الصمام الثنائي عنصر إليكتروني يحتوي على طرفين (المصعد والمهبط)، يسمح الصمام الثنائي بمرور التيار الكهربي في اتجاه واحد وذلك عندما يكون جهد المصعد موجب بالنسبة للمهبط (توصيل أمامي)، ولا يمر إلا تيار ضئيل جداَ عندما يكون جهد المصعد سالباَ بالنسبة للمهبط (توصيل عكسي)، وهكذا يمكن اعتبار الديود كمفتاح جهد يوصل في أحد الاتجاهات ولا يوصل في الاتجاه الآخر.

يتكون الصمام الثنائي من شريحتين من مواد نصف ناقلة، إحداهما سالبة والأخرى موجبة.

يفصل الشريحة الموجبة (P) والتي تحتوي على الفجوات الموجبة كحاملات للشحنة، عن الشريحة السالبة (N) والتي تحتوي على الالكترونات السالبة كحاملات للشحنة، بمنطقة فاصلة تدعى المنطقة المجردة، وتشير الأسهم الموضحة إلى اتجاه حركة كل من تيار الفجوات وتيار الإلكترونات.

تجد دائماً خط دائري حول الصمام الثنائي وهي علامة توضيحية تدل على مسار التيار من المصعد إلى المهبط

يمرر الصمام الثنائي تياراً عندما يكون موصلاً  في الاتجاه الأمامي، ولا يمرر تياراً عندما يكون موصلاً في الاتجاه العكسي. ويوضح الشكل منحنى خواص الصمام الثنائي في الحالتين والذي يمكن إيجازه في النقاط التالية:

1- يمرر التيار الكهربائي: يسمح الصمام الثنائي للتيار بالمرور في الاتجاه الأمامي عندما يتعدى الجهد الأمامي ما يسمى بالجهد الحاجز والذي يبدأ بعده الصمام الثنائي في التوصيل، وتكون قيمتا الجهد الحاجز 0.7 فولط في ثنائيات السليكون و0.3 فولط في ثنائيات الجرمانيوم.

2- لا يمرر التيار الكهربائي: الجزء السفلي من المنحنى يمثل حالة التوصيل العكسي حيث يبقى التيار تقريبا مساويا للصفر إلى أن يصل الجهد إلى جهد الانهيار حيث يمر تيار عكسي شديد إذا لم يحد يمكنه أن يتلف الصمام الثنائي.

دارة الحماية بواسطة الصمام الثنائي

ثنائي الجرمانيوم (Ge Diode)

هو الصمام الثنائي المصنوع من الجرمانيوم ومحقون بشوائب تكون ذات بلورة موجبة مع شوائب أخرى تكون ذات بلورة سالبة، بحيث تكون البلورتان الموجبة والسالبة متجاورتين.

ثنائي السليكون (Se Diode)

هو الصمام الثنائي المصنوع من السليكون ومحقون بشوائب تكون ذات بلورة موجبة مع شوائب أخرى تكون ذات بلورة سالبة، بحيث تكون البلورتان الموجبة ولسالبة متجاورتين.

هذا ثنائي الجرمانيوم من القطع المشهورة وتستعمل دائما في دارات القدرة مثل دارات التقويم ومن أشهرها 1N4001 والخط الفضي دائما يدل على المهبط.

الجهد الكهربائي المعاكس القصوي

شدة التيار القصوية

الصمام الثنائي

50V

1A

1N4001

100V

1A

1N4002

1000V

1A

1N4007

100V

3A

1N5401

1000V

3A

1N5408

الصمام الـثنائي زينر (Zener Diode)

يعمل الزينر كثنائي عادي إذا إذا تم توصيله أمامياً أما إذا وصل توصيلاً عكسياً فانه عند قيمة معينة في الجهد العكسي سوف يزداد التيار العكسي بصورة مفاجئة وشديدة، ويسمى الجهد العكسي الذي يتسبب في حدوث تيار عكسي "جهد الانهيار" أو "جهد الزينر"، ويعتمد جهد الانهيار أو جهد الزينر أساساً على كمية الشوائب التي طعمت بها المادة التي صنع منها ثنائي الزينر. والنقاط التالية جديرة بالذكر:

• يُستغل جهد الانهيار العكسي لثنائي الزينر كجهد مرجعي في دارات تثبيت الجهد.

• يوصل ثنائي الزينر دائما عكسياً أما إذا وصل توصيلاً أمامياً فان خواصه تكون مثل الصمام الثنائي العادي.

• عند دخول ثنائي الزينر منطقة الانهيار فإنه لن يتلف أو يحترق حيث أن الدارة الخارجية الموصلة به تحد التيار ليكون أقل من القيمة التي تسبب تلفه.

منحنى خصائص ثنائي الزينر

تنظيم الجهد بواسطة ثنائي زينر:

يوضح الشكل دائرة بسيطة تشرح كيفية استخدام ثنائي الزينر في تنظيم الجهد.

المقاومة R تحد من قيمة التيار، جهد الخرج ثابت ويساوي جهد انهيار الزينر، بغض النظر عن تغير جهد الدخل أو تغير التيار المسحوب بواسطة الحمل.

مثال:

الجهد الكهربائي الناتج هو 5V،

شدة التيار الناتجة هي 60mA.

1. Vz = 4.7V (أقرب قيمة متوفرة)

2. Vs = 8V (يجب أن تكون أكبر بقليل من الجهد Vz)

3. Imax = 66mA (شدة التيار الكهربائي الناتجة زائد 10%)

4. Pz > 4.7V × 66mA = 310mW، اختر Pz = 400mW

5. R = (8V - 4.7V) / 66mA = 0.05KOhm = 50Ohm،اخترR = 47Ohm

6. نطاق قوة المقاومةP > (8V - 4.7V) × 66mA = 218mW،اخترP = 0.5W

 دارة تنظيم تستخدم ثنائي زينر:

نحن نعلم أن ثنائي زينر يستخدم في التوصيل العكسي لتثبيت الكمون، فعندما يكون فرق الكمون بين طرفيه أقل من الكمون زينر (كمون الانهيار) يكون فرق الكمون بين طرفي مقاومة الحمل معطى بالعلاقة:

Rv. I - VL = Vz = Vs - Vrv = Vs

I = IL +IZ

حيث :

IL : تيار الحمل.
IZ : التيار المار في ثنائي الزينر ويساوي في هذه الحالة الصفر.

VL = Vs – ( IL+ Iz ) Rv

VL = Vs – IL. Rv

ومع ازدياد الكمون الداخل يزداد فرق الكمون بين طرفي ثنائي الزينر حتى يصبح مساوياً إلى كمون زينر ( كمون الانهيار VZ) فعندها يمر تيار عكسي (IZ) في الزينر، ويزداد التيار العكسي بازدياد فرق الكمون المطبق على ثنائي زينر، لذلك يبقى فرق الكمون بين طرفي ثنائي الزينر مساوياً للكمون المطبق زينر، ويساوي هذا الكمون فرق الكمون بين طرفي مقاومة الحمل ويعطى بالعلاقة :

RV VL = VS – ( IL+ IZ)

تستخدم المقاومة (RV ) لحماية ثنائي الزينر من التلف وذلك بالحد من التيار القصوي الذي يمر فيه وذلك عند تغير كمون الداخل بين أقل وأعلى قيمة له.

من أهم مساوئ دارة تنظيم الكمون بواسطة ثنائي الزينر هو عدم إمكانية تنظيم الكمونات التي تقل عن كمون زينر.

ثنائى الانبعاث الضوئي (LED)

يشع الضوء عندما يثار بإشارة كهربائية. ويوصل ثنائي الانبعاث الضوئي كما في الشكل في الاتجاه الأمامي وتعتمد نظرية عمل هذا الصمام الثنائي على أن الطاقة الكهربائية المعطاة له بالتوصيل الأمامي تعمل على تحريك حاملات الشحنة مما يؤدي إلى توليد فوتونات حرة تنبعث في كل الاتجاهات مسببة إشعاع الضوء.

ملاحظة: LED هي اختصار لجملةLight Emitting Diode.

وتوصل دائما مقاومة قيمتها مابين 680 أوم إلى 1 كيلو أوم لتحمي الصمام الثنائي الباعث للضوء LED.

الصمام الثنائي ثلاثي الألوان

يصدر هذا النوع ثلاثة ألوان: أحمر، أخضر وأصفر. وهو مبين في الشكل جانباً.

في داخله يتكون من صمامين ثنائيين باعثين للضوء أحدهما أحمر والآخر أخضر. وعند اشتعال الاثنين معاً يتكون اللون الثالث وهو الأصفر. النقطة الوسطى هي المهبط المشترك والقطب a1 للون الأحمر في حين أن a2 للون الأخضر.

R = (V_S - V_L) / I

النوع

اللون

I_F
max.

V_F
typ.

V_F
max.

V_R
max.

شدة السطوع الصمام الثنائي

زاوية الرؤية

طول الموجة

الإعتيادي

أحمر

30mA

1.7V

2.1V

5V

5mcd @ 10mA

60°

660nm

الإعتيادي

أحمر فاتح

30mA

2.0V

2.5V

5V

80mcd @ 10mA

60°

625nm

الإعتيادي

أصفر

30mA

2.1V

2.5V

5V

32mcd @ 10mA

60°

590nm

الإعتيادي

أخضر

25mA

2.2V

2.5V

5V

32mcd @ 10mA

60°

565nm

شدة ضوء عالية

أزرق

30mA

4.5V

5.5V

5V

60mcd @ 20mA

50°

430nm

سطوع قوي

أحمر

30mA

1.85V

2.5V

5V

500mcd @ 20mA

60°

660nm

تيار منخفض

أحمر

30mA

1.7V

2.0V

5V

5mcd @ 2mA

60°

625nm

I_F max : التيار القصوي الأمامي المار في الصمام الثنائي.
V_F typ : الجهد الأمامي النموذجي من اجل تشغيل الصمام الثنائي.
V_F max : الجهد الأمامي القصوي الذي يمكن للثنائي أن يتحمله.
V_F max : الجهد العكسي القصوي الذي يمكن للثنائي أن يتحمله.
Luminous intensity : شدة السطوع للثنائي mcd = millicandela.
Viewing angle : زاوية انعكاس الرؤية للإضاءة.
Wavelength : طول موجة الضوء الصادر nm = nanometer.

الصمام الثنائي الضوئي (Diode Photo)

يتكون الصمام الثنائي الضوئي من شبه موصل موجب P وآخر سالب N ونافذة شفافة منفذة للضوء كما يتضح من الشكل جانبه.

عندما يسقط الضوء على الصمام الثنائي الضوئي، يقوم الضوء بكسر الروابط البلورية ويتحرر عدد من الشحنات التي تسمى بـشحنات الأقلية، ويزداد هذا العدد بزيادة الضوء الساقط مكوناً تياراً يسمى بتيار التسريب ويستخدم في الدارات الالكترونية. يوصل الصمام الثنائي الضوئي توصيلاً عكسياً كما في الشكل :

الصمام الثنائي السعوي (Varactor)

تستخدم الصمام الثنائيات السعوية كمكثفات متغيرة اعتماداً على الجهد الواقع عليها. والصمام الثنائي السعوي أساساً عبارة عن وصلة ثنائية PN من السيليسيوم موصلة في الاتجاه العكسي كما هو موضح في الشكل جانبه. وتلعب السعة الذاتية التي تتشكل في منطقة الكمون الحاجز دوراً كبيراً في استخدام الصمام الثنائي السعوي، وقد تصل قيمة السعة الذاتية إلى 2500pF.

يلعب الكمون العكسي المطبق من منبع خارجي الدور الرئيسي في تحديد قيمة السعة الذاتية، فمع ازدياده تزداد سماكة منطقة الكمون الحاجز (d) فتنقص السعة الذاتيةcd. إن السعة الذاتية cd تتناقص بازدياد الكمون العكسي المطبق، ويجب ملاحظة عدم الوصول إلى كمون الانهيار العكسي وإلا تلف الصمام الثنائي السعوي. تتأثر قيمة السعة الذاتية cd بارتفاع درجة الحرارة حيث تزداد مع صغر الكمون العكسي المطبق وتقل مع كبره.

تستخدم الصمام الثنائيات السعوية في دارات رنين أجهزة الاستقبال العاملة على التعديل الترددي FM وفي دارات الترددات فوق العالية UHF وخاصة في أجهزة التلفزيون كما يمكن استخدامه كأي ثنائي عادي.

ثنائي شوتكي (Schottky)

هذه الصمام الثنائيات تُستَعملُ لتقويم التيار المتناوبِ إلى التيارِ المستمر. وذلك عندما يكون ترددَ التيار المتناوبِ عالي جدا.

الصمام الثنائي النفقي (Tunnel diode)

يصنع الصمام الثنائي النفقي بشكل عام من الجرمانيوم وتكون مساحة الوصلة في منطقة الكمون الحاجز صغيرة.

يتصرف الصمام الثنائي النفقي في التوصيل العكسي تماماً كالصمام الثنائي العادي، أما في التوصيل العكسي فانه يتصرف بطريقة مختلفة يبينها منحني الخواص.

ضمن مجال محدد يتناقص التيار الأمامي مع ازدياد الكمون الأمامي المطبق أي أن الصمام الثنائي النفقي يبدي مقاومة سالبة ضمن هذا المجال المحدد.

يستخدم الصمام الثنائي النفقي كثيراً في دارات المذبذبات ذات الترددات العالية جداً ويكون دائماً في التوصيل الأمامي، وتراعى كثيراً قيمة الكمون العكسي المطبق للحصول على مقاومة سالبة.

صمام ثنائي عام

الثنائي زنير

الثنائي النفقي

ثنائي شوتكي

الثنائي السعوي

ثنائي Gun

الثنائي الباعث للضوء

الثنائي الضوئي

ثنائي عام

ثنائي الزينر

ثنائي النفق

ثنائي شوتكي

ثنائي سعوي

ثنائي جان

ثنائي مشع

ثنائي ضوئي

يتكون الصمام الثنائي الجسري (جسر التقويم) من أربعة ثنائيات عادية موصلة مع بعضها بشكل جسري.

يحتوي الصمام الثنائي الجسري على أربعة نقاط يكون مشاراً عليها بالرموز التالية ( + و - و ~ ).

• إشارة (~) الموجودة على القطبين هي مدخل المقوم الجسري (تيار متناوب).

• إشارتي (+ و - ) هي مخارج المقوم.

يتم فحص المقوم الجسري كما لو أننا نفحص الصمام الثنائي المقوم بأخذ كل نقطتين بالنظر إلى الشكل السابق، أي أننا سنفحص الصمام الثنائيات الأربعة (باستخدام الآفومتر). تستخدم هذه الصمام الثنائيات في دارات التقويم.

1 Amp

4 Amp

14 A/ 400 V

6 Amp

علاقات دارة تقويم موجة كاملة جسرية

المخطط الصندوقي لتصميم دارت تقويم متكاملة

يمكن حساب سعةC1 عن طريق العلاقة التالية:

C1=(I_L× t /Vrip)×10⁶ (uF)

C1=(0.5A×0.00833/0.92V)×10⁶
= 0.00453 × 10⁶

= 4529 uF

دارة تقويم نصف موجة

Single diode rectifier

Output: half-wave varying DC

الترشيح

Smoothing capacitor for 10% ripple C = (5 × Io) / (Vs × f)

Io  = التيار المولد من منبع التغذية.

Vs = الجهد الكهربائي (peak value of unsmoothed DC).

f    = تردد التيار الكهربائي المتناوب عند التغذية (50Hz في إنجلترا).

مراحل دارة تقويم موجة كاملة

Transformer + Rectifier

Transformer + Rectifier + Smoothing

Transformer + Rectifier + Smoothing + Regulator

علاقات دارة تقويم موجة كاملة نقطة مشتركة

تستخدم منظمات الجهد في الدارات الإلكترونية عندما نحتاج جهود خرج ثابتة ودقيقة. وإن أشهر أنواع هذه المنظمات هي العائلتين78XX و79XX، حيث تستخدم العائلة 78XX من أجل تنظيم الجهود الموجبة، وتستخدم العائلة 79XX من أجل تنظيم الجهود السالبة. لمنظم الجهد ثلاثةأقطاب(مدخل، ومخرج، وأرضي).

ملاحظة هامة: دائماً نضع على مدخل ومخرج المنظم مكثفات من رتبة النانوفاراد من أجل حماية المنظم من ارتفاع الجهد المفاجئ ومن الحالات العابرة للتيار.

يبين الجدول التالي جهود التنظيم للعائلتين 78XX و 79XX:

مثال تطبيقي

الدارة السابقة تحوي منظم جهد 8 فولط تيار مستمر، كما أن الجهود تعطى بالعلاقات التالية :

من الجدول السابق فإن المنظم 7808 يحتاج في دخله إلى جهد اصغري 10.5V، بالإضافة إلى هبوط الجهد على المقوم الجسري 0.7+0.7 وبالتالي فالجهد الثانوي من القمة للقمة للمحول 10.5+0.7+0.7=11.9V.

أما القيمة الفعلية للجهد على الطرف الثانوي 8.145 Vrms = 11.9 / 1.41.

بالإضافة إلى العائلتين 78XX و 79XX يوجد عائلات أخرى تنتظم جهود متغيرة مثل المنظمات LM317.

دارات تغذية عملية

الصمام الثنائي 1N4004 يظل منحازاً أثناء التشغيل الطبيعي وهو يستخدم لحماية المنظم في حال تم توصيل جهد بقطبية معكوسة إلى الخرج.

دارات تغذية متغيرة موجبة للتيار المستمر

الدارة التالية عبارة عن دارة تغذية منظمة من (1.25 TO 25V) فولط، باستخدام المنظم LM317، ومن أجل تغيير الجهد في الخرج ندور المقاومة المتغيرة 5KOhm، ومن اجل الحصول على جهد 25 فولط في الخرج فإنه يجب أن يكون الجهد على دخل المنظم 28 فولط.

شرح الدارة :

الصمام الثنائيات D1-D4 تكون جسر تقويم بهدف تحويل جهد الدخل المتناوب AC إلى جهد مستمر DC.

المكثف C1 يقوم بترشيح وتنعيم جهد خرج جسر التقويم المستمر، في حين المكثف C2 يمنع مرور الترددات العالية.

الدارة LM317 هي دارة تنظيم جهد قابل للضبط بهدف الحصول على جهد الخرج المطلوب.

الصمام الثنائي D5 يظل منحازاً أثناء التشغيل الطبيعي وهو يستخدم لحماية المنظم في حال تم توصيل جهد بقطبية معكوسة إلى الخرج.

يقدم المنظم جهداً مرجعياً اسمياً قدره 1.25V بين الخرج ومآخذ الضبط، يتم تطبيق هذا الجهد عبر المقاومة R1 وهو يسبب مرور تيار ثابت.

يمر هذا التيار الثابت عبر المقاومة المتغيرة VR1، ومن خلال ضبط المقاومة VR1 ستتغير قيمة الجهد وبالتالي يتم ضبط جهد الخرج.

وجهد الخرج يعطى بالمعادلة :

VOUT = 1.25 ( 1 + VR1 / R1)

يتحسس المكثف C3 من ممانعة الإشارة للمنظم في حين يؤمن المكثفان C4 و C5 منعاً لمرور الترددات العالية والمنخفضة على التوالي.

يشير الصمام الثنائي الضوئي إلى وجود الجهد على الخرج، التيار المار عبر هذا الصمام الثنائي الضوئي يجب أن يكون بين 5mA و 20mA ويتم تحديده من خلال R2، وقيمة R2 تتغير تبعاً لقيمة جهد الخرج المطلوبة وتحسب بـالعلاقة:

R2 = (VOUT – VLED) / (10 × 0.001)

حيث : VLED ≈ 2V

+/-15V Preamplifier Power Supply

وحدة تغذية متغيرة ( 1.2 To 25 V ) ثنائية القطبية