13 دی 1400

دیود سیگنال

بازدید: 1184

13 دی 1400

دیود سیگنال

بازدید: 1184

دیودهای سیگنال المان هایی با دو ترمینال کوچک هستند؛ که درصورت مستقیم بودن جریان (بایاس مستقیم)، سبب شارش آن و درصورت معکوس بودن (بایاس معکوس) سبب مسدودشدن آن می‌گردند.

دیود نیمه‌هادی سیگنال یک قطعه نیمه‌هادی غیرخطی کوچک است که عموما در مدارهای الکترونیکی مورداستفاده قرار می‌گیرد. درجایی‌که، جریان‌های کوچک یا فرکانس‌های بالا مانند رادیو، تلویوزیون و مدارهای منطقی دیجیتال، درگیر می‌شوند.

دیودهای سیگنال، به‌شکل دیود نقطه تماس یا دیود پسیو شیشه‌ای، از نظر فیزیکی در مقایسه با نوع دیگر دیود توان بسیار کوچک می‌باشند.

به‌طورکلی، اتصال PN یک دیود کوچک سیگنال، برای محافظت از اتصال PN در شیشه‌ای، کپسول می‌شود و معمولا یک نوار قرمز یا سیاه در انتهای بدنه آن‌ها قرار دارد تا به شناسایی انتهای پایانه‌ی کاتد، کمک کند. پرکاربردترین دیودهای سیگنال کپسول شیشه، نوع بسیار رایج 1N4148 و معادل دیود سیگنالی آن، 1N914 است.

دیودهای کوچک سیگنال و سوییچینگ، در مقایسه با دیودهای یکسوساز، توان و جریان بسیار کمتری، در حدود 500mW و 150mA دارند؛ اما می‌توانند در کاربردهای فرکانس بالا یا در کاربردهای قطع و سوئیچینگ که با شکل‌موج‌های پالس کوتاه، سروکار دارند؛ بهتر عمل کنند.

مشخصه‌های یک دیود نقطه تماس سیگنال برای هردونوع ژرمانیوم و سیلیکون متفاوت است و به‌شرح زیر است:

دیودهای سیگنال ژرمانیوم: این دیودها دارای مقدار مقاومت معکوس کمی بوده و افت ولتاژ مستقیم کمتری در محل اتصال، ایجاد می‌کند و معمولا فقط در حدود 0.2 تا 0.3 ولت است؛ اما به‌دلیل ناحیه‌ی اتصال کوچکشان، مقدار مقاومت مستقیم بالاتری دارند.
دیودهای سیگنال سیلیکون: این دیودها، دارای مقدار بسیار بالایی از مقاومت معکوس بوده و افت ولتاژ مستقیم در حدود 0.6 تا 0.7 ولت را در دو سر اتصال، ایجاد می‌کنند. آن‌ها، مقادیر نسبتا پایینی از مقاومت مستقیم دارند؛ که به آنها مقادیر بالای جریان مستقیم و ولتاژ معکوس را می‌دهد.

نماد الکترونیکی داده‌شده به هر نوع دیود، فلش با یک میله یا خط در انتهای آن است؛ که در شکل زیر، همراه با منحنی مشخصه‌های حالت پایدار V-I، نشان داده شده‌است.

منحنی مشخصه‌ی I-V دیود سیلیکونی

فلش همیشه جهت شارش جریان قراردادی از طریق دیود را نشان می‌دهد. به این معنا که دیود، تنها در صورتی هدایت می‌شود؛ که یک منبع تغذیه‌ی مثبت به پایانه‌ی آند (a) و یک منبع تغذیه‌ی منفی به پایانه‌ی کاتد (k) وصل شود و بنابراین، جریان فقط می‌تواند در یک جهت شارش یابد و درنتیجه، شبیه به یک شیرالکتریکی یک طرفه، (شرایط بایاس مستقیم) عمل ‌می‌کند.

درهرحال، از مقاله قبلی می‌دانیم که اگر منبع انرژی خارجی را در جهت دیگر، وصل کنیم؛ دیود جریانی را که از آن عبور می‌کند؛ مسدود کرده و در عوض مانند یک کلید باز عمل می‌کند (شرایط بایاس معکوس) و در شکل زیر آمده‌است.

دیود بایاس مستقیم و معکوس

پس می‌توان گفت؛ که یک دیود کوچک سیگنال ایده‌آل، جریان را در یک جهت (هدایت مستقیم) هدایت نموده و در جهت دیگر، مسدود (بلاک معکوس) می‌کند. دیودهای سیگنال در طیف گسترده‌ای از کاربردها مانند سوئیچ در یکسوکننده‌ها، محدودکننده‌های جریان، کاهش‌دهنده‌های ولتاژ یا در مدارهای شکل‌دهنده‌ی موج، استفاده می‌شوند.

پارامترهای دیود سیگنال

دیودهای سیگنال، در طیفی از درجه‌بندی‌های ولتاژ و جریان تولید می‌شوند و هنگام انتخاب دیود برای یک کاربرد خاص، باید دقت شود. مجموعه‌ای گیج‌کننده از ویژگی‌های استاتیک مرتبط با دیود سیگنال وجود دارد؛ اما موارد مهم‌تر آن‌، به‌صورت زیر است:

جریان مستقیم حداکثر

جریان مستقیم حداکثر (I_F(max)) همانطور که از نام آن پیداست؛ جریان مستقیم حداکثر بوده که اجازه‌ی شارش در دستگاه را دارد. هنگامی‌که، دیود در شرایط بایاس مستقیم، هدایت می‌شود؛ مقدار مقاومتی “ON” بسیار کمی در سرتاسر اتصال PN دارد و بنابراین، توان در دوسر این اتصال (قانون اهم) به شکل گرما، تلف می‌شود.

پس، تجاوز از مقدار آن (I_F(max)) باعث می‌شود؛ که گرمای بیشتری در دوسر محل اتصال تولید شود و دیود، به‌دلیل اضافه‌بار حرارتی از کار بیفتد؛ که معمولا پیامدهای مخربی دارد. هنگامی‌که، دیودها در محدوده‌ی حداکثر جریان خود کار می‌کنند؛ همیشه بهتراست، خنک‌کننده‌های اضافی برای دفع گرمای تولیدشده توسط دیود، فراهم شود.

به‌عنوان مثال، دیود کوچک سیگنال 1N4148 دارای نرخ حداکثر جریان حدود 150 میلی آمپر با اتلاف توان 500 میلی وات در دمای 25 درجه سانتی‌گراد است. پس باید از یک مقاومت سری با دیود، استفاده کرد تا جریان مستقیم (I_F(max) ) را از طریق آن، به کمتر از این مقدار، محدود کند.

ولتاژ پیک معکوس

حداکثر ولتاژ پیک معکوس (PIV) یا ولتاژ معکوس حداکثر (V_R(max))، حداکثر ولتاژ کاری معکوس مجاز است؛ که می‌تواند بدون شکست معکوس و آسیب به دستگاه، در دوسر دیود، اعمال شود. این نرخ، معمولا، کمتر از سطح “شکست بهمنی” در منحنی مشخصه‌ی بایاس معکوس است. مقادیر معمول محدوده‌ی V_R(max) از چند ولت تا هزاران ولت، متغیر است و هنگام تعویض دیود، باید در نظر گرفته‌شود.

ولتاژ معکوس پیک، یک پارامتر مهم است و عمدتا برای یکسوکردن دیودها در مدارهای یکسوکننده AC با ارجاع به دامنه‌ی ولتاژ، استفاده می‌شود؛ که شکل موج سینوسی از یک مقدار مثبت به یک مقدار منفی در هر سیکل، تغییر می‌کند.

اتلاف توان کل

دیودهای سیگنال دارای نرخ اتلاف توان کل (P_D(max)) می‌باشند. این نرخ، حداکثر اتلاف توان دیود در هنگام بایاس مستقیم (هدایتی) است. هنگامی‌که، جریان از طریق دیود سیگنال می‌گذرد؛ بایاس اتصال پی-ان، کامل نیست و مقداری مقاومت در برابر شارش جریان، ایجاد می‌کند؛ که درنتیجه، توان در دیود، به‌شکل گرما، تلف می‌شود (از بین می‌رود.)

از آن‌جایی‌که، دیودهای کوچک سیگنال، دستگاه‌های غیرخطی می‌باشند؛ مقاومت اتصال P-N آنها، ثابت نیست و این امر، یک ویژگی دینامیکی است. بنابراین، نمی‌توانیم از قانون اهم، برای تعریف توان برحسب جریان و مقاومت یا ولتاژ و مقاومت، همانگونه که برای مقاومت‌ها عمل می‌کردیم؛ استفاده کنیم. پس برای یافتن توانی که توسط دیود، تلف می‌شود؛ باید افت ولتاژ را در جریان عبوری از آن، ضرب کنیم: P_D=V*I.

ماکزیمم دمای عملیاتی

حداکثر دمای عملیاتی در واقع، به دمای اتصال (T_J) دیود و به‌حداکثر اتلاف توان، مربوط می‌شود. این حداکثر دمای مجاز، قبل از خراب‌شدن ساختار دیود است و برحسب واحد درجه سانتی‌گراد بر وات ( C/W°) بیان می‌شود.

این مقدار، به شدت با حداکثر جریان مستقیم دستگاه، مرتبط است؛ به‌طوری‌که، در این مقدار، دمای محل اتصال، از حد مجاز، تجاوز نمی‌کند. با این‌حال، حداکثر جریان مستقیم، به دمای محیطی که دستگاه در آن کار می‌کند؛ نیز بستگی دارد و بنابراین، حداکثر جریان مستقیم، معمولا برای دو یا چند مقدار دمای محیط مانند 25°C یا 70°C، ذکر می‌شود.

پس سه پارامتر اصلی وجود دارد؛ که هنگام انتخاب یا جایگزینی یک دیود سیگنال، باید در نظر گرفته شود و این‌ها عبارتند از:

نرخ ولتاژ معکوس
نرخ جریان مستقیم
نرخ اتلاف توان مستقیم

آرایه‌های دیود سیگنال

هنگامی‌که فضا محدود است و یا به جفت دیودهای سیگنال سوئیچینگ منطبق نیاز است آرایه‌های دیود می‌توانند بسیار مفید باشند. آن‌ها به‌طورکلی از دیودهای سیلیکونی با ظرفیت کم و سرعت بالا مانند 1N4148 تشکیل شده‌اند؛ که در بسته‌های دیود متعددی به‌نام آرایه برای استفاده در سوییچینگ و گیره در مدارهای دیجیتال به‌هم متصل شده‌اند. آن‌ها در پکیج‌های خطی منفرد (SIP) حاوی 4 یا چند دیود متصل به داخل، قرار می‌گیرند تا یک آرایه جداشده کاتد مشترک (CC) یا آند مشترک (CA) را پیکربندی کنند.

آرایه‌های دیود سیگنال

آرایه‌های دیود سیگنال، هم‌چنین می‌توانند در مدارهای دیجیتال و کامپیوتری برای محافظت از خطوط داده با سرعت بالا یا سایر پورت‌های موازی ورودی/خروجی دربرابر تخلیه الکترواستاتیک (ESD) و ولتاژ گذرا استفاده شوند. با اتصال دو دیود به‌صورت سری در سراسر ریل منبع تغذیه با خط داده متصل به محل اتصال آن‌ها، همانطور که نشان داده شده‌است؛ هرگونه ترنزینت ناخواسته به سرعت از بین می‌رود و از آنجایی‌که، دیودهای سیگنال در آرایه‌های 8 فولدی در دسترس می‌باشند؛ می‌توانند از 8 خط داده در یک پکیج، استفاده کنند.

آرایه‌های دیود سیگنال، هم‌چنین می‌توانند برای اتصال دیودها به یک‌دیگر در ترکیب‌های سری یا موازی برای تشکیل مدارهای تنظیم‌کننده‌ یا کاهنده های ولتاژ یا حتی برای تولید یک ولتاژ مرجع ثابت شناخته‌شده، استفاده شوند.

می‌دانیم که افت ولتاژ مستقیم در یک دیود سیلیکونی حدود 0.7 ولت است و با اتصال تعدادی از دیودها به‌صورت سری، کل افت ولتاژ، مجموع افت ولتاژ جداگانه هر دیود خواهد بود.

با این‌حال، هنگامی‌که دیودهای سیگنال به‌صورت سری به یک‌دیگر متصل می‌شوند؛ جریان برای هر دیود یکسان خواهد بود و بنابراین، از حداکثر جریان مستقیم نباید تجاوز کرد.

اتصال دیودهای سیگنال درحالت سری

یکی‌دیگر از کاربردهای دیود کوچک سیگنال، ایجاد یک منبع ولتاژ تنظیم شده‌است. دیودها به‌صورت سری به یک‌دیگر متصل می‌شوند؛ تا یک ولتاژ DC ثابت در سراسر ترکیب دیود، ایجاد کنند. ولتاژ خروجی در دوسر دیود یا وجود تغییرات در جریان بار گرفته‌شده از ترکیب سری یا تغییر در ولتاژ منبع تغذیه DC که آن‌ها را تغذیه می‌کند؛ ثابت می‌ماند. مدار زیر را در نظر بگیرید.

دیودهای سیگنال درحالت سری

از آن‌جایی‌که افت ولتاژ مستقیم در یک دیود سیلیکونی تقریبا در حدود 0.7 ولت ثابت است؛ درحالی‌که، جریان عبوری از آن به مقدار نسبتا زیادی تغییر می‌کند و یک دیود سیگنال بایاس مستقیم می‌تواند یک مدار تنظیم‌کننده‌ی ولتاژ ساده، ایجاد کند. افت ولتاژ جداگانه در هر دیود از ولتاژ تغذیه کم می‌شود تا ولتاژ مشخصی در مقاومت بار باقی بماند و در مثال ساده ما در بالا، به‌صورت 10V-(3*0.7V)=7.9V ارائه شده‌است.

این، به این دلیل است؛ که هر دیود دارای یک مقاومت اتصال مربوط به جریان سیگنال کوچکی است که از آن عبور می‌کند و سه دیود سیگنال، به‌صورت سری سه برابر این مقاومت خواهد داشت و همراه با مقاومت بار R، یک تقسیم‌کننده‌ی ولتاژ دوسر منبع تغذیه را تشکیل می‌دهد.

با افزودن دیودهای بیشتر به صورت سری، کاهش ولتاژ بیشتری رخ خواهدداد. هم‌چنین دیودهای متصل سری را می‌توان موازی با مقاومت بار قرار داد تا به‌عنوان یک مدار تنظیم‌کننده ولتاژ عمل کند. دراینجا، ولتاژ اعمال‌شده به مقاومت بار 3*0.7V=2.1V خواهد بود. البته ما می‌توانیم همان منبع ولتاژ ثابت را با استفاده از یک دیود زنر تولید کنیم. مقاومت R_D برای جلوگیری از عبور جریان بیش از حد دیودها در صورت حذف بار، استفاده می‌شود.

دیودهای چرخش آزاد

دیودهای سیگنال، هم‌چنین می‌توانند در انواع مدارهای کلمپینگ (clamping)، حفاظت و مدارهای شکل‌دهی موج استفاده شوند؛ که رایج‌ترین شکل مدار دیود گیره، مداری است؛ که از یک دیود متصل به موازات یک سیک‌پیچ یا بار القایی استفاده می‌کند تا از آسیب به مدار سوئیچینگ ظریف، از طریق سرکوب افزایش ناگهانی ولتاژ و/یا تغییرات گذار که هنگام خاموش‌شدن (“OFF”) ناگهانی بار، به‌وجود می‌آید؛ جلوگیری کند. این نوع از دیود، به‌طورکلی به‌عنوان “دیود چرخش آزاد”، “دیود چرخ طیار” یا معمولا، دیود هرزگرد شناخته می‌شود.

دیود هرزگرد، برای محافظت از کلیدهای حالت جامد، مانند ترانزیستورهای توان و ماسفت‌ها دربرابر آسیب ناشی از حفاظت معکوس باتری و هم‌چنین محافظت در برابر بارهای القایی بسیار بالا، مانند سیم‌پیچ رله یا موتور، استفاده می‌شود و نمونه‌ای از اتصال آن، در زیر نشان داده شده‌است.

استفاده از دیودهای هرزگرد

قطعات نیمه‌رسانای توان مدرن با سوئیچنگ سریع به دیود‌های سوئیچینگ سریع مانند دیودهای چرخش آزاد، نیاز دارند تا از آنها در برابر بارهای القایی مانند سیم‌پیچ‌های موتور یا سیم‌پیچ‌های رله، محافظت کنند. هربار که المان سوئیچینگ بالا، روشن (“ON”) می‌شود؛ دیود هرزگرد از حالت رسانا به حالت مسدود، تغییر می‌کند؛ زیرا بایاس معکوس، می‌شود.

با این‌حال، هنگامی‌که دستگاه به سرعت خاموش (“OFF”) می‌شود؛ دیود در حالت بایاس مستقیم، قرار می‌گیرد و فروپاشی انرژی ذخیره‌شده در سیم‌پیچ، سبب می‌شود، جریانی از دیود چرخش آزاد، عبورکند. بدون حفاظت از دیود چرخش ازاد، جریان di/dt زیادی رخ می‌دهد که باعث می‌شود یک ولتاژ بالا یا گذرا در اطراف مدار، جریان پیدا کند و احتمالا به دستگاه سوئیچینگ، آسیب برساند.

پیش از این، سرعت عملکرد دستگاه‌های سوئیچینگ نیمه‌هادی، اعم از ترانزیستور، ماسفت، IGTB یا دیجیتال، با افزودن یک دیود چرخ آزاد در دوسر بار القایی با استفاده از دیودهای شاتکی و زنر، به‌جای آن دربرخی کاربردها، مختل شده‌است. اما درطول چند سال گذشته، دیود چرخ آزاد عمدتا به‌دلیل بهبود ویژگی‌های بازیابی معکوس و استفاده از مواد نیمه‌هادی فوق سریع که قادر به کار در فرکانس‌های سوئیچینگ بالا، می‌باشند؛ اهمیت خود را بازیافتند.

انواع دیگر دیود‌های تخصصی که در اینجا گنجانده نشده‌اند؛ عبارتند از: فوتودیودها، دیودهای پین، دیودهای تونلی و دیودهای شاتکی. با افزودن اتصالات PN بیشتر به ساختار دیود دولایه‌ای اصلی، می‌توان انواع دیگری از المان های نیمه‌هادی را ساخت.

به‌عنوان مثال، یک المان نیمه‌هادی سه‌لایه، تبدیل به ترانزیستور می‌شود؛ یک المان نیمه‌هادی چهار لایه به یک تریستور یا یکسوکننده‌ی کنترل‌شده سیلیکونی، تبدیل می‌شود و قطعات پنج‌لایه معروف به Triac (ترایاک) نیز در دسترس هستند.

در مقاله بعدی در مورد دیودها، به دیود سیگنال بزرگی که گاهی به آن دیود توان نیز گفته می‌شود خواهیم پرداخت. دیودهای توان، دیودهای سیلیکونی می‌باشند؛ که برای استفاده از مدارهای یکسوسازی شبکه با ولتاژ بالا و جریان بالا، طراحی شده‌اند.