اثر خازنی دیود

مقدمه
دیود یک قطعه ‌الکترونیکی است که ‌از به هم چسباندن دو نوع ماده n و p (هر دو از یک جنس ، سیلیسیم یا ژرمانیم) ساخته می‌شود. چون دیود یک قطعه دو پایانه ‌است، اعمال ولتاژ در دو سر پایانه‌هایش سه حالت را پیش می‌آورد.دیود بی بایاس یا بدون تغذیه که ولتاژ دو سر دیود برابر صفر است و جریان خالص بار در هر جهت برابر صفر است.بایاس مستقیم یا تغذیه مستقیم که ولتاژ دو سر دیود بزرگتر از صفر است که ‌الکترونها را در ماده n و حفره‌ها را در ماده p تحت فشار قرار

می‌دهد تا یونهای مرزی با یکدیگر ترکیب شده و عرض ناحیه تهی کاهش یابد. (گرایش مستقیم دیود)تغذیه یا بایاس معکوس که ولتاژ دو سر دیود کوچکتر از صفر است، یعنی ولتاژ به دو سر دیود طوری وصل می‌شود که قطب مثبت آن به ماده n و قطب منفی آن به ماده p وصل گردد و به علت کشیده شدن یونها به کناره عرض ناحیه تهی افزایش می‌یابد (گرایش معکوس دیود).مشخصه دیود در گرایش مستقیم
فرض کنید توسط مداری بتوانیم ولتاژ دو سر یک دیود را تغییر دهیم و توسط ولتمتر و آمپرمتر ولتاژ و جریان دیود را در هر لحظه اندازه گیری کرده ،بر روی محورهای مختصات رسم نماییم.جریان I در جهتی است که دیود قادر به عبور آن است .به همین علت اصطلاحاَ گفته می شود دیود در گرایش مستقیم یا بایاس مستقیم است . در هر حال اگر توسط پتانسیومتر ولتاژ دو سر دیود را از صفر افزایش دهیم ،مشاهده می شود تا ولتاژ به خصوصی ، جریان قابل ملاحظه ای از دیود عبور نمی کند.به این ولتاژ زانو می گویند ،این ولتاژبرای دیودهای از جنس ژرمانیم ۲/۰ ولت و برای دیودهای سیلیسیم ۷/۰ ولت است .تا ولتاژ زانو اگرچه دیود در جهت مستقیم است ، اما هنوز دیود روشن نشده است .از این ولتاژ به بعد ، به طور ناگهان جریان در مدار افزایش یافته و هرچه ولتاژ دیود را افزایش دهیم ، جریان دیود افزایش می یابد .

مشخصه دیود در گرایش معکوس
هرگاه جهت دیود را تغییر داده یعنی برعکس حالت گرایش مستقیم ، در جهت بایاس معکوس جریان مدار خیلی کم بوده و همچنین با افزایش ولتاژ معکوس دو سر دیود جریان چندان تغییر نمی کند به همین علت به آن جریان اشباع دیود گویند که این جریان حاصل حاملهای اقلیت می باشد . حدود مقدار این جریان برای دیودهای سیلیسیم ،نانو آمپر و برای دیودهای ژرمانیم حدود میکرو آمپر است. ارگ ولتاژ معکوس دیود را همچنان افزایش دهیم به ازاء ولتاژی ، جریان دیود به شدت افزایش می یابد . ولتاژ مزبور را ولتاژ شکست دیود می نامند و آنرا با VB نشان می دهند . دیودهای معمولی ،اگر در ناحیه شکست وارد شوند از بین می روند .(اصطلاحاَ می سوزند).
بنابر این ولتاژ شکست دیود یکی از مقادیر مجاز دیود است که توسط سازنده معین می گردد و استفاده کننده از دیود باید دقت نماید تا ولتاژ معکوس دیود به این مقدار نرسد.
البته در حالت مستقیم نیز جریان دیود اگر از حدی تجاوز نماید به علت محدودیت توان دیودباعث از بین رفتن دیود می گردد.این مقدار نیز یکی از مقادیر مجاز دیود است و به آن جریان مجاز دیود گفته می شود و توسط سازنده دیود معین می گردد.

دسته بندی دیودها
در دسته بندی اصلی ، دیودها را به سه قسمت اصلی تقسیم می‌‌کنند، دیودهای سیگنال (Signal) که برای آشکار سازی در رادیو بکار می‌‌روند و جریانی در حد میلی آمپر از خود عبور می‌‌دهند، دیودهای یکسو کننده (Rectifiers) که برای یکسو سازی جریانهای متناوب بکار برده می‌‌شوند و توانایی عبور جریانهای زیاد را دارند و بالاخره دیودهای زنر (Zener) که برای تثبیت ولتاژ از آنها استفاده می‌شود.
اختراع دیود پلاستیکی (plastic diode)
محققان فیزیک دانشگاه اوهایو (Ohio State University) توانستند دیود تونل پلیمری اختراع کنند. این قطعه الکترونیکی منجر به ساخت نسل آینده حافظه‌های پلاستیکی کامپیوتری و چیپهای مدارات منطقی خواهد شد. این قطعات کم مصرف و انعطاف پذیر خواهند بود. ایده اصلی از سال ۲۰۰۳ که یک دانشجوی کارشناسی دانشگاه اوهایو ، سیتا اسار ، شروع به طراحی سلول خورشیدی پلاستیکی نمود بوجود آمد. تیم پژوهشی توسط پاول برگر (Paul Berger) ، پروفسور الکترونیک و مهندسی کامپیوتر و همچنین پروفسور فیزیک دانشگاه اوهایو رهبری می‌شود.
در زیر یکی از دیود های معمول توضیح داده شده است

دیود واراکتور

مبل شماتیکی دیود واراکتور
در الکترونیک کی از انواع دیودهایی که با ظرفیت خازنی متغیر ، دیود واراکتور (دیود واریکاپ) یا دیود تنظیمی است . مقدار این ظرفیت خازنی تابعی است از ولتاژی که به پایه های دیود می دهیم .بطور معمول دیود واراکتور در آمپلی فایرهای پارامتری ، اسیلاتورهای پارامتری و اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ ( یکی از اجزا اساسی حلقه قفل شده فاز ) و سینتی سایزرهای فرکانس است . ولی عمده ترین کاربرد آن در خازن کنترل شده با ولتاژ است . در بعضی موارد هم از این دیود می توان به عنوان یکسوسازی استفاده کرد .

طرز کارکرد

ساختمان داخلی دیود واراکتور

طرز کارکرد دیود واریکاپ
دیودهای واراکتور در بایاس معکوس کار می کنند ، بنابراین جریانی از دیود نخواهد گذشت . ولی زمانی که پهنای ناحیه تخلیه بر اثر ولتاژ بیاس دیود ، تغییر کند ، میزان ظرفیت خازنی دیود نیز تغییر می کند . عموماً پهنای ناحیه تخلیه به مجذور ولتاژ اعمالی بستگی دارد و ظرفیت خازنی دیود نسبت معکوسی با پهنای ناحیه تخلیه دارد . بنابراین ظرفیت خازنی دیود با مجذور ولتاژ ورودی نسبت معکوس دارد .این اثر تمامی دیودها (اعم از یکسوساز معمولی و…)در بعضی زوایا، صدق می کند اما دیودهای وارکتور به شیوه ای مخصوص ساخته می شوند که ظرفیت خازنی مناسبی و رنج وسیع تری داشته باشند که در دیود های دیگر عکس این است .از پیوند دو نوع نیم رسانای n و p یک قطعه الکترونیکی به نام دیود بوجود می‌آید که در انواع مختلفی در سیستمهای مخابرات نوری ، نمایشگرهای دیجیتالی ، باتری‌های خورشیدی و … مورد استفاده قرار می‌گیرد.

خازن (Capacitor)
خازن وسیله الکتریکی است کخ در مدارهای الکتریکی اثر خازنی ایجاد می کند . اثر خازنی حاصیتی است که سبب می شود مقداری انرژی الکتریکی در یک میدان الکترواستاتیک ذخیره شود و بعد از مدتی آزاد گردد .
خازن
خازن وسیله الکتریکی است کخ در مدارهای الکتریکی اثر خازنی ایجاد می کند . اثر خازنی حاصیتی است که سبب می شود مقداری انرژی الکتریکی در یک میدان الکترواستاتیک ذخیره شود و بعد از مدتی آزاد گردد . به تعبیر دیگر ، خازنها المانهایی هستند که می توانند مقداری الکتریسیته را بصورت یک میدان الکترواستاتیک در خود ذخیره کنند . همانگونه که یک مخزن آب برای ذخیره کردن مقداری آب مورد استفاده قرار می گیرد . خازنها به اشکال گوناگون ساخته می شوند که متداول تریم آنها خازنهای مسطح هستند . این نوع خازنها از دو صفحه ی هادی که بین آنها عایق یا دی الکتریک قرار دارد ، تشکیل می شوند . صفحات هادی نسبتا بزرگ اند و در فاصله ای بسیار نزدیک به هم قرار می گیرند . دی الکتریک انواع مختلفی دارد و با ضریب مخصوصی که نسبت به هوا سنجیده می شود ، معرفی می گردد . این ضریب را ضریب دی الکتریک می گویند .
● شارژ خازن
برای اینکه خازن شارژ شود – یعنی انرژی الکتریکی را ذخیره کند – باید آن را به یک پتانسیل ( ولتاژ ) وصل کرد . بعضی از خازنها پلاریته دارند یعنی باید در هنگام اتصال به باتری قصب مثبت باتری به مثبت خازن وصل شود و قطب منفی باتری به منفی خازن وصل شود .
● انواع خازنها
۱) ثابت :

ـ کاغذی .
ـمیکا .
ـ الکترولیتی .
ـ سرامیک

۲) متغیر :
ـ خازن هوا .
ـ خازن تریمر
۱) خازن های ثابت
در خازن های ثابت ، ظرفیت از پیش تعیین شده و ثابت است و مقدار آن را بعد از ساخت نمی توان تغییر داد . خازن های ثابت را معمولا با جنس دی الکتریک به کار رفته در آنها می شناسند .
▪ خازن کاغذی
خازنهای کاغذی به دلیل ارزان بودن و اندازه کوچکشان مورد استفاده فراوان قرار می گیرند . جنس دی الکتریک آنها کاغذ آغشته به پارافین است و در ولتاژ پیش از ۶۰۰ ولت مورد استفاده قرار می گیرند . صفحات این خازنها به صورت نوارهای صاف و طویل از جنس ورقه های قلع است . کاغذ آغشته به پارافین بین دو صفحه ، حکم دی الکتریک را دارد و این هر سه بصورت لوله ، پیچیده شده اند و داخل یک استوانه قرار می گیرند .
▪ خازن میکا

خازن میکا از تعدادی ورقه ی نازک میکا به عنوان دی الکتریک و ورقه های نازک فلزی تشکیل می شوند . این ورقه ها به صورت یک در میان روی هم قرار می گیرند . ورقه های فلزی در دو دسته به یک دیگر متصل شده اند تا سطح موثر هر صفحه ی خازن را بزرگتر کنند و ظرفیت خازن بالا رود . هر چه مقدار صفحات فلزی بیش تر و اندازه ی آنها بزرگتر باشد ، ظرفیت خازن افزایش می یابد . مجموعه ورقه های میکا و فلز در یک کپسول قرار می گیرند .

▪ خازن الکترولیتی
خازن های الکترولیتی دارای قطبیت معینی است و از آن در مدار های dc استفاده می شود . یک صفحه از خازن الکترولیتی مثبت است که به سر مثبت منبع وصل می شود . صفحه دیگر منفی است و به سر منفی منبع متصل می گردد . ظرفیت این خازن ها بالا و از چند میکروفاراد تا چند هزار میکروفاراد است . ولتاژ شکست این خازن ها معمولا کم و جریان نشتی انها نسبت به سایر خازنها زیاد است . خازن های الکترولیتی را با الکترولیت مایع و هم با الکترولیت خشک می سازد .
▪ خازن سرامیک

خازنهای سرامیک دارای دی الکتریک بالا با توان بالا و اندازه کوچک هستند . از این خازنها در فرکانس های بالا استفاده می شود . صفحات خازن سرامیکی از جنس نقره و به صورت صفحات بیسار نازکی هستند که ماده ی دی الکتریک بین آنها را سرامیک تشکیل می

کوفاراد تا میکروفاراد متغیر است . ولتاژ شکست این خازنها زیاد است و می تواند در ولتاژ های بالا ( چندین هزار ولت ) کار کنند