الصمام الثنائي الكهربائي

ثنائي المساري أو اختصاراً الثنائي أو الديود في الكهرباء والإلكترونيات هو نبيطة إلكترونية ينحصر دوره في السماح لـ التيار الكهربائي بالمرور في اتجاه واحد فقط. قبل اكتشاف أشباه الموصلات كانت أنابيب إلكترونية كبيرة تقوم بهذه المهمة وتسمى صمامات.

تركيب الدايود

مكونات الصمام الثنائى diode :

يتكون الصمام الثنائي من قطبين سالب (-) و موجب (+) ، او بمعنى اصح و اوضح انود (Anode) و كاثود (Cathode)

وظيفة الصمام الثنائى Diode و تركيبة و قياسة

طريقة عمل و وظيفة الصمام الثنائى diode : يوصل الصمام الثنائي Diode التيار الكهربائي ، إذا كان الجهد الداخل للقطب الموجب (+) انود (Anode)، اكبر من القطب السالب (-) كاثود (Cathode) حينها سيقوم بعملية مرور للتيار الكهربي، ولكن اذا تم عكس التيار اى انه عند مرور التيار من القطب السالب (-) كاثود (Cathode) إلى القطب الموجب (+) انود (Anode)، حينها لن يتم توصيل التيار الكهربي و سيتم قطع التيار لانه عندما يكون الجهد في القطب السالب (-) كاثود (Cathode) اعلى من القطب الموجب (+) انود (Anode)، يقوم الصمام الثنائي diode بقطع التيار الكهربي، و هذه هي طريقة عمل الصمام الثنائي diode داخل الدارة الكهربية وطريقة عمله التي توضح كيف يحمي المركبات الالكترونية من انعكاس اتجاه التيار الكهربائي.

تركيب الصمام الثنائى diode : يجب ان يتم تركيب الصمام الثنائي diode في الدارة الكهربية بحيث يكون التيار الداخل للدائرة يمر بالقطب الموجب (+) انود (Anode) اولا ثم القطب السالب (-) كاثود (Cathode) وفي حالة توصيله عكس ذلك سيقوم بقطع التيار الكهربي عن أي مركب إلكتروني يليه او يأتي بعدة في الدائرة الكهربية

ملحوظة: كيفية معرفة القطب الموجب (+) انود (Anode) من القطب السالب (-) كاثود (Cathode) في الصمام الثنائي diode : يوجد في طرف الصمام الثنائي diode خط مميز ملون بالرصاص. إنه يعني الكاثود ، والطرف الاخر هو الانود الذى يستقبل الجهد الكهربائي.

قياس الصمام الثنائى diode : يتم قياس الصمام الثنائى diode بنفس طريقة قياس المقاومة الكهربية

أنواع الصمام الثنائى Types Of Diodes

الصمام الثنائي زنير (Zener diode) : يتميز الصمام الثنائى زنير عن العادي أنه يضاف إليه بعض الشوائب، لتزيد من كفائته في توصيل التيار الكهربائي، كما أن التيار الكهربائي يمكن أن يمر في الانحياز العكسي إذا تجاوز عتبة معينة (وهي جهد معين يسمى بانهيار الجهد بالإنجليزية Breakdown voltage وبالفرنسية Tension de claquage)، بعكس الصمام ثنائي العادى، يوصل في انحياز امامي فقط.

الصمام المكثف (Varicap أو varactor diode) : يتكون الصمام المكثف من صمام ومكثف يتغير بدلالة التيار المار خلال قطبيه. تستعمل الصمامات المكثفة من أجل التحكم بالجهد الكهربائي. تجدها غالبا في المضخمات والمذبذبات البارامترية ومحللات الترددات. مثلا، تستخدم الصمامات المكثفة في صناعة أجهزة التلفاز من أجل تحديد الترددات المرسلة.

صمام الإنهيار (Avalanche diode) : يصنع هذا الصمام من مادة السيليكون وهو مصمم من أجل التعامل مع ظاهرة كهربائية تدعى بالإنهياز الكهربائي (avalanche breakdown)، وتظهر هذه الظاهر عندم يخترق التيار الكهربائي القوي عازلا كهربائيا يعد جيدا في الواقع. يستعمل هذا النوع من الصمامات كنوع من الجهد المرجعي (voltage reference) وأيضا لحماية الدارات الكهربائية من التيارات العالية وكذلك لتوليد ما يسمى بتشويش تردادات الراديو.

الصمام الثنائي شوتكي (Schottky diode) : هو نوع خاص من الصمامات الثنائية التي لا تحتوي على معبر pn تقليدي (اي ممر من موجب إلى سالب التنقيط الذي عادة ما يتكون عند وضع مادتين شبه موصلات بشكل متلاصق). ولكنها تحتوي بدلا من ذلك على معدن ملاصق لمادة شبه موصلة. ينتج من هذا التلاصق معبر pn خاص يعمل تحت ظروف معينة كمقاومة اومية.من أهم ميزاته انه سريع الفتح والإغلاق، لذلك يتم استخدامه في دارات الترددات العالية والتردادت الصغيرة في نطاق غيغاهرتز وفي التقنية الرقمية أيضا.

الصمام الثنائي النفقي أو صمام إساكي(Tunnel diode أو Esaki diode) : تم ابتكاره من طرف ريونا إساكي الذي كان يشتغل في شركة صوني. وتصنع غالبا من مادة الجرمانيوم ويمكن أن تصنع من المواد السيليكونية أيضا. يتميز هذا النوع برابطة n-p جد مُشًوًّبة بمسافة 10 نانومتر.تستعمل هذه الصمامات في محولات الترددات (frequency converters) والمكشافات (detectors). وبسبب بنيتها تستخدم أيضا كمذبذبات ومضخمات ودارات للتبديل باستعمال مبدأ التلاكؤ (hysteresis).

صمام قن (Gunn diode) : هو عبارة عن طرفين ومشوب بشبه موصل سالب فقط. لا وجود لشبه موصل موجب ولا وجود لوصلة n-p. يحكم قيمة التردد الصادر عدة عوامل أبرزها طول الثنائي و كمية التشويب و كذلك تردد الإيقاف الخاص بمرشد الموجة المستعمل و أيضا فجوة الرنين التي يوضع بداخلها الثنائي.يستعمل هذا الثنائي لتوليد موجات كهرومغناطيسية بترددات تتراوح بين1 و100 غيغاهرتز وحتى نطاق التيراهرتز أيضا.

الصمام الثلاثي ه(PIN diode) : هو عبارة عن وصلة ثلاثية ابتكرها الياباني هيروشي نيشزاو عام 1950 للميلاد، وتتكون من ثلاث مكونات شبه موصل موجب (p) وشبه موصل سالب (n) وبينهما شبه موصل ذاتي (i) وبهذا تختلف عن الصمامات الثنائية. يتم تشويب الجزء الداخلي بكميات أقل بكثير من الجزئين الموجب والسالب، كما يتم تقليص عرض الجزء الموجب وزيادة عرض الجزء الداخلي ليكون أعرض من كلا الجزئين. يستعمل هذا الصمام كمبدال (switch) عند الترددات الكهربائية العالية، ويستعمل أيضا ككاشف ضوئي حيث إن زيادة المسافة بين الجانبين الموجب والسالب تعين على استعمال أطوال موجية أطول من السابق لإن زيادة المسافة ستزيد أيضا عمق التغلغل الذي يسمح للمواجات الكهرومغناطيسية اختراقه، وأيضا يمكن تسليط الموجة الضوئية على مساحة أكبر من السابق ما يحتم ارتفاع الكفاءة التحويلية، وكذلك الحال عند استعمالها كخلية شمسية سيكون بالإمكان تحويل الطاقة من نطاقات ترددية أكبر من السابق وبالتالي تزداد الطاقة الكهربائية الناتجة.

الصمام الموجه أمامي (Stabistor أوforward reference diode) : يسمح للتيار الكهربائي بالمرور في اتجاه واحد فقط ومصمم من أجل التطبيقات التي تعتمد على التيارات الضعيفة والتي تتطلب ثباتا عاليا عند ارتفاع درجة الحرارة. ولها استعمالات أخرى في ما يسمى بالتقليم الكهربائي (clipper) ومثبتات المستوى الترددي (clamper).

صمام الجرمانيوم (Germanium diode) : يصنع هذا النوع من الصمامات من مادة السيليكون في الغالب، ويستعمل بشكل كبير في الدارات التي تعرف عدم استقرار لمنحى التيار الكهربائي. نجده مستعملا في إنشاء اللوحات الشمسية مثلا وكذلك في صناعة مولدات الطاقة الهوائية من أجل تحويل وضبط التيار المتناوب إلى تيار مستمر.

الصمام الليزري (Laser diode) : يعتمد على المواد شبه الموصلة ويمتاز بحجم واستهلاك طاقة قليلة للغاية مقارنة بالأنواع الأخرى، ولذلك أصبح يستخدم على نطاق واسع في كافة التطبيقات والأجهزة الدقيقة حتى قدرة 1 واط. يستعمل في أجهزة كقارئ الأقراص الضوئيةوالمريائية والطابعات الليزرية وادوات القياس الدقيقة للمسافات والاطوال والأجهزة البصرية واقلام والعاب الليزر. وتعددت الوانه فمنه الاحمر والاخضر والازرق.

الصمام الثنائي الضوئي أو الصمام الباعث الضوئي (LED) : يقوم بنفس وظيفة الصمام ثنائي العادى ويوصل في وضع الانحياز الامامي ويضيء عند مرور تيار كهربائي به، ويفضل تركيبه مع مقاومة كهربائية لحمايته. ومعرفة الانود من الكاثود بسيطة فالطرف العريض داخل الصمام هو الكاثود (السالب) اما الطرف النحيف فهو الانود (الموجب).

الصمام المستقطب الضوئي (Photodiode) : الصمام المستقطب الضوئي في الكهروضوئية هو نبيطة تستعمل في تحويل الضوء إلى كهرباء. ويستعمل في الدارات الكهروضوئية كمستقبل إشارة.

شرح diode

تتحرك الالكترونات الحره من N الى P وتتحرك الفجوات من P الى N وتتحد الالكترونات مع الفجوات بعد اتحادهم يتم اخلاء المنطقه التى تصل بينهم وتسمى Depletion region او ما يعرف بالمنطقه المستنزفه او المنطقه الفاصله نتيجه اتحاد الفجوات مع الالكترونات ويكون لهذه المنطقه جهد يُطلق عليه Barrier Voltage .
وتسمى هذه التوصيله بحاله الإتزان :no biasing

التوصيله الثانيه : حاله التوصيل الامامى :Forward biasing
يتم توصيل الانود (الطرف الموجب) للدايود بالطرف الموجب للبطاريه .. وتوصيل الطرف السالب للدايود بالطرف السالب للبطاريه فيحدث تنافر للالكترونات الموجوده فى الطرف السالب للبطاريه والدايود وتتجه نحو منطقه الفاصله D.R وبالمثل تتنافر الفجوات مع الشحنات الموجبه للطرف الموجب للبطاريه مما يؤدى الى تقليل مساحه المنطقه الفاصله حتى تنهار ويمر التيار.
وبذلك يمكن التعبير عن هذه الحاله ببساطه عند التوصيل الامامى تقل مساحه المنطقه الفاصله ويقل Barrier voltage وتزداد سعه الدايود .
ولحساب التيار المار من العلاقه الاتيه

VD:جهد البطاريه
ID:تيار البطاريه
IS:التيار المشبع
VT:الجهد الخاص بالدايود

التوصيله الثالثه : حاله التوصيل العكسي :Reverse biasing
يتم توصيل الاطراف عكس حاله التوصيل الامامى فيتم توصيل الطرف السالب للدايود مع الطرف الموجب للبطاريه ويتم توصيل الطرف الموجب بالدايود مع الطرف السالب للبطاريه فتنجذب الالكترونات فى الدايود ناحيه القطب الموجب للبطاريه وتنجذ الفجوات ناحيه القطب السالب للبطاريه فتزداد مساحه المنطقه الفاصله فتزداد المقاومه فيمر تيار صغير جداً تقريبا يساوى الصفر .
ID=0
الدائره المكافئه للدايود :

*فى حاله Ideal devices

فى حاله التوصيل الامامى يتم حذفه والتعبير عنه بS.C اى ان الجهد الخاص به Zero
فى حاله التوصيل الخلفى يتم التعبير عنه ب O.C اى انه لا يوجد تيار يمر .
هذه الحاله تتم اذا كان مقاومه الدائره اكبر من مدى سعه الدايود
و جهد الدائره يكون اكبر من جهد الدايود .

*فى حاله Simplified :

فى حاله التوصيل الامامى يتم حذفه وتغييره ببطاريه يختلف جهدها حسب الماده شبه الموصله المصنوعه منها
اذا كان الدايود مصنوع من ماده السيلكون فانه يستبدل ببطاريه جهدها 0.7 فولت واذا كان مصنوع من الجرمانيوم يكون جهده 0.3 فولت .
اما فى حاله التوصيل الخلفى يتم التعبير عنه O.C اى انه لا يوجد تيار يمر.
هذه الحاله تتم اذا كان مقاومه الدائره اكبر من مدى سعه الدايود .

*فى حاله piecewise linear model :
فى هذه الاحاله يتكون مدى من القراءات كمقاومه تزيد كل لحظه معينه وذلك فى حاله التوصيل الامامى .
اما فى حاله التوصيل الخلفى يتم التعبير عنه ب O.C اى انه لا يوجد تيار يمر .

* منحنى الجهد والتيار للدايود :

يكون الدايود فى حاله التوصيل الامامى اذا كان جهد الانود اكبر من جهد الكاثود .
ويبدا الدايود فى هذه الحاله بتوصيل التيار اذا وصل الجهد لقيمه معينه ويسمى بجهد المخصص لتشغيل الدايود threshold voltage اختصاره Vth.
وعند زياده قيمه Vth يزداد التيار بقيمه كبيره .

ويكون الدايود فى حاله التوصيل العكسي يمر به تيار صغير جدا جدا يسمى بتيار الاشباع I saturation او التيار المسرب leakage current ثم حاله الBreak down والتى تتم عند الوصول لقيمه معينه للجهد .
ويمكن التعبير عن العلاقه بين تيار الدايود وفرق الجهد بين طرفيه عن طريق معادله shockley

الاستخدامات :rectifiers موحدات , signal limiters , Voltage regulators , signal modulators , switches , etc ..

ارقام الدايود