دیود محافظ ولتاژ بالا (High Voltage Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود محافظ ولتاژ بالا (High Voltage Diode) :
دیود محافظ ولتاژ بالا (High Voltage Diode) یک نوع دیود است که به طور خاص برای تحمل ولتاژهای معکوس بسیار بالا (معمولا بیش از ۱۰۰۰ ولت تا چند ده کیلوولت) طراحی شده است. این دیودها در کاربردهایی مانند یکسوسازی ولتاژ بالا در منابع تغذیه CRT، تجهیزات پزشکی (X-Ray)، تصفیه کننده های الکترواستاتیک، و منابع تغذیه پالسی (Pulsed Power) استفاده می شوند. آنها معمولا در بسته بندی های کشیده و با فاصله خزشی (Creepage Distance) بالا برای جلوگیری از جرقه زدن (Arcing) ساخته می شوند.
ساختار دیود ولتاژ بالا معمولا از نوع PIN (P-type, Intrinsic, N-type) با یک لایه ذاتی (Intrinsic) بسیار ضخیم است. این لایه ضخیم باعث می شود ناحیه تهی (Depletion Region) گسترده شده و بتواند ولتاژهای بالا را تحمل کند. همچنین برای افزایش ولتاژ شکست، از ساختارهای خاص مانند حفاظهای حلقه ای (Guard Rings) و پروفایل های ناخالصی بهینه استفاده می شود.
پارامترهای مهم دیود ولتاژ بالا عبارتند از: حداکثر ولتاژ معکوس (V_RRM) که می تواند از ۱ کیلوولت تا ۵۰ کیلوولت یا بالاتر باشد، حداکثر جریان مستقیم (I_F) (معمولا محدود، از چند میلی آمپر تا چند آمپر)، زمان بازیابی معکوس (t_rr) (در صورت نیاز به سرعت بالا)، و جریان نشتی معکوس (I_R) که باید در ولتاژ بالا بسیار کم باشد.
کاربرد اصلی دیود ولتاژ بالا در یکسوسازی ولتاژ بالا در تلویزیون های CRT قدیمی (Flyback Diodes) و مانیتورها بود. در این کاربردها، ولتاژ چند ده کیلوولت برای شتاب دادن الکترون ها در لامپ تصویر مورد نیاز بود. امروزه نیز در دستگاه های X-Ray پزشکی و صنعتی برای تولید ولتاژ بالا (۵۰-۱۵۰ کیلوولت) استفاده می شوند.
کاربرد دیگر در منابع تغذیه پالسی (Pulsed Power) و خازن های پرقدرت است. در این کاربردها، دیودهای ولتاژ بالا برای یکسوسازی یا جلوگیری از بازگشت ولتاژ استفاده می شوند. همچنین در تصفیه کننده های الکترواستاتیک (Electrostatic Precipitators) برای جمع آوری ذرات معلق در دودکش های صنعتی، از دیودهای ولتاژ بالا برای یکسوسازی ولتاژ چند ده کیلوولت استفاده می شود.
در تجهیزات نظامی و هوافضا، دیودهای ولتاژ بالا برای منابع تغذیه رادار و سیستم های جنگ الکترونیک استفاده می شوند. این کاربردها نیاز به قابلیت اطمینان بالا در شرایط سخت محیطی دارند. همچنین در لیزرهای پرقدرت برای پمپاژ نوری (Optical Pumping) کاربرد دارند.
سری معروف دیودهای ولتاژ بالا شامل خانواده BYV (تا ۲ کیلوولت)، خانواده BA (تا ۱۵ کیلوولت) از شرکت هایی مانند Vishay، و سری HV از شرکت HV Component Associates است. این دیودها معمولا در بسته بندی های استوانه ای شیشه ای یا پلاستیکی با سرب های بلند (برای افزایش فاصله خزشی) عرضه می شوند.
برای ولتاژهای بسیار بالا (بیش از ۱۰ کیلوولت)، اغلب از پشته های دیود (Diode Stacks) استفاده می شود. در این پشته ها، چندین دیود ولتاژ پایین تر به صورت سری بسته می شوند تا ولتاژ کل افزایش یابد. این پشته ها ممکن است در یک بسته واحد (High Voltage Module) قرار گیرند. مقاومت های موازی با هر دیود برای توزیع یکنواخت ولتاژ اضافه می شوند.
یکی از چالش های کار با دیودهای ولتاژ بالا، پدیده کرونا (Corona) و جرقه زدن (Arcing) است. برای جلوگیری از این پدیده، بسته بندی دیودها باید دارای فاصله خزشی (Creepage Distance) کافی باشد و معمولا از مواد با استقامت دی الکتریک بالا استفاده می شود. در طراحی مدار با این دیودها، باید فاصله کافی بین مسیرهای ولتاژ بالا روی PCB رعایت شود.
دمای کاری بر عملکرد دیود ولتاژ بالا تأثیر می گذارد. با افزایش دما، جریان نشتی معکوس افزایش می یابد و ولتاژ شکست ممکن است تغییر کند. در کاربردهای با توان بالا، ممکن است نیاز به خنک کاری با روغن (Oil Cooling) یا استفاده از هیت سینک های خاص باشد.
در نهایت، دیود محافظ ولتاژ بالا یک قطعه تخصصی برای کاربردهای خاص است. طراحی و استفاده از این دیودها نیازمند دانش فنی در زمینه عایق کاری، جلوگیری از کرونا، و ایمنی است. با وجود پیشرفت در فناوری نیمه هادی های پهن باند مانند SiC، نسل جدیدی از دیودهای ولتاژ بالا با کارایی بهتر و ابعاد کوچک تر در حال ظهور هستند.
