و سپس باید آن را با مدل مناسبی جایگزین و سایر کمیت های نامعلوم شبکه را تعیین نمود. برای مثال مداری به شکل زیر داریم:

ثابت ها R, Vi :  ساده ترین شبکه دیود زنر در شکل دیده می شود. ولتاژ اعمال شده DC و مقاومت بار ثابتند. تحلیل اصولاً می تواند به دو مرحله زیر تقسیم شود:

1.  تعیین حالت دیود زنر با حذف آن از شبکه و محاسبه ولتاژ دو سر مدار باز حاصل. با توجه به قانون تقسیم ولتاژ داریم:

اگر V >= Vz  باشد دیود زنر روشن و مدل معادل جایگزین می شود. و اگر V < Vz  باشد دیود خاموش و معادل مدار باز جایگزین می گردد.

1.  مدار معادل را جایگزین کرده و آن را برای کمیت نامشخص مورد نظر حل کنید.  برای حالت روشن چون ولتاژهای دو سر عناصر موازی باید یکی باشند خواهیم داشت:

VL = Vz
جریان دیود زنر باید با اعمال قانون جریان کیرشهوف معین شود. یعنی:

توان تلف شده هم مانند رابطه که ذکر شد محاسبه می شود.تشخیص کاربرد مرحله اول برای تعیین حالت دیود زنر اهمیت دارد. اگر دیود زنر روشن باشد ولتاژ دو سر آن به ولتاژ نامی دیود زنر به محض  رسیدن ولتاژ دو سرش به Vz روشن می شود. سپس در همین مقدار ولتاژ قفل شده و هرگز به ولتاژ منبع نمی رسد. دیود زنر مکرراً در شبکه های رگولاتور یا ایجاد ولتاژ مرجع به کار می روند.
مدار بالا یک رگولاتور ساده است که برای تثبیت ولتاژ دو سر RL طراحی شده است. برای مقادیر ولتاژ بزرگتر از آنچه برای روشن شدن دیود زنر لازم است، ولتاژ دوسر بار ثابت می ماند.
با استفاده از معادله داریم:

VL = V = 8.73v
VR = Vi –VL = 16 – 8.73 = 7.27 v

برای محاسبه نقطه کار دیود زنر روش های دیگری هم استفاده می شود که تقریباً شبیه روش های بالا می باشد. ضمناً شما می توانید مدار آزمایشی شبیه سازی شده با نرم افزار Proteus v7 را از لینک زیر دانلود نمائید:

توجه: در مدار بالا اگر کلید SW2 را قطع کنید، یا مقاومت بار حذف شود با تغییر کلید SW1 ولتاژ خروجی از مقدار ولتاژ دیود زنر بالاتر نمی رود یعنی اگر ولتاژ 12 ولت باشد ولتاژ خروجی در حدود 9.99 ولت می شود. شما می توانید این عمل را بازدن کلید Play   مشاهده نمائید.

تشخیص معیوب بودن دیود زنر:  
برای تست دیود زنر ابتدا مولتیمتر را در حالت تست دیود قرار می دهیم سیم مثبت را به آند دیود متصل نموده سیم مشکی را هم به کاتد دیود وصل می کنیم در این حالت دیود به وسیله ی مولتیمتر در بایاس موافق قرار می گیرد مولتی متر دیجیتالی ولتاژ بایاس دیود را نشان می دهد که این ولتاژ برای دیود های سیلیکنی حدود 0.7  ولت و دیود در گرایش مستقیم راه می دهد و سالم است. اما می دانیم استفاده از دیود زنر به خاطر ولتاژ شکست آنها است و نیز می دانیم هر یک از دیود های زنر دارای ولتاژ شکست خود می باشند پس مدار را روشن نموده اگر دیود سالم باشد باید ولتاژ نوشته شده برروی آن با ولتاژ گرفته شده توسط  مولتیمتر از دوسر آن حدوداً یکی باشد. اگر چنین نبود دیود زنر آسیب دیده است.

نسخه ی pdf قابل دانلود این صفحه:

لینک دانلود:

http://s3.picofile.com/file/7399814622/Electronic_Diode_Zener_005_.zip.html

رمز فایل: www.Project-esisis.com

راھنمای دانلودگزارش خرابی لینک

دیود نیمه هادی Diode :  
دیود چیست؟ در انگلیسی به معنی دوقطبی الکتریکی، قطعه‌ای است الکترونیکی که جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می‌دهد و در جهت دیگر در مقابل عبور جریان از خود مقاومت بسیار بالایی (در حد بینهایت) نشان می‌دهد. این خاصیت دیود باعث شده بود تا در سالهای اولیه ساخت این وسیله الکترونیکی، به آن دریچه هم اطلاق شود .

            از لحاظ الکتریکی یک دیود هنگامی عبور جریان را از خود ممکن می‌سازد که شما با برقرار کردن ولتاژ در جهت درست (+ به آند و - به کاتد) آنرا آماده کار کنید.

مقدار ولتاژی که باعث می‌شود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی نماید ولتاژ آستانه یا Forward Voltage Drop نامیده می‌شود که چیزی حدود ۰٫۶ تا ۰٫۷ ولت می‌باشد (برای دیودهای سیلیکون). اما هنگامی که شما ولتاژ معکوس به دیود متصل می‌کنید (+ به کاتد و - به آند) جریانی از دیود عبور نمی‌کند، مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی معروف است که در حدود چند  µAیا حتی کمتر می‌باشد. این مقدار جریان معمولاً در اغلب مدارهای الکترونیکی قابل صرفنظر کردن بوده و تأثیری در رفتار سایر المانهای مدار نمی گذارد. هرچه جنس کریستال به کار رفته در ساخت دیود از نظر ساختار منظم تر باشد، دیود مرغوبتر و جریان نشتی کمتر خواهد بود. مقدار جریان نشتی در دیود های با تکنولوژی جدید عملاً به صفر میل می کند. اما نکته مهم آنکه تمام دیودها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژمعکوس بیش از آن شود دیوید می‌سوزد (کریستال ذوب می شود) و جریان را در جهت معکوس را هم عبور می‌دهد. به این ولتاژ آستانه شکست گفته می‌شود .

دسته بندی دیودها:  

          در دسته بندی اصلی دیودها را به سه قسمت اصلی تقسیم می‌کنند، دیودهای سیگنال که برای آشکار سازی در رادیو بکار می‌روند و جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می‌دهند، دیودهای یکسوکننده Rectifiers که برای یکسوسازی جریانهای متناوب بکاربرده می‌شوند و توانایی عبور جریانهای زیاد را دارند و بالآخره دیودهای زنر Zener که برای تثبیت ولتاژ از آنها استفاده می‌شود .

برای شناسایی قسمت + و - دیود از اهم متر استفاده می‌شود که باتوجه به عقربه اهم متر می‌توان این شناسایی را انجام داد. زمانی که سیم مشکی به کاتد دیود (قسمت خط دار) و سیم قرمز به آند وصل شود عقربه اهم متر به حرکت در خواهد آمد. گرچه باید بدانیم اهم متر های عقربه ای برای آزمایش دیود چندان کارا نیستند و بهتر است از مولتی متر دیجیتال که قسمت تست دیود دارد استفاده کرد.به خاطر داشته باشید آند/کاتد دیود که نمایانگر جهت حرکت الکترون هاست در پیل الکتریکی، برعکس و به صورت کاتد/آند است. پس از سنجش ولتاژ آستانه که در دیود های سیلسیوم 0.6 و در دیود های ژرمانیوم 0.2 ولت است، جای دو سیم قرمز و مشکی را عوض کرده و با قرار دادن درجه اهم متر بر روی بالاترین محدوده مقاومتی، دیود را از نظر نشتی تست کنید. در این حالت عقربه اهم متر نباید تکان بخورد. توجه داشته باشید که انگشتتان به نوک فلزی پراب (قرمز یا مشکی) متصل نباشد. در اینصورت اهم متر مقاومت بدن شما را به جای نشتی دیود نشان خواهد داد !

اختراع دیود پلاستیکی (Plastic Diode ):  

          محققان فیزیک دانشگاه اوهایو (Ohio State University) توانستند دیود تونل پلیمری اختراع کنند. این قطعه الکترونیکی منجر به ساخت نسل آینده حافظه های پلاستیکی کامپیوتری و چیپهای مدارات منطقی خواهد شد. این قطعات کم مصرف و انعطاف پذیر خواهند بود. ایده اصلی از سال ۲۰۰۳ که یک دانشجوی کارشناسی دانشگاه اوهایو ، سیتا اسار ، شروع به طراحی سلول خورشیدی پلاستیکی نمود بوجود آمد.

تیم پژوهشی توسط پاول برگر (Paul Berger) ، پروفسور الکترونیک و مهندسی کامپیوتر و همچنین پروفسور فیزیک دانشگاه اوهایو رهبری می شود  voltage drop نامیده می‌شود که چیزی حدود 0.6 تا 0.7 ولت می‌‌باشد.

دید کلی : 
دیود یک قطعه ‌الکترونیکی است که ‌از به هم چسباندن دو نوع ماده n و p هر دو از یک جنس، سیلیسیم یا ژرمانیم ساخته می‌شود. چون دیود یک قطعه دو پایانه ‌است، اعمال ولتاژ در دو سر پایانه‌هایش سه حالت را پیش می‌آورد .

1.  دیود بی بایاس یا بدون تغذیه که ولتاژ دو سر دیود برابر صفر است و جریان خالص بار در هر جهت برابر صفر است .
2.   بایاس مستقیم یا تغذیه مستقیم که ولتاژ دو سر دیود بزرگتر از صفر است که الکترونها را در ماده n و حفره ها را در ماده p تحت فشار قرار می‌دهد تا یونهای مرزی با یکدیگر ترکیب شده و عرض ناحیه تهی کاهش یابد(گرایش مستقیم دیود)
3.  تغذیه یا بایاس معکوس که ولتاژ دو سر دیود کوچکتر از صفر است، یعنی ولتاژ به دو سر دیود طوری وصل می‌شود که قطب مثبت آن به ماده n و قطب منفی آن به ماده p وصل گردد و به علت کشیده شدن یونها به کناره عرض ناحیه تهی افزایش می‌یابد، (گرایش معکوس)

نیمه هادی:

         نیمه هادی ها گروهی از مواد هستند که از نظر توانایی هدایت الکتریکی بین هادی و عایق قرار دارند. موضوع جالب توجه در مورد نیمه هادی ها این است که هدایت الکتریکی آن ها تحت تاثیر عواملی چون تحریک نوری، افزایش دما و تغییر میزان ناخالصی به نحو قابل ملاحظه ای تغییر می یابد. این خاصیت مهم مبنای کار بسیاری از قطعه های نیمه هادی است که در الکترونیک مورد استفاده قرار می گیرد. 
هدایت الکتریکی در نیمه هادی ها توسط دو نوع حامل بار الکتریکی یعنی الکترون های آزاد و حفره ها صورت می گیرد. در ادامه با چند نیمه هادی و نمونه عملکرد و خصوصیات آن آشنا خواهید شد.

نیمه هادی چیست؟ 
به عناصری که اتم های آن در مدار آخر خود چهار الکترون دارند نیمه هادی گویند. نیمه هادی ها در صفر درجه مطلق در  دمای -273°C تقریباً عایق هستند. در درجه ی حرارت معمولی 25°C انرژی حرارتی محیط باعث آزاد شدن تعدادی از الکترون لایه ی ظرفیت می شود و هدایت الکتریکی در جسم بالا می رود. البته افزودن ناخالصی هم می تواند هدایت الکتریکی جسم را بالا ببرد. عناصری نظیر کربن، سیلیکن و ژرمانیم در برق و الکترونیک کاربرد فراوان دارند.

ساختمان اتمی سیلیکن و ژرمانیم: 
سیلیکن دارای عدد اتمی 14 است. یعنی دارای 14 پروتون و 14 الکترون است. ژرمانیم دارای عدد اتمی 32 است. یعنی 32 پروتون و 32 الکترون دارد. در شکل های زیر ساختمان اتمی سیلیکن (Si ) و ژرمانیم (Ge ) نشان داده شده است. هردو عنصر سیلیکن و ژرمانیم در لایه ی ظرفیت دارای چهار الکترون هستند.

هدایت الکتریکی سیلیکن و ژرمانیم خالص: 
در صفر مطلق -273°C سیلیکن و ژرمانیم خالص عایق کامل هستند، زیرا در داخل کریستال الکترون آزاد وجود ندارد. عواملی نظیر انرژی نورانی یا گرمایی می توانند انرژی جنبشی الکترون های والانس را افزایش دهند و سبب آزاد شدن الکترون های ظرفیت گردند و به این ترتیب هدایت را در سیلیکن یا ژرمانیم افزایش دهند.

ایجاد حفره:
  انرژی های خارجی نظیر حرارت می تواند باعث شکسته شدن پیوند شود و در نتیجه الکترون از قید هسته آزاد گردد. آزاد شدن یک الکترون از مدار ظرفیت، یک جای خالی الکترون ایجاد می کند که به این جای خالی الکترون حفره گویند. در شکل زیر الکترون آزاد و محل خالی آن یعنی حفره نشان داده شده است. چون محل خالی الکترون می تواند یک الکترون آزاد نزدیک به خود را جذب کند مانند یک بار مثبت عمل می کند.

جریان الکترون های آزاد:
      الکترون های آزاد شده در کریستال به صورت نامنظم حرکت می کنند. اگر بصورت اتفاقی الکترونی به حفره ای نزدیک شود جذب حفره می گردد.به این ترتیب، تا زمانی که نیرویی از خارج اعمال نشود حرکت الکترون ها و جذب آن ها به وسیله ی حفره ها در کریستال به طور نامنظم ادامه می یابد. وقتی ولتاژی به دو سر کریستال اعمال شود الکترون های آزاد به طرف قطب مثبت باتری حرکت می کنند و جریانی را در مدار به وجود می آورند که ناشی از حرکت الکترون هاست و به آن جریان الکترون ها گویند.

جریان حفره ها:
        جریان دیگری نیز در کریستال وجود دارد که ناشی از حرکت حفره هاست. وقتی در اتم حفره ای وجود دارد به دلیل آن حفره گرایشی به جذب الکترون دارد، از اتم مجاور، الکترونی را جذب می کند، اما جای الکترون جذب شده حفره ی جدیدی ایجاد می گردد. به این ترتیب، به نظر می رسد وقتی الکترون از چپ به راست حرکت می کند حفره از راست به چپ در حرکت است.شکل زیر تصویری از حرکت الکترون ها و حفره ها را نشان می دهد.

افزودن ناخالصی به کریستال نیمه هادی:

     چون تعداد الکترون های آزاد و حفره های ایجاد شده در کریستال نیمه هادی ژرمانیم یا سیلیکن در اثر انرژی گرمایی به اندازه ی کافی نیست و از این نیمه هادی نمی توان برای ساختن قطعاتی نظیر دیود یا ترانزیستور استفاده کرد، برای افزایش هدایت نیمه هادی به آن ناخالصی اضافه می کنند. ناخالص کردن نیمه هادی به دو شکل 1- با اتم پنج ظرفیتی 2- اتم سه ظرفیتی صورت می گیرد.

اتصال P-N دیود کریستال:
       هرگاه دو کریستال نیمه هادی نوع N و P به هم اتصال یابند الکترون های آزاد نیمه هادی نوع N که در نزدیک محل اتصال P-N قرار دارند به منطقه ی P نفوذ می نمایند و با حفره های کریستال نوع P ترکیب می شوند و به این ترتیب، حفره هایی از بین می روند و الکترون های آزاد به صورت الکترون های ظرفیت در می آیند. در شکل زیر ترکیب الکترون ها با حفره ها نشان داده شده است.

عبور یک الکترون از محل اتصال سبب ایجاد یک جفت یون می شود، زیرا وقتی الکترونی از ناحیه N به ناحیه ی P وارد می شود در ناحیه ی N یک اتم پنج ظرفیتی  الکترونی را از دست می دهد و به یون مثبت تبدیل می شود و در مقابل در ناحیه P یک اتم سه ظرفیتی الکترونی را دریافت می کند و سرانجام، به یون منفی تبدیل می شود از این رو این ترکیب مجدد الکترون ها با حفره ها در محل پیوند تعداد زیادی یون مثبت و منفی را ایجاد می کند. این یون ها در کریستال ثابت هستند زیرا بعلت پیوند کوالانس نمی توانند مانند الکترون های آزاد حرکت نمایند. سپس در محل پیوند ناحیه ای به نام ناحیه ای تخلیه به وجود می آید که در آن محل های هدایت الکتریکی الکترون ها و حفره ها وجود ندارند. به آن ناحیه ی تخلیه ناحیه ی سد هم گفته می شود.

علامت اختصاری و شکل ظاهری دیود ها:

منحنی مشخصه ی ولت آمپر دیود در بایاس مستقیم:

بررسی دیود در حالت ایده آل: 
چون دیود در بایاس مستقیم جریان را به راحتی عبور می دهد و در بایاس معکوس جریان بسیار ناچیز از دیود عبور می کند، پس در حالت ایده آل در بایاس مستقیم مانند هادی و در بایاس معکوس مانند عایق عمل می کند. عملکرد دیود را در حالت ایده آل در بایاس موافق می توان با یک کلید وصل مقایسه کرد. در بایاس معکوس یک دیود ایده آل مانند یک کلید باز عمل می کند. در شکل زیر دیود ایده آل در بایاس موافق نشان داده شده است.

انواع دیود ها:

1.  دیود زنر: این دیود سیلیسیم برای کار در ناحیه شکست طراحی و بهینه شده است، گاهی آن را دیود شکست هم می‌گویند. با تغییر میزان آلایش، کارخانه‌های سازنده می‌توانند دیودهای زنری بسازند که ولتاژ شکست آنها از دو تا دویست ولت تغییر کند. با اعمال ولتاژ معکوس که ‌ازولتاژ شکست زنر بگذرد، وسیله‌ای خواهیم داشت که مانند یک منبع ولتاژ ثابت عمل می‌کند .

وقتی غلظت آلایش در دیود خیلی زیاد باشد، لایه تهی بسیار باریک می‌شود، میدان الکتریکی در لایه تهی بسیار شدید است. میدان چنان شدید است که ‌الکترونها را از مدارهای ظرفیت خارج می‌کند. ایجاد الکترونهای آزاد به ‌این روش را شکست زنر می‌نامیم.

1.   دیود تونلی: دیود تونلی چیست؟ دیود تونلی یک قطعه پیوندی p-n است که بر اساس تونل زنی مکانیک کوانتومی الکترونها از درون سد پتانسیل پیوند عمل می‌کند. چگونگی تونل زنی برای جریان معکوس در اصل اثر زنر است، هر چند مقدار اندکی گرایش معکوس برای شروع آن در دیودهای تونلی لازم است. دیود تونلی که شامل پیوند p-n است، در حالت تعادل تراز فرمی در سراسر آن ثابت است  Eft در زیر لبه نوار ظرفیت طرف P قرار دارد و Efn بالای لبه نوار هدایتدر طرف n واقع است. نوارها در مقیاس انرژی، همپوشانی کرده‌اند تا انرژی فرعی ثابت بماند مفهوم آن اینست که با اندکی گرایش مستقیم یا معکوس وضعیتهای پر و خالی در مقابل هم قرار می‌گیرند که فاصله بین آنها اساساً پهنای ناحیه تهی است.

الف- دیود تونلی تحت گرایش معکوس : تحت یک گرایش معکوس این امکان فراهم می‌شود که الکترونها از حالت پر نوار ظرفیت در زیر Eft به حالتهای خالی نوار هدایت در بالایEfn تونل بزنند. این شرایط مشابه اثر زنری است، با این تفاوت که هیچگونه گرایشی برای ایجاد حالت همپوشانی نوارها لازم نیست. با ادامه افزایش گرایش معکوس Efn به پایین آمدن خود در مقیاس انرژی نسبت به Efp ادامه داده و حالتهای پر بیشتری را از طرف p مقابل حالتهای خالی طرف n قرار می‌دهد. در نتیجه تونل زنی الکترونها از P به n با افزایش گرایش معکوس زیاد می‌شود . 
ب- دیود تونلی تحت گرایش مستقیم : وقتی یک گرایش مستقیم اعمال شود،Efn  نسبت به Efp به اندازه qv در مقیاس انرژی افزایش می‌یابد. در نتیجه الکترونها زیر Efn در طرف n در مقابل وضعیتهای خالی بالای Efp در طرف P قرار می‌گیرند. این جریان مستقیم با افزایش گرایش مادامی که حالتهای پر بیشتری در مقابل حالتهای خالی قرار می‌گیرند، افزایش می‌یابد.

ج- مقاومت فعال: در دیودهای تونلی با گرایش مستقیم، هنگامی که Efn به افزایش خود نسبت به Efp ادامه می‌دهد، به نقطه‌ای می‌رسیم که در آن نوارها از مقابل هم می‌گذرند. در این حالت تعداد حالتهای پر در مقابل حالتهای خالی کاهش می‌یابد. این ناحیه از این جهت اهمیت دارد که کاهش جریان تونل زنی با افزایش گرایش ناحیه‌ای با شیب منفی تولید می‌کند.مقاومت فعال دینامیک dv/dt منفی است. این ناحیه با مقاومت منفی در بسیاری از کاربردها مفید است. اگر گرایش مستقیم بعد از ناحیه با مقاومت منفی افزایش یابد، جریان دوباره شروع به افزایش می‌کند .

کاربردهای مداری: مقاومت منفی دیود تونل را می‌توان برای کلید زنی ، نوسان، تقویت و سایر عملیات مداری مورد استفاده قرار داد. این حوزه وسیع کاربردی همراه با این واقعیت که فرایند تونل زنی تاخیر زمانی رانش و نفوذ را ندارد، دیود تونلی را یک انتخاب طبیعی برای مدارهای بسیار سریع ساخته است .

1. دیود شاتکی : یک وسیله تک‌قطبی است که در آن به جای استفاده ‌از دو نوع نیمه ‌هادی p – n متصل به هم، معمولاً از یک نوع نیم ‌هادی سیلیسیم نوع n با یک اتصال فلزی مانند طلا –نقره یا پلاتین استفاده می‌شود. در هر دو ماده ‌الکترون حامل اکثریت را تشکیل می‌دهد. وقتی که دو ماده به هم متصل می‌شوند، الکترونها در ماده سیلیسیم نوع n فوراً به داخل فلز نفوذ می‌کنند و یک جریان سنگینی از بارهای اکثریت بوجود می‌آید. دیود شاتکی لایه تهی ذخیره بار ندارد. کاربرد این دیود در فرکانس‌های خیلی بالاست . از این دیود در منابع تغذیه سوئیچینگ مانند پاور کامپیوتر استفاده می شود، معمولاً توسط یک رادیاتور خنک کننده خنک می شود.

1. دیود وراکتور: نواحی p و n در دو طرف لایه تهی را می‌توان مانند یک خازن تخت موازی درنظر گرفت، ظرفیت این خازن تخت موازی را ظرفیت خازن انتقال یا ظرفیت پیوندگاه گویند. ظرفیت خازن انتقال CT هر دیود با افزایش ولتاژ معکوس کاهش می‌یابد. دیودهای سیلسیم که برای این اثر ظرفیتی طراحی و بهینه شده‌اند، دیود با ظرفیت متغییر یا وارکتور نام دارند. وراکتور موازی با یک القاگر تشکیل یک مدار تشدید را می‌دهد که با تغییر ولتاژ معکوس وراکتور می‌توانیم فرکانس تشدید را تغییر بدهیم .

 

دیود واراکتور دیود واریکاپ یا دیود تنظیمی است. مقدار این ظرفیت خازنی تابعی است از ولتاژی که به پایه‌های  دیود می دهیم . کاربرد دیود واراکتور در آمپلی فایرهای پارامتری، اسیلاتورهای پارامتری و اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ یکی از اجزا اساسی حلقه قفل شده فاز وسینتی سایزرهای فرکانس است. ولی عمده‌ترین کاربرد آن در خازن کنترل شده با ولتاژ است. در موارد هم از این دیود می‌توان به عنوان یکسوسازی استفاده نمود .

1. دیود نورگسل (LED) : در دیودی که بایاس مستقیم دارد، الکترونهای نوار رسانش از پیوندگاه عبور کرده و به داخل حفره‌ها می‌افتند. این الکترونها به هنگام صعود به نوار رسانش انرژی دریافت کرده بودند که به هنگام برگشت به نوار ظرفیت انرژی دریافتی را مجددا تابش می‌کنند. در دیود های یکسوساز این انرژی به صورت گرما پس داده می‌شود، ولی دیودهای نور گسلLED این انرژی را به صورت فوتون تابش می‌کنند

   

   

   قطعات پیوندی P_Nدر صنعت الکترونیک از اهمیت ویژه‌ای برخوردارند. به عنوان مثال دیود های نور افشان LED ها در نمایشگرهای دیجیتالی و گسیلنده‌های نور قرمز GaAs و   InP بویژه برای سیستمهای مخابرات نوری مناسب هستند. آرایش لیزر نیمه رسانا ، آشکار ساز نوری را می‌توان در سیستم دیسک فشرده برای خواندن اطلاعات دیجیتال از دیسک چرخان مورد استفاده قرار داد . در شکل زیر طیف رنگی LED ها و نماد الکتریکی آنها آورده شده است:

   

   شکل زیر هم مشخصه ولتاژ مورد نیاز برای روشن شدن هر رنگ از LED ها را نشان می دهد:

   

   روابط زیر هم روش محاسبه مقاومت محدود کننده Rs برای دیود LED را نشان می دهد:

   

   

   

2. فوتو دیودها: انرژی گرمایی باعث تولید حامل‌های اقلیتی‌ در دیود می‌گردد. با افزایش دما جریان دیود در بایس معکوس افزایش می‌یابد. انرژی نوری هم همانند انرژی گرمایی باعث بوجود آمدن حاملهای اقلیتی ‌می‌گردد. کارخانه‌های سازنده با تعبیه روزنه‌ای کوچک برای تابش نور به پیوندگاه دیودهایی را میسازند که فوتودیود نامیده می‌شوند. وقتی نور خارجی به پیوندگاه یک فوتودیود که بایس مستقیم دارد فرود آید، زوجهای الکترون، حفره در داخل لایه تهی بوجود می‌آیند. هرچه نور شدیدتر باشد، مقدار حاملهای اقلیتی ‌نوری افزایش یافته، در نتیجه جریان معکوس بزرگتر می‌شود. به ‌این دلیل فوتودیودها را آشکار سازهای نوری گویند.

کاربردLED  ها؟ دیودهای نورانی یکی از پر مصرف ترین دیود ها هستند که در زندگی روزمره بسیار دیده می شوند. مثل چراغ روشن و خاموش تلویزیون ، نور پس زمینه LCD و Key pad ( صفحه کلید ) موبایل و ...

1. باطری های خورشیدی: امروزه برای تأمین توان الکتریکی مورد نیاز بسیاری از ماهواره های فضایی از آرایه‌های باتری خورشیدی از نوع پیوندی P-N استفاده می‌شود. باتریهای خورشیدی می‌توانند توان مورد نیاز تجهیزات داخل یک ماهواره را در مدت زمان طولانی فراهم سازند. آرایه‌های پیوندی را می‌توان در سطح ماهواره توزیع و یا اینکه در باله‌های باتری خورشیدی متصل به بدنه ‌اصلی ماهواره جا داد. برای بهره گیری از بیشترین مقدار انرژی نوری موجود، لازم است که باتری خورشیدی دارای پیوندی با سطح مقطع بزرگ و در نزدیکی سطح قطعه باشد. پیوند سطحی توسط نفوذ یا کاشت یون تشکیل شده و برای جلوگیری از انعکاس و نیز کاهش بازترکیب، سطح آن با مواد مناسب پوشیده می‌شود.

استاندارد دیودها : 
شایان ذکر است که نیمه هادی ها مثل هادی ها دیگر دارای واحد و کمیت نیستند و به جای آن شماره فنی و شناسایی دارند . 
در قسمت زیر استانداردها و شماره فنی دیود در الکترونیک عمومی را خواهیم داد:
 • استاندارد نوع اروپایی: این استاندارد معمولاً با دو حروف لاتین شروع می شود که حرف اول آن معمولا B است مثل By 127 یا BZ 8V2 .
 • استاندارد نوع ژاپنی: که با 1S شروع می شود مانند 1S1719 یا 1S1517 
 • استاندارد نوع امریکایی: که با 1N شروع می شود مانند 1N4004 یا 1N4007 
 • دیودهای زنر که علاوه بر شماره فنی مقدار ولتاژ مجاز کار زنر و مقدار توان آن نیز مشخص می شود
 • دیودهای LED که معمولا از روی رنگ و شکل شناسایی می شوند .

کاربرد عملی دیود:
مهم‌ترین کاربرد عملی دیود تبدیل جریان الکتریکی متناوب به مستقیم است. در بسیاری از آداپتورها جریان برقی که بوسیله ترانس کاهش پیدا کرده ‌است به کمک یک دیود (یکسو سازی نیم موج)، دو دیود ( در ترانس با ثانویه سه سر ) یکسوسازی تمام موج و یا با چهار دیود ( در ترانس با ثانویه دو سر ) یکسو سازی تمام موج انجام می شود. توجه داشته باشید که ولتاژ یکسویه پس از این دیود ها، فرکانس ریپل به میزان دو برابر فرکانس متناوب ( در حالت تمام موج ) را دارد و جهت مستقیم شدن کامل ولتاز بایستی خازن صافی با ولتاژ مجاز، ظرفیت بالا ( با توجه به مقدار جریان مصرفی ) و با رعایت پلاریته و بعد از پل دیود نصب شود .

در گیرنده‌های IF مانند رادیو در باند SW و AM و سیگنال تصویر تلویزیون دیود نقش آشکارساز را را دارد بطوری که سیگنال میانی IF پس از تقویت در بخش تقویت فرکانس میانی وارد یک دیود می‌شود و خروجی آن سیگنال نهایی قابل استفاده ‌است. گرچه معمولا به جای دیود از ترانزیستور استفاده می شود تا یک طبقه تقویت صورت گرفته باشد و دیود بیس- امیتر ترانزیستور عملاً کار آشکار سازی را هم انجام خواهد داد .

    در موارد خاص هنگامی که برای روشن کردن وسایل الکتریکی تنها دسترسی به جریان الکتریکی مستقیم باشد برای جلوگیری از سوختن وسیله الکتریکی بر اثر اتصال معکوس سیم مثبت و منفی، از یک دیود در ابتدای مسیر جریان برق استفاده می‌کنند. اگر این دیود در مسیر مثبت جریان با مصرف کننده در حالت سری باشد به آن دیود رکتیفایر می گویند. ولی اگر بصورت موازی با مصرف کننده و به شکل معکوس قرار گرفته باشد به آن دیود محافظ در بایاس معکوس می گویند. از نوعی دیود به نام زنر در ساخت نوعی رگولاتور (تنظیم کننده ولتاژ) استفاده می شود.

مشخصات مهم و محدوديت های ديود شامل:

1. افت ولتاژ دیود در بایاس مستقیم ، ولتاژ در گاهی یا ولتاژ شروع هدایت
2. حداکثر جريان در باياس مستقيم.
3. ولتاژشکست معکوس.
4. جريان نشتی در باياس معکوس.
5. حداکثر جريان مجاز.
6. سرعت قطع و وصل.

مقاومت استاتیک یا  DC دیود:

         کاربرد ولتاژ dc در مداری که دارای دیود نیمه هادی است نقطه کاری را روی منحنی مشخصه معین می کند که با گذشت زمان تغییر ننماید. مقاومت دیود در این نقطه کار بسادگی با یافتن Vd و Idطبق معادله زیر تعیین می گردد:

مقاومت دینامیک یا  AC دیود:

اگر بجای ورودی dc یک سیگنال سینوسی به قطعه اعمال شود وضعیت به کلی تغییر خواهد کرد. ورودی متغیر نقطه کار لحظه ای را مرتباًَ در یک ناحیه از از مشخصه بالا و پایین برده و تغییرات خاصی را برای جریان و ولتاژ بوجود می آورد. این مقاومت در فرم معادله به شکل زیر است:

تحلیل خط بار:

    بار اعمال شده معمولاً تأثیر مهمی بر روی نقطه یا ناحیة کار قطعه دارد. اگر تحلیل به روش گرافیکی صورت گیرد، خطی که نشانگر بار اعمال شده است می تواند بر روی مشخصه ها کشیده شود. تقاطع خط بار با مشخصه، نقطه کار سیستم را تعیین می نماید. بدلایل آشکاری چنین تحلیلی را تحلیل بوسیلة خط بار می نامیم.

اعمال قانون ولتاژ کیرشهوف به مدار سری شکل زیر نتیجه می دهد:

تشخیص مقادیر حد در دیود:
برخی از کمّیت های دیود اگر از میزان ماکزیمم بیش تر شود به دیود آسیب می رسانند. مقدار ماکزیمم این کمیت ها مقدار حد دیود نام دارد.  برخی از مقادیر حد که در کتاب مشخصات دیودها آورده می شود و با توجه به نوع طراحی می توان از آن ها استفاده نمود در جدول زیر آورده شده است:
توضیح: حداکثر ولتاژ معکوس چیست؟ حداکثر ولتاژی که در بایاس معکوس می تواند در دو سر دیود قرار گیرد به گونه ای که دیود آسیب نبیند، حداکثر ولتاژ معکوس نام دارد.

حداکثر جریان مستقیم (IF) چیست؟ حداکثر جریان DC یا متوسط که می توان از دیود در گرایش مستقیم عبور داد به گونه ای که دیود آسیب نبیند (IF) نام دارد. در اثر عبور این جریان در محل اتصال p-n حرارت ایجاد می شود. اگر در هوای آزاد حرارت ایجاد شده به خوبی دفع نشود باید دیود را روی گرماگیر نصب نمود (کارخانه سازنده نصب روی گرما گیر را مشخص می سازد )

حداکثر جریان بایاس مستقیم تکراری (IFRM)  چیست ؟ حداکثر جریانی است که بصورت تکرار سیکل ها در گرایش مستقیم می تواند از دیود عبور کند.

حداکثر جریان لحظه ای (IFSM)  چیست ؟ حداکثر جریانی که در زمان بسیار کوتاه حدود چند میکروثانیه، می توان از دیود عبور کند به گونه ای که به دیود آسیب نرسد جریان لحظه ای نام دارد.

تشخیص آند و کاتد و سالم بودن دیود:

اغلب مولتی مترهای دیجیتالی دارای وضعیت تست دیود هستند. هرگاه کلید سلکتور مولتی متر دیجیتالی را در وضعیت تست دیود قرار دهیم و دیود به وسیله ی مولتی متر در بایاس موافق قرار بگیرد مولتی متر دیجیتالی ولتاژ بایاس دیود را نشان می دهد که این ولتاژ برای دیود های سیلیکنی حدود 0.7  ولت و برای دیودهای از جنس ژرمانیوم حدود 0.2 ولت است. شکل زیر این را نشان می دهد:

پس در حالتی که مولتی متر ولتاژ بایاس موافق دیود را نشان می دهد،  سیم منفی  (سیم مشترک یاCom )  روی  کاتد و سیم مثبت به آند دیود وصل است. اگر دیود ناسالم و قطع باشد، در هر دو وضع اتصال مولتی متر به دیود، روی صفحه ی آن ولتاژ باتری داخلی نشان داده می شود.

اگر دیود اتصال کوتاه باشد در هر دو وضع اتصال مولتی متر به دیود روی صفحه ی دستگاه ولتاژ صفر نشان داده خواهدشد. در شکل زیر این حالت نشان داده شده است:

تشخیص معیوب بودن دیود ها:  

دیود SMD :

در بسته بندی SOD-123 که از طریق رنگ رمزی دیود در انواع مختلف با حرف و تعدادی کد های رنگی مشخص می شوند:  

نوعی دیگر از بسته بندی ها بنام HP وجود دارد، در این نوع دیود، کدنویسی به طور منظم انجام می گیرد جدول زیر نحوه کد بندی این نوع دیود را نشان میدهد. رقم 0-8 بر روی بسته بندی معمولاً نشان دهنده نوع دیود می باشد:

 بسته بندی  دیودها با SOD-80 :
این بسته بندی را هم به عنوان MELF نیز شناخته می شود، یک استوانه شیشه ای کوچک با پایه فلزی مانند دیود شیشه ای معمولی ولی بدون پایه بلند.

دیود زنر SMD :
این نوع دیود را هم مانند جدول زیر کد بندی می کنند:

نسخه ی pdf قابل دانلود این صفحه:

لینک دانلود:

http://s3.picofile.com/file/7392296448/Electronic_Diode_004_.zip.html

رمز فایل: www.Project-esisis.com

راھنمای دانلودگزارش خرابی لینک