الدَيودات (الوصلات الثنائية) (diodes)
تعتبر الوظيفة الأساسية للديود المثالي هي التحكم في اتجاه سريان التيار، فالتيار الساري خلال الديود يمكنه السريان في اتجاه واحد فقط يدعى الاتجاه الأمامي (forward direction)، ولا يسمح الديود بمرور أي تيار في الاتجاه العكسي (reverse direction)، فهو يشبه في عمله صمام إلكتروني أحادي الاتجاه.
إذا كان الجهد المار خلال الديود سالباً لا يسري أي تيار، ويصبح الديود المثالي مثل دائرة مفتوحة (open circuit). في هذه الحالة يطلق على الديود أنه مغلق (off) أو في حالة الانحياز عكسي (reverse biased).
كما في الشكل ادناه...
أما إذا كان الجهد المار خلال الديود موجباً فعندها يقوم بتوصيل التيار. في هذه الحالة يصبح الديود مثل دائرة قصر (short circuit) (ينعدم فرق الجهد خلاله)، ويقال عن الديود في هذه الحالة بأنه مفتوح (on) أو في حالة انحياز أمامي (forward biased).كما في الشكل ادناه...
العلاقة بين التيار والجهد للديود المثالي، أي جهد سالب لا ينتج عنه تيار (مثل دائرة مفتوحة)، أما لو كان الجهد موجباً يعمل الديود كأنه دائرة قصر.
| خصائص الديود المثالي | ||
| متوقف (انحياز عكسي) | يعمل (انحياز أمامي) | وضع التشغيل |
| I=0 | I>0 | التيار |
| V<0 | V=0 | الجهد |
| دائرة مفتوحة | دائرة قصر | يعمل مثل |
رمز الديود في الدوائر الإلكترونية...
كل ديود له طرفان (terminals) (نقاط التوصيل على جانبي المُكوّن)، وهذان الطرفان مستقطبان (polarized)، أي أن أحدهما موجب والآخر سالب، ومن الضروري عدم الخلط بينهما. يسمى الطرف الموجب المصعد (anode)، أما الطرف السالب فيسمى المهبط (cathode). يمكن للتيار أن يسري من المصعد إلى المهبط، ولا يسري في الاتجاه المعاكس.يرمز للديود في الدوائر الإلكترونية بمثلث في مقدمته خط. وكما سنرى لاحقاً في هذا الدرس توجد العديد من أنواع الديودات، ولكن غالباً ما تشبه رموزها بالدوائر الإلكترونية هذا الرمز:
لسوء الحظ لا يوجد ما يعرف بالديود المثالي في الواقع، ولكن هناك ديود حقيقي (real diode) وهو بالطبع يشبه الديود المثالي، إلا أن هناك بعض الخواص المختلفة التي تجعله مختلف عن الديود المثالي.
خواص الديود الحقيقي...
في الحالة المثالية تمنع الديودات أي تيار من المرور في الاتجاه العكسي، وتعمل مثل دائرة قصر في حالة التوصيل الأمامي. لسوء الحظ يختلف سلوك الديود الحقيقي عند الديود المثالي، فالديود الحقيقي يستهلك بعض الطاقة أثناء توصيل التيار (انحياز أمامي)، ولا يمنع مرور التيار بالكامل في الاتجاه المعاكس (انحياز عكسي). الديودات الحقيقية أكثر تعقيداً من الديود المثالي، ولكل منها خصائص فريدة توضح طريقة عملها.
العلاقة بين التيار (current) والجهد (voltage).
تعتبر العلاقة بين التيار والجهد أهم خصائص الديود، فعن طريق ذلك يمكن معرفة التيار الساري خلال الديود بدلالة فرق الجهد خلاله. المقاومات –على سبيل المثال- لها علاقة خطية (linear) بسيطة بين الجهد والتيار متمثلة في قانون أوم (Ohm’s Law)، لكن منحنى العلاقة بين الجهد والتيار الخاص بالديود غير خطي (non-linear) على الإطلاق، وهو يشبه التالي:
العلاقة بين الجهد والتيار للديود. لتوضيح بعض النقاط الهامة على الرسم فإن مقياس الرسم في الجانب الموجب مختلف عنه في الجانب السالب.
اعتماداً على الجهد المطبق عبر الديود يعمل الديود تحت حالة من الثلاث حالات الآتية:
1. انحياز أمامي:
عندما يكون الجهد الطبق عبر الديود موجباً يكون مفتوح (onn) ويسري التيار خلاله، ويجب أن يكون فرق الجهد أكبر من الجهد الأمامي الخاص بالديود (VFF) حتى يسري التيار بشكل ملحوظ.
2. انحياز عكسي:
في هذه الحالة يكون الديود متوقف (off)، ويحدث عندما يكون الجهد أقل من الجهد الأمامي (VFF) ولكن أكبر من جهد الانهيار (VBR). في هذه الحالة يتم منع سريان التيار ويكون الديود مغلقاً. في الواقع لا يتم منع سريان التيار تماماً بل تسري كمية ضئيلة جداً من التيار (تقدر ببضعة نانومترات من الأمبير) في الاتجاه العكسي، يطلق على هذا التيار اسم “تيار التشبع العكسي” (reverse saturation current).
3. الانهيار:
عندما يكون الجهد المطبق خلال الديود كبير جداً وسالب يسري الكثير من التيار في الاتجاه العكسي (من المهبط إلى المصعد).
الجهــد الأمامـي...
لكي يتم تشغيل الديود وتوصيل التيار في الاتجاه الأمامي يتطلب الديود كمية معينة من الجهد الموجب يتم تطبيقها بين طرفيه. أقل قيمة لذلك الجهد المطلوب لكي يسري التيار خلال الديود يطلق عليها الجهد الأمامي (VF) (forward voltage)، ويمكن كذلك تسميته جهد التشغيل (on-voltage) أو جهد القطع (cut-in voltage).
من منحنى الجهد-التيار نجد أن التيار الساري خلال الديود وفرق الجهد بين طرفيه مرتبطان ببعضهما، فزيادة التيار تعني زيادة الجهد، ونقص الجهد يعني نقص التيار. بعد أن يتجاوز الجهد معدل الجهد الأمامي تحدث زيادة كبيرة في التيار عند زيادة الجهد بدرجة صغيرة جداً. إذا كان الديود مُوصلاً بالكامل فيمكن الافتراض بأن فرق الجهد بين طرفيه يساوي معدل الجهد الأمامي.
يمكن استخدام ملتيميتر لقياس فرق الجهد الأمامي عبر الديود.
يعتمد الجهد الأمامي (VF) الخاص بالديود على المادة التي يُصنع منها. على سبيل المثال يكون الجهد الأمامي للديود المصنوع من السيليكون بين 0.6V إلى 1V، بينما الديود المصنوع من الجرمانيوم يكون جهده الأمامي أقل من ذلك (في حدود 0.3V). كذلك يلعب نوع الديود دوراً هاماً في تحديد الجهد الأمامي؛ فالديود الباعث للضوء (light-emitting diode) (LED) يكون له جهد أمامي (VF) كبير، بينما ديودات شوتكي (Schottky diodes) يتم تصميمها ليكون لها جهد أمامي أقل بكثير من المعتاد.جهد الانهيار (Breakdown Voltage)...
إذا تم تطبيق جهد سالب كبير بدرجة كافية بين طرفي الديود فإن الديود يسمح بمرور التيار في الاتجاه العكسي. هذا الجهد السالب عالي القيمة يُطلق عليه جهد الانهيار. بعض الديودات يتم تصميمها خصيصاً للعمل في منطقة (ظروف) جهد الانهيار، ولكن معظم الديودات القياسية ليس من الجيد لها أن يتم تعريضها لجهد سالب مرتفع (تتلف).
جهد الانهيار لمعظم الديودات القياسية يقع في مدى من -50V إلى -100V أو أكبر من ذلك.أوراق بيانات الديودات (Diodes Datasheet)...
كل الخصائص التي أسلفناها سابقاً لا بد أن يتم تضمينها بالتفصيل في ورقة البيانات الخاصة بكل ديود. على سبيل المثال ورقة البيانات التالية خاصة بديود من النوع (1N4148) ومُدوّن فيها أقصى جهد أمامي (1V)، وجهد الانهيار (100V)، والعديد من المعلومات الأخرى.
يمكن أن تحتوي ورقة البيانات أيضاً على رسم بياني (graph) يوضح العلاقة المألوفة بين الجهد والتيار لمعرفة سلوك الديود بشكل أكثر تفصيلاً. هذا الرسم البياني من ورقة بيانات الديود يركز على منطقة الانحياز الأمامي لمنحنى الجهد-التيار. لاحظ أن زيادة التيار تتطلب زيادة الجهد:
يوضح الرسم أيضاً خاصية هامة للديود – أقصى تيار أمامي (maximum forward current). كأي مكون إلكتروني آخر، يمكن للديودات أن تستنفذ كمية محددة من القدرة الكهربية قبل أن تتلف. جميع الديودات يجب أن تحتوي ورقة البيانات الخاصة بها على أقصى تيار، أقصى جهد عكسي، وأقصى استنفاذ للقدرة يمكن أن تتحمله. إذا تم تعريض الديود لجهد أو تيار أعلى مما يستطيع تحمله تنتج حرارة كبيرة (ومن الممكن أن ينصهر أو يحترق).