דיודות הן אחד ממכשירי המוליכים למחצה הנפוצים ביותר בשימוש בציוד אלקטרוני כיום.
הם גם אחד מהאנשים הכי לא מובנים.
אחרי הכל, דיודות מכונות לעתים קרובות "שערים חד כיוונים" או "שערים לגנוב" כאשר מדברים על פעולתן.
כאשר דיודה מנותקת ממתח חיצוני, אלקטרונים בתוכה נלכדים בפנים ואינם יכולים לברוח שוב.
ככזה, זה לוכד את הזרם הזורם דרך החלק המסוים של המעגל בפנים ללא מוצא מלבד דרך המסוף או דרך החזרה הנגדי (ולכן השם עוקף את השם).
עם זאת, כאשר דיודות מוזכרות בשילוב עם אלקטרוניקה הן עלולות לבלבל.
הסיבה לכך היא שאנשים רבים חושבים עליהם כאל מכשירים לינאריים - כאשר למעשה יש להם התנהגות לא ליניארית, מה שהופך אותם להרבה יותר צדדיים מסתם מתג הפעלה/כיבוי פשוט.
בדומה לאופן שבו לכלי נגינה יש שימושים מרובים מעבר לנגינה בתווים, דיודה משרתת מטרות רבות מעבר להפעלה וכיבוי של זרם חשמלי בלבד.
בואו נסתכל על איך דיודות עובדות כדי שתבינו איך ניתן להשתמש בהן ואיזה תכונות ייחודיות יש להן שהופכות אותן לחלקים שימושיים כל כך של מעגלים אלקטרוניים.
מהי דיודה?
דיודות הן שאנטים חשמליים חד כיוונים.
דיודה היא מתג דו-כיווני נשלט אלקטרונית המאפשר לזרום לזרם בכיוון אחד רק בתנאים מסוימים.
כאשר זרם זורם רק בכיוון אחד דרך דיודה, שתי "אצבעות" המוליכות למחצה שלה מחוברות יחד.
כאשר הזרם זורם לכיוון השני, שתי האצבעות מבודדות זו מזו ולא זורם זרם.
דיודות עשויות משני חומרים מוליכים למחצה שבדרך כלל מסודרים בצורה "סנדוויץ'" כדי לחסום זרימת אלקטרונים לשני הכיוונים.
כמות קטנה של זרם בתנאים מסוימים יכולה לפזר את האנרגיה העודפת שלה כחום, ולאפשר לאלקטרונים לזרום דרך הדיודה בכיוון אחד - גם אם המתח על פני הדיודה גבוה בהרבה מהמתח המופעל על הצד השני.
מכיוון שהאזור הפעיל של הדיודה מאפשר רק לאלקטרונים לזרום בכיוון אחד בעוד שהאזור החיצוני חוסם אותם מלזרום חזרה, הוא מתואר כ-shunt חשמלי חד כיווני.
לדיודות יש טרמינלים חיוביים ושליליים
שני הקצוות של דיודה מסומנים ב-+ ו- כדי לציין שאין לה קוטביות פנימית.
כאשר מתח מופעל על קצוות של דיודה, זה נקרא קצר חשמלי או בדיקה "שלילית".
דיודות אינן מקוטבות כמו חיווט חשמלי מקוטב רגיל - הקצוות משמשים לבדיקה בלבד ואמצע הדיודה הוא ניטרלי ("ללא קוטביות") ומחובר לרכיבי מעגל.
באלקטרוניקה, המסוף החיובי של דיודה הוא בדרך כלל האנודה והמסוף השלילי הוא הקתודה.
עם זאת, האמנה אינה חקוקה באבן.
במעגלים מסוימים, המסוף השלילי הוא הקתודה והמסוף החיובי הוא האנודה.
לדוגמה, ב- מעגל LED, המסוף השלילי הוא הקתודה, אך במעגל סוללה, המסוף השלילי הוא האנודה.
ישנם סוגים רבים של דיודות
ישנם סוגים רבים ושונים של דיודות זמינים לשימוש באלקטרוניקה.
רוב הדיודות הן ממגוון המוליכים למחצה, אבל יש גם מיישרים, פוטודיודות וטרנזיסטורים שמתפקדים כמו דיודות.
בחירת סוג הדיודה המתאים למעגל מסוים חשובה כדי לקבל את התוצאות הרצויות.
כמה סוגי דיודות חשובים כוללים: - מיישרים מהירים: דיודות אלו מוליכות חשמל במהירות רבה, מה שמאפשר יישומים בתדר גבוה.
- מיישרים סטנדרטיים: דיודות אלו מוליכות חשמל לאט יותר, מה שמאפשר יישומים בתדר נמוך.
– מיישרי מחסום Schottky: לדיודות אלו דיודת Schottky מובנית המונעת מהן להוביל לאחור.
- פוטודיודות: מכשירים אלה ממירים אור לחשמל, מה שהופך אותם לשימושיים ביישומי חישה.
לדיודות יש ספי מתח, מאפיינים ומתחי פירוק שונים
למרות שדיודות נשארות שאנטים חשמליים חד-כיווניים, יש להן בדרך כלל מתח פירוק גבוה מאוד (יותר מ-1 מגה-וולט) וסף מתח פריצה (ירידה במתח הנדרש כדי להתחיל את ההתמוטטות) שהופכים אותן למתאימות לסוגים מסוימים של יישומים.
פרמטרי סף אלו תלויים בסוג הדיודה בשימוש וניתן לשנותם ליצירת סוגים שונים של דיודות.
כדוגמה, לדיודת מיישר מהירה יש סף מתח פירוק של כ-0.3 וולט.
המשמעות היא שאם המתח על פני הדיודה נמוך מ-0.3 וולט, הדיודה לא תוביל והמעגל יישאר במצבו המקורי.
אם המעגל מנסה למשוך יותר זרם והמתח על פני המעגל גדל, מתקיים סף מתח הפריצה של הדיודה והדיודה מתחילה להוליך זרם בכיוון ההפוך.
דיודות יכולות לשמש ביישומים ליניאריים או לא ליניאריים
תכונה ייחודית אחת של דיודות היא שניתן להשתמש בהן ביישומים ליניאריים או לא ליניאריים.
בשימוש ביישומים ליניאריים, הדיודה משמשת כמתג.
במילים אחרות, הוא מוליך זרם בכיוון אחד בהתאם למתח המופעל על המעגל.
כאשר מתח מופעל על פני מעגל, האלקטרונים מתחילים לזרום דרך הדיודה והמעגל מופעל.
ניתן לחשוב על הדיודה כעל "מתג חד כיווני".
כאשר המעגל מופעל, הדיודה מוליכה זרם, ומפעילה את המעגל.
כאשר לא מופעל מתח על פני המעגל, הדיודה לא מוליכה, והמעגל כבוי.
ביישומים לא ליניאריים, הדיודה משמשת להגברה או הגדלה של משרעת או חוזק של אות.
לדוגמה, אם מעגל משתמש באות בתדר נמוך כדי לשלוט במשהו (כמו הפעלה או כיבוי של מנוע), המעגל עצמו עשוי להיות כבוי על ידי האות.
אבל אם האות גבוה מספיק (כמו צליל חיוג בטלפון או מוזיקה מתחנת רדיו), ניתן להשתמש בדיודה כדי להגביר ולהפעיל את המעגל, מה שמאפשר לשלוט בו על ידי האות בתדר גבוה יותר.
כיצד פועלות דיודות מתח גבוה?
כאשר מופעל מתח גבוה על פני a דיודה, זה מתחיל להתנהל.
עם זאת, מכיוון שהמתח גבוה מדי, האלקטרונים הכלואים בתוך הדיודה אינם יכולים לשחרר את האנרגיה שלהם בכמות מספקת כדי להשתחרר מהכליאה שלהם.
כתוצאה מכך, הדיודה מוליכה מעט, אבל לא מספיק כדי להפעיל את המעגל.
כאשר מתח נמוך מופעל על השערים של זוג טרנזיסטורים השולטים במתח המופעל על פני מעגל (הנקרא מעגל סולם), נותנים לאות לעבור דרך לא מווסת.
עם זאת, כאשר יש מעט מדי מתח על פני מעגל הסולם והדיודות אינן מוליכות מספיק זרם, האות אינו מועבר והמעגל כבוי.
זה יכול לשמש כדי להפעיל מעגלים פשוטים והוא יכול להיות שימושי עבור ממיינים, מחשבים וטיימרים.
כיצד לחשב את סף המתח של דיודה
נניח שאתה מחבר דיודה למקור מתח של 12 וולט ורוצה לדעת אם היא תוביל (תספק כוח) במתח נמוך.
המשוואה לחישוב מתח התפרקות (VOM) של התקן מוליכים למחצה היא כדלקמן: במשוואה זו, "VOH" הוא המתח על פני המכשיר כשהוא מתקלקל, "VOHSC" הוא מתח הסף של הדיודה כשהיא מוליכה, "I" הוא הזרם דרך הדיודה, "E" הוא המתח של השדה החשמלי על פני הדיודה ו-"n" הוא מספר האלקטרונים בדיודה.
כדי לקבוע את סף המתח של הדיודה, אתה צריך לדעת את מתח ההתמוטטות של הדיודה.
אתה יכול למצוא ערך זה באמצעות המשוואה שלמעלה.
מתח השבר של דיודת צומת pn סיליקון טיפוסית הוא 1.5 וולט.
המשמעות היא שכאשר המתח על פני הדיודה הוא 1.5 וולט, הדיודה תתקלקל ותתחיל להוליך זרם.