أجهزة الصمام الثنائي والدوائر التي تعمل بالصمام الثنائي

في درجات الحرارة المنخفضة. لذلك، فإن السيليكون الأصلي يتصرف بشكل أقرب إلى العازل. وفي ظل زيادة درجة الحرارة، تكتسب الذرات الطاقة ويمكن كسر المزيد من الروابط التساهمية. فكلما زادت درجة الحرارة، زاد عدد الروابط المكسورة وبالتالي عدد الشحنات الحرة القادرة على التوصيل. وعندما يكتسب الإلكترون طاقة كافية لكسر الرابطة، تصبح الرابطة التساهمية الناتجة غير متوازنة كهربائيًا. وفي الواقع، يحمل "الثقب" الذي يبقى شحنة موجبة تعادل مقدارها شحنة الإلكترون. يمكنك زيادة موصلية أشباه الموصلات الجوهرية عن طريق إدخال كميات صغيرة من الشوائب. وهذا ما يعرف باسم التشويب. يوضح الشكل 19.6 عملية تشويب الشبكة البلورية للسيليكون.

بالنسبة لعنصر من المجموعة الخامسة من الجدول الدوري، مثل الأنتيمون ⁦(Sb)⁩، تحتوي كل ذرة على خمسة إلكترونات تكافؤ وتسمى خماسية التكافؤ. وفي حالة استبدال ذرة السيليكون واحدًا منها بـ ذرة الأنتيمون، فإن كل ذرة من الأنتيمون توفر إلكترونًا واحدًا أكثر مما هو مطلوب لإكمال الروابط التساهمية في الشبكة البلورية، ثم يسهم كل إلكترون من هذه الإلكترونات في عملية التوصيل. يُطلق على الشوائب من المجموعة الخامسة اسم العناصر المانحة، ويُشار إلى المادة المشوبة باسم النوع السالب نظرًا لأن الإلكترونات تحمل شحنة سالبة. بالنسبة لعنصر من المجموعة الثالثة من الجدول الدوري، مثل البورون ⁦(B)⁩، تحتوي كل ذرة على ثلاثة إلكترونات تكافؤ وتسمى ثلاثية التكافؤ. وفي حالة استبدال ذرة السيليكون واحدًا منها بـ ذرة بورون، فإن كل ذرة بورون توفر إلكترونًا واحدًا أقل مما هو مطلوب لإكمال الروابط التساهمية في الشبكة البلورية. وهذا ينتج عنه "ثقبًا"، وتسهم كل من هذه الثقوب في عملية التوصيل. ويُطلق على الشوائب من المجموعة الثالثة اسم العناصر المستقبلة، ويُشار إلى المادة المشوبة بالنوع الموجب نظرًا لأن الثقوب تحمل شحنة موجبة.

إذا شوبت بلورة سيليكون مفردة بعناصر مستقبلة على جانب وعناصر مانحة على الجانب الآخر، تتشكل وصلة ⁦PN⁩. في البداية، يوجد تدرج تركيز للشحنة عبر البلورة، لذلك ستتحرك الإلكترونات نحو منطقة النوع ⁦p⁩ بينما تتحرك الثقوب نحو منطقة النوع ⁦n⁩. ستتحد الثقوب والإلكترونات في المنطقة المركزية.

المصطلحات الرئيسة

أشباه الموصلات - مادة مثل السيليكون ⁦(Si)⁩ أو الجرمانيوم ⁦(Ge)⁩ أو زرنيخيد الغاليوم ⁦(GaAs)⁩ لها خصائص كهربائية تقع بين خصائص الموصلات والعوازل.

• تُسمى مواد أشباه الموصلات النقية بأشباه الموصلات الداخلية.
• تحتوي أشباه الموصلات الخارجية على كميات ضئيلة جدًا من الشوائب المختارة لزيادة الموصلية. يطلق على عملية إدخال كميات مقاسة من الشوائب مصطلح التشويب.

الموصل - مادة لها مقاومة منخفضة للغاية وتسمح بمرور التيار الكهربائي بسهولة. وتكون معظم الموصلات الجيدة على هيئة معادن، مثل النحاس والألومنيوم والفضة. العازل - مادة لها مقاومة عالية للغاية وعادةً ما تكون غير معدنية. من الأمثلة على العوازل الجيدة البلاستيك والمطاط.

مكونة منطقة لا تحتوي على شحنات حرة، تُسمى منطقة النضوب (انظر الشكل 19.7 في الصفحة الآتية). وسيجري الوصول إلى حالة التوازن حيث يكون عرض منطقة النضوب هذه ثابتًا إلى حد ما. ستعتمد القيمة الفعلية على العديد من المعلمات، بما في ذلك تركيزات التشويب النسبية للنوعين ⁦p⁩ و⁦n⁩ ودرجة الحرارة. تُشكل منطقة النضوب حاجزًا أمام حركة ناقلات الشحنات الحرة عبر الحدود. ويلزم تطبيق الحد الأدنى من الجهد الأمامي لتجاوز جهد الحاجز حتى يتدفق التيار.

إذا وصلت الطرف الموجب لمصدر جهد مناسب بأنود في وصلة ⁦PN (⁩الرسم التخطيطي ناحية اليسار في الشكل 19.8)، يعمل الجهد على تقليص منطقة النضوب بشكل فعلي. عندما يكون الجهد المطبق كافيًا لتجاوز جهد الحاجز، يمكن للإلكترونات والثقوب التحرك بحرية عبر الوصلة، حيث يسهم كلاهما في التيار الكلي.

يؤدي عكس مصدر الجهد إلى توسيع منطقة النضوب بشكل فعلي، ما يؤدي إلى إنشاء حاجز أكبر أمام حركة حملات الشحنة الأكثرية (الرسم التخطيطي ناحية اليمين في الشكل 19.8). تحتوي منطقة النوع ⁦n⁩ على الإلكترونات الحرة الأكثرية من ذرات العناصر المانحة، إضافة إلى الثقوب الأقلية التي يجري إنشاؤها بفعل الاضطراب الحراري لشبكة السيليكون البلورية. وبالطريقة نفسها، توجد إلكترونات أقلية في منطقة النوع ⁦p⁩. وستجد هذه الإلكترونات ظروف الانحياز بحيث يتسبب المجال الكهربائي (تدرج الجهد) عبر الوصلة في "سحبها". وعلى الرغم من أن هذا التيار العكسي عادة ما يكون صغيرًا للغاية، إلا أنه يمثل أهمية كبيرة. فإذا كان الجهد العكسي مرتفعًا، سيجري تسريع حملات الشحنة الأقلية ويمكن أن يحدث "انكسار انهياري"، وهو وضع غير قابل للاسترداد عادةً. يحتوي نوع الدايود الذي من المرجح أن تستخدمه على وصلة ⁦PN⁩ قياسية كما هو موضح أعلاه. ويمكن تجميع هذه الدايودات في أنواع الإشارات الصغيرة، المستخدمة في تطبيقات التيار المنخفض، ودايودات المقوم، المستخدمة في تطبيقات التيار العالي والجهد العالي. ويعتبر الصمام الثنائي الباعث للضوء ⁦(LED)⁩ نوعًا شائعًا آخر من أنواع الدايود. في حالة توصيل ⁦LED⁩ في وضع الانحياز الأمامي، يتدفق التيار ويتسبب ذلك في إنتاج الضوء. وتتوافر مجموعة متنوعة من الألوان. وقد وجدت التطورات الأخيرة في تكنولوجيا ⁦LED⁩ طريقها بسرعة إلى تطبيقات الإضاءة والعرض، مثل أن تصبح الشكل الرئيس للإضاءة منخفضة الطاقة وعنصرًا مهمًا في معظم شاشات التلفزيون وأجهزة الحاسوب. تعمل الدايودات الليزرية أيضًا على إنتاج الضوء، لكن الفرق الرئيس هو أن الضوء المنتج بواسطتها يُعد متماسكًا. ويجري استخدامها في مشغلات الـ ⁦Blu-ray⁩ والمؤشرات الليزرية. تُستخدم الدايودات الضوئية في الكشف عن الضوء، وهي تنطوي على عدة أنواع، وعادةً ما تُستخدم في الانحياز العكسي. ويجري استخدامها في نطاق واسع في تطبيقات الاتصالات.

الأنود - الاتصال بالمادة من النوع ⁦P⁩. الكاثود - هو الاتصال بالمادة من النوع ⁦N⁩. جهد الحاجز - الحد الأدنى لجهد الانحياز الأمامي اللازم لبدء التوصيل. الانحياز الأمامي - يصف الصمام الثنائي (دايود) في الحالات التي يكون فيها الأنود أكثر إيجابية من الكاثود. الانحياز العكسي - يصف الصمام الثنائي (دايود) في الحالات التي يكون فيها الأنود أكثر سلبية من الكاثود. حاملات الشحنة الأكثرية - حملات الشحنة الناتجة عن عملية التشويب، وتكون عبارة عن فجوات في المواد من النوع ⁦P⁩ وإلكترونات في المواد من النوع ⁦N⁩. حاملات الشحنة الأقلية - الفجوات في المادة من النوع ⁦P⁩ الناتجة عن أزواج الإلكترونات المتولدة حراريًا في الشبكة البلورية للسيليكون.

وتُستخدم دايودات زينر في الانحياز العكسي لتوفير جهد مرجعي ثابت. عادةً ما يكون لديها منطقة نضوب ضيقة بسبب تركيزات التشويب في مناطق ⁦p⁩ والنوع ⁦n⁩. وتنهار عند مستوى جهد معين (يسمى جهد زينر). ويتعين عليك الحد من التيار باستخدام المقاوم المتسلسل لتجنب التلف الدائم.

إن قدرة الدايود على توصيل التيار في اتجاه واحد وحجبه في الاتجاه الآخر تُعد مفيدة في عدد من التطبيقات، وأكثرها شيوعًا هو التقويم، أي تحويل إشارة التيار المتناوب ⁦(a.c.)⁩ إلى إشارة تيار مستمر ⁦(d.c.)⁩. في بقية هذا الجزء، نستكشف الدوائر المستخدمة لتطوير مصدر طاقة منظم للتيار المستمر منخفض الجهد. بالنسبة لكل نوع من أنواع الدوائر:

• استخدم حزمة التصميم بمساعدة الحاسوب ⁦(CAD)⁩ لرسم المخطط.
• حاكي الخرج باستخدام أجهزة قياس افتراضية وراسم الذبذبات.
• وصل الدائرة باستخدام نظام النموذج الأولي وقس الإشارات.
• قارن النتائج التي حصلت عليها من القياس ومن المحاكاة.

يوضح الشكل 19.9 دائرة مقوم نصف الموجة. يكون الدايود منحازًا للأمام على نصف الدورة الموجب، ويعمل على تمرير التيار. وسيكون التيار الذي يمر عبر الحمل بنفس شكل مصدر الجهد الذي ينتجه. ويكون الدايود منحازًا عكسيًا على نصف الدورة السالب، لذا لن يتدفق أي تيار عبر الحمل على نصف الدورة السالب. ويجب اختيار الدايود بحيث يمكنه تحمل الجهد العكسي الأقصى ⁦(PIV)⁩.

ندرس نوعين من دوائر مقوم الموجة الكاملة.

• المحول ذو نقطة التوصيل المركزية

المهارات

• التعلم المستمر

من أبرز التطورات التي شهدتها الإضاءة المنزلية في السنوات الأخيرة استخدام الصمامات الثنائية الباعثة للضوء، وما تزال الجهود جارية في تطوير أجهزة واستخدامات جديدة في هذا المجال.

بحث

تحقق من أنواع الصمامات الثنائية المذكورة أعلاه وتطبيقاتها النموذجية. في ما يأتي بعض أنواع الصمامات الثنائية الإضافية التي يمكنك التحقق منها:

• الصمام الثنائي شوتكي
• الصمام الثنائي النفقي
• الصمام الثنائي المتغير

• التحليل

عند التفكير في كيفية تطور دوائر التقويم، فإنك تُحلل المعلومات. قد يكون التحليل وصفيًا، أو قد يتضمن استخدام المهارات الرياضية.

يوضح الشكل 19.10 في الصفحة السابقة دائرة واحدة لتقويم الموجة الكاملة، وهي المقوم ثنائي الطور. ويكون الجهد في كل نصف من الملف الثانوي للمحول في طورين متعاكسين لبعضهما بعضًا. ويجري التعامل مع نقطة التوصيل المركزية بوصفها النقطة المرجعية. يكون الدايود ⁦D1⁩ منحازًا للأمام في نصف الدورة الموجب بينما يكون الدايود ⁦D2⁩ منحازًا عكسيًا. ويتدفق التيار عبر الحمل (من الأعلى إلى الأسفل كما هو مرسوم) عبر ⁦D1⁩. وفي نصف الدورة السالب، يكون ⁦D1⁩ منحازًا عكسيًا و⁦D2⁩ منحازًا للأمام. ويتدفق التيار عبر الحمل (من الأعلى إلى الأسفل كما هو مرسوم) عبر ⁦D2⁩. ينتج عن ذلك تدفق التيار على كل من نصفي الدورتين عبر الدايود المنحاز للأمام، بل ولم يعد متناوبًا بل أصبح تيارًا مستمرًا نابضًا. ويكون التردد ضعف تردد مصدر التيار. ويجب أن يكون لدى كل دايود القدرة على تحمل ضعف قيمة الجهد العكسي الأقصى المستخدمة في تقويم نصف الموجة.

لن يقرأ جهاز القياس متعدد الأغراض المتصل عبر الحمل القيمة القصوى للشكل الموجي؛ بل سيقرأ متوسط القيمة على مدار الدورة، والتي يمكن إيجادها من خلال حساب المساحة أسفل المنحنى وقسمة الناتج على المدة الزمنية. ويمكن إثبات أن هذه القيمة المتوسطة تُعطى من خلال: $V_{avg} = \frac{V_{peak}}{\pi}$

• المقوم الجسري ذو الموجة الكاملة

يستخدم المقوم الجسري ذو الموجة الكاملة (الشكل 19.11) أربعة صمامات ثنائية، ⁦D1⁩ و⁦D2⁩ و⁦D3⁩ و⁦D4⁩، والتي تكون متصلة بطريقة تجعل الأزواج المتقابلة تتوصل معًا. ويجري توجيه التيار خلال الحمل في الاتجاه نفسه (انظر الشكل 19.12 في الصفحة الآتية). تستخدم الإمدادات العملية غالبًا وحدات المقوم الجسري، والتي تحتوي على أربعة صمامات ثنائية مدمجة بوصفها عنصر واحد بالدائرة.

تُعد أبسط طريقة لتسوية النبضات الناتجة عن المقوم هي استخدام مكثف احتياطي (انظر الشكل 19.13 في الصفحة الآتية). يشحن هذا المكثف في أثناء ارتفاع شكل الموجة ويفرغ في أثناء تراجعها. يجب اختيار قيمة المكثف بحيث تقل تموج الجهد.

وكما لاحظت سابقًا، يُستخدم منظم دايود زينر في الانحياز العكسي. وصُممت هذه المنظمات لتوفّر جهد انهيار عكسي ثابت. على سبيل المثال، يوفر منظم دايود زينر من النوع 113، ⁦NXP BZX79-C5V1⁩، 5.1 فولت 0.5 واط جهد زينر قدره 5.1 فولت ± 5%، مع قدرة تبديد قصوى تبلغ 0.5 واط. ويُلاحظ

أن المنظم يجب أن يتحمل جميع تيارات الخرج في حال فصل الحمل. يحمي المقاوم المتسلسل المنظم عن طريق تقييد التيار الذي يمكن أن يتدفق (انظر الشكل 19.14).