تحليل مدارهاي ديودي

معرفي ديودها: ديود به عنوان ساده ترين اختراع غيرخطي مي باشد كه اين متن در مورد آن شرح داده است. اين عنصر داراي تنوع بسيار بوده و اكثر به يك صورت مورد استفاده قرار ميگيرد يا به بياني ديگر د رتمامي شاخه هاي صنعت الكترونيك كاربرد دارد.
از انواع آن ميتوان به ديود خلا ديود گاز، ديودهاي يك سو ساز فلزي، ديودهاي نيمه هادي و ديودهاي تونل و … اشاره كرد. به ديود نيمه هادي ارجعيت بيشتري مي دهيم چرا كه تئوري مربوط به ساخت اين نوع خاص از انواع ديود مرتبط وصادق براي انواع ديگر است.

۲-مشخصات مداري ديود در اين بخش اموزش داده خواهد شد.
در ضمن تكنيكهاي تصويري مورد تاكيدي باشند چرا كه تصوير قابل رويتي از عملكرد مدار را نمايش مي دهند و اطلاعاتي را عرضه مي كنند كه نمي توان صرفا از رفتار چيزي معمار آنها را بدست آورد.
اين تكنيكهاي تصويري شامل رفتار خط بار ac,dc مي باشند كه فراهم آورنده ي سيگنال كوچك و سيگنال بزرگ است. اگر چه اين روشها معمولا در تحليل مدارات ديودي استفاده نمي شوند اما آنها را براي قوي ومحكم ساختن مجموعه آثار ومنابع دانشجويان در اين بخش معرفي كرده ايم.
وقتي ترازيستورها پيچيده مي باشند مشكلات ديگر مواجه شده بسيار راحتتر خواهند بود وقتي كه آنها را با ديود شبيه سازي كنيم.

۱-۲-خاصيت غيرخطي-ديويد ايده آل
داتشجويان معمولا تحصيل خود را با در نظر گرفتن نمونه هاي خطي مدار آغاز مي كنند كه ساده ترين آنها مقاومت مي باشد. رابطه ي ولت-آمپر يعني همان مشخصه ي vi يك مقاومت با مافوق ساده هم توضيح داده شده است كه ما گاهي اوقات تفسير نموداري آن را بررسي نمي كنيم. مشخصه ي خطي ترازيستور در شكل ۱-۱-۲ مشخص است و مشخصه ي غيرخطي ديويد هم در اينجا به وضوح وجود دارد. وقتي ولتاژ منبع مثبت باشد جريان id هم مثبت خواهد بود.

وديود اتصال كوتاه است و زماني كه vi منفي باشد وجريان ديويد id صفر خواهد بود و ديود اتصال باز خواهد بود مي توان ديويد را به عنوان يك كليد تصور كرد كه با جهت ولتاژ قابل كنترل خواهد بود. اين كليد به ازاي ولتاژهاي مثبت بسته خواهد بود و به ازاي ولتاژهاي منفي كليد باز است.
۳-راه ديگر براي بررسي اين المان توجه به جهت هدايت جريان آن است كه فقط از قطب P به قطب n است(شكل ۲-۱-۲-) و اين هدايت زماني وقوع پيدا مي كند كه ولتاژ منبع مثبت باشد وزماني كه ولتاژ منبع منفي باشد ديويد هدايتي نخواهد داشت.

۴-محدوديت ديودهاي واقعي كه داراي مشخصه هاي ذاتي مي باشند باعث تفاوت آنها از ديودهاي ايده آل شده است. اين موضوعات در بخشهاي اينده مورد بررسي قرار خواهند گرفت و در مبحث فعلي ديودها ايده آل تصور مي شوند.
مثالهاي پايين در مورد بوجود آوردن بعضي اعمال بر روي سيگنال كه با ديود ميسر است خواهد بود.
مثال ۱-۱-۲: يكسو كننده نيم موج يا قطع كننده مدار
يكي از كاربردهاي مهم ديود در بوجود آوردن ولتاژ dc از و لتاژ Ac منبع است و اين فرايند را يكسو كنندگي مي ناميم. يكي از عوامل مهم در يكسوكنندگي سيگنالهاي با فركانسهايي است كه از چند گانه سارني منبع بدست مي ايد.

يك معاد نمونه براي يكسو سازنيم موج در شكل ۳-۱-۲ آورده شده است.
(الف) ولتاژ منبع سينوسي مي باشد شكل موج ولتاژ با را بدست آوريد ورسم كنيد. ميانگين dc آن را بدست آوريد.
(ب) قسمت الف را تكرار كنيد اگر باشد.
جواب (الف) قانون ولتاژ كيوشهف (kvl) براي مدار۳-۱-۲ عملي خواهد بود

اين معادله داراي دو بخش ناشناخته ي id,VD مي باشد آنها بستگي به مشخصه ي Vi ديود دارند.
بنابراين راه حل براي iD يا VD نياز به جانشين سازي منحني Vi در معادله دارد.
و اين به شكل زير ممكن خواهد بود. منحني مشخصه ي ديود بيان مي كند كه فقط جريان مثبت در مدار جاري خواهد شد. به اين معني كه مي باشد. اگر چه زماني كه ديود در حال هدايت است مي باشد بنابراين جريان در مسير مثبت جاري مي شود تنها زماني كه باشد.

۵-زماني كه Vi منفي باشد جهت جريان بايد بر خلاف جهت مبنا باشد ولي ديود در اين جهت نمي تواند هدايت كند بنابراين iD=o خواهد بود زماني كه باشد.
عمل هدايت وعدم هدايت ديود يكسو ساز
(ب) (الف)
۶-اين مبحث را ميتوان خلاصه كرد و باترسيم دو مداره يكي براي ورودي هاي بزرگتر از صفر و ديگري براي ورودي هاي كوچكتر از صفر همان طور كه در شكل ۴-۲۰۱ نشان داده شده است.
با استفاده ا زمداراتي كه در شكل نشان داده شده است ناشناخته هاي بدست خواهند آمد بنابراين جريان ديود برابر خواهد بود با:

و ولتاژ ، VL برابر خواهد بود با
۷-ولتاژ بار VL و ولتاژ سيگنال Vi در شكل ۵-۲۰۱ رسم شده اند.
توجه كنيد كه شكل موج جريان هم فاز و هم شكل با شكل موج ولتاژ بار VL است.
اين يك يكسو ساز نيم موج سينوسي است و ولتاژ ميانگين آن از تقسيم كردن سطح كل سيگنال بر ۲۱۶ بدست مي آيد.

شكل ۵-۲۰۱
فيلترهايي با تغذيه ي مثبت
بسط سري فوريه براي VL(+) بيان مي دارد كه :

رابطه ي (۲-۲۰۱)
۸-اين عبارت به وضوح بيان ميدارد كه تاثير ديويد فقط براي بوجود آوردن سطح dc يا فركانس برابر فركانس و رودي نبوده اگر چه همچنين اصطلاح فركانس هارمونيك در ولتاژ منبع وجود ندارد.
۹-اگر مدار يك سطح ولتاژ dc بوجود آورد، مقدار متوسط سيگنال بايد از هارمونيكها توسط فيلتر كردن Vl(+) جدات نهي و تفكيك شود.

اين عمل معمولا توسط يك فيلتر غيرفعال انجام مي شود همانطور كه درشكل ۶-۲۰۱ مشاهده مي كنيد.
مدار شكل (۶-۲۰۱ الف) يك فيلتر پايين گذر RC ساده را نشان مي دهد.
براي مثال اگر C,R را طوري تنظيم كنيم كه شود واگر
باشد آنگاه دامنه ي ولتاژ خروجي در فركانس now برابر است با با شرط
زماني كه VLn دامنه ي ولتاژ با دو فركانس nw0 مي باشد
(براي مثال )
اگر ا زجريان حلقه استفاده كنيم ولتاژ خروجي برابر خواهد بود با

بنابراين ولتاژ خروجي به ولتاژ ونوسان كوچك ولتاژ Vr بستگي دارد
زماني كه نسبت ولتاژ rms به ولتاژ ريپل سطح dc در نسبت تاثير گذاري فيلتر در جداكردن ولتاژ dc ا زهارمونيكهاي آن اندازه گيري مي شود.

بنابراين ولتاژ ريپل rms تقريبا ۰۱/۰ ولتاژ dc خروجي خواهد بود.
۱۰- فيلتر هاي پيچيده تر،مثل فيلترهاي CLC,Lc كه در شكل (۶-۲۰۱ ب) نشان داده شده اند ولتاژ ريپل كوچكتري را بوجود مي آورند.

كه با استفاده از روش رياضي بالا ميتوان آنها را هم حساب كرد.
محاسبه ي دقيق مدارات فيلترينك ويكسوسازها زماني مقدور است كه ديودها را واقعي در نظر بگيريم نه ايده‌آل كه از حيطه ي بحث ما خارج است.
در اين حالت يك باياس معكوس هم به سيگنال اضافه شده است.
شكل موج براي Vl زماني قابل محاسبه است كه در نظر داشته باشيم ديود تنها در حالتي كه Vi مثبت باشد اجازه ي جاري شدن جريان را مي دهد.
در زمان دقيق كه در آنها جريان شروع به جاري شدن مي كند و يا قطع مي شود با قرار دادن بدست مي آيد بنابراين

مدار يكسو ساز با اضافه كردن شكل ۷-۲۰۱
ولتاژ به ولتاژ با ياس.
از تناسب تابع كسينوس بنظر مي ايد كه ديود هدايت را شروع مي كند زماني كه باشد بنابراين ولتاژ برابر خواهد بود با و ولتاژ ميانگين هم از همين طريق بدست مي آيد.

مثال ۲-۲۰۱ يكسو ساز تمام موج
ولتاژ ريبل در يكس و ساز نيم موج عمدتا بستگي به مقدار متوسط سيگنال در هارموني اول فركانس wo داشت.
يكسو ساز تمام موج ولتاژ با با كمترين ريپل در فركانس ۲wo را بوجود مي آورد.
بعلاوه اينكه ولتاژ ميانگين dc هم دوبرابر مي باشد.
اين نوع مدار كه نمونه اي از آن در شكل ۸-۲۰۱ نشان داده شده است كارآمدترين مدارات براي بوجود آوردن ولتاژ dc با ريبل كم مي باشد كه در اكثر دستگاه هاي خانگي مثل راديو وتلويزيون يافت مي شود و اين مدار همچنين به عنوان مدار يكسو ساز پايه براي منابع تغذيه مي باشد.
شكل ۸-۲۰۱

يكسو ساز تمام موج
۱۲-عملكرد مدار به صورت با كيفيت تري شرح داده خواهد شد اگر ترانس ايده آل را حذف كنيم مثل شكل ۹-۲۰۱
در اين شكل منابع ac جانشين اوليه ترانزسفورمر با استفاده از ترمينال وسطي مدار دوم است. زماني كه ولتاژ Vi مثبت باشد ديود D1 اتصال كوتاه و ديود D2 اتصال باز است و زماني كه ولتاژ Vi منفي باشد ديود D1 قطع رديود D2 اتصال كوتاه مي باشد و در هر حال جريان بار il در مسير ثابت ومثبتي است كه در شكل (۹-۲۰۱ الف) نشان داده شده است و زماني كه هركدام از دو ديود D1 يا D2 اتصال كوتاه شده باشند د رهر نيم سيكل نوسان،ولتاژ با را مي توان نوشت شكل موج جريان و ولتاژ در شكل (۹-۲۰۱ ب) نشان داده شده اند.

سري فوريه براي Vl برابر

شكل (۹-۲۰۱ الف وب)
مدار و شكل موج يك سو ساز تمام موج
مقدار متوسط dc برابر مي باشد كه دو برابر ولتاژ dc بدست آمده از يكسو ساز نيم موج است.
گر را ا زدرون يك فيلتر Rc عبور دهيم (مثل فيلتر شكل a6-201) با ۱۰۰=woRc (مثل گذشته) ولتاژ ريپل خروجي برابر خواهد شد با

و ولتاژ ريپل rms=
و نسبت ولتاژ ريپل به ولتاژ dc برابر =
كه به طور قابل ملاحظه اي كمتر از مقدار بدست آمده از فيلتر نيم موج است.
۱۳-هميشه تمامي مدارات الكترونيكي به ولتاژ dc براي كاركردن خود نياز دارند واز آنجا كه اكثر ولتاژ ac در دسترس مي باشد، انواع يكسو سازهاي تركيبي در وسايل الكتريكي يافت مي شوند. مثال هاي ۱٫-۲ و ۲-۲۰۱ فيلترهاي تركيبي و يكسو سازهايي را كه از ولتاژ ac سطح dc را بوجود مي آورند نشان مي دهد.

اين مدارات مبنا داراي مشكلات زيادي هستند كه به همين دليل نمي توان از آنها در براي بعضي كاربردها استفاده كرد. اولين مشكل نوسان سطح ولتاژ dc بار هنگام تغييرات جريان بار است. اين اتفاق با كميتي كه ثبات نام دارداندازه گيري مي شود كه از رابطه ي زير بدست مي آيد:

۱۴)يك تغذيه ي ايده آل ولتاژ dc بوجودمي آورد كه بدون تغييراست.
به جريان بستگي ندارد. با مقدار ثبات
اين بدين معني است كه بگوييم مقاومت خروجي اي كه از ترمينال بار ديده مي شود برابر با صفر است. ولي در مدارات عملي و درسي مقاوت ديود كه در مثالها لحاظ نشده بود داراي نقش است و همچنين مقاومت مدار فيلترينگ باعث بوجود آمدن مقاومت خامي درخروجي كه در محدوده ي معيني مي باشد مي شود.

اگر مقاومت خروجي با مقاومت بار برابر باشد ، ولتاژ تمام بار برابر با نصف ولتاژ بدون بار خواهد بود وثبات ۱۰۰% خواهد بود.
دومين عيب ونقص مدارات يكسو ساز نيم موج زماني كه به عنوان منبع تغذيه ي dc كار مي كنند آن است كه ولتاژ dc خروجي مستقيما متناسب با ولتاژ ac تغذيه مي باشد و از آنجا كه اكثر منابع ac كاملا باثبات و بدون تغيير نيستند،ولتاژ dc هم به همين نسبت متغير خواهد بود. براي بسياري كاربردها اين نوسان قابل تحمل نبوده حتي اگر به نسبت كوچك هم باشد. سومين نقص مدارات فوق اين است كه حتي اگر ولتاژ ريپل كمي در خروجي باشد براي كار حقيقي بعضي مدارات پيچيده مشكل ساز خواهد بود.

۱۵-تكنيكهاي بسياري براي غلبه بر مشكلات مذكور وجود دارد.
سازندگان يكسو سازها كتب راهنما واطلاعات كامل تخصصي كه مربوط به طراحي و ساخت مدارات منابع تغذيه در انواع گوناگون است را فراهم كرده اند.
اين كتب معمولا حاوي تازه ترين اطلاعات در حد اعلايي پيشرفته مي باشند و منابع اطلاعاتي كاملي براي مهندسان طراح به شمار مي آيند. تكنيكهاي زيادي براي ثابت كردن عملكرد منابع تغذيه در بخش ۲۰۷و۲۰۸ آمده است.

ضرب فركانسي
كاربرد اصلي يكسوسازي در ضرب فركانسي است .معامله ي (۲-۲۰۱) بيان مي كند كه مدار يكسوسازي فركانسهاي هارمونيك توليد مي كند. بنابراين براي ضرب wo با ۲ يك راه ساده طراحي مدار يكسو ساز با فيلتري است كه فقط هارمونيك دوم wo2 را عبور مي دهد. اين عوامل شبيه جداسازي dc يا فركانس توسط فيلتر پايين گذر است.

معرفي تئوري ديود نيمه هادي
۱۶-يك بحث كيفي مختصر در مورد مفاهيم حاكم در جريان جاري در ديودهاي نيمه هادي در اين بخش موجود مي باشد.
هيچ تلاشي براي بوجود آوردن معادلات يا مباحث سخت ودشوار صورت نگرفته است.
دانشجوي مشتاق بايد به مقالات بسياري كه وابسته به فيزيك مدارات مي باشد رجوع كند تا بتواند خود را سرشار از جزئيات بيابد.
۱۷-مواد بنياني كه امروزه در ساخت اكثر ديودها وترازيستورها بكار مي روند از جنس سيليسم است.
در گذشته ساختن بيشتر و به وضوح استفاده مي شد اما اين يك فرايند سريع است.
سيليكون يك نيمه هادي است كه در باند هدايت آن كريستال در دماي اتاق الكترون هاي آزاد كمي وجود دارند.
زماني كه جريان بستگي به تعداد الكترونهاي هادي آن داشته باشد جريان بسيار كم خواهد بود.
چرا كه اين ماده مقاومت بالايي دارد.باند هدايت و باند ظرفيت سيليكون خالص در شكل ۱-۲۰۲ نشان داده شده است.

۱-۲۰۲ شكل
باند انرژي در سيليكون در دماي اتاق
(تعداد بالاتر بستگي به نقل قول منابع ومراجع در پايان متن دارد)
۱۸-در دماي صفر درجه ي لكوين. (صفر مطلق) تمام الكترونها در پايين ترين سطح انرژي خود بسر مي برند. در دماي اتاق الكتروني كه مناسب باشد انرژي كافي را دارا خواهد بود براي فرار از باند ظرفيت خود و رفتن به باند هدايت.

(همانطور كه توسط يك نقطه در شكل ۱-۲۰۲ ن شان داده است)
جاي خالي كه از الكترون به جاي مي ماند با يك داريه يا سوراخ نمايش داده مي شود.
اگر ميدان الكتريكي كه براي مواد محيا شود مثال شكل ۲-۲۰۲ الكترونها همانطور كه انتظار مي رود به سمت قطب راست باتري حركت خواهند كرد.
يك الكترون در باند ظرفيت اگر انرژي كافي براي رفتن از سطح انرژي خود به سطح انرژي گودال را بگيرد مي تواند به سمت قطب مثبت باري حركت كنند.

وقتي كه الكترون از گودالي فرار مي كند گودال ديگري پشت سرخود جاي مي گذارد.
و اين بصورت حركت گودالها به سمت راست ديده ميشود كه در واقع به سمت قطب منفي باتري مي باشد. بنابراين جريان شبكه برابر مجموع جريان مربوط به هدايت الكتروني در باند هدايت وجريان مربوط به حركت گودالها خواهد بود. گودال يا بارالكتريكي مثبت را ترجيح مي دهيم تا حالت الكترونها در باند ظرفيت براي جلوگيري از به هم ريختگي با هدايت الكتروني در باند هدايت. مسير مرسوم ومتدا ول ناشي از حركت الكترونها مي باشد ومطمنا جريان گودالها هم در مسير ميدان الكتروني مي باشد.

۱۹-اين نكته بايد مورد توجه قرار گيرد كه حركت الكترونها به سمت ترمينال مثبت باتري سريعتر از حركت گودالها به سمت ترمينال مثبت باتري حركت گودالها به سمت ترمينال منفي باتري مي باشد. چرا كه احتمال اينكه الكترون انرژي به سمت ترمينال مثبت باتري داشته باشد كه آن را به سمت فضاي خالي در باند هدايت (كه هميشه خالي است) ببرد بيشتر از احتمال اين است كه الكترون انرژي داشته باشد كه آن را به سمت فضاي خالي در باند ظرفيت (كه هميشه پراست) سوق دهد.

 

بنابراين جريان ناشي از حركت الكترونها در باند ظرفيت قوي تر از جريان حفره ها در سيليكون است.
اگرچه جريان شبكه بسيار كوچك است و بنابراين اين ماده نيمه هادي محسوب است.
۲۰-براي ساختن يك ديود تعدادي از اتمهاي ماده اي مثل بور را به سيليكون اضافه مي كنيم كه اين عمل را اصطلاحا «گوپينگ» مي ناميم.

بور را يك ماده ي پذيرا مي ناميم چرا كه قادر به گرفتن اتم از لايه هاي ظرفيت اتم سيليكون است در دماي اتاق الكترونها از لايه ي ظرفيت سيليكون فضاي پذيراي بور را پر مي كنند. شكل ۳-۲۰۲ زماني كه احتمال اينكه الكترونهاي لايه ي ظرفيت انرژي لازم را براي پل از روي فضاي كوچك خلا داشته باشد بسيار بالا است.
نتيجه اين خواهد بود كه تعداد زيادي گودال بوجود خواهند آمد.
زماني كه ميدان الكتريكي مور اين سيليكون ناخالص شده قرارگيرد در جريان گودالها بسيار بالا مي رود. واين ماده هم اكنون يك هادي خوب حساب مي شود.
اين يك نيمه هادي نوع P ناميده مي شود. توجه داشته باشيد كه نيمه هادي نوع عمده ي حركت و هدايت مربوط به گودالها مي باشد.

۲۱-هم اكنون ما تكه ي ديگري از اتم سيليكون رابر مي داريم واتمهاي عنصر ديگري مثل فسفر را به آن اضافه مي كنيم. فسفر را يك عنصر اهدا كننده مي ناميم چرا كه قادر به اهدا كردن اتم به باند هدايت سيليكون است. بنابراين اين عنصر تمام الكترونهايش را به باند هدايت سيليكون اهدا مي كند (در دماي اتاق) همانطور كه در شكل ۱-۲۰۲ نشان داده شده است:
اكنون جريان جاري زماني كه ميدان الكتريكي پديد مي ايد عمدتا تشكيل شده از جريان الكترونها اين ماده با ناخالصي اش را نوع n مي ناميم.

باند انرژي سيليكون با ناخالص بور
۲۲-يك ديود از يك ناخالص نوع n و يك ناخالصي نوع p تشكيل شده است كه مطابق شكل ۵-۲۰۲ به هم اتصال پيدا كرده اند. اتصال بين p,n پايه اي است براي اسم ديود كه آن را ديود اتصالي مي ناميم. شكل (۵-۲۰۲ الف) نماد مداري و با ياس مستقيم ديود را نشان مي دهد. گودالها ناحيه ي p سمت ناحيه ي n در حركت هستند و در ضمن الكترونها از ناحيه ي n به سمت ناحيه ي p حركت دارند. ولتاژ كوچك شما كافي است تا جريان زيادي را بوجود آورد.

شكل ۵-۲۰۲ با ياس معكوس ديود را نشانمي دهد. الكترونها د رناحيه ي به سمت ناحيه ي n در حركت هستند و گودالها از ناحيه ي n به سمت ناحيه ي p.
بنابراين جريان جاري بسيار كم است واين بخاطر مقدار كم بارهاي در حال حركت مي باشد.
(ب) باياس معكوس (الف) با ياس مستقيم