الثنائيات هي واحدة من أكثر أجهزة أشباه الموصلات شيوعًا المستخدمة في المعدات الإلكترونية اليوم.
إنها أيضًا واحدة من أكثر الأشياء التي يساء فهمها.
بعد كل شيء ، غالبًا ما يشار إلى الثنائيات باسم "بوابات أحادية الاتجاه" أو "بوابات سرقة" عند الحديث عن عملها.
عندما يتم قطع الصمام الثنائي عن الجهد الخارجي ، تصبح الإلكترونات الموجودة فيه محاصرة بالداخل ولا يمكنها الهروب مرة أخرى.
على هذا النحو ، فإن هذا يحبس التيار الذي يتدفق عبر هذا الجزء المعين من الدائرة الداخلية دون أي مخرج إلا من خلال الطرف المقابل أو مسار العودة (وبالتالي يمر الاسم من خلال الاسم).
ومع ذلك ، عند ذكر الثنائيات بالاقتران مع الإلكترونيات ، يمكن أن تكون مربكة.
هذا لأن العديد من الناس يعتقدون أنها أجهزة خطية - في حين أنهم في الواقع يمتلكون سلوكًا غير خطي مما يجعلهم أكثر تنوعًا بكثير من مجرد مفتاح تشغيل / إيقاف بسيط.
يشبه إلى حد كبير كيف أن للآلة الموسيقية استخدامات متعددة تتجاوز العزف على النوتة الموسيقية ، يخدم الصمام الثنائي أغراضًا عديدة تتجاوز مجرد تشغيل وإيقاف التيار الكهربائي.
دعنا نلقي نظرة على كيفية عمل الثنائيات حتى تفهم كيف يمكن استخدامها وما هي الخصائص الفريدة التي تمتلكها والتي تجعلها قطعًا مفيدة من الدوائر الإلكترونية.
ما هو الصمام الثنائي؟
الثنائيات هي تحويلات كهربائية أحادية الاتجاه.
الصمام الثنائي هو مفتاح ثنائي الاتجاه يتم التحكم فيه إلكترونيًا والذي يسمح للتيار بالتدفق في اتجاه واحد فقط في ظل ظروف معينة.
عندما يتدفق التيار في اتجاه واحد فقط من خلال الصمام الثنائي ، يتم توصيل "أصابع" أشباه الموصلات معًا.
عندما يتدفق التيار في الاتجاه الآخر ، يتم عزل الإصبعين عن بعضهما البعض ولا يتدفق التيار.
تصنع الثنائيات من مادتين شبه موصلين يتم ترتيبهما عادة بطريقة "شطيرة" لمنع الإلكترونات من التدفق في كلا الاتجاهين.
يمكن لكمية صغيرة من التيار في ظل ظروف معينة تبديد طاقتها الزائدة على شكل حرارة ، مما يسمح للإلكترونات بالتدفق عبر الصمام الثنائي في اتجاه واحد - حتى لو كان الجهد عبر الصمام الثنائي أعلى بكثير من الجهد المطبق على الجانب الآخر.
نظرًا لأن المنطقة النشطة للديود تسمح فقط للإلكترونات بالتدفق في اتجاه واحد بينما تمنع المنطقة الخارجية من التدفق للخلف ، فإنها توصف بأنها تحويلة كهربائية أحادية الاتجاه.
الثنائيات لها أطراف موجبة وسالبة
يتم تمييز طرفي الصمام الثنائي بالرمز + و - للإشارة إلى أنه لا يحتوي على قطبية داخلية.
عندما يتم تطبيق جهد على نهايات الصمام الثنائي ، فإن هذا يسمى اختبار ماس كهربائى أو "سلبي".
الثنائيات ليست مستقطبة مثل الأسلاك الكهربائية المستقطبة العادية - الأطراف تستخدم للاختبار فقط ووسط الصمام الثنائي محايد ("بدون قطبية") ومتصل بعناصر الدائرة.
في الإلكترونيات ، عادةً ما يكون الطرف الموجب للديود هو الأنود والطرف السالب هو الكاثود.
ومع ذلك ، فإن الاتفاقية ليست منقوشة على حجر.
في بعض الدوائر ، يكون الطرف السالب هو الكاثود والطرف الموجب هو الأنود.
على سبيل المثال ، في ملف دائرة LED، الطرف السالب هو الكاثود ، ولكن في دائرة البطارية ، الطرف السالب هو الأنود.
هناك أنواع عديدة من الثنائيات
هناك العديد من الأنواع المختلفة من الثنائيات المتاحة للاستخدام في الإلكترونيات.
معظم الثنائيات هي من مجموعة أشباه الموصلات ، ولكن هناك أيضًا مقومات ، وصمامات ضوئية ، وترانزستورات تعمل مثل الثنائيات.
يعد اختيار النوع المناسب من الصمام الثنائي لدائرة معينة أمرًا مهمًا للحصول على النتائج المرجوة.
تتضمن بعض أنواع الصمامات الثنائية المهمة: - المقومات السريعة: تقوم هذه الثنائيات بتوصيل الكهرباء بسرعة كبيرة ، مما يسمح بتطبيقات عالية التردد.
- المقومات المعيارية: تقوم هذه الثنائيات بتوصيل الكهرباء بشكل أبطأ ، مما يسمح بتطبيقات التردد المنخفض.
- مقومات Schottky Barrier Rectifiers: تحتوي هذه الثنائيات على صمام ثنائي شوتكي مدمج يمنعها من التوصيل للخلف.
- الثنائيات الضوئية: تقوم هذه الأجهزة بتحويل الضوء إلى كهرباء مما يجعلها مفيدة في تطبيقات الاستشعار.
الثنائيات لها عتبات جهد مختلفة ، وخصائص ، وفولتية انهيار
على الرغم من أن الثنائيات تظل تحويلات كهربائية أحادية الاتجاه ، إلا أنها عادةً ما يكون لها جهد انهيار عالٍ جدًا (أكبر من 1 ميغا فولت) وعتبة جهد الانهيار (الجهد المنخفض المطلوب لبدء الانهيار) مما يجعلها مناسبة لأنواع معينة من التطبيقات.
تعتمد معلمات العتبة هذه على نوع الصمام الثنائي المستخدم ويمكن تغييرها لإنشاء أنواع مختلفة من الثنائيات.
على سبيل المثال ، الصمام الثنائي المعدل السريع له عتبة جهد انهيار تبلغ حوالي 0.3 فولت.
هذا يعني أنه إذا كان الجهد عبر الصمام الثنائي أقل من 0.3 فولت ، فلن يتم توصيل الصمام الثنائي وستظل الدائرة في حالتها الأصلية.
إذا حاولت الدائرة سحب المزيد من التيار وزاد الجهد عبر الدائرة ، يتم استيفاء حد جهد انهيار الصمام الثنائي ويبدأ الصمام الثنائي في إجراء التيار في الاتجاه المعاكس.
يمكن استخدام الثنائيات في التطبيقات الخطية أو غير الخطية
إحدى السمات الفريدة للديودات هي أنه يمكن استخدامها في التطبيقات الخطية أو غير الخطية.
عند استخدامه في التطبيقات الخطية ، يتم استخدام الصمام الثنائي كمفتاح.
بمعنى آخر ، إنه يوجه التيار في اتجاه واحد اعتمادًا على الجهد المطبق على الدائرة.
عندما يتم تطبيق جهد عبر دائرة ، تبدأ الإلكترونات في التدفق عبر الصمام الثنائي ويتم تشغيل الدائرة.
يمكن اعتبار الصمام الثنائي "مفتاحًا أحادي الاتجاه".
عندما يتم تشغيل الدائرة ، يقوم الصمام الثنائي بإجراء التيار ، وتشغيل الدائرة.
عندما لا يتم تطبيق أي جهد عبر الدائرة ، فإن الصمام الثنائي لا يعمل ، ويتم إيقاف تشغيل الدائرة.
في التطبيقات غير الخطية ، يستخدم الصمام الثنائي لتضخيم أو زيادة سعة أو قوة الإشارة.
على سبيل المثال ، إذا كانت الدائرة تستخدم إشارة منخفضة التردد للتحكم في شيء ما (مثل تشغيل المحرك أو إيقاف تشغيله) ، فقد يتم إيقاف تشغيل الدائرة نفسها بواسطة الإشارة.
ولكن إذا كانت الإشارة عالية بدرجة كافية (مثل نغمة الاتصال الهاتفي أو الموسيقى من محطة راديو) ، فيمكن استخدام الصمام الثنائي لتضخيم طاقة الدائرة وتشغيلها ، مما يسمح بالتحكم فيها بواسطة إشارة التردد العالي.
كيف تعمل الثنائيات عالية الجهد؟
عندما يتم تطبيق جهد عالي عبر أ الصمام الثنائي، يبدأ في إجراء.
ومع ذلك ، نظرًا لأن الجهد مرتفع جدًا ، فإن الإلكترونات المحاصرة داخل الصمام الثنائي لا يمكنها إطلاق طاقتها بكميات كافية للتحرر من حبسها.
نتيجة لذلك ، يعمل الصمام الثنائي قليلاً ، ولكن ليس بما يكفي لتشغيل الدائرة.
عندما يتم تطبيق جهد منخفض على بوابات زوج من الترانزستورات التي تتحكم في الجهد المطبق عبر دائرة (تسمى دائرة سلم) ، يُسمح للإشارة بالمرور من خلال غير منظم.
ومع ذلك ، عندما يكون هناك جهد ضئيل للغاية عبر دائرة السلم ولا تقوم الصمامات الثنائية بتوصيل تيار كافٍ ، لا يُسمح بمرور الإشارة ويتم إيقاف تشغيل الدائرة.
يمكن استخدام هذا لتشغيل الدوائر البسيطة ويمكن أن يكون مفيدًا للفرز وأجهزة الكمبيوتر وأجهزة ضبط الوقت.
كيفية حساب عتبة الجهد للديود
لنفترض أنك قمت بتوصيل الصمام الثنائي بمصدر طاقة بجهد 12 فولت وتريد معرفة ما إذا كان سينتقل (يوفر الطاقة) بجهد منخفض.
معادلة حساب جهد الانهيار (VOM) لجهاز أشباه الموصلات هي كما يلي: في هذه المعادلة ، "VOH" هو الجهد عبر الجهاز عندما ينهار ، "VOHSC" هو جهد العتبة للديود عند توصيله ، "I" هو التيار عبر الصمام الثنائي ، و "E" هو جهد المجال الكهربائي عبر الصمام الثنائي و "n" هو عدد الإلكترونات في الصمام الثنائي.
لتحديد عتبة الجهد للديود ، تحتاج إلى معرفة جهد انهيار الصمام الثنائي.
يمكنك إيجاد هذه القيمة باستخدام المعادلة أعلاه.
جهد الانهيار لصمام ثنائي تقاطع نموذجي للسيليكون هو 1.5 فولت.
هذا يعني أنه عندما يكون الجهد عبر الصمام الثنائي 1.5 فولت ، فإن الصمام الثنائي سوف ينهار ويبدأ في توصيل التيار.