دیود سیگنال

دیود سیگنال دو پایانه کوچک هستند که جریان‌فعلی را به سمت‌جلو هدایت می‌کند و جریان‌جاری را هنگام معکوس‌کردن معکوس می‌کند.

نیمه هادی سیگنال دیود یک دستگاه نیمه رسانای غیر خطی کوچک است که به طور کلی در مدارهای الکترونیکی مورد استفاده قرار می گیرد ، جایی که جریان های کوچک یا فرکانس های بالا مانند مدارهای رادیویی ، تلویزیونی و منطقی دیجیتال درگیر هستند.

دیود سیگنال به‌شکل Point Contact Diode یا Glass Passivated Diode‌،‌از نظر‌جسمی در مقایسه‌با همتایان‌بزرگتر دیود قدرت از نظر جثه بسیار‌کوچک‌هستند.

به طور کلی ، اتصال PN یک دیود سیگنال کوچک برای محافظت از اتصال PN در شیشه کپسول می شود.

معمولاً در یک انتهای بدن آنها یک باند قرمز یا سیاه برای کمک به شناسایی انتهای پایانه کاتد وجود دارد.

بیشترین کاربرد در بین دیودهای سیگنال کپسوله شیشه ای ، دیود سیگنال 1N4148 و معادل آن 1N914 است.

دیودهای سیگنال کوچک و سوئیچینگ دارای قدرت و جریان بسیار کمتری هستند ، در حدود 150mA ، 500mW حداکثر در مقایسه با دیودهای یکسوساز ، اما آنها می توانند در برنامه های با فرکانس بالا یا در برنامه های قطع و سوئیچ که با شکل موج پالس کوتاه مدت کار می کنند ، عملکرد بهتری داشته باشند.

مشخصات دیود سیگنال

مشخصات دیود تماس با نقطه سیگنال برای هر دو نوع ژرمانیم و سیلیکون متفاوت است و به شرح زیر است:

• دیودهای سیگنال ژرمانیوم – اینها دارای مقاومت معکوس پایین هستند که افت‌ولتاژ پایین‌تری را در محل اتصال ایجاد می‌کند.

معمولاً فقط در حدود 0.2 تا 0.3 ولت است‌، اما به‌دلیل منطقه اتصال کوچک آنها ،مقاومت به جلو بالاتر است.

• دیودهای سیگنال سیلیکون – این مقاومت در برابر مقاومت معکوس بسیار بالایی دارند و افت ولتاژ جلو را در حدود 0.6 تا 0.7 ولت در محل اتصال ایجاد می کنند.

آنها دارای مقادیر نسبتاً کمی مقاومت به‌جلو هستند که مقادیر اوج‌بالایی از جریان‌جلو و ولتاژ معکوس را به آنها می‌دهد.

نماد الکترونیکی داده شده برای هر نوع دیود یک پیکان است که در انتهای آن میله یا خط قرار دارد و این در زیر همراه با منحنی ویژگی های حالت ثابت V-I نشان داده شده است.

منحنی مشخصه دیود سیلیکون V-I

فلش همیشه در جهت جریان متعارف جریان از طریق دیود است.

به این معنی که دیود فقط در‌صورت اتصال مثبت به آند‌،‌(a) ترمینال و منبع منفی به‌ترمینال کاتد (k) متصل می‌شود.

بنابراین فقط اجازه‌می‌دهد تا جریان فقط در یک‌جهت از آن عبور‌کند‌، بیشتر شبیه یک شیر الکتریکی یک‌طرفه است‌،‌(وضعیت بایاس پیش‌رو).

با این حال ، ما از آموزش قبلی می دانیم که اگر منبع انرژی خارجی را در جهت دیگر متصل کنیم ، دیود از هر جریانی که از آن عبور می کند جلوگیری می کند و در عوض مانند یک سوئیچ باز عمل می کند ، (وضعیت معکوس) همانطور که در زیر نشان داده شده است.

دیود رو به جلو و پایه معکوس

سپس می‌توان گفت که یک دیود سیگنال کوچک ایده‌آل‌جریان را در‌یک جهت هدایت‌می‌کند (هدایت به‌جلو) و جریان‌را در‌جهت دیگر مسدود‌می‌کند‌(مسدود‌کردن‌معکوس).

دیودهای سیگنال در طیف گسترده ای از برنامه ها مانند سوئیچ در یکسو کننده ها ، محدود کننده های جریان ، فشار ولتاژ یا مدارهای شکل دهنده موج استفاده می شوند.

پارامترهای دیود سیگنال

دیودهای سیگنال در محدوده‌ولتاژ و رتبه‌بندی جریان تولید می‌شوند و باید در‌هنگام انتخاب دیود برای یک برنامه خاص دقت شود.

یک آرایه گیج کننده از ویژگیهای ساکن مربوط به دیود سیگنال فروتن وجود دارد اما مهمترین آنهاست.

1. حداکثر جریان جلو

حداکثر‌جریان به‌جلو (IF (حداکثر)) همانطور که از نام آن بر می‌آید حداکثر جریان رو به جلو مجاز برای‌عبور از دستگاه‌است.

وقتی دیود در شرایط بایاس رو به جلو هدایت می شود ، از یک مقاومت بسیار کم “ON” در محل اتصال PN برخوردار است و بنابراین ، برق به صورت گرما از طریق این محل اتصال (قانون اهم) پراکنده می شود.

سپس‌،‌بیش از مقدار آن‌(IF (حداکثر)) باعث تولید‌گرمای بیشتر در محل‌اتصال می‌شود و دیود به‌دلیل اضافه‌بار حرارتی از کار‌می‌افتد‌،‌که معمولاً عواقب‌مخربی‌دارد.

هنگام کارکردن دیودها در‌اطراف حداکثر درجه‌بندی جریان آنها‌، همیشه‌بهتر است خنک‌کننده اضافی برای دفع‌گرمای تولید شده توسط دیود تهیه شود.

به عنوان مثال‌، دیود سیگنال کوچک 1N4148 ما دارای حداکثر درجه‌جریان در‌حدود 150mA با اتلاف قدرت 500mW در 25oC است.

سپس باید از یک مقاومت به صورت سری با دیود استفاده شود تا جریان جلو (IF (حداکثر)) از طریق آن به زیر این مقدار محدود شود.

2. اوج ولتاژ معکوس

حداکثر ولتاژ معکوس (PIV) یا (VR (حداکثر)) حداکثر ولتاژ معکوس مجاز است که می تواند در سراسر دیود اعمال شود بدون خرابی معکوس و صدمه ای که به دستگاه وارد شود.

بنابراین این رتبه بندی معمولاً کمتر از سطح “شکست بهمن” در منحنی مشخصه بایاس معکوس است.

مقادیر معمول VR (حداکثر) از چند ولت تا هزار ولت است و هنگام تعویض دیود باید در نظر گرفته شود.

ولتاژ معکوس اوج یک پارامتر مهم است و عمدتا برای اصلاح دیودها در مدارهای یکسوساز AC با اشاره به دامنه ولتاژ در صورت تغییر شکل موج سینوسی از مقدار مثبت به منفی در هر چرخه استفاده می شود.

3. اتلاف انرژی کل

دیودهای سیگنال دارای درجه کل اتلاف توان (PD (حداکثر)) هستند.

این درجه بندی حداکثر اتلاف توان دیود در هنگام انحراف به جلو (هدایت) است.

هنگامی‌که جریان از طریق دیود سیگنال عبور‌می‌کند‌، انحراف از‌اتصال PN کامل نیست و مقداری‌مقاومت در برابر گردش جریان ایجاد می‌کند.

در نتیجه انرژی در دیود به صورت گرما پراکنده می شود (از دست می رود).

از آنجا که دیودهای سیگنال کوچک دستگاه های غیر خطی هستند ، مقاومت اتصال PN ثابت نیست ، این یک ویژگی دینامیکی است ، بنابراین ما نمی توانیم از قانون Ohms برای تعریف توان از نظر جریان و مقاومت یا ولتاژ و مقاومت برای مقاومت استفاده کنیم.

سپس برای یافتن توان تلف شده توسط دیود باید افت ولتاژ را در آن ضربدر جریان عبوری در آن کنیم:

PD = V * I

4. حداکثر درجه حرارت کاری

حداکثر دمای عملیاتی در واقع مربوط به دمای اتصال (TJ) دیود است و مربوط به حداکثر اتلاف توان است.

این حداکثر درجه حرارت‌مجاز قبل از خراب‌شدن ساختار دیود است و در‌واحد درجه سانتیگراد بر وات بیان می‌شود‌(oC / W).

این مقدار از نزدیک با حداکثر جریان جلو دستگاه مرتبط است تا در این‌مقدار از دمای محل اتصال بیشتر نشود.

با این حال‌، حداکثر جریان رو به جلو نیز به دمای محیطی که دستگاه در آن کار می‌کند بستگی دارد.

بنابراین حداکثر‌جریان رو به‌جلو معمولاً برای دو یا چند مقدار‌دمای محیط مانند‌25 درجه سانتیگراد یا 70 درجه سانتیگراد ذکر می‌شود.

سپس سه‌پارامتر اصلی وجود‌دارد که باید هنگام انتخاب یا جایگزینی دیود سیگنال در نظر گرفته شود و این موارد عبارتند‌از:

• رتبه بندی ولتاژ معکوس
• رتبه بندی جریان به جلو
• امتیاز تخلیه انرژی به جلو

آرایه های دیود سیگنال

وقتی فضا محدود است یا جفتهای منطبق دیودهای سیگنال سوئیچینگ مورد‌نیاز است‌، آرایه های دیودی می توانند بسیار مفید باشند.

آنها معمولاً از دیودهای سیلیکونی با سرعت بالا با ظرفیت کم مانند 1N4148 متصل شده در بسته های دیودهای متعدد به نام آرایه برای استفاده در سوئیچینگ و بستن در مدارهای دیجیتال.

آنها در بسته های تک خطی (SIP) شامل 4 یا بیشتر دیود داخلی متصل شده اند تا همانطور که نشان داده شده است ، یک آرایه جداگانه جداگانه ، کاتد مشترک ، (CC) یا یک آند مشترک (CA) ایجاد کنید.

آرایه های دیود سیگنال

آرایه های دیود سیگنال همچنین می توانند در مدارهای دیجیتالی و رایانه ای برای محافظت از خطوط داده با سرعت بالا یا سایر پورت های موازی ورودی / خروجی در برابر تخلیه الکترواستاتیک ، (ESD) و ولتاژ گذرا استفاده شوند.

همانطور که نشان داده شده است ، با اتصال دو دیود به صورت سری از طریق ریلهای منبع با خط داده متصل به محل اتصال آنها ، هرگونه گذرا ناخواسته به سرعت از بین می رود و چون دیودهای سیگنال در آرایه های 8 برابر در دسترس هستند ، می توانند از هشت خط داده در یک بسته واحد محافظت کنند.

از آرایه‌های دیود سیگنال می‌توان برای‌اتصال دیودها به دو‌سری یا ترکیب‌موازی برای‌تشکیل مدارهای تنظیم‌کننده ولتاژ یا حتی‌تولید ولتاژ مرجع‌ثابت استفاده‌کرد.

ما می‌دانیم که افت‌ولتاژ جلو در‌یک دیود‌سیلیکونی حدود‌0.7‌ولت است و با‌اتصال تعدادی‌دیود به‌صورت‌سری‌، افت‌ولتاژ کل حاصل‌جمع افت‌ولتاژ هر دیود خواهد‌بود.

با این حال‌، وقتی دیودهای سیگنال به صورت سری به هم متصل می شوند‌، جریان برای هر دیود یکسان خواهد‌بود.

بنابراین نباید از حداکثر جریان جلوتر عبور کرد.

اتصال دیود سیگنال به صورت سری

برنامه دیگر برای دیود سیگنال کوچک ایجاد منبع تغذیه ولتاژ تنظیم شده است.

دیودها به صورت سری به هم متصل می شوند تا ولتاژ ثابت DC را در ترکیب دیود ایجاد کنند.

ولتاژ خروجی روی دیودها علی رغم تغییر در جریان بار ناشی از ترکیب سری یا تغییر در ولتاژ منبع تغذیه DC که آنها را تغذیه می کند ، ثابت می ماند. مدار زیر را در نظر بگیرید.

دیودهای سیگنال به صورت سری

افت ولتاژ رو به جلو در یک دیود سیلیکونی تقریباً در حدود 0.7 ولت ثابت است.

در‌حالی که جریان از‌طریق آن با مقادیر نسبتاً زیادی متفاوت‌است‌، یک دیود سیگنال با پیش‌فرض می‌تواند یک‌مدار تنظیم‌ولتاژ ساده ایجاد‌کند.

افت ولتاژ منفرد در هر دیود از ولتاژ منبع تغذیه کم می شود تا پتانسیل ولتاژ مشخصی در برابر مقاومت بار باقی بماند و در مثال ساده ما در بالا این به صورت 10 ولت – (3 * 0.7 ولت) = 7.9 ولت آورده شده است.

به این دلیل که هر دیود دارای یک مقاومت اتصال است که مربوط به جریان سیگنال کوچکی است که از آن عبور می کند و سه دیود سیگنال به صورت سری سه برابر ارزش این مقاومت را دارند ، همراه با مقاومت بار R ، یک تقسیم ولتاژ در سراسر منبع را تشکیل می دهد.

با افزودن دیودهای بیشتر در سری ، کاهش ولتاژ بیشتری رخ می دهد.

همچنین دیودهای متصل‌سری را می‌توان به‌طور موازی با مقاومت بار قرار داد تا به‌عنوان یک مدار تنظیم‌کننده ولتاژ عمل ‌کند.

در اینجا ولتاژ اعمال شده به مقاومت بار 3 * 0.7v = 2.1V خواهد بود.

البته ما می توانیم همان منبع ولتاژ ثابت را با استفاده از یک دیود زنر واحد تولید کنیم.

مقاومت ، RD برای جلوگیری از جریان زیاد جریان از طریق دیودها در صورت برداشتن بار استفاده می شود.

دیودهای چرخ آزاد

دیودهای سیگنال همچنین می توانند در انواع مدارهای بست ، محافظت و شکل گیری موج مورد استفاده قرار گیرند که متداول ترین شکل مدار دیود بست است که از دیود متصل به موازات یک سیم پیچ یا بار القایی استفاده می کند تا از آسیب رسیدن به مدار سوئیچینگ ظریف توسط سرکوب سنبله های ولتاژ و / یا گذرا که هنگام بارگیری ناگهانی بار “خاموش” تولید می شوند.

این‌نوع دیود به ‌طور ‌کلی به‌عنوان‌”دیود چرخان آزاد”‌،‌”دیود فلایول”‌یا به‌سادگی دیود Freewheel شناخته می‌شود که معمولاً نامیده می‌شود.

دیود Freewheel برای محافظت از سوئیچ های حالت جامد مانند ترانزیستورهای قدرت و MOSFET در برابر آسیب دیدگی توسط محافظت در برابر باتری معکوس و همچنین محافظت در برابر بارهای بسیار القایی مانند سیم پیچ های رله یا موتورها استفاده می شود و نمونه ای از اتصال آن در زیر نشان داده شده است.

استفاده از دیود Freewheel

مدرن سوئیچینگ سریع ، دستگاه های نیمه هادی قدرت به دیودهای سوئیچینگ سریع مانند دیودهای چرخدار آزاد نیاز دارند تا از آنها در برابر بارهای القایی مانند سیم پیچ موتور یا سیم پیچ رله محافظت کند.

هر‌بار که دستگاه‌سوئیچینگ بالا‌”روشن” می‌شود‌،‌دیود چرخ آزاد از حالت‌هدایت به حالت مسدود کننده تبدیل می‌شود‌، زیرا مغرضانه معکوس می‌شود.

با این حال ، وقتی دستگاه به سرعت “خاموش” می شود ، دیود مغرضانه به جلو سوق می یابد و سقوط انرژی ذخیره شده در سیم پیچ باعث می شود تا جریان از طریق دیود چرخ آزاد عبور کند.

بدون‌محافظت از دیود‌چرخهای آزاد جریانهای‌di / dt بالا باعث‌می‌شود که یک‌جهش ولتاژ‌بالا یا گذرا در‌اطراف مدار‌جریان‌یابد و احتمالاً به‌دستگاه‌سوئیچینگ آسیب‌برساند.

پیش از این ، سرعت کارکرد دستگاه سوئیچینگ نیمه هادی ، ترانزیستور ، MOSFET ، IGBT یا دیجیتال با اضافه شدن دیود چرخ دار در سراسر بار القایی با دیودهای Schottky و Zener که به جای آن در برخی از برنامه ها استفاده می شود ، دچار اختلال شده است.

اما در طی چند سال گذشته ، دیودهای چرخ عمدتا به دلیل بهبود ویژگی های بازیابی معکوس و استفاده از مواد نیمه رسانای فوق العاده سریع که قادر به کار در فرکانس های سوئیچینگ بالا هستند ، دوباره اهمیت پیدا کرده اند.

انواع‌دیگر دیودهای تخصصی که در اینجا گنجانده نشده است‌، دیودهای عکس‌، دیودهای PIN‌، دیودهای تونلی و دیودهای مانع شواتکی هستند.

با افزودن اتصالات PN بیشتر به‌ساختار اصلی دیود دو لایه می‌توان انواع دیگری از دستگاه های نیمه هادی را ایجاد‌کرد.

به عنوان مثال

یک دستگاه نیمه هادی سه لایه به یک ترانزیستور تبدیل می شود.

یک دستگاه نیمه هادی چهار لایه به یک تریستور یا یکسو کننده کنترل شده با سیلیکون تبدیل می شود.

دستگاه های پنج لایه معروف به Triac نیز موجود هستند.

در آموزش بعدی در مورد دیودها‌، دیود سیگنال بزرگی را مشاهده می کنیم که گاهی اوقات دیود قدرت نامیده می‌شود.

دیودهای قدرت دیودهای سیلیکونی هستند که برای استفاده در مدارهای تصحیح شبکه با ولتاژ بالا و جریان بالا طراحی شده‌اند.