دیودها نوعی دستگاه نیمه هادی هستند که معمولاً مورد استفاده قرار می گیرند. دیودهای یکسو کننده یک نیمه هادی دو سرب هستند که فقط اجازه می دهد جریان در یک جهت جریان یابد. در بیشتر موارد، یک دیود اتصال P-N با ترکیب مواد نیمه هادی نوع n و نوع p ایجاد می شود.
آند سمت نوع P است، در حالی که کاتد سمت نوع n است. دیودها در شکل ها و اندازه های مختلف هستند و در کاربردهای متعددی به کار می روند. دیودهای یکسو کننده ولتاژ AC را به DC تبدیل می کنند و در سیستم های قدرت ضروری هستند. دیودهای زنر در مدارها برای تنظیم ولتاژ و جلوگیری از تغییرات نامطلوب در منابع DC استفاده می شوند.
یکسو کننده چیست؟
یکسو کننده وسیله ای است که جریان متناوب دو طرفه (AC) را به جریان مستقیم یک طرفه (DC) (DC) تبدیل می کند. یکسو کننده‌ها در اشکال و اندازه‌های فیزیکی مختلف، از دیودهای لوله خلاء و گیرنده‌های رادیویی کریستالی گرفته تا سیستم‌های مبتنی بر سیلیکون مدرن وجود دارند.
یکسو کننده های نیمه موج ساده ترین یکسو کننده ها هستند. آنها با خارج کردن یک طرف جریان متناوب کار می کنند و تنها به یک جهت جریان اجازه عبور می دهند. یکسو کننده های نیمه موج مبدل های ناکارآمدی هستند زیرا نیمی از برق ورودی AC هدر می رود. یکسو کننده تمام موج، که از هر دو طرف شکل موج AC استفاده می کند، گزینه تبدیل کارآمدتری است.
دیود چیست؟
دیود یک کلید جریان یک طرفه است که از نیمه هادی ها ساخته شده است. این اجازه می دهد تا جریان در یک جهت حرکت کند در حالی که آن را محدود می کند. از آنجایی که دیودها جریان متناوب (ac) را به جریان مستقیم پالسی (dc) تبدیل می کنند، دیودها به عنوان یکسو کننده (dc) نیز شناخته می شوند. نوع، ولتاژ و قابلیت جریان دیودها همه رتبه بندی شده اند.
قطبیت دیود توسط آند (سرب مثبت) و کاتد (سرب منفی) (بار منفی) تعیین می شود. اکثر دیودها وقتی به آند ولتاژ مثبت داده می شود جریان را عبور می دهند.
دیود یکسو کننده چیست؟
دیود یکسو کننده یک دیود نیمه هادی است که در برنامه پل یکسو کننده برای تبدیل AC (جریان متناوب) به DC (جریان مستقیم) استفاده می شود. استفاده از دیود یکسو کننده با مانع شاتکی در الکترونیک دیجیتال بسیار ارزشمند است. این دیود می تواند جریان هایی از چند میلی آمپر تا چند کیلو آمپر و ولتاژهای تا چند کیلو ولت را تحمل کند.
از سیلیکون می توان برای طراحی دیودهای یکسو کننده استفاده کرد و آنها قادر به حمل مقدار زیادی جریان الکتریکی هستند. اگرچه این دیودها شناخته شده نیستند، اما هنوز از جنرال الکتریک یا آرسنید گالیوم ساخته شده اند. دیودهای جنرال الکتریک دارای ولتاژ معکوس مجاز کمتر و دمای اتصال مجاز کمتری هستند. دیود Ge دارای مقدار ولتاژ آستانه کمتری نسبت به دیودهای Si است در حالی که در بایاس فورواردینگ کار می کند.
دو پارامتر فنی در دیود یکسو کننده وجود دارد: حد مجاز و پارامترهای مشخصه. نوک پیکان در جهت جریان معمولی در نماد یک دیود یکسو کننده که در زیر نشان داده شده است، اشاره می کند.
کارایی مدار دیود یکسو کننده
یک اتصال p-n با ترکیب مواد نوع n و نوع p با یک روش ساخت خاص ایجاد می شود. این اتصال P-N به عنوان “DIODE” نامیده می شود زیرا دارای دو پایانه است که ممکن است به عنوان الکترود (Di-ode) شناخته شود.
هنگامی که یک ولتاژ منبع تغذیه DC خارجی از طریق پایانه های آن به دستگاه الکترونیکی ارائه می شود، بایاس رخ می دهد.
۱. دیود یکسو کننده بی طرف
هنگامی که هیچ ولتاژی به دیود یکسو کننده اعمال نمی شود، یک دیود بی طرف است. سمت N دارای اکثریت الکترون ها و حفره های بسیار کمی خواهد بود (به دلیل تحریک حرارتی)، در حالی که سمت P دارای اکثر حفره های حامل بار و تعداد بسیار کمی الکترون خواهد بود.
در این فرآیند، الکترون‌های آزاد از سمت N به سمت P منتشر (گسترش می‌شوند) و در حفره‌ها دوباره ترکیب می‌شوند و یون‌های +ve (غیر متحرک) را در سمت N و یون‌های -ve بی‌حرکت در سمت P باقی می‌گذارند. دیود
عدم تحرک در سمت نوع n در لبه اتصال. یون های ساکن نزدیک لبه اتصال در سمت نوع p به طور مشابه عمل می کنند. در نتیجه یون های مثبت و منفی زیادی در نزدیکی محل اتصال جمع می شوند. این منطقه به تازگی توسعه یافته به عنوان منطقه تخلیه شناخته می شود.
یک میدان الکتریکی ساکن به نام پتانسیل مانع در سراسر محل اتصال PN دیود در این ناحیه تشکیل می شود. از مهاجرت بیشتر حفره ها و الکترون ها در محل اتصال جلوگیری می کند.
۲. دیود بایاس به جلو
هنگامی که ترمینال مثبت یک منبع ولتاژ به سمت نوع p یک دیود اتصال PN وصل شده است، دیود در بایاس فورواردینگ قرار دارد و ترمینال منفی به سمت نوع n متصل است. الکترون ها توسط ترمینال منفی منبع ولتاژ DC مقاومت می کنند و به سمت ترمینال مثبت حرکت می کنند.
تحت تأثیر ولتاژ اعمال شده، رانش الکترون باعث می شود جریان در یک نیمه هادی جریان یابد. این جریان به “جریان رانش” معروف است. از آنجایی که الکترون ها اکثر حامل ها را در نوع n تشکیل می دهند، جریان را جریان الکترونی می نامند. از آنجایی که حفره ها حامل های اصلی در نوع p هستند، ترمینال مثبت منبع DC آنها را دفع می کند و باعث می شود که در سراسر محل اتصال به سمت ترمینال منفی حرکت کنند. در نتیجه در نوع p جریان جریان سوراخ است.
اکثر حامل ها یک جریان رو به جلو ایجاد می کنند که از مثبت به منفی باتری می گذرد و قطب مخالف جریان الکترون است.
۳. دیود بایاس معکوس
فرض کنید ترمینال مثبت ولتاژ منبع به انتهای نوع n دیود و ترمینال منفی به انتهای نوع p دیود متصل است. در این صورت، جریانی به جز جریان اشباع معکوس از دیود عبور نخواهد کرد. با افزایش ولتاژ بایاس معکوس، لایه تخلیه اتصال گسترده تر می شود.
حامل های اقلیت باعث می شوند جریان کوچکی از نوع n به انتهای نوع p دیود منتقل شود. جریان اشباع معکوس نامی است که به این جریان داده شده است. در نیمه هادی های نوع p و نوع n، حامل های فرعی عمدتاً الکترون ها و حفره های حرارتی تولید می شوند.
اگر ولتاژ اعمال شده معکوس به طور مداوم افزایش یابد و جریان معکوس بالایی برای عبور از دیود ایجاد کند، لایه تخلیه زمانی از بین می رود که یک مقدار خاص به دست آید. اگر این جریان از خارج محدود نباشد و از مقدار ایمن فراتر رود، ممکن است برای همیشه از بین برود.
این الکترون‌های متحرک سریع با اتم‌های دیگر دستگاه برخورد می‌کنند و الکترون‌های اضافی را از آنها جدا می‌کنند. الکترون‌های آزاد شده با حل کردن اتصالات کووالانسی، حتی الکترون‌های بیشتری را از اتم‌ها آزاد می‌کنند. نتیجه افزایش قابل توجهی در جریان در سراسر اتصال p-n است که به عنوان ضرب حامل شناخته می شود. این رویداد به عنوان شکست بهمن نامیده می شود.
۴. یکسو کننده نیمه موج
یکی از رایج ترین کاربردهای دیود تبدیل الکتریسیته AC به برق DC است. از آنجا که یک دیود فقط می تواند جریان را در یک جهت هدایت کند، در صورت منفی بودن سیگنال ورودی، جریانی وجود نخواهد داشت. یکسو کننده نیمه موج چیزی است که به آن می گویند.
۵. یکسو کننده تمام موج
ما ممکن است هر دو نیمه امواج را با استفاده از یک مدار دیود یکسو کننده تمام موج متشکل از چهار دیود مثبت کنیم – یک کانال رو به جلو در سراسر پل دیود برای چرخه های ورودی مثبت و منفی.
مدار با موفقیت حذف شد زیرا دو تا از دیودها بایاس رو به جلو و دو دیود دیگر بایاس معکوس هستند. یکسوسازی تمام موج زمانی حاصل می شود که هر دو مسیر رسانایی باعث شوند جریان در یک جهت از طریق مقاومت بار جریان یابد.
در منابع تغذیه از یکسو کننده های تمام موج برای تبدیل ولتاژ AC به ولتاژ DC استفاده می شود. امواج ناشی از فرآیند یکسوسازی با اتصال یک خازن بزرگ به موازات مقاومت بار خروجی کاهش می یابد.
مولفه ها
دیود یکسو کننده با استفاده از پارامترهای محدود کننده زیر طبقه بندی می شود.
- VF ولتاژ Forward از طریق جریان انتقال IF تعیین شده است
- IR جریان معکوس در عملیات ولتاژ معکوس پیک VRWM است.
- IFN حداکثر جریان متوسط یا جریان نامی دیودها در بایاس رو به جلو است
- IFRM هدایت دیود جریان اوج و قابل تکرار است
- IFSM هدایت جریان اوج و غیرقابل تکرار است
- VRWM عملیات پیک، ولتاژ معکوس است
- VRRM – اوج، ولتاژ معکوس تکراری
- VRSM – اوج، ولتاژ معکوس غیر تکراری
- PTOT – کل مقدار توان تلف شده در قطعه الکترونیکی
- Tj – بالاترین دمای اتصال در دیود
- Rth – مقاومت حرارتی زیر شرایط عملیاتی
حداکثر دما
عوامل مختلف، مانند دمای محیطی که دیود یکسو کننده در آن کار می کند، می تواند بر ویژگی های مختلف ذکر شده در بالا تأثیر بگذارد. گرما توسط تمام دستگاه های نیمه هادی، به ویژه آنهایی که در منابع تغذیه استفاده می شوند، تولید می شود. یکی از چالش برانگیزترین مسائل، اجتناب از فرار حرارتی است، که زمانی رخ می دهد که دمای دیود افزایش می یابد و باعث می شود جریان تا زمانی که دستگاه از بین برود، افزایش یابد.
برای جلوگیری از این امر، دمای مرجع هر پارامتر دیود، مانند جریان نشتی معکوس دیودهای Si، معمولاً در دمای ۲۵ درجه سانتی گراد از دمای محیط استخراج می شود. با این حال، تقریباً دو برابر برای هر ۱۰ درجه سانتیگراد است. با افزایش دما، پتانسیل اتصال به جلو از ۲ میلی ولت به ۳ میلی ولت به ازای هر ۱ درجه سانتی گراد افزایش دما کاهش می یابد.
جریان بالا
دیود یکسو کننده با جریان بالا دو برابر بهترین نمونه از دیودهای با کارایی بالا با جریان ۲×۳۰ آمپر است.
STPS60SM200C یک دیود یکسو کننده دو ولتاژ بالا است که توسط STMicroelectronics ساخته شده است. این دیود همگی می تواند از جوشکارها، ایستگاه های پایه، منبع تغذیه AC/DC و کاربردهای صنعتی بهره مند شود.
VRRM دارای ولتاژ شکست ۲۰۰ ولت، ولتاژ هدایت ۶۴۰ میلی ولت و حافظه جریان ۲×۳۰ آمپر است. یک ESD که به عنوان تخلیه الکترواستاتیک نیز شناخته می شود، می تواند حفاظت اضافی تا ۲ کیلو ولت ارائه دهد. محدوده دمای عملیاتی این دیود ۴۰- درجه سانتیگراد تا ۱۷۵ درجه سانتیگراد است. این مقادیر به دیودها اجازه می دهد تا تحت هر شرایطی در ایستگاه های پایه استفاده شوند.
چگونه یک دیود یکسو کننده را آزمایش کنیم؟
برای آزمایش دیود یکسو کننده می توان از روش های زیر استفاده کرد.
مولتی متر پایه در درجه اول برای تعیین قطبیت یک دیود یکسو کننده مانند آند یا کاتد استفاده می شود. حداقل سه راه برای انجام این کار وجود دارد، اما دو راه ساده استفاده از اهم متر و تابع اندازه گیری VDC است.
۱. با استفاده از اهم متر
اهم متر ولتاژ پیش بینی شده دیود را مشخص می کند که در حالت بایاس رو به جلو تقریباً ۰.۷ است. اهم متر در حالت بایاس معکوس “۱” را نشان می دهد که نشان دهنده مقاومت فوق العاده بالا است. استفاده از عملکرد بررسی دیود مانند روشی است که در بالا توضیح داده شد.
۲. تابع اندازه گیری VDC
طبق یک مولتی متر، افت ولتاژ برای یک دیود سیلیکونی در بایاس رو به جلو ۰.۷ ولت است. یک مولتی متر در بایاس معکوس برای تعیین مقدار تخمینی کل منبع ولتاژ استفاده می شود. دیودهای یکسو کننده بیشتر در یکسوسازی استفاده می شوند که فرآیند تبدیل ولتاژ AC به ولتاژ DC است. آنها در مدارهایی که تعداد زیادی جریان باید از دیود عبور کند استفاده می شود.
دیودهای یکسو کننده از Si ساخته شده اند و دارای افت ولتاژ رو به جلو ۰.۷ ولت هستند. دیود ۱N4001 برای مدارهایی با ولتاژ پایین و جریان کمتر از ۱ آمپر مناسب است.
جریان مشخصه یک دیود است. در غیر این صورت، جریان بر اساس جهت ولتاژ اعمال شده تامین نمی شود. این ولتاژ AC را به ولتاژ DC تبدیل می کند. منبع جریان، الکترودهای آند و کاتد این دیود را پس از اتصال الکترود آند به ترمینال +ve متصل می کند.
برنامه های کاربردی
دیودهای یکسو کننده کاربردهای گسترده ای دارند. در اینجا چند نمونه از کاربردهای معمول دیود آورده شده است:
- جداسازی سیگنال ها از منبع
- اصلاح یک ولتاژ، به عنوان مثال، تبدیل ولتاژ AC به ولتاژ DC
- کنترل اندازه سیگنال
- اختلاط سیگنال
- تشخیص سیگنال
- سیستم های روشنایی
- دیودهای لیزر
در نتیجه، یک دیود یکسو کننده به جریان الکتریکی اجازه می دهد که فقط در یک جهت جریان یابد که برای کارکرد منبع تغذیه استفاده می شود. در مقایسه با دیودهای معمولی، این دیودها می توانند بیشترین جریان را تحمل کنند. معمولاً از این دیودها برای تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) (DC) استفاده می شود. اینها را می توان به روشی مشابه اجزای مجزا یا مدارهای مجتمع طراحی کرد. اینها از Si ساخته شده اند و سطح اتصال PN نسبتاً بزرگی دارند که در شرایط بایاس معکوس ظرفیت خازنی بالایی دارند. برای افزایش رتبه‌بندی PIV (پیک-معکوس ولتاژ) ترکیب، دو دیود یکسوکننده به صورت سری به منبع ولتاژ بالا متصل می‌شوند.
نتیجه گیری
دیود یکسو کننده به عنوان دیود نیمه هادی نیز شناخته می شود که برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم (معمولاً در فرکانس پایین ۵۰ هرتز با مقدار زیادی توان ساطع شده در طول بار) استفاده می شود.
وظیفه اساسی این جزء، برای “تصحیح” معنای اصطلاح، تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) با استفاده از پل های یکسو کننده است. دیود یکسو کننده با مانع شاتکی در الکترونیک دیجیتال بسیار ارزشمند است. دیودهای یکسو کننده می توانند جریان تا چند کیلو آمپر و ولتاژ تا چند کیلو ولت را تحمل کنند.