الدايود و انواعه Diode Types

الدايود : هو جهاز كهربائي متكون من اثنين اليكترود ممكن يمر بينهم اشارة. (في الثيرموايونيك دايود يمكن أن تجد ثلاثة أو أربعة اليكترود). أهم استعمال للدايود هوأنه يسمح بمرور التيار الكهربائي في اتجاه و يمنع مروره في الاتجاه الثاني المعاكس. في زماننا الحاضر معظم الدايودات تصنع من مواد سيميكونداكتور (semi-conductor) مثل السيليكون و الجيرمانيوم. فما هو الدايود؟ فلنتحدث بداية عن تاريخ اختراع الدايود، فأول من اكتشف خواصه هو الفيزيائي سلطنة عمان فرناند براون في عام 1874 عندما كان يعمل على أبحاث متعلقة بالخواص الكهربائية لما يعرف بالمهتز الكريستالي. ومنذ ذلك الوقت تم اكتشاف أنه عندما نقوم بتشكيل مادة شبه موصلة من السيليكون وإضافة بعض الشوائب إليها فإننا سنحصل على مادة شبه موصلة موجبة، وبنفس الطريقة نضيف مادة شائبة أخرى لنحصل على مادة شبه موصلة سالبة، الآن عند وصل هاتين القطعتين ببعضهما البعض نكون قد صنعنا الدايود. فالدايود له طرفان : الأول الموجب ويعرف بالمصعد ، والآخر الطرف السالب ويعرف بالمهبط . حسنا , وماذا عن الناحية الكهربائية . فماذا يقوم به الدايود؟

يمكن تشبيه عمل الدايود بأنه صمام أمان ، تخيلوا معي صماماً مائياً أو صنبور ماء يسمح بمرور الماء باتجاه واحد فقط ولا يسمح للماء بالعودة للخلف. بنفس المبدأ يقوم الدايود بالسماح للتيار الكهربائي في الدارة الكهربائية بالمرور باتجاه واحد فقط - ضمن شرط معين – ولا يسمح له بالعودة بالعكس . والشرط المعين الذي يسمح به الدايود للتيار بالمرور من المصعد للمهبط هو ما يعرف بجهد العتبة وذلك عندما يكون الجهد الكهربائي المطبق على المصعد أكبر من المهبط بقيمة 0.7 فولت على الأقل . ومن الناحية العملية فإن جهد العتبة هذا قيمته تتغير من نوع دايود إلى نوع آخر ومن شركة مصنعة إلى أخرى لكن الفروق غالبا ما تكون بسيطة وتدندن حول 0.7

حسناً . وما لفائدة إذا من الدايود في تطبيقاتنا العملية؟ كيف أستفيد منه في تصميمي الهندسي؟

خذوا مثالا بسيطاً وسهلاً. مثل أي جهاز إلكتروني يعمل عن طريق البطارية كجهاز التحكم بالتلفاز ” الريموت كونترول” ، ماذا لو قمنا بتركيب البطارية بالاتجاه الخاطئ أي وضعنا السالب مكان الموجب والعكس داخل علبة البطارية ؟ ما الذي سيحصل؟ سابقاً كان الأمر مزعجاً، خاصة لدى بعض الأجهزة الحساسة مثل المتحكمات الدقيقة، حيث أن عكس قطبية البطاريات قد يؤدي إلى تلف الجهاز المستخدم، لكن مع وجود الدايود فلا داعي للخوف، فهو سيسمح للتيار بالمرور في اتجاه واحد فقط وسيمنعه من ذلك عند عكس البطارية، أي أننا في حالة عكسنا قطبية البطارية فسيعمل الدايود على إيقاف مرور التيار حتى يتم تصحيح وضعية البطارية. فدور الدايود هو أن يقوم بالسماح للبطارية بتزويد الجهاز بالتيار الكهربائي عندما يكون طرف البطارية الموجب متصلا بالمصعد ما يعني أن هناك فرق جهد بين المصعد والمهبط هو 3فولت على الأقل “على فرض أننا نستخدم بطاريتين من نوع 1.5 فولت على التوالي” . وفي حال عكست البطارية، فإن جهد المهبط سيكون أعلى من المصعد وبالتالي فلن يعمل الدايود وبذلك نكون قد وفرنا حماية للجهاز الإلكتروني.

سؤال : هل هناك حد أقصى للجهد السالب المطبق على طرفي الدايود يعني هل يمكنني تطبيق جهد سالب حتى ما لا نهاية ؟ وما هو أقصى تيار يمكن أن يمر خلال الدايود ؟ يعرف أقصى جهد سالب يمكن تطبيقه على الدايود دون أن يعطب بجهد الانهيار وعادة ماتذكر قيمته داخل ملف المواصفات الفنية للشركة المصنعة. وكذلك الأمر بالنسبة للتيار فلكل ديود قدرة وجهد عتبة وجهد انهيار خاص به يختلف من مصنع إلى آخر. وعند التدقيق في أقصى تيار يمرره الدايود سنجد أنه 300 ميللي أمبير وجهد الانهيار هو 100 فولت. وهنا لدي تنبيه وهو خطأ قد يقع فيه بعض الهواة، عند استخدامنا للديود في الحماية من عكس القطبية سنجد أنه في حالة تشغيل الدايود في الوضع الطبيعي ” الموجب مع المصعد والسالب مع المهبط” فإننا سنخسر جزءا من جهد المصدر تبلغ قيمته حوالي 0.7 فولت. فلذلك قد تكون هذه الخسارة كبيرة في بعض الأحيان خصوصا عند التعامل مع تطبيق جهده لا يتعدى 3 فولت ما يعني خسارة كبيرة في المصدر ينبغي أن تؤخذ في عين الاعتبار. ولحل هذه المشكلة يمكنكم رفع جهد المصدر كي تتجاوزوا المشكلة.

سؤال آخر: ما هي أهم تطبيقات الدايود في الدارات الإلكترونية؟ 1. كما اتفقنا سابقا فهو يستخدم في الحماية من عكس قطبية البطارية 2. تقليل الجهد الكهربائي: فلنفترض أننا نستخدم معالجاً دقيقاً أو دارة متكاملة تعمل على جهد 3.6 فولت ولدينا مصدر جهده 5 فولت، فكيف يمكنني حل مشكلة هذا المصدر؟ وهل يمكنني استخدامه وتشغيل الدارة؟ نعم يمكن ذلك من خلال الدايود بوضع دايودين على التوالي كي نحصل في النهاية على جهد دخل قدره 3.6 فولت. والسبب أن كل ديود سيقلل جهد المصدر بقيمة 0.7 فولت والمحصلة هي 1.4 فولت مما يعني : 5-1.4=3.6 فولت 3. دارات تقويم التيار المتناوب “المحول الكهربائي”: فكما اتفقنا فإن الدايود سيحجز الجهود السالبة، وكما نعلم جميعاً فإن مقابس التيار الكهربائي في منازلنا هي موجات جيبية، وإذا أردنا أن نقوم بتحويلها لموجات موجبة فقط فنحن نقوم بما يسمى بتقويمها أي حجز الجزء السالب منها. وهنا يمكننا استخدام دارة التقويم الموجودة في الأسفل: 4. تطبيق دايودات الإشارة : حيث أن هناك أنواعا معينة من الدايودات تستخدم في دارات الاستقبال الراديوي وذلك كمرشح للترددات السمعية 5. يستخدم الدايود دائما مع الريلاي أو المرحلة وذلك لحماية الدارة المتصلة به من خطر عودة الجهد العكسي للدارة بعد إطفاء الريلاي مما قد يؤدي لعطب الدارة. أخيرا، هناك أنواع متعددة من الدايود مثل الزينر، شوتكي وغيرها ولكل تطبيق خاص به: فمثلا الزينر يستخدم لتحديد الجهود الداخلة على دارة معينة لضمان استقرار ذلك الجهد في حال زيادة المصدر عن الحد المطلوب

انواع الدايود

     سيليكون دايود (Sillicon diode)
و جيرمانيوم دايود (Germanum diode)

هنا اعتمدن في هذه الانواع تصنيف الدايود حسب المواد الاساسية المصنوع منها الدايود بشكل عام ما عدى في بعض انواع الدايود


اما اذا اردنا تصنيف الدايود حسب عمله فكالتالي :-

فوتو دايود (Photo diode)

يتكون الدايود الضوئى من شبه موصل موجب P واخر سالب N و نافذة شفافة منفذة للضوء كما يتضح من الشكل. عندما يسقط الضوء على الثنائى الضوئى ، يقوم الضوء بكسر الروابط البلورية ويتحرر عدد من الشحنات التى تسمى بـشحنات الأقلية ، يزداد هذا العدد بزيادة الضوء الساقط مكونا تيارا يسمى بتيار التسريب يستخدم في الدوائر الالكترونية


زينير دايود (Zener diode)

يتشابه الثنائي زينر مع الثنائي العادي و لكن يختلف ببعض خصائصه حيث يتم إضافة شوائب إلى الثنائي شبه الموصل لنحصل على الثنائي زينر و الذي يتميز بخاصية التوصيل في حالة الانحياز العكسي تحت ثبات الفولطية
دايود الزينر عبارة عن ديود عادي ولكن تصميمه مختلف إذ أن الشريحة النصف الناقلة من النوع ( p ) على حالها ولكن الطرف ( n ) عبارة عن نقطة موضوعة على الشريحة ( p ) ومن خلال مساحة وسمك تلك النقطة الشريحة ( n ) يتحدد فولتية واستطاعة الزينر



وللزينر حالتين من العمل إذ أنه يعمل في الإتجاهين الأمامي والعكسي فهو يتصرف في الإتجاه الأمامي تصرف الديود العادي تماما وفي الإتجاه العكسي يعمل كمراقب أي أنه وبشكل يسير يقوم على ملاحظة الفولت على مهبطه لأنه سيكون موصل

المهبط او الكثود على القطب الموجب للتغذية والمصعد او الانود مع السالب للتغذية وعند وصول الفولت إلى قيمة أعلى من فولتية الزينر العكسية وهي نقطة عمل الزينر فإنه يفتح الباب للتيار لكي يذهب إلى القطب السالب مع المحافظة على ثبات الجهد عند نقطة عمله في الإنحياز العكسي وتكون كمية الجهد التي يمررها إلى القطب السالب هي مقدار جهد التغذية ناقص جهد الزينر

فلو كان عندي مصدر تغذيو ذو جهد 12 فولت ووضعت زينر على التفرع وبإنحياز عكسي قيمته 6.1 فولت فكمية الجهد الخارجة من الزينر إلى القطب السالب تكون

12-6.1= 5.9 فولت

أي تبقى الفولتية ثابتة على مهبط الزينر عند قيمة فولتيته العكسية مهما حصل إلا إذا إنهار وطبعا لكل زينر جهد إنهيار يصبح بعد هذا الجهد ( جهد الإنهيار ) إما على شكل شريط أي يشكل دارة قصر أو يقطع يعني مقاومة لانهائية )



ويمكن وضع مقاوم هلة على التسلسل مع الديود للحماية من التيارات الزائدة





كما يمكن وصل أكثر من زينر على التفرع مع المحافظة على أن يكونوا ذات قيمة عمل الزينر في الوصل العكسي متماثلة وذلك لزيادة الاستطاعة ويمكن وضعه مع مجزئ للجهد للمحافظة على خرج مجزئ الجهد ثابت وذلك في حالة الحصول على فولتية مقارنة
يستخدم زينر دايود في دوائر تنظيم الفولطية, و يظهر الشكل التالي رمز الثنائي زينر





الدايود العادى يسمح للتيار بالمرور فى اتجاه واحد يسمى الاتجاه ذات الانحياز أو القطبية الأمامية ( polarized forward ) ولا يسمح بمرور التيار فى الاتجاه العكسى .
الزنر دايود يقوم بنفس العمل فى الاتجاه الأمامى , وعند عكس القطبية فان الجهد ينمو (يزداد) ويزداد التيار بقيمة صغيرة جدا , ولكن عندما يصل الجهد العكسى إلى قيمة معينة (والتى هى الخاصية الرئيسية فى خواص دايود الزنر ) يبدأ التيار فى الزيادة الملحوظة كما هو موضح بمنحى الخواص المميزة للزنر دايود وإذا واصلنا زيادة الجهد العكسى فوق Vz يزداد التيار بشكل كبير مع الزيادة الطفيفة في الجهد العكسى . ويمكن تشبيه عمله بصمام الراحة

هناك زينرات ملونه .. كل لون يدل على قيمة جهد الزينر




دايود مشع للنور (Light emitter diode-LED)

يختصر اسم الدايود الباعث للضوء بـ LED وهي اول حرف من كلمات light emitting diodes والتي توضح فكرة هذه الأداء وهي اصدار الضوء، ولهذه الاداة LED تطبيقات عديدة في مجال الالكترونيات وتدخل في تركيب العديد من الاجهزة الحديثة حيث تضيء الـ LED لتعلم المستخدم ان الجهاز يعمل مثل اللمبة الحمراء التي تضيء عندما يكون جهاز التلفزيزن في حالة الاستعداد أو في اجهزة الراديو عند استقبال محطة عليه وتدخل في الساعات الرقمية والرموت كنترول والتلفزيونات الكبيرة التي تستخدم كشاشات عرض كبيرة وفي اضاءة اشارات المرور.
باختصار الـ LED عبارة عن لمبة ضوء الكترونية اي لا تحتوي على فتيلة ولا تسخن كما في المصابيح الكهربية. فهي تصدر الضوء من خلال حركة الالكترونات في داخل مواد من اشباه الموصلات semiconductor التي تتكون منها الترانسستورات.
سنحاول في هذا الشرح القاء المزيد من الضوء عن هذه الاداة موضحين الفكرة الفيزيائية لعملها.

                                    

الضوء هو عبارة عن طاقة تنتج او تنبعث من الذرة في صورة اشباه جسيمات تسمى الفوتونات Photons لها كمية حركة وكتلتها صفر. وسميت اشباه جسيمات لان الضوء له طبيعة مزدوجة فيمكن ان يكون موجة ويمكن ان يكون جسيم (ارجع الى محاضرات في الفيزياء الحديثة في هذا الموقع).
تنطلق الفوتونات من الذرات نتيجة لحركة الكرترونات، ففي الذرة تتحرك الالكترونات في مدارات دائرية حول النواة يعتمد نصف قطر المدار على كمية الطاقة التي يحمتلكها الالكترون فكلما كانت الطاقة كبيرة كان نصف قطر المدار اي الالكترن ابعد عن النواة.
عندما ينتقل الكترون من مدار منخفض إلى مدار اعلى فإنه يمتص طاقة خارجية ليتم الانتقال اما في حالة عودة اللكترون من المدار الاكبر إلى المدار الادنى فإنه تتحرر طاقة يحملها فوتون تساوي فرق الطاقة بين المدارين. وبالتالي فإن طاقة الفوتون تتحدد بفارق الطاقة بين المداريين الذين انتقل بينهما الالكترون وهذا يدل على ان طاقة الفوتون يمكن ان تكون متغيرة المدارات التي حدثت بينها الانتقالات، تغير طاقة الفوتون تعني تغير في الطول الموجي للفوتون فيمكن ان يكون فوتون على شكل ضوء مرئي او ضوء غير مرئي.
في حالة وصلة الديود فإن الالكترونات الحرة تحرك عبر وصلة الديود في اتجاه الفجوة وهذا يعني ان الالكترون عندما يتحد مع الفجوة كما لو انه انتقل من مدار عالي الطاقة إلى مدار منخفض الطاقة وتنطلق الطاقة على شكل فوتون. ولكن لا نرى الفوتون المنبعث إلا اذا كان ذو طول موجي في الطيف المرئي وهذا لا يتحقق في كل وصلات الديود ففي الديود المصنعة من مادة السليكون يكون الفوتون المنطلق في منطقة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي ولا يرى بالعين المجردة ولكن له تطبيقات هامة في الرموت كنترول حيث تنتقل التعليمات من الرموت كنترول إلى التلفزيون على شكل نبضات من الفوتونات تحت الحمراء يفهمها مجس الاستقبال في التلفزيون.


وللحصول على وصلة ديود تعطي ضوء مرئي فإنه يستخدم مواد ذات فارق طاقة اكبر بين مدار الالكترون في المادة N والفجوة في المادة P التي تمثل المدار ذو الطاقة الأدنى. حيث ان التحكم في هذا الفارق يحدد لون الضوء المنبعث من الديود عند اتحاد الالكترون مع الفجوة خلال وصلة الديود.
في حين ان كل انواع الديودات تعطي ضوء الا ان هذا الضوء المنبعث له كفاءة معينة تحدد شدة الضوء المنبعث. حيث ان جزء من هذا الضوء يعاد امتصاصه داخل وصلة الديود. ولكن الديودات الباعثة لضوء LED تصمم بحيث يتم توجيه الضوء الى الخارج من خلال احتواء وصلة الديود داخل مادة بلاستيكية على شكل مصباح شبه كروي كما في الشكل ادناه لتركيز الفوتونات المنطلقة في اتجاه محدد.

تمتلك الـ LED خصائص تميزها عن المصابيح الكهربية التقليدية فهي في البداية لا تحتوي على فتيلة يمكن ان تحترك فتعيش LED مدة زمنية اطول بكثير كما انها صغيرة الحجم تمكننا من استخدامها في تطبيقات الكترونية عديدة، هذا بالاضافة إلى كفاءتها العالية بالمقارنة بالمصابيح التقليدية. ولا تنبحث منها اي طاقة حرارية التي تعتبر طاقة مفقودة .




الدايود سعوي (Varactor Diode)

تستخدم الثنائيات السعوية كمكثفات متغيرة اعتمادا على الجهد الواقع عليها.
والثنائي السعوى أساسا عبارة عن وصلة ثنائية موصلة في الاتجاه العكسي وذلك كما في الشكل.

عند توصيل وصلة دايود سعوي عكسيا ، يتكون ما يسمى بمنطقة الاستنفاذ هذه المنطقة تعمل بدلا من عازل المكثف أما المنطقة P ، والمنطقة N فأنهما يعملان كلوحى مكثف.
عندما يزداد جهد التغذية العكسي فان منطقة الاستنفاذ تتسع لتزيد بذلك سمك العازل وتنقص السعة ، وعندما يتناقص جهد التغذية العكسي يضيق سمك منطقة الاستنفاذ وبذلك تزداد السعة.