דיודות

מאמר מתורגם. מקור: Diodes

אחרי שסיימתם עם המדריכים על רכיבים פסיביים הפשוטים, כמו נגדים, קבלים וסלילים, הגיע הזמן לעלות מדרגה לעולם המופלא של מוליכים למחצה. אחד הרכיבים הפופולריים ביותר של מוליך למחצה הוא דיודה.

מדריך זה מכסה את הנושאים הבאים:

• מה זה דיודה
• איך הדיודה פועלת
• תכונות החשובות של הדיודה
• סוגים שונים של דיודות
• איך הדיודה נראית
• יישומי דיודה טיפוסיים

מדריכים מומלצים:

חלק מהמושגים במדריך זה מתבססים על ידע מוקדם באלקטרוניקה. לפני שתמשיכו עם מדריך זה, מומלץ לקרוא את המדריכים הבאים:

• מהו מעגל?
• מתח, זרם, התנגדות וחוק אוהם
• מה זה חשמל?
• מעגלים טוריים ומקביליים

דיודה אידיאלית

התפקיד העיקרי של דיודה אידיאלית הוא לשלוט על כיוון זרימת הזרת. זרם שעובר דרך הדיודה יכול לזרום רק בכיוון אחד, שנקרא קדימה (forward direction). זרם שמנסה לזרום לכיוון ההפוך נבלם. כמו שסתום חד-כיווני של אלקטרוניקה.

אם המתח על הדיודה שלילי, שום זרם לא יכול לזרום (הערה: אין דיודות אידיאליות), ודיודה אידיאלית מתנהגת כמו נתק. במצב כזה אומרים שהדיודה כבוייה (off) או reverse biased.
כל עוד המתח על הדיודה לא שלילי, היא "תדלק" ותאפשר לזרם לזרום דרכה. במצב אידיאלי (אין כזה) הדיודה תתנהג כמו קצר (0V על הדיודה) כשהזרם עובר דרכה. כשדיודה מוליכה זרם, בג'רגון של האלקטרוניקה היא "פעילה" או forward biased.

בתמונה: יחס בין מתח וזרם בדיודה אידיאלית. עם כל מתח שלילי אין זרם - נתק. כל עוד אין מתח שלילי הדיודה מתנהגת כמו קצר.

סמל במעגל

לכל דיודה יש שני חיבורים שהם מקוטבים (polarized). הצד החיובי של הדיודה נקרא אנודה (anode) והצד השלילי נקרא קתודה (cathode). הזרם יכול לזרום מהצד של האנודה לצד של הקתודה, אבל לא בכיוון ההפוך. אם אתם שוכחים באיזה כיוון הזרם אמור לזרום, תנסו לזכור את "ACID" שבאנגלית יכול להיות "anode current in diode", או "anode cathode is diode".

סמל המעגל של דיודה סטנדרטית הוא משולש שנתקע בקו. כמו שנראה בהמשך המדריך, יש סוגים שונים של דיודות, אבל בדרך כלל הסמלים שלהם יראו בערך כך:



החיבור בצד השטוח של המשולש הוא האנודה. הזרם זורם בכיוון אליו מצביע המשולש/חץ, אבל לא יכול לזרום בכיוון ההפוך.



בתמונה מעל תוכלו לראות כמה דוגמאות של מעגל עם דיודה. בצד שמאל, דיודה D1 פעילה (forward biased) ומאפשרת לזרם לזרום דרך המעגל. למעשה הדיודה נראית כמו קצר במעגל. מצד ימין, דיודה D2 כבויה (reverse biased). הזרם לא יכול לזרום דרך המעגל והדיודה נראית כמו נתק.

שימו לב: לצערנו, אין כזה דבר דיודה אידיאלית. אבל אל דאגה! דיודות אמיתיות לגמרי, פשוט יש להן כמה מאפיינים שגורמים להן להתנהג בצורה קצת פחות מושלמת מהדגם האידיאלי שתיארנו…

מאפייני דיודה אמיתית

במצב אידיאלי, דיודות יחסמו כל זרם שזורם בכיוון ההפוך, או יתנהגו כמו קצר במעגל לזרם שזורם בכיוון הנכון. למרבה הצער, ההתנהגות האמיתית של דיודה היא לא ממש אידיאלית. הדיודות צורכות כמות מסוימת של חשמל כשהן מוליכות זרם בכיוון הנכון, והן לא חוסמות את כל הזרם בכיוון ההפוך. דיודות בעולם האמיתי קצת יותר מסובכות, ויש להן מאפיינים ייחודיים שמגדירים איך הן מתנהגות בפועל.

יחס זרם-מתח

המאפיין החשוב ביותר של דיודה הוא היחס בין מתח לזרם (i-v). הוא מגדיר כמה זרם יעבור דרך הרכיב כתלות למתח הנמדד עליו. לנגדים לדוגמה יש יחס i-v לינארי (חוק אוהם). עקומת ה-i-v של דיודה היא ממש לא לינארית. היא נראית בערך כך:



כדי להדגיש כמה נקודות חשובות, קנה המידה של החלקים החיוביים והשליליים בתמונה זו לא שווים.

בהתאם למתח הנופל עליה, דיודה תפעל באחד משלושת האיזורים הבאים:

1. Forward bias - המתח על הדיודה הוא חיובי, הדיודה פעילה (on) והזרם יכול לזרום דרכה. המתח צריך להיות גבוה ממאפיין ה-Forward Voltage V_F כדי שהזרם יהיה משמעותי.
2. Reverse bias - זהו מצב סגור (off) של הדיודה. המתח הוא נמוך מ-V_F, אבל גבוה יותר מנקודת המינוס V_BR. במצב זה הזרם (בעיקר) נבלם והדיודה סגורה. זרם נמוך מאוד (סדרי גודל של nA), הנקרא זרם רוויה הפוך (reverse saturation current), יכול לזרום הפוך דרך הדיודה.
3. Breakdown - מצב פריצה. כשמתח המופעל על הדיודה מאוד גדול ושלילי, הרבה זרם יוכל לזרום דרך הדיודה בכיוון ההפוך, מהקתודה לאנודה.

מתח ההפעלה (Forward Voltage)

כדי "להפעיל" את הדיודה ולגרום לה להעביר את הזרם בכיוון הרגיל, דיודה צריכה כמות מסוימת של מתח חיובי שיופעל עליה. המתח שדרוש להפעלת דיודה נקרא Forward Voltage - V_F. זה יכול להיקרא גם כ-cut-in voltage או on-voltage.

כמו שאנחנו יודעים מעקומת ה-i-v, הזרם דרך הדיודה והמתח עליה תלויים זה בזה. יותר זרם אומר שיש יותר מתח, פחות מתח אומר שיש פחות זרם. אבל ברגע שהמתח מגיע לערך של בערך ה-forward voltage, יש עליה גדולה מאוד בזרם עם עליה קטנה מאוד במתח. כשדיודה מוליכה בצורה מלאה, בדרך כלל מניחים שהמתח עליה הוא מתח ההפעלה (forward voltage).

רב מודד שיש לו במצב של מדידת דיודות יוכל למדוד את המתח המינימלי להפעלה:



מתח ההפעלה הספציפי (V_F) תלוי בחומר ממנו עשויה הדיודה. בדרך כלל לדיודה העשויה מסיליקון ה-V_F יהיה באיזור ה-0.6-1V. לדיודה שמבוססת על גרמניום המתח יהיה נמוך יותר, באיזור ה-0.3V. לסוג הדיודה יש גם משמעות לקביעת מתח ההפעלה. ללד (light-emitting diode) ערך ה-V_F יכלות להיות גבוה, כאשר דיודות שוטקי (Schottky diodes) מתוכננות במיוחד כדי שהמתח יהיה נמוך מהרגיל.

מתח פריצה

אם תפעילו מתח שלילי גדול מספיק על הדיודה, היא תיכנע ותאפשר זרימה של הזרם בכיוון ההפוך. המתח השלילי הגדול הזה נקרא מתח פריצה (breakdown voltage). יש סוגים של דיודות שלמעשה תוכננו לעבוד בתחום הפריצה, אבל לרוב הדיודות הנורמליות זה לא ממש בריא להיות מחובר למתח שלילי גבוה.

לדיודות רגילות מתח הפריצה הוא באיזור 50V- ל- 100V- או אפילו שלילי יותר.

מפרט טכני של דיודה

כל המאפיינים שתיארנו קודם מפורטים במפרט טכני של כל דגם דיודה. לדוגמה, מפרט זה של דיודה 1N4148 מציין את ה-forward voltage של 1V ומתח פריצה של 100V, בנוסף להרבה נתונים אחרים:



מפרט טכני יכול אפילו להציג לכם את גרף הזרם-מתח המוכר, כדי לפרט יותר על איך שהדיודה מתנהגת. גרף זה מהמפרט של דיודה מגדיל את האיזור המעוקל של איזור ה-forward bias של עקומת ה-i-v. שימו לב שכדי לקבל יותר זרם צריך יותר מתח:



גרף זה מצביע על עוד מאפיין אחד חשוב - זרם מקסימלי. כמו כל רכיב אלקטרוני, דיודה יכולה לפזר כמות מסויימת של הספק עד שהיא מתפוצצת. לכל דיודה יש מאפיינים של זרם מקסימלי, מתח הפוך לפריצה ופיזור הספק. אם על הדיודה מופעלים יותר מתח או זרם ממה שהיא יכולה לטפל, צפו לזה שהיא תתחמם, או יותר גרוע תמס, עשן וכו'...

יש דיודות שמותאמות היטב לזרמים גבוהים, 1A ויותר, אחרות כמו ה-1N4148 המותאמת לאותות קטנים, כמו שראינו במפרט שלה, יכולה להתאים לזרם של סביבות 200mA.

סוגי דיודות

דיודות רגילה

דיודת אותות סטנדרטית היא בין החברות הבסיסיות, ממוצעות, בלי התחכמויות של משפחת הדיודות. בדרך כלל יש לה מפל מתח (forward voltage) בינוני-גבוה וזרם מקסימלי נמוך יחסית. דוגמה נפוצה של דיודת אותות היא 1N4148.


המטרות שלה מאוד כלליות, יש לה מפל מתח של 0.72V וזרם מקסימלי של 300mA.



שימו לב לעיגול השחור סביב גוף הדיודה, הוא מסמל את הצד של הקתודה.

דיודות הספק

דיודת יישור או דיודת הספק היא דיודה סטנדרטית עם דירוג זרם מקסימלי הרבה יותר גבוה. דירוג זרם הגבוה הזה בדרך כלל בא עם המחיר של מפל מתח גבוה יותר. ה-1N4007 היא דוגמה לדיודת הספק.


ל-1N4007 יש דירוג זרם מקסימלי של 3A ומפל מתח של 1.1V



הפעם פס אפור מציין את הצד של הקתודה.

וכמובן, רוב סוגי הדיודות מגיעות גם בתצורת SMD. תוכלו לראות שלכל דיודה (לא משנה עד כמה היא קטנה וקשה לראות את זה) יש איזו שהיא דרך לסמן איזה מהחיבורים הוא הקתודה.

דיודות פולטות אור, לדים - LEDs

החבר הכי נוצץ במשפחת הדיודות הוא ללא ספק ה-LED - Light Emitting Diode. דיודות אלה נדלקות (תרתי משמע) כשמופעל עליהן מתח חיובי.

בתמונה מגוון לדים להרכבה בחורים. משמאל לימין: לד 3 מ"מ צהוב, 5 מ"מ כחול, 10 מ"מ ירוק, 5 מ"מ אדום בהיר מאוד, 5 מ"מ RGB, תצוגת 7 מקטעים (7Segment) כחולה.



כמו הדיודות הרגילות, לדים מאפשרים לזרם לזרום רק בכיוון אחד. גם להם יש מאפיין של מפל מתח, שזהו המתח הדרוש להם כדי לדלוק. ה-V_F של הלדים בדרך כלל גבוה יותר מדיודה רגילה (1.2-3V) והוא מושפע מהצבע המופק ע"י הלד. לדוגמה, מאפיין של מפל מתח של לד בהיר מאוד בצבע כחול הוא באיזור ה-3.3V, כאשר ללד בהיר מאוד בצבע אדום הוא רק 2.1V.

ברור שברוב המקרים תמצאו את הלדים ביישומים של תאורה וחיווי. הם מנצנצים ומגניבים! אבל מעבר לזה, היעילות שלהם הובילה לשילוב נרחב שלהם בתאורת רחוב, תצוגות, תאורה אחורית במסכים והרבה יותר. יש לדים שמפיצים אור שלא נראה לעין, כמו לד אינפרה אדום, שהן הבסיס לרוב השלטים מרחוק (remote controls). עוד שימוש נפוץ בלדים הוא בידוד אופטי של מערכת מתח גבוה ומסוכן ממעגל בקרה במתח נמוך. מבודדים אופטיים מזווגים את לד האינפרה אדום עם חיישן אור, שמאפשר לזרם לזרום כשהוא מזהה את האור של הלד. התמונה הבאה מציגה דוגמה של מעגל עם בידוד אופטי. שימו לב איך הסמל של הדיודה שונה מדיודה רגילה. לסימון של הלד מוסיפים כמה חצים היוצאים מהסמל.

דיודות שוטקי - Schottky Diodes

דיודה נפוצה נוספת שהיא דיודת שוטקי.

הרכב המוליכים למחצה של דיודת שוטקי קצת שונה מדיודה רגילה, מה שגורם למפל מתח להיות נמוך יותר, בדרך כלל בין 0.15V ל-0.45V. ועדיין יהיה להם מתח פריצה גבוה.
דיודות שוטקי שימושיות במיוחד להגבלת נזקים, כשחייבים לצמצם שימוש בכל טיפה של מתח. הן מספיק מיוחדות כדי לקבל סמל מעגל משלהן, עם כמה כיפופים בקצה קו הקתודה.

דיודות זנר - Zener Diodes

דיודות זנר הן הזן המוזר של משפחת הדיודות. בדרך כלל משתמשים בהן כדי בכוונה להעביר דרכן זרם בכיוון ההפוך.

זנרים מתוכננים כך שיש להם מתח פריצה מאוד מדוייק, הנקרא zener breakdown או zener voltage. כשיש מספיק זרם שעובר דרך הזנר בכיוון ההפוך, המתח שנופל עליו ישאר יציב על מתח הפריצה.

כדי לנצל את תכונות ההתמוטטות שלהן, דיודות זנר בדרך כלל משמשות ליצירת מתח ייחוס ידוע, בדיוק במתח הזנר שלהן. אפשר להשתמש בהן כמייצבי מתח לעומסים קטנים, אבל הן לא ממש נועדו לייצב מתח במעגלים שיצטרכו זרמים גבוהים.
זנרים מיוחדים מספיק כדי לקבל את הסמל משלהן עם קצוות משופעים של קו הקתודה. הסמל לרוב גם מציין את הערך המדויק של המתח על דיודת הזנר. הנה דוגמה של דיודת זנר המספקת מתח ייחוס יציב של 3.3V:

פוטודיודות - Photodiodes

פוטודיודות הן דיודות שנבנו בצורה מיוחדת כדי ללכוד אנרגיה מהפוטונים של אור (ראו פיזיקה קוונטית) ליצירת אנרגיה חשמלית. סוג של פעולה ההפוכה ללד.

זוהי פוטודיודה BPW34 (לא המטבע, הדבר הקטן הזה שעליה). שימו אותה מתחת לשמש והיא תוכל לייצר כמה מיקרו-וואט של אנרגיה!



תאים סולאריים הם המרוויחים הגדולים מהטכנולוגיה של פוטודיודה. דיודות קטנות שכאלה יכולות לשמש לזיהוי אור, או אפילו לתקשורת אופטית.

יישומים של דיודה

למרות שהרכיב כל כך פשוט, לדיודות יש מגוון עצום של יישומים. תמצאו דיודה מסוג כלשהו כמעט בכל מעגל. הן יכולות להיות בכל מקום, מאותות קטנים עד למעגלים להמרת הספק במתח גבוה. בואו נלמד קצת על יישומים אלה.

מיישרים - Rectifiers

מיישר הוא מעגל הממיר זרם חליפין (AC) לזרם ישר (DC). המרה זו היא קריטית עבור כל מיני מוצרים אלקטרוניים ביתיים. זרם AC יוצא משקע החשמל בבית, אבל DC מפעיל את רוב המחשבים ומיקרו-אלקטרוניקה אחרת.
הזרם במעגל AC ממש מתחלף, עובר במהירות בין ריצה לכיוון החיובי והשלילי. אבל זרם DC זורם רק בכיוון אחד. אז כדי להמיר מ-AC ל-DC צריך לוודא שהזרם לא יוכל לזרום לכיוון ההפוך. נשמע כמו משימה לדיודות!

אפשר לייצר מיישר חצי-גל (half-wave rectifier) רק עם דיודה אחת. אם אות AC, כמו גל סינוס לדוגמה עובר דרך דיודה, כל החלק השלילי של האות נחתך.

בתמונה: אותות בכניסה (אדום משמאל) וביציאה (כחול מימין) אחרי שעברו במעגל מיישר חצי-גל.



מיישר גשר מלא (full-wave bridge rectifier) משתמש ב-4 דיודות כדי להמיר את הגיבנת השלילית באות AC לגיבנת חיובית.

בתמונה: מעגל מיישר גשר באמצע והאות שיוצא ממנו בכחול מימין.



מעגלים אלה הם רכיבים קריטיים בספקי כח AC/DC שהופכים את המתח של השקע (230VAC) למתח DC של 3.3V, 5V, 12V וכו'.

אם אי-פעם תפרקו ספק AC-DC, רוב הסיכויים שתמצאו בו כמה דיודות שעושות את העבודה. הנה הקרביים של שנאי הדומה לשנאי 9V. מזהים את 4 הדיודות?

הגנה מפני זרם הפוך - Reverse Current Protection

הכנסתם פעם סוללה בצורה הפוכה? או התבלבלתם בין החוטי המתח האדום והשחור? אם כן, אז צריך להודות לדיודה שהמעגל שלכם עדיין בחיים. דיודה המחוברת בטור לאספקת מתח חיובי נקראת דיודת הגנה (reverse protection diode). היא מבטיחה שהזרם יוכל לזרום רק בכיוון החיובי וספק הכוח יוכל לספק רק מתח חיובי למעגל.



הדיודה שימושית במיוחד כשמחבר אספקת המתח לא מקוטב, מה שבקלות מאפשר להתבלבל ולחבר בטעות את הצד השלילי של הספק לצד החיובי של המעגל.

החיסרון של דיודת הגנה הוא שהיא תגנוב חלק מהמתח בגלל מפל המתח שלה. מה שהופך את דיודות שוטקי לבחירה מצויינת לתפקיד ההגנה בגלל מאפיין של מפל מתח נמוך יחסית.

שערים לוגיים - Logic Gates

תשכחו מטרנזיסטורים! שערים לוגיים פשוטים (TODO: Combinational Logic), כמו ה-AND או ה-OR אפשר לממש רק עם דיודות.

לדוגמה, שער OR עם שתי כניסות אפשר לבנות משתי דיודות המחוברות בצד הקתודה. היציאה של המעגל היא הקתודה. כשהכניסה של אחת הדיודות (או של שתיהן) היא "1" לוגי (מתח של 5V), היציאה גם תהפוך ל-"1" לוגי. כששתי הכניסות הן "0" לוגי (מתח של 0V), היציאה תמשך לאדמה דרך הנגד.



אפשר לבנות שער AND בצורה דומה. האנודות של שתי הדיודות מחוברות יחד, שם תהיה היציאה של המעגל. שתי הכניסות צריכות להיות "1" לוגי כדי שהזרם יזרום ליציאה ויגרום לו להיות "1" לוגי. אם אחת מהכניסות תקבל "0" לוגי (חיבור לאדמה), הזרם מהספק של 5V ירוץ דרך הדיודה לאדמה.



לשני המעגלים אפשר להוסיף עוד כניסות ע"י הוספת דיודה נוספת.

דיודות Flyback ודיכוי קפיצות מתח

לפעמים דיודות משמשות כדי למזער נזק פוטנציאלי מקפיצות גדולות ובלתי צפויות של מתח. דיודות TVS - Transient-voltage-suppression הן דיודות מיוחדות, כמו דיודות זנר עם מתחי פריצה נמוכים (באיזור ה-20V), אבל מיועדות להספקים גבוהים (לפעמים בתחום הקילו-וואט). הן מתוכננות לנטרל זרמים ולספוג אנרגיה כשהמתחים עולים מעל מתח הפריצה.

דיודות Flyback עושות עבודה דומה לנטרול קפוצות מתח, במיוחד אלה המיוצרים ע"י רכיבים בעלי השראות, כמו מנוע. כשזרם דרך רכיב השראתי משתנה בפתאומיות, נוצרת קפיצת מתח, ולפעמים גם קפיצה גדולה מאוד של מתח שלילי. דיודת Flyback ממוקמת במקביל העומס אינדוקטיבי (inductive) תספק למתח השלילי מסלול בטוח לפריקה, שלמעשה עובר שוב ושוב דרך ההשראה והדיודה עד שהוא נעלם בסופו של דבר.



זהו רק קומץ היישומים עבור רכיב המוליך למחצה הקטן והמדהים הזה.

לאן ממשיכים?

עכשיו, כשאתם שולטים על הדיודות, אולי תרצו להמשיך ולחקור מוליכי למחצה נוספים:

• Transistors TODO
• לדים
• או ללמוד על מעגלים משולבים כמו:
  
  • TODO 555 Timers
  • TODO Operational Amplifiers
  • TODO Shift Registers

או גלו כמה מהרכיבים האלקטרוניים הנפוצים האחרים:

• נגדים
• קבלים
• TODO Inductors
• TODO Voltage Regulators