آشنایی با دیودهای سیگنال 

دیود های سیگنال دو پایانه کوچک هستند که جریان را زمانی که بایاس مستقیم شده‌اند جاری و هنگامی که بایاس معکوس هستند جریان را مسدود می‌کنند.

دیود سیگنال

دیود های سیگنال نیمه‌هادی، یک قطعه نیمه‌هادی کوچک غیر خطی است که عموماً در مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد، بطوری که جریان‌های کوچک یا فرکانس‌های بالا در جاهایی مانند مدارهای رادیویی، تلویزیونی و منطق دیجیتال نقش دارند.

سیگنال دیودها، که گاهی اوقات با نام قدیمی آن یعنی دیود کنتاکت نقطه‌ای یا دیود منفعل شیشه نیز شناخته می‌شوند، از نظر فیزیکی در مقایسه با جفت دیود قدرتی بزرگتر بسیار کوچک هستند.

به طور کلی اتصال PN یک دیود سیگنال کوچک برای محافظت از اتصال PN در شیشه‌ای محصور می‌شود و معمولاً یک باند قرمز یا سیاه در یک انتهای بدنه خود دارند تا به شناسایی کمک کند بطوریکه انتها پایانه کاتد است. بیشترین استفاده از تمام دیود های سیگنال محصور شده شیشه‌ای، 1N4148 بسیار رایج و دیود های سیگنال معادل N9141 آن است.

دیود ‌های سیگنال و سوئیچینگ کوچک دارای نرخ جریان و توان پایین‌تر نزدیک 150 میلی‌آمپر، 500 میلی‌وات در مقایسه با دیودهای یکسو‌ساز هستند اما در کاربردهایی با فرکانس‌های بالاتر یا در کاربردهای سوئیچینگ و کلیپینگ که با شکل موج‌های پالس کوتاه مدت سرو کار دارد بهتر عمل می‌کنند.

ویژگی های دیود سیگنال

ویژگی‌های یک دیود تماس نقطه سیگنال برای هر دو نوع ژرمانیوم و سیلیکون متفاوت است و بصورت زیر است:

•  دیود های سیگنال ژرمانیوم- اینها دارای مقدار مقاومت معکوس پایین هستند که یک افت ولت مستقیم پایین‌تر در دو سر پیوند نوعا حدود 2/0 تا 3/0 ولت ارائه می‌دهد، اما داری یک مقدار مقاومت مستقیم بالاتر به دلیل مساحت پیوند کوچک خود هستند.
•  دیود های سیگنال سیلیکون- اینها دارای یک مقدار بالا مقاومت معکوس هستند و یک افت ولتاژ مستقیم حدود 6/0 تا 7/0 در دو سر پیوند ارائه می‌دهند. آنها دارای مقادیر نسبتا پایین از مقاومت مستقیم هستند که به آنها مقادیر اوج بالا از جریان مستقیم و ولتاژ معکوس ارائه می‌دهد.

نماد الکترونیکی داده شده برای هر نوع دیود، فلش با نوار یا خط در انتهای آن است و این در زیر همراه با منحنی ویژگی‌های حالت پایدار V-I نشان داده شده است.

منحنی مشخصه V-I دیود سیلیکونی

جهت پیکان همیشه در جهت شارش جریان قراردادی از دیود است به این معنی که دیود تنها اگر یک تغذیه مثبت به پایانه آند (a) وصل شود و یک تغذیه منفی به پایانه کاتد (k) وصل شود هدایت می‌کند در نتیجه به جریان اجازه عبور از آن را تنها در یک جهت می‌دهد، که بیشتر شبیه به یک شیر الکتریکی یک مسیره (موقعیت بایاس مستقیم) عمل می‌کند.

با این حال، ما از آموزش قبلی می‌دانیم که اگر منبع انرژی خارجی را در جهت دیگر وصل کنیم، دیود هر جریان جاری شده از طریق آن را مسدود می‌کند و در عوض مانند یک سوئیچ باز عمل می‌کند،(موقعیت بایاس معکوس) که در شکل زیر نشان داده شده است.

دیود بایاس شده بصورت مستقیم و معکوس

سپس می‌توان گفت که دیود های سیگنال کوچک ایده‌آل جریان را از یک جهت (هدایت مستقیم) هدایت می‌کند و جریان را در جهت دیگر (مسدود- معکوس) مسدود می‌کند. دیود های سیگنال در طیف گسترده‌ای از کاربردها مانند سوئیچ در یکسو‌کننده‌ها، محدود‌کننده‌های جریان، گیرنده‌های ولتاژ یا در مدارهای شکل‌دهنده موج استفاده می‌شود.

پارامترهای دیودهای سیگنال

دیود های سیگنال در طیف وسیعی از ولتاژ و رتبه‌بندی‌های جریان تولید می‌شوند و هنگام انتخاب یک دیود برای یک برنامه خاص باید دقت شود. مجموعه‌ای از ویژگی‌های استاتیک همراه با دیود سیگنال وجود دارد اما ویژگی‌های مهم‌تر به شرح زیر است:

جریان مستقیم بیشینه

حداکثر جریان مستقیم (I_F(max)) همانطور که از نام آن پیدا است به معنی حداکثر جریان مستقیم مجاز برای عبور درون قطعه است. هنگامی که دیود در شرایط بایاس مستقیم هدایت می‌کند، دارای مقاومت بسیار کم “ON” در دو سر اتصال PN است و بنابراین، توان در دوسر این پیوند (قانون اهم) به شکل گرما پخش می‌شود.

سپس، پیش روی بیش از مقدار (I_F(max)) آن باعث ایجاد گرمای بیشتر در دو سر پیوند می‌شود و دیود به دلیل اضافه بار حرارتی، معمولاً با عواقب مخرب، خراب خواهد شد. هنگام کارکرد دیودها در حدود حداکثر نرخ فعلی آنها برای خنک کردن گرمای تولید شده توسط دیود، بهتر است خنک‌کننده اضافی فراهم شود.

به عنوان مثال، دیود های سیگنال کوچک 1N4148 ما دارای حداکثر نرخ جریان در حدود 150 میلی‌آمپر با پخش توان 500mW در 25 درجه سانتیگراد است. سپس یک مقاومت باید بصورت سری با دیود استفاده شود تا جریان مستقیم (I_F(max)) جاری در آن را به زیر این مقدار محدود کند.

ولتاژ معکوس اوج

ولتاژ معکوس (PIV) یا حداکثر ولتاژ معکوس (V_R(max))، حداکثر ولتاژ عملیاتی معکوس مجاز است که می‌تواند بدون شکست معکوس و آسیب به قطعه در دوسر دیود اعمال شود. بنابراین، این درجه‌بندی معمولاً کمتر از سطح “شکست بهمن” در منحنی مشخصه بایاس معکوس است. مقادیر نوعی V_R(max) از چند ولت تا هزاران ولت متغیر است و هنگام تعویض با یک دیود باید در نظر گرفته شود.

ولتاژ معکوس اوج یک پارامتر مهم است و عمدتاً برای دیودهای اصلاح‌کننده در مدارهای یکسو‌کننده AC با اشاره به دامنه ولتاژ مورد استفاده که موج سینوسی است که از یک مقدار مثبت به یک مقدار منفی در هر چرخه تغییر می‌کند، استفاده می‌شود.

اتلاف توان کلی

دیود های سیگنال دارای اتلاف توان کلی، (P_D(max)) هستند. این رنج‌بندی حداکثر اتلاف توان ممکن از دیود در هنگام بایاس مستقیم (هدایت) است. هنگامی که جریان درون دیود سیگنال جریان می‌یابد، بایاس پیوند PN کاملاً مناسب نیست و مقداری مقاومت را در برابر عبور جریان ایجاد می‌کند که منجر به اتلاف توان (از بین رفتن) در دیود به صورت گرما می‌شود.

از آنجا که دیود های سیگنال کوچک دستگاه‌های غیر خطی هستند، مقاومت پیوند PN ثابت نیست، این یک خاصیت پویا است، بنابراین نمی‌توانیم از قانون اهم برای تعریف توان از نظر جریان و مقاومت یا ولتاژ و مقاومت استفاده کنیم. سپس برای پیدا کردن توانی که با دیود پراکنده می‌شود، باید افت ولتاژ را در جریان فعلی را که از آن عبور می‌کند ضرب کنیم: P_D = V * I.

دمای عملیاتی بیشینه

حداکثر دمای عملیاتی در واقع به دمای پیوند (T_J) دیود مربوط می‌شود و مربوط به حداکثر اتلاف توان است. این حداکثر دمای مجاز قبل از خراب شدن ساختار دیود است و در واحد درجه سانتیگراد در هر وات بیان می‌شود، (C / W).

این مقدار از نزدیک به حداکثر جریان مستقیم قطعه پیوند می‌یابد بنابراین در این مقدار از درجه حرارت پیوند پیش روی نمی‌کند. با این حال، حداکثر جریان مستقیم به دمای محیطی که دستگاه در آن کار می‌کند نیز بستگی دارد بنابراین حداکثر جریان مستقیم معمولاً برای دو یا چند مقدار دمای محیط مانند 25 درجه سانتیگراد یا 70 درجه سانتیگراد بیان می‌شود. سپس سه پارامتر اصلی وجود دارد که باید هنگام انتخاب یا تعویض یک دیود سیگنال در نظر گرفته شوند:

• نرخ ولتاژ معکوس
• نرخ جریان مستقیم
• نرخ توان تلف‌شده مستقیم

آرایه دیود سیگنال

هنگامی که فضا محدود است، یا جفت‌های متناوب دیود های سیگنال سوئیچینگ مورد نیاز هستند، آرایه‌های دیود می‌توانند بسیار مفید باشند. آنها عموماً از دیودهای سیلیکون با سرعت بالا از خازن پایین مانند N41481 متصل به هم در بسته‌های دیودهای مختلف به نام آرایه‌ای برای استفاده در تعویض و بستن در مدارهای دیجیتال تشکیل شده‌اند. آنها در بسته‌های تک خطی (SIP) که حاوی 4 یا بیشتر دیود متصل به داخل هستند محصور می‌شوند تا به یک آرایه جدا شده جداگانه، کاتد مشترک، (CC) یا به یک آند مشترک، (CA) تبدیل شوند که در زیر نشان داده شده است.

آرایه سیگنال دیود

از آرایه‌های دیود سیگنال نیز می‌توان در مدارهای دیجیتالی و رایانه‌ای استفاده کرد تا از خطوط داده با سرعت بالا یا سایر درگاه‌های موازی ورودی / خروجی در برابر تخلیه الکترواستاتیک، (ESD) و گذرای ولتاژ محافظت شود.

با اتصال دو دیود به صورت سری در سراسر ریل‌های عرضه با خط داده متصل به محل اتصال آنها همانطور که نشان داده شده است، هرگونه گذر ناخواسته به سرعت از بین می‌رود و از آنجا که دیودهای سیگنال در آرایه‌های 8 برابری موجود هستند می‌توانند از هشت خط داده در یک بسته واحد محافظت کنند.

از آرایه‌های دیود سیگنال نیز می‌توان برای اتصال دیودها در هر دو سری یا ترکیب موازی استفاده کرد تا یک تنظیم‌کننده ولتاژ یا مدارهای نوع کاهش‌دهنده ولتاژ یا حتی برای تولید یک ولتاژ مرجع ثابت شناخته شده استفاده کرد.

ما می‌دانیم که افت ولتاژ مستقیم در دو سر یک دیود سیلیکون در حدود 0.7 ولت است و با اتصال تعدادی دیود به صورت سری با یکدیگر، افت ولتاژ جمع افت ولتاژ‌های مستقل هر دیود خواهد شد.

اما، هنگامی که دیود های سیگنال به صورت سری به یکدیگر وصل می‌شوند، جریان برای هر دیود یکسان خواهد بود و نباید از جریان مستقیم بیشینه پیش‌روی کند.

اتصال دیود سیگنال سری

کاربرد دیگر دیود سیگنال کوچک ایجاد منبع ولتاژ تنظیم شده است. دیودها به صورت سری به هم وصل می‌شوند تا یک ولتاژ ثابت ثابت در سراسر ترکیب دیود فراهم شود. ولتاژ خروجی در سراسر دیودها علی‌رغم تغییر در جریان بار ناشی از ترکیب سری یا تغییر ولتاژ منبع تغذیه DC که آنها را تغذیه می‌کند، ثابت است. مدار زیر را در نظر بگیرید.

مدار دیود سیگنال سری

از آنجا که افت ولتاژ رو به جلو در یک دیود سیلیکون ثابت و تقریباً در حدود 0.7 ولت است، در حالی که جریان عبوری از آن با مقادیر نسبتاً زیادی تغییر می‌کند، یک دیود سیگنال بایاس مستقیم می‌تواند یک مدار تنظیم ولتاژ ساده باشد. افت ولتاژ مستقل در هر دیود از ولتاژ منبع تغذیه کم می‌شود تا پتانسیل ولتاژ معینی را در سراسر مقاومت بار باقی بگذارد و در مثال ساده ما در بالا این به صورت 10v-(3*0.7V)=7.9V ارائه می‌شود.

این امر به این دلیل است که هر دیود دارای مقاومت پیوند مربوط به جریان سیگنال کوچکی که از آن عبور می‌کند است و سه دیود سیگنال به صورت سری دارای سه برابر این مقاومت به همراه مقاومت به بار R  هستند که، تقسیم‌کننده ولتاژ را در دو سر منبع تغذیه تشکیل می‌دهند.

با افزودن دیودهای بیشتر بصورت سری، کاهش ولتاژ بیشتر اتفاق می‌افتد. همچنین دیودهای متصل به سری می‌توانند به موازات مقاومت بار قرار گیرند تا به عنوان یک مدار تنظیم ولتاژ عمل کنند.

در اینجا ولتاژ اعمال شده به مقاومت بار V2.1=V0.7*3 خواهد بود. البته ما می‌توانیم با استفاده از یک دیود زنر، همان منبع ولتاژ ثابت را تولید کنیم. مقاومت R_D برای جلوگیری از جریان بیش از حد جاری در دیودها به هنگام حذف بار، استفاده می‌شود.

دیودهای Freewheel

دیودهای سیگنال همچنین می‌توانند در مدارهای مختلف گیره، محافظت و مدارهای شکل‌دهی موج با رایج‌ترین شکل مدار دیود گیره که از یک دیود متصل به صورت موازی با سیم‌پیچ یا بار القایی برای جلوگیری از آسیب رساندن به مدار سوئیچ حساس با سرکوب پیک ولتاژ و یا انتقال‌هایی که به هنگام خاموش شدن ناگهانی بار ایجاد می‌شود استفاده کرد. این نوع دیود معمولاً به عنوان “دیود flywheel” یا بسادگی “دیود freewheel” نامیده می‌شوند.

دیود Freewheel برای محافظت سوئیچ‌های حالت جامد از قبیل ترانزیستورهای برق و ماسفت از آسیب به دلیل محافظت باتری معکوس و همچنین محافظت در برابر بارهای بسیار القایی مانند سیم پیچ رله یا موتور استفاده می‌شود و نمونه‌ای از اتصال آن در زیر نشان داده شده است.

استفاده از دیود Freewheel

سوئیچینگ سریع مدرن، دستگاه‌های نیمه‌هادی توان به دیودهای سریع سوئیچینگ مانند دیودهای چرخان احتیاج دارند تا از آنها در برابر بارهای القایی مانند سیم‌پیچ موتور یا سیم‌پیچ رله محافظت کنند. هر زمان که قطعه سوئیچینگ “روشن” شد، دیود چرخان به دلیل بایاس معکوس از حالت هدایت به حالت مسدودکننده تغییر می‌کند.

با این حال، هنگامی که دستگاه به سرعت خاموش می‌شود، دیود بایس معکوس می‌شود و فروپاشی انرژی ذخیره شده در سیم‌پیچ باعث می‌شود جریان از دیود چرخان جریان یابد. بدون محافظت دیود freewheel، جریان‌های زیاد di/ dt باعث پیک ولتاژ بالا یا گذرا برای شارش مدار می‌شود که احتمالاً به قطعه سوئیچینگ آسیب می‌رساند.

قبلا، سرعت کار قطعه سوئیچینگ نیمه‌هادی و هم ترانزیستور، ماسفت، IGBT یا دیجیتال با افزودن دیود چرخان در طول بار القایی با دیودهای شاتکی و دیود زنر که در عوض در برخی از برنامه‌ها استفاده می‌شود، مختل شده است. اما در طی چند سال گذشته، دیودهای چرخان به دلیل ویژگی‌های بهبود یافته معکوس دوباره و استفاده از مواد نیمه‌هادی فوق‌العاده سریع قادر به کار در فرکانس‌های سوئیچینگ بالا، است.

انواع دیگر دیودهای تخصصی که در اینجا گنجانده نشده‌اند عبارتند از: دیود‌های نوری، دیودهای PIN، دیود‌های تونلی و دیودهای پل شاتکی. با افزودن پیوندهای PN بیشتر به ساختار دیود پایه دو لایه، می‌توان انواع دیگری از وسایل نیمه‌هادی را ساخت.

به عنوان مثال، یک قطعه نیمه‌هادی سه لایه به ترانزیستور تبدیل می‌شود، یک قطعه نیمه‌هادی چهار لایه تبدیل به یک اصلاح‌کننده کنترل شده تریستور یا سیلیکون می‌شود و یک قطعه پنج لایه به عنوان Triac شناخته می‌شود و نیز موجود است.

در آموزش بعدی در مورد دیودها، به دیود سیگنال بزرگی که گاهی به آن دیود توان گفته می‌شود، خواهیم پرداخت. دیودهای توان دیودهای سیلیکونی هستند که برای استفاده در مدارهای اصلاح ولتاژ بالا و جریان بالا طراحی شده‌اند.