دیود یکسوکننده (Rectifier Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)

انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :

دیود یکسوکننده (Rectifier Diode) :

دیود یکسوکننده نوع خاصی از دیود پیوند PN است که به طور ویژه برای تبدیل جریان متناوب (AC) به جریان مستقیم (DC) طراحی شده است. این دیودها معمولا جریان و ولتاژ بالایی را تحمل می کنند و در منابع تغذیه، شارژرها، و مدارهای یکسوسازی صنعتی کاربرد گسترده ای دارند. وظیفه اصلی آنها عبور جریان در نیم سیکل مثبت و قطع آن در نیم سیکل منفی است.

مهم ترین مشخصه دیودهای یکسوکننده، حداکثر جریان مستقیم (Average Forward Current) و حداکثر ولتاژ معکوس تکراری (Repetitive Peak Reverse Voltage - V_RRM) است. این دیودها بر اساس این پارامترها در دسته های مختلفی مانند ۱ آمپر، ۳ آمپر، ۱۰ آمپر و حتی بالاتر تولید می شوند. به عنوان مثال، دیود معروف ۱N4007 یک دیود یکسوکننده ۱ آمپری با ولتاژ معکوس ۱۰۰۰ ولت است.

دیودهای یکسوکننده معمولا سرعت سوئیچینگ پایینی دارند (زمان بازیابی معکوس در محدوده میکروثانیه) زیرا در کاربردهای یکسوسازی با فرکانس پایین (۵۰ یا ۶۰ هرتز) استفاده می شوند. این سرعت پایین به دلیل نیاز به تحمل جریان های بالا و داشتن اتصال PN بزرگتر است که ظرفیت خازنی (Junction Capacitance) بیشتری ایجاد می کند.

در مدارهای یکسوسازی، دیودها می توانند در سه پیکربندی اصلی استفاده شوند: یکسوساز نیم موج (Half-Wave Rectifier)، یکسوساز تمام موج (Full-Wave Rectifier) و پل دیودی (Bridge Rectifier). در یکسوساز نیم موج، فقط از یک دیود استفاده می شود و فقط نیم سیکل مثبت به خروجی راه می یابد. این روش بازده پایینی دارد. در یکسوساز تمام موج با ترانسفورماتور مرکزی، از دو دیود استفاده می شود و هر دو نیم سیکل یکسو می شوند. پل دیودی که از چهار دیود تشکیل شده است، رایج ترین روش یکسوسازی تمام موج بدون نیاز به ترانسفورماتور مرکزی است.

یکی از پارامترهای مهم در انتخاب دیود یکسوکننده، افت ولتاژ مستقیم (Forward Voltage Drop - V_F) است. این افت ولتاژ باعث تلفات توان و گرم شدن دیود می شود. توان تلف شده در دیود برابر است با حاصل ضرب جریان مستقیم در افت ولتاژ (

). برای دیودهای سیلیکونی معمولی، این افت ولتاژ حدود ۰.۷ تا ۱.۱ ولت است. در جریان های بالا، این تلفات قابل توجه بوده و نیاز به استفاده از هیت سینک (Heat Sink) برای خنک کاری دیود احساس می شود.

در کاربردهای ولتاژ بالا، باید به پدیده آوالانش (Avalanche) نیز توجه کرد. اگر ولتاژ معکوس از حد مجاز فراتر رود، دیود دچار شکست شده و جریان زیادی از آن عبور می کند. برخی دیودهای یکسوکننده طوری طراحی می شوند که در برابر این شکست مقاوم باشند و بدون آسیب، انرژی اضافی را تحمل کنند. به این دیودها، دیودهای آوالانش (Avalanche Rated Diodes) گفته می شود.

برای یکسوسازی جریان های بسیار بالا (چند صد آمپر)، از دیودهای یکسوکننده قدرتی (Power Rectifiers) استفاده می شود که معمولا در محفظه های بزرگ با قابلیت نصب روی هیت سینک عرضه می شوند. این دیودها می توانند جریان های لحظه ای بسیار بالایی (Surge Current) را نیز تحمل کنند که در هنگام راه اندازی خازن های بزرگ در منابع تغذیه رخ می دهد.

از دیگر پارامترهای مهم می توان به محدوده دمای کاری (Operating Junction Temperature) اشاره کرد که معمولا بین ۵۵- تا ۱۵۰+ درجه سانتیگراد است. با افزایش دما، جریان نشتی معکوس افزایش می یابد و ولتاژ شکست کاهش پیدا می کند. بنابراین، طراحی حرارتی مناسب برای اطمینان از عملکرد بلندمدت دیود ضروری است.

از نظر فناوری ساخت، دیودهای یکسوکننده مدرن بیشتر از نوع اپیتاکسیال (Epitaxial) یا انتشاری (Diffused) ساخته می شوند. دیودهای اپیتاکسیال معمولا افت ولتاژ مستقیم کمتری دارند و برای جریان های بالا مناسب تر هستند. همچنین، دیودهای شاتکی (Schottky) که در ادامه توضیح داده می شوند، به دلیل افت ولتاژ پایین و سرعت بالا، در یکسوسازی ولتاژهای پایین کاربرد فراوانی یافته اند.

در نهایت، انتخاب دیود یکسوکننده مناسب برای یک کاربرد خاص نیازمند بررسی دقیق پارامترهایی مانند حداکثر جریان، حداکثر ولتاژ معکوس، فرکانس کاری، دمای محیط و نیازهای خنک کاری است. با انتخاب صحیح، می توان بازده مدار را افزایش داده و از خرابی های ناشی از اضافه بار یا گرمای بیش از حد جلوگیری کرد.