دیود محافظ (Protection Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود محافظ (Protection Diode) :
دیود محافظ (Protection Diode) یک مفهوم کلی است که به هر نوع دیودی اطلاق می شود که برای محافظت از مدارات الکترونیکی در برابر شرایط نامطلوب مانند ولتاژ معکوس (Reverse Voltage)، اضافه ولتاژ (Overvoltage)، جریان اضافی (Overcurrent)، یا تخلیه الکترواستاتیک (ESD) استفاده می شود. دیودهای محافظ در انواع مختلفی مانند دیودهای یکسوساز معمولی، دیودهای شاتکی، دیودهای زنر، و دیودهای TVS وجود دارند.
رایج ترین کاربرد دیود محافظ، حفاظت در برابر قطبیت معکوس (Reverse Polarity Protection) است. در بسیاری از مدارات که با باتری یا منبع تغذیه DC کار می کنند، خطر اتصال اشتباه قطبیت وجود دارد. با قرار دادن یک دیود معمولی یا شاتکی به صورت سری در مسیر تغذیه (آند به سمت مثبت و کاتد به سمت بار)، در صورت اتصال معکوس، دیود بایاس معکوس شده و جریانی عبور نمی کند و از مدار محافظت می شود.
نوع دیگر حفاظت، استفاده از دیود هرزگرد (Flyback Diode) یا دیود چرخ آزاد (Freewheeling Diode) در کنار بارهای القایی مانند رله ها، سلف ها و موتورها است. وقتی جریان یک سلف قطع می شود، یک ولتاژ معکوس بالا (Back EMF) تولید می کند که می تواند به ترانزیستور سویچینگ آسیب بزند. دیود هرزگرد که به صورت موازی معکوس با بار قرار می گیرد، مسیری برای عبور این جریان القایی فراهم کرده و ولتاژ را به حدود ۰.۷ ولت محدود می کند.
برای حفاظت در برابر اضافه ولتاژ (Overvoltage Protection)، از دیودهای زنر و TVS استفاده می شود. این دیودها به موازات بار قرار می گیرند. در شرایط عادی، دیود بایاس معکوس است و جریانی عبور نمی دهد. اگر ولتاژ از حد مجاز فراتر رود، دیود وارد ناحیه شکست شده و جریان اضافی را به زمین منحرف می کند و ولتاژ را در سطح ایمن نگه می دارد.
در حفاظت در برابر تخلیه الکترواستاتیک (ESD Protection)، از دیودهای TVS با ظرفیت خازنی پایین استفاده می شود. این دیودها در ورودی خطوط داده (مانند USB، HDMI، اترنت) قرار می گیرند تا بارهای ساکنی که ممکن است توسط دست انسان به مدار منتقل شود را به زمین منحرف کنند. این دیودها باید سرعت پاسخ بسیار بالایی (چند پیکوثانیه) داشته باشند تا قبل از آسیب به مدار، ESD را خنثی کنند.
در مدارات مجتمع (ICs)، گاهی از دیودهای محافظ داخلی استفاده می شود. به عنوان مثال، در ورودی های CMOS، معمولا دو دیود داخلی به VDD و VSS متصل هستند تا ولتاژ ورودی را بین VDD و VSS محدود کنند. اگر ولتاژ ورودی از VDD بیشتر شود، دیود بالایی روشن شده و جریان اضافی را به VDD هدایت می کند. اگر ولتاژ از VSS کمتر شود، دیود پایینی روشن می شود.
پارامترهای مهم در انتخاب دیود محافظ عبارتند از: حداکثر جریان مجاز (برای حفاظت قطبیت معکوس)، حداکثر ولتاژ معکوس، سرعت پاسخ (برای ESD)، ظرفیت خازنی (برای خطوط داده پرسرعت)، و توان پالسی قابل تحمل (برای TVS). انتخاب نادرست می تواند باعث شود دیود خود به نقطه ضعف مدار تبدیل شود.
یکی از نکات مهم در استفاده از دیودهای محافظ سری (مانند حفاظت قطبیت معکوس)، افت ولتاژ مستقیم (Forward Voltage Drop) آنها است. این افت ولتاژ باعث تلفات توان و کاهش ولتاژ تغذیه می شود. در کاربردهای با جریان بالا، از دیودهای شاتکی با افت ولتاژ پایین (حدود ۰.۳ ولت) استفاده می شود. در کاربردهای ولتاژ بسیار پایین، گاهی از ترانزیستورهای MOSFET با مقاومت بسیار کم (R_DS(on)) به عنوان محافظ قطبیت معکوس استفاده می شود.
دیودهای محافظ معمولا باید در نزدیکی منبع تهدید یا پایانه های ورودی مدار نصب شوند تا بهترین عملکرد را داشته باشند. برای مثال، دیودهای محافظ ESD باید تا حد امکان نزدیک به کانکتور ورودی قرار گیرند تا مسیر تخلیه قبل از ورود به مدارات داخلی باشد. همچنین استفاده از PCB با طراحی خوب (مانند مسیرهای کوتاه و پهن برای تخلیه) به عملکرد بهتر دیود محافظ کمک می کند.
در محیط های صنعتی با نویز بالا، گاهی از چندین دیود محافظ به صورت موازی یا ترکیب با سایر المان های حفاظتی (مانند وریستورها و گاز ارسترها) استفاده می شود. این روش حفاظت چندلایه (Multi-Level Protection) برای مقابله با تهدیدات با انرژی های مختلف (از ESD با انرژی کم تا صاعقه با انرژی بسیار بالا) طراحی می شود.
در نهایت، دیودهای محافظ قطعات کوچک و کم هزینه ای هستند که می توانند از خرابی های پرهزینه و خطرناک جلوگیری کنند. استفاده از آنها در طراحی مدارات الکترونیکی، به ویژه در محصولاتی که با دست انسان سروکار دارند یا در معرض نوسانات برق هستند، یک ضرورت است. استانداردهای بین المللی مانند IEC 61000 و ISO 7637 استفاده از این محافظها را برای اطمینان از ایمنی و قابلیت اطمینان محصولات الزامی کرده اند.
