من أهم عناصر الدائرة الكهربائية هو عنصر الدايود ولذلك يجب عليك قبل استخدامه في الدائرة معرفة كل ما يخصه من ماهيته ووظيفته في الدائرة وخصائصه وكيفية توصيله وفحصه وأنواعه المختلفة وما هي تطبيقاته المختلفة.
|
| المختصر المفيد في الدايود |
شرح الدايود بالتفصيل
سوف نتناول في السطور القادمة شرح الدايود بالتفصيل حتى يمكنك معرفة كل ما يخص الدايود وكيفية عملة وتطبيقاته واستخداماته.تعريف الدايود
يطلق على الدايود الثنائي شبه الموصل و الصمام الثنائي والموحد (PN Junction) ,وهو عبارة عن عنصر يتكون من عنصرين من مادة شبه موصلة أحدهما موجبة P-Type semiconductor بها شحنات موجبة والأخرى سالبة N-Type semiconductor بها شحنات سالبة بين هذين العنصرين حاجز أو منطقة الاتصال أو الاستنزاف (Depletion Layer) وهى منطقة خالية من الشحنات تتسبب في وجود تيار كهربائي في اتجاه واحد فقط ولذلك سمي بالموحد.
تركيب الدايود
يتكون كمن بلورتين احدهما موجبة P-Type وهى الطرف الموجب للدايود Anode والبلورة الأخرى سالبة N-Type وهى الطرف السالب للدايود Cathode بينهما منطقة منزوعة الشحنات تسمح بمرور التيار الكهربائي.
رمز الدايود
|
| رمز الدايود |
الجهد الحاجز Barrier Voltage
عند مرور تيار كهربائي في المنطقة الخالية من الشحنات في (PN Junction) فإن ذلك يتطلب وجود فرق جهد وهو الجهد الحاجز وتختلف قيمته على حسب نوع مادة شبه الموصل فلو كان من السيليكون يكون 0.7 فولت أما الجرامنيوم يحتاج 0.3 فولت وحتى يمر التيار الكهربائي لابد أن يكون الجهد المطبق أكبر من الجهد الحاجز.
الانحياز أو التوصيل الأمامي والعكسي للدايود
توجد طريقتين لتوصيل الدايود هما:أولا: الانحياز الأمامي (Forward Bias)
هو عبارة عن توصيل طرفي الدايود بجهد خارجي بطارية حيث يتم توصيل الطرف الموجب للدايود Anode بالطرف الموجب للبطارية، والطرف السالب للدايود Cathode بالطرف السالب للبطارية، وفي هذه الحالة يقل عرض المنطقة الخالية من الشحنات إلى أن يصبح الجهد الخارجي المطبق على الموحد أكبر من الجهد الحاجز وتكون المقاومة هنا صغيرة مما يسمح بمرور التيار الكهربائي في اتجاه واحد.
ثانيا: الانحياز العكسي (Reverse Bias)
هو عبارة عن توصيل طرفي الدايود بجهد خارجي( بطارية ) حيث يتم توصيل الطرف الموجب للدايود Anode بالطرف السالب للبطارية، والطرف السالب للدايود Cathode بالطرف الموجب للبطارية، وفي هذه الحالة يزداد عرض المنطقة الخالية من الشحنات وتكون المقاومة كبيرة جدا مما يعوق مرور التيار الكهربائي.
خواص الدايود وانواعه
ستتعرف معنا على أهم خواص الدايود وانواعه المختلفة بشكل مبسط وميسر.
أولا: خواص الدايود
|
| خواص الدايود |
للتعرف على خواص الدايود سيطلب الأمر التعرف على منحنى خواص الدايود السيلكون والجرمانيوم.
المنحنى يوضح العلاقة بين الجهد المطبق على الدايود والتيار المار فيه ونلاحظ التالي:
- أن العلاقة بين الجهد المطبق على طرفي الدايود ليست علاقة ثابته بل متغيرة حيث أن قيمة مقاومة الدايود تتغير بتغير الجهد المطبق عليه.
- الجانب الأيمن من المنحنى يمثل الانحياز الامامي ونلاحظ عند بداية التوصيل لا يمر تيار كهربائي يكون صفر إلى أن يصبح الجهد المطبق أكبر من 0.3 فولت في حالة الجرمانيوم، وأيضا لن يمر تيار كهربائي في حالة السيلكون إلى أن يصل الجهد المطبق على الدايود أكبر من 0.7 فولت وعند هذه اللحظة سوف يمر التيار الكهربائي في اتجاه واحد.
- الجانب الأيسر من المنحنى يمثل الانحياز العكسي ونلاحظ عند بداية التوصيل لا يمر تيار كهربائي حيث تكون مقاومة الدايود كبيرة جدا لا تسمح بمرور التيار الكهربائي ويظل لفترة معينة لا يسمح بمرور التيار ولكن عند زيادة الجهد المطبق على الدايود بقيمة أكبر من القيم التي يتحملها الدايود عند حدوث ذلك ينهار الدايود مما يسمح بمرور التيار الكهربائي في الاتجاه العكسي مما يتسبب في تلف الدايود.
- الدايود عبارة عن مفتاح يسمح بمرور التيار في اتجاه واحد فقط وبصعوبة في الاتجاه العكسي.
ثانيا: أنواع الدايود
توجد أنواع عديدة للدايود ومن أشهرها.
دايود الزينر
|
| دايود الزينر |
وهو دايود مطعم بغزارة من الشوائب ومصمم للعمل في منطقة الانكسار العكسي أو الانهيار لذلك يسمى أيضا بثنائي الانكسار وهذا الدايود يعتبر العمود الفقري لتنظيم الجهد.
دايود LED
|
| دايود LED |
وهو ثنائي الانبعاث الضوئي يشع الضوء عند مرور تيار كهربائي به بمعنى أنه يحول الطاقة الكهربائية إلى ضوئية.
دايود Photo Diode
|
| دايود Photo Diode |
وهو دايود حساس للضوء إذا زاد الضوء المسلط عليه تقل مقاومته مما يتولد عنه تيار كهربائي مما يعني أنه عنصر مستقبل للضوء ويقوم بتحويل الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية، ويستخدم كحساس ضوئي في أجهزة الإنذار ومستقبل في أنظمة الاتصالات الضوئية.
الدايود السعوي
|
| الدايود السعوي |
وهو دايود تتغير قيمته نتيجة لتغير الجهد المطبق عليه ولذلك فهو يشبه المكثف، ويستخدم في التوليف الالي في أجهزة الاستقبال و التوليف عن بعد ويستخدم في المذبذبات الاكتساحية .
الدايود النفقي
|
| الدايود النفقي |
يختلف الدايود النفقي عن الدايود العادي في أنه عندما يزيد الجهد يزداد
التيار بشكل أسرع من الدايود العادي حتى يصل إلى أقصى قيمة للتيار المارة
في الدايود النفقي بعدها يبدأ التيار في النقصان إلى ان يصل إلى الصفر
بينما الدايود العادي يزيد بزيادة الجهد المطبق عليه.
ويستخدم الدايود النفقي أو دايود ايزاكي في ترددات الميكروويف والمذبذبات
والمكبرات عالية التردد والكاشفات.
الشوتكي دايود
|
| الشوتكي دايود |
يتميز الشوتكي دايود بجهده الأمامي المنخفض مقارنة بالدايود العادي حيث
أنه يتراوح بين 0.15 فولت إلى 0.4 فولت ويتميز بسرعته العالية في
الفتح.
ويستخدم في تقويم الترددات العالية جدا وتطبيقات قص الجهد.
استخدامات وتطبيقات الدايود
يستخدم الدايود في دوائر التقويم ودوائر التنعيم و دوائر Clipper و Clamp و دوائر كشف الإشارة Detector المستخدمة في أجهزة الاستقبال وأنظمة الاتصالات.
دوائر التقويم أو دوائر التوحيد
وهى من اهم تطبيقات الدايود وتستخدم في تحويل التيار المتردد AC إلى تيار مستمر DC ,وتنقسم إلى نوعان تقويم نصف الموجة وتقويم الموجة الكاملة.
تقويم نصف الموجة (موحد نصف الموجة)
|
| تقويم نصف الموجة (موحد نصف الموجة) |
ونستخدم هنا دايود واحد ويتم توصيله بالمصدر وهو التيار المتردد المراد تقويمه، وفي النصف الموجب من الموجة للتيار المتردد عندما يكون الدايود في انحياز أمامي يسمح بمرور التيار الكهربائي خلاله وصولا إلى المقاومة أو الحمل، وإذا أهملنا جهد الدايود فإن جهد الخرج يساوي تقريبا جهد الدخل، أما في حالة النصف السالب من الموجة فإن الدايود يكون في الانحياز العكسي ولا يسمح بمرور التيار الكهربائي وبالتالي يكون جهد الخرج مساويا للصفر، مما سبق نجد أن إشارة الخرج سوف تكون مطابقة تقريبا للجزء الموجب من إشارة الخرج.
ملاحظة
يقل استخدام دوائر تقويم نصف الموجة لانخفاض كفاءتها.
تقويم موجة كاملة (موحد موجة كاملة)
وهو الأكثر استخداما حيث أنه يسمح بمرور وتقويم الموجة في النصفين الموجب والسالب كما سوف نرى.
دوائر تقويم موجة كاملة باستخدام موحدين
|
| دوائر تقويم موجة كاملة باستخدام موحدين |
نستخدم في هذه الدائرة دايودين بخواص متشابهة ومحول خافض للجهد له طرف مركزي، ويكون الدايود الاولD1 في حالة انحياز أمامي في النصف الموجب من موجة الدخل المتردد، والدايود الثاني D2 يكون في انحياز أمامي في النصف السالب من موجة الدخل المتردد.
نلاحظ مما سبق أن تردد جهد الخرج في هذه الدائرة يساوي ضعف تردد جهد الدخل.
دوائر تقويم موجة كاملة باستخدام القنطرة
|
| دوائر تقويم موجة كاملة باستخدام القنطرة |
في النصف الموجب من موجة الدخل المتردد الدايودين D1 وD2 في حالة انحياز
أمامي ويكون جهد الدخل مساويا لجهد الخرج، أما في النصف السالب من موجة
الدخل المتردد يكون الدايودين D3 وD4 في حالة انحياز أمامي ويكون جهد
الخرج مساويا لمعكوس جهد إشارة الدخل.
ملاحظة
لتقليل قيمة التموجات في إشارة الخرج لدوائر التقويم فإننا نستخدم
المكثفات لترشيح وتنعيم الجهد والحصول على قيمة شبه ثابتة.
يستخدم الدايود كمفتاح في الدوائر الرقمية
الصمام الثنائي هو في الأساس مفتاح يعمل في حالة الانحياز الأمامي
ولا يعمل في الانحياز العكسي وهو بذلك يسمح بمرور التيار في اتجاه واحد
فقط ويمنعه في اتجاه آخر.
يتم استخدام خاصية تبديل الصمام الثنائي
في البوابات المنطقية على الرغم من عدم استخدام الثنائيات في الدوائر
المنطقية الحديثة نظرا لانخفاض سرعة التبديل وخسائرها ، إلا أنه يمكن
بسهولة إنشاء البوابات المنطقية الأساسية باستخدام الثنائيات والمقاومات
.
الدايود لمضاعفة الجهد
يتم مضاعفة الجهد عن طريق دائرة عبارة عن عدد من الصمام الثنائي مع المكثفات، يعتمد عامل مضاعفة الجهد للدائرة على عدد المراحل كل مرحلة مصنوعة من زوج ثنائي ومكثف .
الدايود لعزل المصدر
يعني عزل المصدر أنه لا يوجد اتصال كهربائي بين مصدر الطاقة
والحمل، يعد optocoupler أو opto-inser جهازا مصنوعا من نوع من الصمام
الثنائي المعروف باسم LED (الصمام الثنائي الباعث للضوء) على وجه التحديد
LASER أو الصمام الثنائي IR وجهاز استشعار ضوئي (الصمام الثنائي الذي
يستشعر الضوء) لنقل الإشارة بين دائرتين.
لا يوجد توصيل
كهربائي بين الدائرتين يتم استخدامه لحماية دائرة الجهد المنخفض من دائرة
الجهد العالي في حالة حدوث ارتفاع.
استخدام الدايود لتنظيم الجهد
يتم استخدام نوع خاص من الصمام الثنائي المعروف باسم Zener diode كمنظم الجهد نظرا لقدرته على تنظيم الجهد أثناء تقديم التيار على نطاق واسع حيث انه يعمل في الانحياز العكسي لتوفير جهد ثابت يمكن استخدامه لتحيز الدوائر الإلكترونية الأخرى الحساسة لتقلب الجهد.
استخدام الدايود كمذبذب
المذبذب عبارة عن دائرة تنتج شكل موجة مستمر ومتكرر، يتم استخدام
الصمام الثنائي مثل varactor و Gunn diode كمذبذب لتوليد شكل الموجة.
يحتوي
الصمام الثنائي المتغير أو الصمام الثنائي vericap على تقاطع مع سعة
متغيرة، يمكن أن تتنوع هذه السعة بالجهد العكسي الذي يمكن استخدامه في
دائرة ضبط التردد الراديوي، يعمل الصمام الثنائي Gunn في منطقة مقاومة
سلبية حيث ينخفض تدفق التيار بزيادة الجهد، يستخدم الصمام الثنائي Gunn
في الموجات الدقيقة لتوليد موجات عالية التردد.
الدايود كمصدر للضوء
يستخدم نوع خاص من الصمام الثنائي المعروف باسم LED (الصمام الثنائي الباعث للضوء) لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية، داخل تقاطع PN لهذه الثنائيات عندما تلتقي الإلكترونات والثقوب فإنها تطلق فوتونات (جسيمات ضوئية)، هناك فتحة ونافذة لتخرج أشعة الضوء.
استخدام الدايود كحساس أو كمستشعر
الحساس (المستشعر) هو مكون كهربائي يحول أي نوع آخر من الطاقة إلى طاقة كهربائية، هناك أنواع مختلفة من الثنائيات يمكن استخدام بعضها كأجهزة استشعار على النحو المبين أدناه.
مستشعر درجة الحرارة
مثل Shockley diode يعتمد تيار الصمام الثنائي الأمامي على درجة الحرارة وفقا للمعادلة إذا ظل الجهد الأمامي ثابتا فإن أي زيادة في درجة الحرارة تقلل من التيار الأمامي لذلك يمكن استخدامه لاستشعار درجة الحرارة.
مستشعر الضوء
كما يوحي الاسم فإن مستشعر الصور أو مستشعر الضوء عبارة عن
مستشعرات تقوم بتحويل الطاقة الضوئية إلى كهرباء، الثنائي الضوئي
photodiode هو مستشعر ضوئي يحول الفوتونات (جزيئات الضوء) إلى كهرباء،
حيث يحتوي الثنائي الضوئي على تقاطع مكشوف مع نافذة تدخل الفوتونات عبر
النافذة وتضرب التقاطع يطلق زوجا من الثقوب الإلكترونية تتدفق هذه
الإلكترونات والثقوب إلى الدائرة مولدة جهدا عبر أطراف الصمام الثنائي،
يتم استخدامها في الاتصالات البصرية وكاشفات الدخان وكاشفات الأشعة تحت
الحمراء
استخدام الدايود في الخلايا الشمسية الخلايا الضوئية
الخلية الشمسية أو الخلية الكهروضوئية هي مصدر للطاقة يحول الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية، وتتكون كل خلية شمسية من الصمام الثنائي لإنتاج الجهد عندما يصطدم الضوء بالوصلة الخاصة بها.
استخدام الدايود لحماية الدوائر
الدوائر الإلكترونية حساسة للغاية لارتفاعات الجهد وتتطلب حماية لتعمل بسلاسة توفر الثنائيات مثل هذه الحماية في الدوائر لميزاتها المختلفة كما يلي:
الحماية من التيار العكسي
يستخدم الصمام الثنائي وهو مكون أحادي الاتجاه لمنع أي تيار عكسي في الدائرة.
الحماية من عكس القطبية
يستخدم الدايود للحماية من انعكاس القطبية في الدائرة، ففي حالة القطبية العكسية قد تتلف مكونات التيار المستمر( مثل البطارية) داخل الدائرة بسبب تدفق التيار في الاتجاه المعاكس.
الحماية من الطفرة
الارتفاعات المفاجئة عبارة عن طفرات عالية الجهد تحدث أحيانًا في الخط بسبب أي حدث غير متوقع مثل العواصف الرعدية والبرق ويمكن أن تؤدي هذه الزيادات إلى إتلاف أي مكون بسهولة في لحظة لذلك يتم استخدام نوع خاص من الصمام الثنائي المعروف باسم الصمام الثنائي TVS لقمع ارتفاعات الجهد العالي، ولا يعمل الصمام الثنائي TVS في الظروف العادية ولكنه يعمل عندما يتجاوز الجهد المستوى الآمن.
المصادر
ويكيبيديا
أتمني أن يكون الموضوع مفيدا لكم..