دیود، انواع دیود ، چگونگی تست و کاربردهای آن

دیود (یکسوساز) قطعه‌ای دوپایه بوده که جریان الکتریکی را در یک‌جهت از خود عبور می‌دهد و در جهت دیگر، در مقابل گذر جریان از خود، مقاومت بسیار بالایی از خود نشان می‌دهد. در حال حاضر، رایج‌ترین نوع دیود از بلور ماده‌های نیمه‌هادی ساخته می‌شود. این قطعه را از اتصال دو نیم‌رسانا از نوع P و N می‌سازند. به پایه‌ای که به نیمه‌هادی N متصل است “کاتد” و به پایه‌ای که به نیمه‌هادی نوع P متصل است “آند” گفته می‌شود. و اولین قطعه تولیدشده با نیمه‌هادی‌ها است.

مهم‌ترین کاربرد دیود، عبور جریان در یک‌جهت و ممانعت در برابر گذر جریان در جهت مخالف می‌باشد. درنتیجه می‌توان به این قطعه مثل یک شیر الکتریکی یک‌طرفه نگاه کرد. از این ویژگی برای تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم استفاده می‌شود.

ساختار و عملکرد دیودها

به لحاظ الکتریکی، یک دیود، هنگامی جریان را از خود می‌گذراند که با برقرار کردن ولتاژ (بایاس کردن) در جهت درست (+ به آند و – به کاتُد که به آن بایاس مستقیم گفته می‌شود) آن را آماده کار نمود. مقدار ولتاژی که باعث می‌شود تا دیود شروع به رسانش جریان الکتریکی نماید، ولتاژ آستانه نامیده می‌شود که بسته به نوع دیود از ۰٫۲ ولت تا ۱٫۵ ولت می‌باشد. امّا هنگامی‌که ولتاژ معکوس متصل شود، (+ به کاتُد و – به آنُد که به آن بایاس معکوس می‌گویند) تقریباً جریانی از آن، نمی‌گذرد. امّا نکتۀ مهم اینکه تمام دیودها یک آستانه برای بیشینه ولتاژ معکوس دارند که اگر ولتاژ معکوس، بیش از آن شود، دیود می‌سوزد و جریان را در جهت معکوس نیز می‌گذراند. به این ولتاژ آستانه، «ولتاژ شکست» گفته می‌شود.(منبع:ویکی‌پدیا)

اگر بیش از این علاقه دارید که با ساختمان و ساختار دیود آشنا شوید، پیشنهاد می‌کنم کلیپ زیر را مشاهده کنیذ:

مشخصه‌های مهم 

دیودها مشخصه‌هایی دارند که از دیتاشیت آن‌ها قابل‌استخراج است:

• جریان متوسط(If): بیشترین مقدار مجاز جریان در بایاس مستقیم
• بیشینه جریان لحظه‌ای(IM): حداکثر جریانی که به مدت ۱۰ میلی‌ثانیه می‌توان به دیود اعمال کرد، بدون اینکه آسیبی به آن برسد.
• بیشینه جریان لحظه‌ای ناتکراری(IFSM): جریانی که با یک‌بار اعمال به دیود، باعث خرابی آن می‌گردد.
• بیشینه ولتاژ معکوس تکراری(VRRM): بیشینه ولتاژی است که در بایاس معکوس به دیود، آسیبی نخواهد رساند.
• بیشینه ولتاژ معکوس نا تکراری(VRSM): بیشینه ولتاژ لحظه‌ای قابل‌تحمل در بایاس معکوس است.

انواع

• دیود معمولی یا دیود یک‌سوساز ( که موضوع اصلی این مقاله است)
• دیود زنر: کاربرد اصلی این دیود در مدارهای الکترونیکی جهت تثبیت ولتاژ است.
•  دیود LED: نشانگرهای نورانی که در مدارهای گوناگون قابل مشاهده می‌باشد.
• دیود شاتکی: در مدارهای الکترونیکی جهت جلوگیری از ورود ولتاژهای ناخواسته به مدار، استفاده می‌شود.
• پل دیود: ترکیبی از چهار دیود یک‌سوساز بوده و جهت تبدیل ولتاژهای AC به DC استفاده می‌شود.

کاربرد دیود در اتوماسیون صنعتی

دیودها در صنعت اتوماسیون به شکل کارت دیودی و به‌منظور حفاظت از قطعات و تجهیزات تولید می‌گردند. دو کاربرد اصلی کارت‌های دیود عبارت‌اند از:

– بایاس در حالت مستقیم: جهت حفاظت از تجهیزات در برابر اتصال پلاریته اشتباه در ورودی

-بایاس در حالت معکوس: جهت حفاظت از تجهیزات در برابر جریان بازگشتی یا اضافه ولتاژ

تست سلامت دیود

در برخی موارد می‌توان دیود را در داخل مدار در حالت خاموش تست کرد، ولی این احتمال وجود دارد که وجود مدارهای موازی، در تست اختلال ایجاد کند، لذا پیشنهاد می‌گردد که ابتدا دیود را در مدار تست کنید و اگر نتایج تست خارج موارد زیر بود، یک پایه آن را از مدار خارج کرده و مجدد تست کنید.

برای تست دیود نیاز به یک مولتیمتر دیجیتال است.مولتیمتر را در حالت تست دیود(تست بوق) قرار می‌دهیم و پراب ها را مطابق تصویر زیر در دو حالت، به پایه‌های آن وصل می‌کنیم:
بعد جهت قرارگیری پراب های مولتیمتر را تغییر دهید.

حال اگر:

• در یک جهت عددی را بر روی مولتی متر مشاهده شد و در جهت دیگر هیچ عددی ندیدیم، در این صورت دیود شما سالم است.(مانند تصویر بالا)
• اگر در هر دو جهت هیچ عددی مشاهده نشد یا در هر دو جهت عدد مشاهده کردید دیود سوخته است.

توجه: دیودها اکثراً در هنگام سوختن اتصال کوتاه می‌شوند، بنابراین در این حالت مولتی متر در هر دو حالت یک عدد بسیار نزدیک به صفر نشان خواهد داد و بوق می‌زند.

در ویدیوی زیر نیز می‌توانید “نحوه تست دیود” را به‌صورت تصویری مشاهده فرمایید:

جریان بازگشتی، آسیب‌زننده پنهان

جریان بازگشتی، جریانی است که پس از ارسال فرمان قطع به بارهای سلفی نظیر شیر برقی، رله‌ها، کنتاکتورها، ترمزهای DC و … در اثر تخلیه انرژی داخل بوبین این تجهیزات ایجاد و در مدار فرمان دهنده تخلیه می‌گردد.

مشهودترین نمونه جهت مشاهده این جریان در کنتاکت های رله‌هایی است که از آن‌ها برای کنترل شیرهای برقی DC استفاده می‌گردد. در هر بار قطع و وصل رله ( شیر برقی) جرقه‌ای ناشی از جریان بازگشتی در کنتاکت رله اتفاق می‌افتد و نتیجه آن ایجاد خال‌زدگی در کنتاکت های رله و معیوب شدن آن می‌باشد.

هنگامی‌که فرمانی به بار سلفی داده می‌شود، بوبین آن با ذخیره انرژی داخل خود، باعث عملکرد آن تجهیز می‌گردد. در زمان خاموش شدن، به علت قوانین فیزیکی، انرژی تا ۵ برابر انرژی زمان روشن شدن، در سیم‌پیچ ایجاد می‌گردد و در جهت عکس جریان روشن شدن بار سلفی در مدار فرمان دهنده تخلیه می‌گردد( درصورتی‌که مدار فرمان دهنده رله یا کنتاکتور باشد، این تخلیه در نوبت بعدی روشن شدن ، به شکل جرقه تخلیه می‌گردد)

جهت رفع این مشکل باید یک مسیر تخلیه انرژی در زمان خاموش بودن تجهیز، در مدار طراحی گردد. ساده‌ترین و البته ارزان‌ترین راه استفاده از دیودی در حالت بایاس معکوس، دو سر تجهیز( بار سلفی) می‌باشد.

ذکر این نکته لازم است که در زمان کنترل بار سلفی کوچک نظیر رله نیز باید از دیود محافظ استفاده گردد، به همین علت است که استفاده از رله برد در خروجی‌های PLC مقرون‌به‌صرفه تر از رله‌های تکی است، به‌این‌علت که در رله بردها تمهیدات لازم برای حفاظت از خروجی PLC ها سنجیده شده است.

در لحظه روشن کردن بار( شکل چپ) چون ولتاژ آند از کاتد کمتر است، بنابراین دیود خاموش و عملاً در مدار تأثیری ندارد . با خاموش کردن بار ( عکس راست) با ایجاد جریان بازگشتی در جهت عکس جریان روشن شدن بار، ولتاژ آند از کاتد بیشتر می‌شود و دیود روشن می‌گردد که در نتیجه آن مسیر جریان بسته‌شده و جریان تا صفر شدن، در حلقه می‌گردد.لازم به یادآوری است که دیود تنها برای جریان بازگشتی ناشی از بارهای DC مناسب است.

در لحظه روشن کردن بار( شکل چپ) چون ولتاژ آند از کاتد کمتر است، بنابراین دیود خاموش و به‌صورت مدار باز می‌باشد . با خاموش کردن بار ( عکس راست) با ایجاد جریان بازگشتی در جهت عکس جریان روشن شدن بار، ولتاژ آند از کاتد بیشتر شده و دیود روشن می‌گردد که در نتیجه آن مسیر جریان بسته‌شده و جریان تا صفر شدن، در حلقه می‌گردد.لازم به یادآوری است که دیود تنها برای جریان بازگشتی ناشی از بارهای DC مناسب است. در تصویر سمت چپ ولتاژ القایی معکوس حاصل از کنترل بار سلفی و در تصویر سمت راست ، ولتاژ القایی معکوس خنثی‌شده با دیود هرزگرد را مشاهده می‌نمایید:

تصویر زیر یک نمونه کارت دیود ۶ آمپر می‌باشد. از این محصول می‌توان در خروجی رله‌ها و کنتاکتورها در کنترل بارهای سلفی استفاده نمود. این کارت دیود قادر است تا جریان ۲۰۰ آمپر را به‌صورت لحظه‌ای از خود عبور دهد. لازم به ذکر است که این شرکت رنج کاملی از کارت‌های دیود ( جرقه گیر DC) را تولید می‌نماید.

همچنین برای کنترل شیر برقی و دیگر بارهای سلفی استفاده از رله SSR پیشنهاد می‌گردد. در تصویر زیر یک نمونه از کارت رله SSR را مشاهده می‌نمایید. این محصول در خروجی فیلترهای حفاظتی موردنیاز جهت حذف جریان بازگشتی را دارا بوده و نیازی به تجهیز جانبی ندارد و مانند یک رله برد سیم‌کشی می‌شود.

در بارهای AC استفاده از مدار محافظ RC و همچنین استفاده از وریستور پیشنهاد می‌گردد. وریستور باعث می‌شود تا ولتاژهای گذرا و لحظه‌ای خنثی گردد و مدار RC به‌عنوان یک مصرف‌کننده در سیستم عمل می‌کند. مدار پیشنهادی برای تجهیزاتی که خروجی آن‌ها قطعات نیمه هادیست، مانند رله SSR پیشنهاد می‌گردد و استفاده از این مدار برای خروجی‌های کنتاکت در بارهای AC تأثیری ندارد.