دیود جریان ثابت (Constant Current Diode - CCD) / دیود محدودکننده جریان (Current Limiting Diode - CLD)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود جریان ثابت (Constant Current Diode - CCD) / دیود محدودکننده جریان (Current Limiting Diode - CLD) :
دیود جریان ثابت (Constant Current Diode - CCD) که با نام دیود محدودکننده جریان (Current Limiting Diode - CLD) یا دیود تنظیم کننده جریان (Current Regulating Diode - CRD) نیز شناخته می شود، یک قطعه نیمه هادی دو پایانه است که جریان عبوری از خود را در یک محدوده ولتاژی وسیع، تقریبا ثابت نگه می دارد. این قطعه در واقع یک منبع جریان ثابت (Constant Current Source) ساده و دوپایه است که برای کاربردهای تثبیت جریان و حفاظت مدارات ایده آل می باشد.
ساختار داخلی دیود جریان ثابت معمولا شامل یک ترانزیستور JFET (Junction Field-Effect Transistor) با اتصال کوتاه گیت-سورس (Gate-Source Short) است. در این ساختار، کانال JFET به گونه ای طراحی شده که با افزایش ولتاژ دو سر دیود، جریان ابتدا افزایش یافته و سپس در یک مقدار مشخص (جریان اشباع - I_P) تثبیت می شود. این جریان تثبیت شده تا یک ولتاژ مشخص (ولتاژ آستانه - V_K تا ولتاژ شکست - V_BR) تقریبا ثابت می ماند.
مشخصه جریان-ولتاژ (I-V Curve) دیود جریان ثابت دارای سه ناحیه اصلی است: ناحیه اهمی (Ohmic Region) در ولتاژهای پایین (کمتر از V_K) که جریان با ولتاژ افزایش می یابد، ناحیه تثبیت (Regulating Region) بین V_K و V_BR که جریان تقریبا ثابت است، و ناحیه شکست (Breakdown Region) بالای V_BR که جریان به سرعت افزایش می یابد (شبیه دیود زنر).
پارامترهای مهم دیود جریان ثابت عبارتند از: جریان تثبیت شده (Regulated Current - I_P) که معمولا بین ۰.۲ تا ۱۰ میلی آمپر است، ولتاژ آستانه (Knee Voltage - V_K) که حدود ۱-۴ ولت است (ولتاژی که تثبیت جریان از آنجا شروع می شود)، حداکثر ولتاژ کاری (حداکثر ولتاژ قبل از شکست - V_max)، و امپدانس دینامیک (Dynamic Impedance) در ناحیه تثبیت (که هرچه کمتر باشد، تثبیت جریان بهتر است).
مهم ترین کاربرد دیود جریان ثابت، راه اندازی (Driving) LEDها است. LEDها به جریان ثابت نیاز دارند تا روشنایی ثابت و طول عمر بالایی داشته باشند. با قرار دادن یک دیود جریان ثابت در سری با LED، جریان عبوری از LED بدون توجه به تغییرات ولتاژ تغذیه (در محدوده مجاز) ثابت می ماند. این کاربرد در چراغ های LED و نورپردازی بسیار رایج است.
کاربرد دیگر در تثبیت جریان بایاس (Bias Current) در مدارات تقویت کننده ترانزیستوری است. با استفاده از دیود جریان ثابت به عنوان بار فعال (Active Load) در مدار کلکتور ترانزیستور، می توان بهره ولتاژ بسیار بالایی به دست آورد. همچنین در مدارات آینه جریان (Current Mirrors) ساده، می توان از دیود جریان ثابت به عنوان مرجع جریان استفاده کرد.
در مدارات شارژ باتری (Battery Charging)، از دیود جریان ثابت برای شارژ با جریان ثابت (Constant Current Charging) استفاده می شود. این روش برای باتری های نیکل-کادمیوم (NiCd) و نیکل-متال هیدرید (NiMH) مناسب است. با سری کردن یک دیود جریان ثابت با باتری، جریان شارژ در یک مقدار مطمئن تثبیت می شود.
در مدارات تست و اندازه گیری، از دیود جریان ثابت برای تولید جریان مرجع پایدار استفاده می شود. همچنین در مدارات حفاظت جریان (Current Protection) برای محدود کردن جریان در برابر اتصال کوتاه یا اضافه بار، می توان از این دیودها استفاده کرد. اگر جریان بخواهد از حد مجاز فراتر رود، دیود جریان ثابت آن را محدود می کند.
در نوسان سازها و تایمرها، دیود جریان ثابت می تواند برای شارژ خطی خازن ها (Linear Charging) استفاده شود. به عنوان مثال، در یک مولد شیب (Ramp Generator)، با شارژ یک خازن با جریان ثابت، یک ولتاژ شیب خطی (Linear Ramp) تولید می شود.
دیودهای جریان ثابت معمولا از سیلیکون (Silicon) ساخته می شوند و در بسته بندی های کوچک مانند DO-35 یا SOT-23 عرضه می شوند. سری معروف این دیودها شامل 1N5283 تا 1N5314 (با جریان های مختلف) و سری J500 (با جریان های ۰.۲ تا ۴.۷ میلی آمپر) است.
یکی از مزایای دیود جریان ثابت، سادگی استفاده است. با یک قطعه دوپایه می توان یک منبع جریان ثابت ساخت، بدون نیاز به قطعات اضافی. همچنین این دیودها معمولا دارای محدوده دمای کاری وسیع و قابلیت اطمینان بالایی هستند.
محدودیت های دیود جریان ثابت شامل جریان نسبتا پایین (معمولا کمتر از ۱۰ میلی آمپر)، ولتاژ کاری محدود (معمولا تا ۱۰۰ ولت)، و تلورانس جریان (معمولا ±۱۰٪ تا ±۲۰٪) است. برای جریان های بالاتر، می توان چند دیود را موازی کرد، اما باید دقت کرد که جریان ها به طور مساوی تقسیم شوند.
دمای محیط بر جریان تثبیت شده تأثیر می گذارد. ضریب دمایی دیودهای جریان ثابت معمولا مثبت است (با افزایش دما، جریان کمی افزایش می یابد). در کاربردهای دقیق، باید به این نکته توجه کرد و در صورت نیاز، از مدارات جبران سازی دما استفاده نمود.
در نهایت، دیود جریان ثابت یک راه حل ساده و مؤثر برای کاربردهایی است که نیاز به جریان ثابت و پایدار دارند. از راه اندازی LEDها تا بایاسینگ تقویت کننده ها و شارژ باتری، این قطعه کوچک و کم هزینه می تواند عملکرد مدار را به طور قابل توجهی بهبود بخشد. با وجود پیشرفت در مدارات مجتمع تنظیم کننده جریان، دیود جریان ثابت همچنان به دلیل سادگی و قابلیت اطمینان، یک گزینه محبوب در بسیاری از کاربردها است.
