چگونگی کنترل دیودها جریان در مدارهای الکترونیکی

درک عملکرد دیود به عنوان شیر جریان یک‌طرفه

در مدارها، دیودها بسیار شبیه به درهای یک‌طرفه عمل می‌کنند و این خاصیت را مدیون ساختار اتصال PN خود هستند. وقتی ولتاژ به درستی اعمال شود (پلاریته مستقیم)، الکترون‌ها می‌توانند بدون ایجاد مانع از سمت مثبت (آند) به انتهای منفی (کاتد) حرکت کنند. اما اگر این وضعیت معکوس شود، این قطعات کوچک تقریباً به طور کامل خاموش می‌شوند، دقیقاً مانند یک شیر آب طراحی‌شده که از جریان در جهت اشتباه جلوگیری می‌کند. بر اساس تحقیقات اخیر منتشر شده در سال گذشته در نشریه فیزیک نیم‌رساناها، اتصالات PN مبتنی بر سیلیکون معمولی کاری شگفت‌انگیز انجام می‌دهند - جریانی بیش از 1000 برابری را در جهت صحیح نسبت به جریانی که سعی می‌کند در جهت عکس حرکت کند، عبور می‌دهند. به همین دلیل است که مهندسان به شدت به دیودها برای کارهایی مانند تبدیل جریان متناوب به جریان مستقیم در منابع تغذیه و حفاظت از تجهیزات در برابر جریان‌های معکوس مخرب متکی هستند.

عملکرد دیودها در حالت‌های پلاریته مستقیم و معکوس توضیح داده شده است

هنگامی که ولتاژ مثبت را به آند وصل می‌کنیم و بایاس مستقیم اعمال می‌کنیم، ناحیه تخلیه در اتصال کوچک‌تر می‌شود و اجازه می‌دهد جریان به‌طور کارآمدی جریان یابد، در حالی که حدود ۰٫۷ ولت در دیودهای سیلیکونی اتلاف می‌شود. اعمال بایاس معکوس بر روی دیود دقیقاً برعکس این اتفاق می‌افتد؛ یعنی آن مانع عایقی را بزرگ‌تر می‌کند، به‌طوری که جریان تا حدود جریان‌های بسیار کوچک در حد نانوآمپر کاهش می‌یابد. این موضوع اهمیت زیادی دارد زیرا از سایر قطعات مدار در برابر آسیب محافظت می‌کند. این واقعیت که دیودها رفتار بسیار متفاوتی بسته به جهت بایاس دارند، باعث می‌شود آن‌ها بسیار مفید باشند. به همین دلیل مهندسان از آن‌ها در مدارهای یکسوساز و سیستم‌های محدودکننده ولتاژ در تمام انواع کاربردهای الکترونیکی استفاده می‌کنند.

تأثیر مانع اتصال بر کنترل جریان

پتانسیل اتصال داخلی (0.3 ولت در ژرمانیوم در مقابل 0.7 ولت در سیلیکون) ولتاژ آستانه‌ای یک دیود را تعیین می‌کند. مواد دارای سد بالاتر اجازه می‌دهند دیود تحمل بهتری نسبت به ولتاژ معکوس داشته باشد، جریان نشتی کمتری داشته باشد و پایداری دمایی بهتری ارائه دهد، به همین دلیل سیلیکون انتخاب ترجیحی بیشتر کاربردهای توان و دیجیتال است.

علم مواد در مورد دیودهای سیلیکونی و ژرمانیومی

اموال	دیودهای سیلیکونی	دیودهای ژرمانیومی
ولتاژ جلوگرد	0.7V	0.3V
ماکسیمم دمای مجاز	175°C	۸۵°C
جریان نشتی معکوس	<1µA	100µA

سیلیکون به دلیل استحکام حرارتی و سازگاری ساختاری خود در مدارهای مدرن سهم بیشتری دارد، در حالی که ژرمانیوم همچنان در کاربردهای RF با ولتاژ پایین تخصصی باقی مانده است، جایی که افت ولتاژ مستقیم بسیار کم اهمیت است.

دیودها برای حفاظت در برابر اضافه ولتاژ و قطبش معکوس

استفاده از دیودها در حفاظت از مدار: حذف اضافه ولتاژ و سرعت نوسان

در دستگاه‌های الکترونیکی امروزی، دیودها نقش مهمی در حفاظت در برابر افزایش‌های خطرناک ولتاژ ایفا می‌کنند. در مورد دیودهای حذف ولتاژ گذرنده (TVS)، آن‌ها تقریباً بلافاصله وارد عمل می‌شوند - صحبت از نانوثانیه است - تا ولتاژهای ناگهانی ناشی از چیزهایی مثل الکتریسیته ساکن یا رویدادهای ESD را کنترل کنند. دیودها سپس این جریان مضر را از مسیر مدارهای ظریف هدایت می‌کنند تا از آسیب دیدن آن‌ها جلوگیری شود. ماشین‌آلات صنعتی هم با چالش‌های خاصی مواجه هستند. کارخانه‌هایی که با صاعقه یا تجهیزاتی که با موتورهای بزرگ کار می‌کنند، اغلب این مدارهای دیودی را به عنوان مکانیزم دفاعی نصب می‌کنند. آن‌ها از ولتاژ بیش از حد مجاز سیستم جلوگیری می‌کنند. چیزی که این راه‌حل‌های TVS را مؤثر می‌کند، نحوه مدیریت آن‌ها از الزامات توان متنوع و همچنین واکنش سریع آن‌ها در برابر نوسان‌های انرژی ناگهانی است که می‌توانند قطعات گران‌قیمت را از بین ببرند.

حفاظت از قطبیت معکوس با استفاده از دیودهای سری و شانت

هنگامی که تغذیه به صورت اشتباه معکوس متصل می‌شود، مدارها ممکن است به شدت دچار خرابی شوند. دیودهای سری مانند شیرهای چک در برابر جریان الکتریکی در مسیر تغذیه عمل می‌کنند. نوع شاتکی این دیودها دارای ولتاژ مستقیم کمتری است، بنابراین اتلاف انرژی کمتری از طریق آنها ایجاد می‌شود. گزینه دیگر استفاده از دیودهای شانت است که هرگونه جریان معکوس را به طور ایمن به زمین هدایت می‌کنند. این نوع دیودها بهترین عملکرد را در مواردی دارند که جریان بیش از بیست آمپر از سیستم عبور می‌کند. تصمیمات طراحی در دنیای واقعی شامل تعادل بین سادگی مدار و میزان گرمای تولیدی و اتلاف توان در هر راه‌حل است. تجربیات عملی نشان می‌دهند که گاهی چیزی که روی کاغذ بسیار خوب به نظر می‌رسد، در شرایط واقعی کارکرد ضعیفی دارد.

مطالعه موردی: پیاده‌سازی دیود در سیستم‌های تغذیه خودرو

نحوه مدیریت سیستم‌های الکتریکی 12 ولتی و 48 ولتی در خودروها بستگی زیادی به ادغام مناسب دیودهای حفاظتی در سراسر خودرو دارد. یکی از شرکت‌های بزرگ خودروهای برقی متوجه شد که با نصب دیودهای TVS خاص در اتصالات باتری، مشکلات گارانتی خودرو به میزان تقریبی 37 درصد کاهش یافته است. این قطعات به جذب نوسانات ناگهانی ولتاژ کمک می‌کنند که می‌توانند به بیش از 60 ولت در اثر رها شدن بار برسند. همچنین آنها آرایه‌های دیود زنر را در ورودی‌های سیستم اطلاعاتی-سرگرمی نصب کردند تا از مشکلات تخلیه الکترواستاتیکی جلوگیری شود هر زمان که کسی کانکتورها را وارد یا خارج می‌کند. امروزه خودروها معمولاً دارای حدود 200 دیود حفاظتی مختلف در بخش‌های مختلفی از جمله واحدهای کنترل موتور، سیستم‌های ترمز و انواع حسگرها هستند. این موضوع ایجاد چندین لایه دفاعی در برابر مشکلات الکتریکی را ممکن می‌سازد که مهندسان خودرو طبق استاندارد صنعتی ISO 7637 در تست قطعات به دقت آن را دنبال می‌کنند.

دیودهای زنر و TVS برای تنظیم ولتاژ و حفاظت از الکترواستاتیک

دیودهای زنر برای کاربردهای تنظیم و مهار ولتاژ

دیودهای زنر با کنترل ولتاژ از طریق چیزی به نام شکست معکوس، کار خود را انجام می‌دهند. دلیل اینکه آنها این کار را به خوبی انجام می‌دهند وجود اتصالات PN دوپه شده سنگین درون آنهاست که به آنها اجازه می‌دهد ولتاژ را در نقاط خاصی که ما می‌توانیم به طور نسبی پیش‌بینی کنیم، مهار کنند. دیودهای استاندارد این قابلیت را ندارند. وقتی مهندسان نیاز دارند تا در منابع تغذیه، به ویژه زمانی که نوسانات ولتاژ رخ می‌دهد، کارها را به خوبی پیش ببرند، دیودهای زنر کاربرد بسیار مفیدی دارند. اساساً آنها مثل شیرهای ایمنی عمل می‌کنند و ولتاژ اضافی را از خود عبور می‌دهند هنگامی که ولتاژ ورودی از حد مشخصی فراتر می‌رود. این امر از آسیب دیدن قطعات حساس دیگر در مسیر جلوگیری می‌کند.

طراحی مدارهای مهار کننده زنر برای خروجی ولتاژ پایدار

برای به دست آوردن عملکرد مناسب از مدارهای کلامپ، یافتن تعادل مناسب بین مقاومت‌ها و دیودها از نظر کنترل جریان و مدیریت سطوح ولتاژ امری ضروری است. مقاومت محدودکننده جریان باید جریان معکوس به اندازه کافی را اجازه دهد تا مدار بتواند به درستی در شرایط شکست عمل کند، اما نه به میزانی که باعث گرم شدن اجزا شود. مدارهای صنعتی معمولاً دقت خود را در حدود 1٪ حفظ می‌کنند، حتی در صورت تغییرات ناگهانی در بار. در طراحی این سیستم‌ها، مهندسان باید محاسبه کنند که در شرایط مختلف چه مقدار توان اتلاف خواهد شد، به ویژه در شرایط ولتاژ بسیار بالایی که گاهی اوقات ممکن است رخ دهد. برای تمام این محاسبات معادلات خاصی وجود دارد.

توان مقاومت = (ولتاژ ماکزیمم - ولتاژ زنر)² / حداقل مقاومت بار

تعادل بین اتلاف توان و دقت رگولاتور

استفاده بهترین بهره از دیودهای زنر به این معنی است که باید در مورد کنترل حرارت در مقابل دقت، موانعی را مدیریت کرد. وقتی از مقاومت‌های سری کوچک‌تر استفاده می‌کنیم، آن‌ها به حفظ رگولاتوری بهتر بار کمک می‌کنند، چون جریان‌های شکستن را پایدار نگه می‌دارند. اما در اینجا نیز یک مشکل وجود دارد - همین مقاومت‌های کوچک هستند که باعث اتلاف توانی می‌شوند که خیلی سریع افزایش می‌یابد. از سوی دیگر، مقاومت‌های بزرگتر گرمای کمتری تولید می‌کنند که در ابتدا خوب به نظر می‌رسد، اما وقتی شروع به بررسی پایداری رگولاتور می‌کنیم، وضعیت بدتر می‌شود. این موضوع زمانی مشکل بزرگی می‌شود که بارهای سبک باشند، چون گاهی جریان زنر به اندازه کافی نیست تا کارها به خوبی پیش برود. بیشتر تولیدکنندگان بزرگ به مهندسان خود توصیه می‌کنند که مشخصات توان دیودها را نصف کنند اگر بخواهند عملکرد قابل اعتمادی را در طول زمان داشته باشند. این توصیه دلیل این است که چرا بهره‌وری در این حوزه از طراحی الکترونیک همچنان چالش‌برانگیز است.

کاربردهای دیود TVS در الکترونیک مصرفی و حفاظت از ESD

دیودهای سرگذر (TVS) ولتاژ گذرا فشار الکترواستاتیک (ESD) را به‌صورت تخصصی ایمن می‌کنند و در عرض چند نانوثانیه به منظور هدایت جریان‌های گذرا از مدارهای حساس واکنش نشان می‌دهند.

سیستم‌های الکترونیکی	آستانه حفاظت	نمونه های کاربردی
دستگاه‌های مصرف‌کننده	ایمنی 8-15 کیلوولتی در برابر ESD	درگاه‌های تلفن‌های هوشمند، قابل پوشیدن
ECUهای خودرو	نویزهای ناشی از رها شدن بار	سیستم‌های اینفوتنمنت
کنترل‌های صنعتی	نوک‌های ناشی از صاعقه	ماژول‌های ارتباطی PLC

بر اساس مطالعات قابلیت اطمینان نیمه‌هادی‌ها، پیاده‌سازی TVS موجب کاهش ۷۰٪‌ای خرابی‌های مرتبط با ESD در رابط‌های بیرونی مانند اتصالات USB-C می‌شود. ولتاژهای کلمپینگ پایین آن‌ها باعث می‌شود انرژی به سرعت قبل از اینکه ولتاژهای گذرا به آستانه‌های مخرب برسند، دفع شود.

دیودهای با ظرفیت خازنی بسیار پایین برای حفظ تمامیت سیگنال‌های با سرعت بالا

برای خطوط سیگنال، ما به دیودهای TVS نیاز داریم که ظرفیتی کمتر از 1 پیکوفاراد داشته باشند، اگر بخواهیم داده‌ها را در آن رابط‌های چند گیگابیتی با سرعت بالا حفظ کنیم. دیودهای قدیمی حفاظتی معمولاً بیش از 3 پیکوفاراد ظرفیت وارد می‌کنند که باعث ایجاد مشکلات جدی در دستکاری سیگنال می‌شود، به محض اینکه سرعت‌ها از 480 مگابیت بر ثانیه عبور کنند. همین دلیل است که آرایه‌های دیودی جدید اهمیت زیادی دارند، چرا که آنها سطح ظرفیت القایی مزاحم را کاهش می‌دهند و در عین حال مقاومت کانال را در زیر 1 اهم حفظ می‌کنند. این بهبودها امکان حفاظت از پورت‌های Thunderbolt 4 که در سرعت 40 گیگابیت بر ثانیه کار می‌کنند را فراهم می‌کند، بدون نگرانی از کوچک شدن عرض پالس یا بروز خطا در بیت‌ها. به سمت آینده نگاه کنیم، ICهای جدید حفاظتی چند کاناله‌ای که دارای دیودهایی با ظرفیت 0.5 پیکوفاراد یا کمتر هستند، وارد بازار شده‌اند و به خوبی با هر دو پروتکل USB4 و HDMI 2.1 کار می‌کنند. واقعاً چیزهای چشمگیری برای کسی که امروز با سیگنال‌های دیجیتال با سرعت بالا سروکار دارد.

کاربردهای پیشرفته دیود در سیستم‌های با سرعت بالا و کوچک شده

حفاظت از رابط‌های با سرعت بالا در USB، HDMI و Thunderbolt

دیودهای TVS نقش مهمی در حفاظت از اتصالات داده‌های پرسرعت مدرن مانند USB4، HDMI 2.1 و Thunderbolt 4 در برابر ضربه‌های ولتاژ دارند. مشکل اینجاست که این رابط‌ها با سرعت‌های شگفت‌انگیزی که در حد چند گیگ‌بیت در ثانیه اندازه‌گیری می‌شوند کار می‌کنند، بنابراین حتی کوچکترین ضربه ولتاژ که تنها کسری از یک میلیاردم ثانیه طول می‌کشد می‌تواند انتقال داده را به طور کامل مختل کند. چیزی که این کار را ممکن می‌کند وجود این اجزای دیودی ادغام‌شده است که در واقع مانند شیرهای ایمنی برای سرریزهای الکتریکی عمل می‌کنند. آنها می‌توانند پدیده تخلیه الکترواستاتیکی را به خوبی تحمل کنند که ولتاژی بیش از ۳۰ کیلوولت دارند، بدون اینکه کمیت یا کیفیت سیگنال اصلی را تحت تأثیر قرار دهند. به عنوان مثال HDMI 2.1 را در نظر بگیرید که ظرفیت پهنای باند عظیمی در حد ۴۸ گیگ‌بیت در ثانیه دارد. در اینجا دیودهای TVS در کمتر از یک نانوثانیه فعال شده و سرریزهای مخرب ولتاژ را از مسیر مدارهای مجتمع حساس منحرف می‌کنند قبل از اینکه خسارت جبران‌ناپذیری ایجاد شود.

چالش‌های مربوط به ظرفیت خازنی در ادغام دیودهای خط سیگنال

مشکل ظرفیت خازنی (پارازیتیک) زمانی کاملاً مشهود می‌شود که سعی می‌کنیم دیودهای حفاظتی را در آن دسته از مدارهای فرکانس بالا که امروزه در پورت‌های USB-C می‌بینیم جا دهیم. دیودهای قدیمی معمولی معمولاً ظرفیتی در حدود 5 تا 10 پیکوفاراد ایجاد می‌کنند که باعث از بین رفتن یکپارچگی سیگنال می‌شود، به خصوص زمانی که فرکانس‌ها از 5 گیگاهرتز بالاتر می‌روند. این موضوع برای اتصالات Thunderbolt با سرعت 40 گیگابیت بر ثانیه که نیازمند انتقال داده‌های بدون نویز هستند، یک مشکل جدی محسوب می‌شود. با این حال، متخصصان باهوشی که روی این طراحی‌ها کار می‌کنند راه‌هایی برای غلبه بر این مشکل پیدا کرده‌اند. آنها به سراغ دیودهای TVS با ظرفیت خازنی بسیار پایین می‌روند که زیر 0.3 پیکوفاراد هستند، همچنین طرح‌های مربوط به قرارگیری ردیف‌های مدار چاپی (PCB traces) را بهینه می‌کنند. برخی از آنها حتی در حال آزمایش با ساختارهای سیلیکونی چندگره‌ای هستند که می‌توانند به مبارزه با مشکلات ناشی از ناهمخوانی امپدانس ناشی از این ظرفیت خازنی اضافی کمک کنند.

روند: آرایه‌های دیود کوچک‌شده برای حفاظت داده در خطوط چندگانه

روند مؤلفه 051006 نشان‌دهنده افزایش استفاده از آرایه‌های دیود تک‌نمایی است که 8 تا 12 واحد TVS را در بسته‌های 1 میلی‌متر مربعی جای می‌دهند. این راهکارهای مقیاس چیپی به‌صورت هم‌زمان تمام کانال‌ها را در رابط‌های USB4 یا DisplayPort پشتیبانی می‌کنند. طراحی ادغامی آن‌ها از بروز اعوجاج کانال جلوگیری کرده و نرخ خرابی ESD را نسبت به رویکردهای دیود تکی 63٪ کاهش می‌دهد (بررسی ESDA 2023).

مطالعه موردی: کاهش خرابی ESD در پورت‌های USB-C با استفاده از دیودهای ادغامی

یکی از برندهای بزرگ لپ‌تاپ شاهد کاهش قابل توجهی در مشکلات ESD پورت USB-C شد، زمانی که از آرایه‌های کوچک دیود در طراحی پورت‌های خود استفاده کرد. رویکرد جدید سبب بهبود چشمگیر نتایج در چندین معیار شد. میزان ظرفیت خازنی تقریباً ۹۴٪ کاهش یافت، از ۴ پیکوفاراد به ۰٫۲۵ پیکوفاراد رسید. همچنین فضای فیزیکی مورد نیاز برای حفاظت ۴۰٪ کاهش یافت که در طراحی دستگاه‌های فشرده بسیار مهم است. علاوه بر این، تمام الزامات استاندارد IEC 61000-4-2 سطح ۴ را برآورده کرد. با توجه به عملکرد واقعی، حدود ۳٫۲ میلیون پورت به مدت ۱۸ ماه به‌خوبی کار کردند، در حالی که در معرض رویدادهای ESD ۱2 کیلوولتی در شرایط ناخوشایند اتصال گرم بودند و میزان خرابی آن‌ها کمتر از ۰٫۱٪ بود.

‫سوالات متداول‬

عملکرد اصلی دیودها در مدارهای الکترونیکی چیست؟

دیودها عمدتاً به عنوان شیرهای یک‌طرفه برای جریان عمل می‌کنند و اجازه می‌دهند جریان در یک جهت جاری شود و از حرکت آن در جهت معکوس جلوگیری می‌کنند. این ویژگی آن‌ها را برای کارهای یکسوسازی و حفاظت ضروری می‌کند.

دیودها چگونه از ولتاژهای ناگهانی محافظت می‌کنند؟

دیودهای TVS به طور تقریباً فوری در برابر اضافه ولتاژ عمل می‌کنند و جریان‌های مخرب را از مسیر مدارهای حساس منحرف می‌کنند تا از آسیب دیدن آن‌ها جلوگیری شود.

چرا در بیشتر کاربردها سیلیسیم نسبت به ژرمانیوم ترجیح داده می‌شود؟

سیلیسیم استحکام حرارتی بهتر، سازگاری بیشتر در ساخت و ولتاژ معکوس قابل تحمل بالاتری را فراهم می‌کند که آن را برای کاربردهای توان و دیجیتال ایده‌آل می‌کند.

دیودهای زنر در تنظیم ولتاژ چه نقشی دارند؟

دیودهای زنر با اجازه دادن به ولتاژ اضافی برای عبور، هنگامی که ولتاژ ورودی از حد مشخص شده بیشتر می‌شود، خروجی ولتاژ پایداری را حفظ می‌کنند و از اجزای حساس محافظت می‌کنند.