گاهی در مدارهای الکترونیکی نیاز هست جریان الکتریکی در یک جهت جاری شود. و در جهت دیگر جریانی جاری نشود (مدار باز). در این مواقع از قطعه ای به نام دیود در مدار استفاده می کنیم.
Diode را می توان به دریچه دهلیز قلب تشبیه کرد. دریچه دهلیز قلب خون را از یک جهت هدایت کرده و از سوی دیگر مانع عبور خون می شود.
Diode هم جریان الکتریکی را از یک سو عبور می دهد. و از سوی دیگر مانع عبور جریان می شود.
دیود (به انگلیسی: Diode)، (نام های دیگر: یکسوساز) قطعه ای الکترونیکی است که دو سر دارد. دیود، جریان الکتریکی را در یک جهت از خود عبور می دهد (در این حالت، مقاومت دیود ناچیز است) و در جهت دیگر، در مقابل گذر جریان مقاومت بسیار بالایی (در حالت ایده آل، بینهایت) از خود نشان می دهد.
این خاصیت دیود، باعث شده بود تا در سال های اولیهٔ ساخت این قطعهٔ الکترونیکی، به آن «دریچه» نیز اطلاق شود. رایج ترین گونهٔ دیود از بلور نیمه هادی ساخته می شود. دیود را از اتصال دو نیم رسانا از نوع P و N می‌سازند. به پایه‌ای که به نیمه هادی N متصل است «کاتد» و به پایه‌ای که به نیمه هادی نوع P متصل است «آند» گفته می شود. دیود، اولین قطعه تولید شده با نیمه هادی ها است.
مهم ترین کاربرد دیود، عبور جریان در یک جهت (به انگلیسی: diode’s forward direction) و ممانعت در برابر گذر جریان در جهت مخالف (به انگلیسی: reverse direction) است (یکسو سازی). در نتیجه می توان به دیود مثل یک شیر الکتریکی یک طرفه نگاه کرد. این ویژگی دیود برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم استفاده می‌شود.
به لحاظ الکتریکی، یک دیود، هنگامی جریان را از خود می‌گذراند که با برقرار کردن ولتاژ (بایاس کردن) در جهت درست (+ به آنُد و – به کاتُد؛ که به آن بایاس مستقیم می گویند)، آمادهٔ کار شود. مقدار ولتاژی که باعث می شود تا دیود شروع به هدایت جریان الکتریکی کند، ولتاژ آستانه یا (threshold voltage) نامیده می شود که چیزی حدود ۰٫۶ تا ۰٫۷ ولت (برای دیودهای سیلیکون) و ۰٫۲ تا ۰٫۳ ولت (برای دیود ژرمانیوم) است.
اما هنگامی که ولتاژ معکوس به دیود متّصل شود، (+ به کاتُد و – به آنُد؛ که به آن بایاس معکوس می گویند) جریانی از آن نمی گذرد؛ مگر جریان بسیار کمی که به «جریان نشتی» معروف است و در حدود چند میکروآمپر یا حتّی کمتر است. این مقدار جریان معمولاً در اغلب مدارهای الکترونیکی قابل چشم پوشی است و تأثیری در رفتار سایر المان های مدار نمی گذارد.
هرچه جنس بلور به کار رفته در ساخت دیود، به لحاظ ساختار، منظم تر باشد، دیودْ مرغوب تر و جریان نشتی، کمتر خواهد بود. مقدار جریان نشتی در دیودهای با فناوری جدید، عملاً به صفر می گراید. نکتهٔ مهم آنکه تمام دیودها یک آستانه برای بیشینهٔ ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژ معکوس، بیش از آن شود، دیود می‌سوزد (بلور ذوب می شود) و جریان را در جهت معکوس نیز می گذراند. به این ولتاژ آستانه، «ولتاژ شکست» گفته می شود.
بایاس دیود:
وصل کردن ولتاژ به دیود را بایاس کردن دیود می گویند .اعمال ولتاژدر دو سر پایه هایش دو حالت را پیش می آورد.
بایاس مستقیم یا تغذیه مستقیم:
دراین حالت مثبت باتری به آند (قطب p ) و منفی باتری به کاتد (قطب n ) می خورد و باعث می شود تا جریان در دیود برقرار شود و ولتاژی حدود ۰.۶ روی آن افت می کند.
بایاس معکوس:
ولتاژ به دو سر دیود طوری وصل می شود که قطب مثبت آن به کاتد و قطب منفی آن به آند وصل گردد (بایاس معکوس دیود).
هنگامی که شما ولتاژ معکوس به دیود متصل می کنید جریانی از دیود عبور نمی کند، مگر جریان بسیار کمی که به جریان نشتی معروف است که در حدود چند µA یا حتی کمتر می باشد.
اما نکته مهم آنکه تمام دیودها یک آستانه برای حداکثر ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژ معکوس بیش از آن شود دیود می سوزد و جریان را در جهت معکوس هم عبور می دهد. به این ولتاژ آستانه شکست یا Breakdown گفته می شود.
دسته بندی کلی دیودها :
در دسته بندی اصلی، دیودها را به سه قسمت اصلی تقسیم می کنند، دیودهای سیگنال (Signal) که برای آشکار سازی در رادیو بکار می روند و جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می دهند، دیودهای یکسوکننده (Rectifiers) که برای یکسوسازی جریان های متناوب بکاربرده می شوند و توانایی عبور جریان های زیاد را دارند و دیودهای زنر (Zener) که برای تثبیت ولتاژ از آنها استفاده می شود.
دیودهای سیگنال
این نوع از انواع دیودها برای پردازش سیگنال های ضعیف – معمولا رادیویی و کم جریان تا حداکثر حدود ۱۰۰mA کاربرد دارند. معروفترین و پر استفاده ترین آنها که ممکن است با آن آشنا باشید دیود ۱N4148 است که از سیلیکون ساخته شده است و ولتاژ بایاس مستقیم آن ۰.۷ ولت است.
اما برخی از دیودهای سیگنال از ژرمانیم هم ساخته می شوند، مانند OA90 که ولتاژ بایاس مستقیم پایینتری دارد، حدود ۰.۲ ولت. به همین دلیل از این نوع دیود بیشتر برای آشکار سازی امواج مدوله شده رادیویی استفاده می شود.
دیود سیلیسیم بهتر است یا ژرمانیم؟
بصورت یک قانون کلی هنگامی که ولتاژ شکست مستقیم دیود خیلی مهم نباشد، از دیودهای سیلیکون استفاده می شود. دلیل آن مقاومت بهتر آنها در مقابل حرارت محیط یا حرارت هنگام لحیم کاری و نیز مقاومت الکتریکی کمتر در ولتاژ مستقیم است. همچنین دیود های سیلیکونی سیگنال معمولا در ولتاژ معکوس جریان نشتی بسیار کمتری نسبت به نوع ژرمانیم دارند.
از کاربرد دیگری که برای دیودهای سیگنال وجود دارد می توان به استفاده از آنها برای حفاظت مدار هنگامی که رله در یک مدار الکترونیکی قرار دارد نام برد. هنگامی که رله خاموش می شود تغییر جریان در سیم پیچ آن می تواند در دوسر آن ولتاژ بسیار زیادی القا کند که قرار دادن یک دیود در جهت مناسب می تواند این ولتاژ را خنثی کند.
انواع دیود
شامل موارد زیر است.
• دیود معمولی
• دیود زنر
• دیود LED
• دیود شاتکی
• پل دیود
دیود معمولی:
ظاهر دیودهای معمولی بصورت زیر است. نوار سفید رنگ روی دیود مشخص کننده کاتد می باشد.
تست بوق در دیود
در حالی که دیود روی بورد است از آن تست بوق (تست اتصال کوتاه) بگیرید اگر صدای بوق (بازر) شنیده شد دیود خراب می باشد.
تست دیود با مولتیمتر:
در ابتدا دیود را از مدار جدا کنید. سلکتور مولتیمتر را روی دیود قرار داده و پروب قرمز را به سر آند و پروب مشکی را به سر کاتد (سمت نوار سفید روی دیود) وصل کنید در این حالت مولتیمتر مقداری را بر حسب ولت نشان می دهد. حال اگر جای پروب ها را عوض کرده و پروب مشکی را به آند و پروب قرمز را به کاتد دیود وصل کنید که باید مولتیمتر مقدار بی نهایت را بصورت OL نشان دهد یعنی دیود جریانی را در جهت عکس خود عبور نمی دهد.
دیود زنر
کاربرد دیود زنر در تثبیت ولتاژ می باشد. نوار مشکی روی دیود زنر، کاتد دیود است. ولتاژ دو سر دیود زنر تقریبا ثابت است و تغییرات جریان در آن تاثیری ندارد. از این دیود ها در ناحیه شکست استفاده می شود. ولتاژ شکست این دیود ها را ولتاژ زنر می نامند و آن را با Vz نمایش می دهند و مقدار آن بین ۲.۴ ولت تا ۲۰۰ ولت ساخته می شوند.
چون دیود زنر باید بصورت معکوس بایاس شود کاتد آن به مثبت منبع ولتاژ (تغذیه) و آند آن به قطب منفی منبع ولتاژ وصل می شود، در این صورت جهت جریان از کاتد به آند خواهد بود. تست این دیود توسط مولتیمتر همانند دیود معمولی می باشد.
دیود LED
دیودهای LED دقیقا مانند دیود های معمولی هستند و بصورت مستقیم بایاس می شوند یعنی مثبت منبع تغذیه به آند و منفی آن به کاتد متصل می شود و نوری ساطع می کند. بسته به نوع رنگ، LED سبز، آبی، قرمز و … نامیده می شود.
تست دیود LED
برای تست دیود LED آن را از مدار خارج کرده و پروب قرمز مولتیمتر را به سر آند و پروب قرمز را به سر کاتد وصل کنید سپس LED باید روشن شود. دقت کنید اگر جای پروب ها را عوض کنید مولتیمتر باید مقدارOL را نشان دهد.
دیود شاتکی
دیودی نیمه هادی با افت ولتاژ پایین در حالت بایاس مستقیم و سرعت کلید زنی بسیار بالا می باشد. در دیود های معمولی هنگام عبور جریان الکتریکی مقدار افت ولتاژ در حدود ۰.۶ تا ۱.۷ ولت می باشد در حالی که در دیود شاتکی افت ولتاژ در حدود ۰.۱۵ تا ۰.۴۵ ولت می باشد. دیود شاتکی از ترکیب دو دیود معمولی تولید می شود.
ساختمان دیود شاتکی بصورت زیر است:
تست بوق در دیود شاتکی:
برای تست دیود شاتکی روی مدار با تست اتصال کوتاه، سلکتور مولتیمتر را روی بازر قرار دهید سپس پروب ها را یکی یکی به پایه های دیود وصل کرده و اگر صدای بازر شنیده شد، دیود خراب است.
تست دیود شاتکی با مولتیمتر:
ابتدا دیود شاتکی را از مدار خارج کنید سپس سلکتور مولتیمتر را روی دیود قرار داده و پروب قرمز را به پایه ۱ (آند) و پروب مشکی را به پایه ۲ (کاتد) متصل کنید که در این حالت مولتیمتر مقداری ولتاژی را نشان می دهد.
جای پروب های قرمز و مشکی را عوض کنید و پروب قرمز را به پایه ۲ (کاتد) و پروب مشکی را به پایه ۱ (آند) وصل کنید که در این حالت مولتیمتر اصطلاحا راه نمی دهد و مقدار OL (بی نهایت) را نشان می دهد.
پروب مشکی را به پایه ۲ (کاتد) و پروب قرمز را به پایه ۳ (آند) اتصال دهید؛ که در این حالت مولتیمتر راه می دهد و مقدار عددی را نشان می دهد. حال جای پروب ها را عوض کنید و پروب قرمز را به پایه ۲ (کاتد) و پروب مشکی را به پایه ۳ (آند) وصل کنید که در این حالت مولتیمتر مقدار بی نهایت نشان داده می دهد. اگر این شروط برقرار باشد دیود شاتکی سالم است.
پل دیود:
مداری است که با تغییر دادن پلاریته تغذیه ورودی آن، پلاریته خروجی تغییر نمی کند و معمولا برای یکسو سازی جریان متناوب و بدست آوردن جریان مستقیم تمام موج استفاده می شود.
پل دیودی شامل چهار دیود معمولی است که مدار آن بصورت زیر است :
تست پل دیود
تست پل دیود (ترکیب ۴ دیود) بوسیله تست بوق:
سلکتور مولتیمتر را روی بازر(بوق) قرار داده اگر پروب های قرمز و منفی به دو پایه ای که در آند مشترک هستند وصل شوند مولتیمتر باید بوق پیوسته بزند که نشان دهنده اتصال دو پایه آندی هستند. (خروجی منفی) و اگر پروب های قرمز و منفی به دو پایه ای که در کاتد مشترک هستند وصل شوند مولتیمتر باید بوق پیوسته بزند که نشان دهنده اتصال دو پایه کاتدی هستند. (خروجی مثبت). لازم به ذکر است که در اتصال پروب های قرمز و منفی به پایه های دیگر که در آند و کاتد مشترک نیستند نباید صدای بوقی شنیده شود.
کاربرد دیود
به مدار زیر دقت کنید.
در مدار زیر با زدن کلید ۱ لامپ ۱ روشن می شود.
و با زدن کلید ۳ لامپ ۲ روشن می شود.
اگر بخواهیم با زدن یک کلید دیگر مانند کلید ۲ هر دو لامپ را روشن نماییم.
و در عین حال کلید ۱ لامپ۱ و کلید۳ لامپ ۲ را روشن نماید ، باید از Diode در مدار استفاده کنیم.
کاربرد دیود در مدار
از مدار بالا در راهنمای اتومبیل استفاده می شود.
به طوری که هم می توانیم راهنمای چپ و راست را داشته باشیم.
و برای فلاشر Diode وارد کار می شوند.
از دیگر کاربرد های Diode می توان به استفاده از آن در منابع تغذیه برای تبدیل برق AC به برق DC اشاره کرد.
