فرادرسدیود سیگنال — از صفر تا صد
در آموزشهای پیشین مجله فرادرس، درباره انواع دیود پیوند PN، دیود نورافشان (LED)، دیود زنر و دیود شاتکی بحث کردیم. در این آموزش دیود سیگنال را معرفی می‌کنیم. «دیود سیگنال» (Signal Diode)، یک قطعه نیمه‌هادی غیرخطی کوچک است و معمولاً در مدارهای الکترونیکی به کار می‌رود که در آنها جریان کم یا فرکانس زیاد باشد (مانند رادیوها، تلویزیون‌ها و مدارهای منطقی).
دیودهای سیگنال، گاهی به نام قدیمی‌شان، یعنی «دیود تماس نقطه‌ای» (Point Contact Diode) یا «دیود پسیو شده شیشه‌ای» (Glass Passivated Diode) شناخته می‌شوند. این دیودها، از نظر فیزیکی در مقایسه با دیودهایی با توان بزرگتر، اندازه کوچکی دارند.
به طور کلی، پیوند PN یک دیود سیگنال کوچک، در یک محفظه شیشه‌ای قرار داده می‌شود تا از آن حفاظت شود.
دیودهای سیگنال کوچک و سوئیچینگ، توان و جریان کمتری در مقایسه با دیودهای یکسوساز و در حدود حداکثر $$500 \, \text{mW}$$ و $$150\, \text{mA}$$ دارند. این دیودها عملکرد بهتری در کاربردهای فرکانس بالا یا برش و سوئیچینگ دارند که در آنها پالس در لحظات کوچکی رخ می‌دهد.
مشخصه‌های یک دیود سیگنال، برای دو نوع ژرمانیومی و سیلیکونی متفاوت است:
- دیود سیگنال ژرمانیومی: این نوع دیودها، مقدار مقاومت معکوس پایین‌تری دارند و به همین دلیل، افت ولتاژ مستقیم آنها در پیوند، پایین‌تر و تقریباً بین $$0.2$$ تا $$0.3$$ ولت است. البته مقدار مقاومت مستقیم این دیودها به دلیل کوچک بودن پیوند، کم است.
- دیود سیگنال سیلیکونی: مقدار مقاومت معکوس این دیودها بسیار بزرگ است و افت ولتاژ مستقیمی در حدود $$0.6$$ تا $$0.7$$ ولت دارند. مقاومت مستقیم این دیودها کم است و به همین دلیل، مقادیر پیک بالاتری برای جریان مستقیم و ولتاژ معکوس دارند.
نماد الکترونیکی دیود سیگنال، یک پیکان با یک نوار یا خط در انتهای آن است. منحنی مشخصه V-I دیود در شکل زیر نشان داده شده است.
جهت پیکان نماد دیود، همیشه جهت قراردادی جریان را نشان می‌دهد. جریان تنها در صورتی از دیود عبور می‌کند که سر مثبت منبع به آند، سر منفی آن به کاتد وصل شود. در این حالت می‌گوییم دیود بایاس مستقیم شده است.
اگر پلاریته را تغییر دهیم، دیود بایاس معکوس می‌شود و مانع عبور جریان خواهد شد؛ شکل زیر، شرایط بایاس مستقیم و بایاس معکوس دیود را نشان می‌دهد.
در نتیجه، می‌توان گفت که یک دیود سیگنال کوچک ایده‌آل، جریان را در یک جهت هدایت می‌کند (هدایت مستقیم) و در جهت دیگر، جریان را سد خواهد کرد (سد معکوس). دیودهای سیگنال، در موارد زیادی مانند کلید یکسوکننده، محدود کننده جریان، اسنابر ولتاژ یا مدارهای شکل‌دهی موج به کار می‌روند.
پارامترهای دیود سیگنال
دیودهای سیگنال، برای ولتاژها و جریان‌های متنوعی ساخته می‌شوند و باید این مقادیر را برای کاربردهای مختلف به درستی انتخاب کرد. از بین مشخصات دیودها، چند مورد مهم‌تر از همه هستند که در ادامه آنها را بیان می‌کنیم.
حداکثر جریان مستقیم
حداکثر جریان مستقیم ($$I_{F(max)}$$)، همان‌گونه که از نامش پیداست، حداکثر جریانی است که می‌تواند از دیود عبور کند. وقتی دیود در شرایط بایاس مستقیم هدایت می‌کند، مقاومت ON بسیار کوچکی در پیوند PN دارد و در نتیجه، طبق قانون اهم، توان به صورت گرما در آن تلف می‌شود.
وقتی جریان از مقدار حداکثر عبور کند، سبب تولید گرمای بیشتر و در نهایت داغ شدن بیش از حد خواهد شد که آثار مخربی در بر خواهد داشت. وقتی دیودها در نزدیکی حداکثر جریان کار کنند، باید آنها را خنک کرد.
برای نمونه، مقدار حداکثر جریان دیود سیگنال $$\text{1N4148}$$، برابر با $$150 \, \mathrm {mA}$$ با اتلاف توان $$ 500 \, \mathrm {mW}$$ در $$ 25\, ^ \circ \mathrm{C}$$ است. بنابراین، باید از یک مقاومت سری با دیود برای محدود کردن جریان مستقیم استفاده کرد.
حداکثر ولتاژ معکوس
حداکثر ولتاژ معکوس (PIV) یا $$ V_{R(max)}$$، ماکزیمم ولتاژ عملکرد معکوس ممکن است که می‌توان به دیود اعمال کرد، بدون اینکه شکست معکوس رخ دهد و آسیبی به دیود وارد شود. مقادیر $$ V _ {R(max)}$$ معمولاً از چند ولت تا هزاران ولت برای دیودهای مختلف وجود دارد.
حداکثر ولتاژ معکوس پارامتر مهمی است و برای دیودهای یکسوساز در مدارهای یکسو کننده AC مورد توجه قرار می‌گیرد.
تلفات توان کل
دیودهای سیگنال، پارامتری به نام تلفات توان کل ($$P_{D(max)}$$) دارند. این مقدار نامی، حداکثر مقدار ممکن تلفات دیود است در حالت بایاس مستقیم (هدایت) است. وقتی جریان از دیود سیگنال می‌گذرد، بایاس پیوند PN کامل نیست و مقداری مقاومت در برابر عبور جریان وجود دارد.
از آنجایی که دیودهای سیگنال کوچک، قطعاتی غیرخطی هستند، مقاومت پیوند PN آنها ثابت نیست و به دلیل ویژگی دینامیکی که دارند، نمی‌توان از قانون اهم برای تعریف توان بر اساس جریان و مقاومت یا ولتاژ و مقاومت آنها استفاده کرد. در نتیجه، برای یافتن توانی که در دیود تلف می‌شود، باید افت ولتاژ را در جریان گذرنده از آن ضرب کنیم:
$$ \large P_ \text {D} = V \times I $$
حداکثر دمای کاری
حداکثر دمای کاری، در حقیقت به دمای پیوند ($$T_J$$) دیود بر می‌گردد و با حداکثر اتلاف توان مرتبط است. این پارامتر، حداکثر دمای مُجاز قبل از آسیب دیدن دیود است و بر حسب درجه سانتی‌گراد بر وات ($$^\circ C/W$$) بیان می‌شود.
این مقدار، ارتباط نزدیکی با حداکثر جریان مستقیم دارد و به دمای محیطی که قطعه در آن کار می‌کند نیز بستگی دارد. به همین دلیل، حداکثر جریان مستقیم، معمولاً برای دو یا چند دمای مختلف، مثلاً $$25^ \circ \text{C}$$ و $$70^ \circ \text{C}$$ بیان می‌شود.
در نتیجه، سه پارامتر اصلی که باید آنها را در هنگام انتخاب یا جایگزینی یک دیود سیگنال در نظر گرفت، عبارتند از:
- ولتاژ معکوس
- جریان مستقیم
- اتلاف توان مستقیم
آرایه‌های دیود سیگنال
وقتی فضا محدود باشد یا به جفت دیودهای سیگنال سوئیچینگ منطبق نیاز داشته باشیم، آرایه‌های دیودی بسیار مفید خواهند بود. این آرایه‌ها عموماً از دیودهای سیلیکونی سریع با ظرفیت خانی کم مانند $$ \text {1N4148}$$ تشکیل می‌شوند. اتصال این دیودها در کنار یکدیگر، بسته‌های درون خطی واحدی (SIP) را تشکیل می‌دهند که شامل ۴ دیود یا بیشتر از آن هستند. این آرایه‌ها در دو نوع کاتد مشترک و آند مشترک وجود دارند. شکل زیر، آرایه‌های دیود سیگنال را نشان می‌دهد.
آرایه‌های دیود سیگنال را می‌توان در مدارهای دیجیتال و کامپیوتری برای حفاظت از خطوط داده سرعت بالا یا پورت‌های موازی ورودی/خروجی در برابر تخلیه الکترواستاتیکی (ESD) و ولتاژهای گذرا به کار برد.
با اتصال دو دیود سری مطابق شکل زیر، هر گونه رخداد گذارای ناخواسته سریعاً حذف می‌شود و از آنجایی که دیودهای سیگنال در آرایه‌های هشت‌تایی موجود هستند، از هشت خط داده در یک آرایه واحد محافظت می‌کنند.
آرایه‌های دیود سیگنال برای اتصال سری یا موازی دیودها، به منظور تشکیل تنظیم کننده ولتاژ یا مدارهای کاهش ولتاژ به منظور تولید ولتاژ مرجع ثابت به کار می‌روند.
می‌دانیم که افت ولتاژ مستقیم دو سر یک دیود سیلیکونی تقریباً $$0.7$$ ولت است و با اتصال سری تعدادی دیود جریان مشابهی از آنها عبور خواهد کرد.
اتصال سری دیودهای سیگنال
یکی کاربرد دیگر از دیودهای سیگنال، ساخت منبع ولتاژ تنظیم شده است. دیودها به صورت سری به هم متصل می‌شوند و یک ولتاژ DC ثابت در دو سر ترکیب دیودی ایجاد می‌کنند.
ولتاژ خروجی دیودها، علی‌رغم تغییرات جریان کشیده شده توسط ترکیب سری آنها یا جریان تزریقی منبع DC، ثابت می‌ماند. مدار شکل زیر، اتصال سری دیودها را نشان می‌دهد.
از آنجایی که افت ولتاژ مستقیم یک دیود سیلیکونی، در مقدار تقریباً $$ 0.7 $$ ولت ثابت است، در حالی که جریان گذرنده از آن با مقادیر نسبتاً بزرگ تغییر می‌کند، با یک دیود سیگنال بایاس مستقیم می‌توان یک مدار تنظیم ولتاژ ساده ساخت. افت ولتاژ روی هر یک از دیودها، از ولتاژ منبع کم می‌شود تا یک پتانسیل مشخص به بار مقاومتی اعمال شود. برای مثال، در شکل بالا، داریم: $$ 10 \, \text{V} - ( 3 \times 0.7 \, \text {V}) = 7.9 \, \text{V}$$.
این به آن دلیل است که هر دیود، مقاومت پیوند متناظر با جریان سیگنال کوچک گذرنده از خود را دارد و سه دیود سری، سه برابر مقاومت خواهند داشت.
با اضافه کردن دیودهای سری بیشتر، می‌توان افت ولتاژ بیشتری را رقم زد. همچنین، دیودهای سری را می‌توان به صورت موازی با بار قرار داد تا مانند یک مدار تنظیم ولتاژ عمل کند. در این حالت، ولتاژ اعمالی به مقاومت بار، برابر با $$ 3 \times 0.7 \, \text{V} = 2.1 \, \text{V}$$ خواهد بود. البته می‌توانیم منبع ولتاژ ثابت مشابهی را با استفاده از یک دیود زنر تولید کنیم. مقاومت $$R_D$$ برای جلوگیری از افزایش بیش از حد جریان ناشی از حذف بار به کار می‌رود.
دیود هرزگرد
از دیودهای سیگنال می‌توان برای مدارهای جهشی، حفاظتی و شکل‌دهی موج متنوعی استفاده کرد. این نوع دیودها، به نام دیود هرزگرد (Freewheel Diode) شناخته می‌شوند.
دیود هرزگرد برای محافظت کلیدهای حالت جامد مانند ترانزیستورهای قدرت و ماسفت‌ها از آسیب به کار می‌رود. شکل زیر، نحوه قرارگیری دیود را نشان می‌دهد.
قطعات نیمه‌هادی قدرت مدرن با سوئیچیمگ سریع، به دیودهای سوئیچینگ سریع مانند دیودهای هرزگرد برای محافظت در برابر بارهای القایی مانند پیچه موتورها یا سیم‌پیچی رله‌ها نیاز دارند. هر لحظه که قطعه سوئیچینگ شکل بالا روشن شود، دیود هرزگرد به دلیل بایاس معکوس، از وضعیت هدایت به وضعیت سد کنندگی تغییر می‌کند.
اگر قطعه سوئیچینگ سریعاً خاموش شود، دیود بایاس مستقیم شده و انرژی ذخیره شده در سیم‌پیچ سبب عبور جریان از دیود هرزگرد خواهد شد. اگر از دیود هرزگرد محافظ استفاده نکنیم، قطع ناگهانی جریان، سبب القای ولتاژ بزرگی می‌شود که امکان دارد به قطعه سوئیچینک آسیب برساند. به عبارت دیگر، دیود هرزگرد مداری را می‌سازد که سبب مهار افزایش انرژی ناگهانی بار القایی می‌شود.
به بیان ساده، یک بار القایی (مانند موتور، سلف و…) را در نظر بگیرید. برای قطع و وصل این بار، یک ترانزیستور قدرت را با آن سری می‌کنیم. هنگام قطع مدار توسط ترانزیستور، جریان به طور ناگهانی کاهش می‌یابد و به همین دلیل یک ولتاژ بزرگ در بار القا می‌شود که پلاریته‌اش معکوس پلاریته عادی بار در مدار است. این ولتاژ القایی بزرگ، سبب مواردی چون آسیب دیدن ترانزیستور می‌شود. برای جلوگیری از این اتفاق، یک دیود را با بار موازی می‌کنیم (با پلاریته معکوس). در نتیجه، مسیری برای تخلیه انرژی ناگهانی بار به وجود می‌آید. این دیود، همان دیود هرزگرد است. البته دیود هرزگرد موازی با ترانزیستور نیز کاربرد مشابهی دارد و برای حفاظت از آن به کار می‌رود.
در گذشته، سرعت کاری قطعات سوئیچینگ نیمه‌هادی از قبیل ترانزیستور، ماسفت و IGBT با افزودن دیود هرزگرد به دو سر بار القایی، تحت تأثیر قرار می‌گرفت و کاهش می‌یافت. اما در سال‌های اخیر، دیودهای هرزگرد اهمیت خود را باز یافته‌اند، زیرا مشخصه بازیابی معکوس آنها بهبود یافته و در ساخت آنها از مواد نیمه‌رسانای فوق سریع استفاده شده است. به این ترتیب، این دیودها قابلیت کار در فرکانس‌های سوئیچینگ بالا را دارند.
اگر علاقه‌مند به یادگیری مباحث مشابه مطلب بالا هستید، آموزش‌هایی که در ادامه آمده‌اند نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
- مجموعه آموزشهای مهندسی الکترونیک
- آموزش الکترونیک 1
- مجموعه آموزشهای نرم‌افزارهای مهندسی برق و الکترونیک
- آموزش مبانی الکترونیک – مفاهیم تئوریک به همراه شبیه سازی عملی و کاربردی
- تقویت کننده‌های الکترونیکی — مجموعه مقالات جامع وبلاگ فرادرس
- تقویت کننده امیتر مشترک (Common Emitter Amplifier) – مفاهیم پایه
^^
