דיודות

דיודות יכולות לחסום זרם מלעבור בכיוון אחד, ולאפשר לזרם לעבור בכיוון השני. תכונה זו מושגת על ידי שיכוב של שכבה שלילית ושכבה חיובית בתהליך הייצור. נקודת המפגש מכונה צומת PN. בצומת, חלק מהאלקטרונים מהחומר השלילי עוברים לחורים בחומר החיובי ויוצרים איזור בעל מטען ניטראלי בצומת. למעשה, החורים מושכים אליהם את האלקטרונים העודפים ולא משאירים אלקטרונים עודפים או חסרים, וכך לא יכול לעבור זרם מעבר לנקודה זו. איזור ניטראלי זה פועל כמחסום ומכונה איזור דילול. איזור הדילול הוא דק מאוד ומגיב במהירות לשינויי מתח. זה הוא המקום בו הזרם נחסם או מורשה לעבור.

 

כאשר הדיודה מחוברת במעגל בצורה שהחומר השלילי מחובר לקוטב השלילי של המצבר והחומר החיובי מחובר לקוטב החיובי, עודף האלקטרונים של החומר השלילי נדחה על-ידי הפוטנציאל השלילי של המצבר. באותו הזמן, החורים הטעונים במטען חיובי נדחים ע"י הפוטנציאל החיובי של המצבר והתצואה היא ריכוז של חורים ואלקטרונים באיזור הדילול. כאשר המתח על הדיודה גדול מספיק (בין 0.5 וולט ל-0.7 וולט), אלקטרונים מהחומר השלילי ינועו אל מעבר לאיזור הדילול בצומת, ימלאו את החורים בחומר החיובי וישאירו חורים בחומר השלילי. אלקטרונים ינועו דרך הדיודה אל הקוטב החיובי של המצבר והחורים ינועו דרך הדיודה אל הקוטב השלילי של המצבר. כאשר זה קורה בדיודה מעביריה זרם ואנו מכנים אותה דיודה במנח קדמי.

 

אם הדיודה מחוברת הפוך במעגל, בצורה שהחומר השלילי מחובר לקוטב החיובי של המצבר והחומר החיובי מחובר לקוטב השלילי של המצבר, הדיודה מכונה במנח אחורי. במצב זה, האלקטרונים בחומר השלילי נמשכים לקוטב החיובי של המצבר, והחורים בחומר החיובי נמשכים לקוטב השלילי של המצבר. זה גורם לעלייה בשטח הדילול או באיזור הניטראלי, וגורם לכך שזרם לא זורם דרך הדיודה. קוטביות המתח שמופעלת על הדיודה קובעת האם הדיודה תעביר או תחסום זרם.

אם המתח שמופעל על הדיודה במנח אחורי גדול מספיק, המתח יכול להתגבר על האיזור המרוקן בצומת והדיודה תוליך לפרק זמן קצר עד שתישרף ותפרוץ. כאשר זה קורה הדיודה הרוסה. בגרף למטה נוכל לראות אופי העבודה של דיודת סיליקון בצד הימני הדיודה מוצגת במנח קדמי, ובצד השמאלי במנח אחורי, עד לפריצה שלה.

לדיודות שלושה יישומים עיקריים בעולם הרכב: יישור זרם, מניעת ספייקים ובידוד.

יישור זרם – מכיוון שדיודה מאפשרת לזרם לעבור רק בכיוון אחד, ניתן להשתמש בה להפוך זרם חלופין לזרם ישר (זרם AC לזרם DC). הליך זה מכונה זיקוק או יישור זרם. דיודות יכולות לספק יישור בגל סינוס מלא או בחצי גל סינוס, בכפוף למספר הדיודות וצורת החיבור שלהן.

מיישר חצי גל סינוס– למיישר חצי גל סינוס המכיל דיודה אחת יהיה מתח מוצא של כחצי ממתח הכניסה ממקור זרם חלופין. מכיוון שזרם חלופין הופך את קוטביותו כל הזמן, הדיודה ממוקמת פעם במנח חיובי ופעם במנח שלישי לסירוגין. הדיודה מאפשרת לזרם לזרום כאשר היא במנח חיובי וחוסמת אותו כאשר היא במנח שלילי. התוצאה היא שרק מחצית מגל המוצא עובר ומחציתו נחסמת על ידי הדיודה. מיישר מסוג זה אינו נפוץ בתחום הרכב מכיון שאינו יעיל מספיק על-מנת להמיר זרם חלופין לזרם ישר לטעינה של מצברים.

מיישר גל סינוס מלא – מיישר גל סינוס מלא משתמש ברשת של ארבע דיודות על מנת ליישר את שני החצאים של גל המוצא. במערכת כזו, זרם זורם בחצי הראשון של זרם החלופין דרך הדיודה הראשונה במנח קדמי, אל המעגל החיצוני, דרך הדיודה השנייה וסוגר מעגל. בחצי השני של זרם החלופין, הזרם זורם דרך הדיודה השלישית אל המעגל החיצוני, אל הדיודה הרביעית וסוגר מעגל. שימו לב באיור למטה החלק העליון מייצג את החצי הראשון של זרם החילופין והחלק התחתון את החצי השני של זרם החלופין, והשלמת ההמרה של זרם החלופין לגל סינוס מלא.

 

על-ידי שימוש בארבע דיודות במיישר זרם מסוג גל סינוס מלא, כל הזרם זורם אל החלק עם הזרם הישר במעגל, והזרם שם תמיד זורם באותו הכיוון למרות שזרם המוצא במקור המתח הוא זרם חלופין אשר משנה את קוטביותו ללא הרף.

 

מיישר הזרם מסוג גל סינוס מלא תלת שלבי, הנמצא באלטרנטורים ברכב, לוקח את יישור הזרם צעד נוסף קדימה. מכיוון שהאלטרנטור משתמש בשלושה סלילים שמייצרים שלושה זרמי חלופין בהפרש של 120 מעלות, דרושות שש דיודות על-מנת להשיג יישור זרם מבלי לאבד זרם. כל סליל משתמש בארבע דיודות כדי להשיג יישור בגל סינוס מלא. מכיוון שהסלילים והדיודות מחוברים ביניהם, אותן דיודות משמשות סלילים שונים בזמנים שונים. מכיוון שהגלים חופפים, זרם המוצא מכל סליל מייצר אחרי ההמרה זרם מיושר חלק ואחיד מאוד.

מניעת ספייקים – דיודות משמשות בממסרים כדי לדכא קפיתו מתח, ספייקים. קפיצות מתח אלו עלולות לפגוע ברכיבים כמו טרנזיסטורים במעגל השליטה של הממסר. קפיצת המתח נוצרת מקריסת השדה המגנטי בסליל של הממסר, אשר מתרחשת בכל פעם שהזרם בממסר פוסק באופן פתאומי. המתח ההשראתי בסליל הממסר זהה לאופן הפעולה של סליל ההצתה. המתח ההשראתי בממסר יכול להיות גדול יותר פי כמה ממתח המערכת.

 

דיודה למניעת קפיצות מתח מחוברת במקביל לסליל הממסר. היא מחוברת כך שתהיה במנח אחורי כאשר הסליל פועל כך שאין מעבר זרם דרך הדיודה. כאשר מעגל השליטה של הממסר נפתח, הזרם פוסק מלעבור דרך הסליל, מה שגורם לשדה המגנטי לקרוס.

קווי הכח המגנטי עוברים דרך הסליל ומשרים מתח. מכיוון שהמעגל פתוח, אין זרימה של זרם. המתח נבנה עד שהוא מגיע לרמה של 0.7 וולט, מספיק כדי לקדם את הדיודה למנח קדמי, ובכך להשלים מעגל לצד השני של הסליל. הזרם זורם במעגל הסגור בין הדיודה לסליל עד שהמתח מתפוגג.

מכיוון שממסרים מסוימים ממוקמים בסביבה חמה מאוד, היכן שדיודות ישרדו זמן קצר מידי, משתמשים לעיתים בנגדים במקום. הנגד הוא עמיד יותר, אבל מאפשר לזרם לזרום דרכו כל עוד המעגל פתוח. בגלל זה משתמשים בנגדים בעלי התנגדות יחסית גבוהה (400-600 אוהם) למנוע מיותר מידי זרם במעגל. בגלל ההתנגדות הגבוהה יחסית של הנגדים הם לא יעילים במניעת קפיצות מתח כמו דיודות.

 

בידוד – דיודה יכולה לבודד שני מעגלים. משתמשים בדיודות לצורך בידוד בהרבה מאוד מעגלים הרכב המודרני. מעגל העומס האלקטרוני הוא דוגמא טובה לכך. הוא מודי למחשב המנוע להעלות את סל"ד הסרק במידה ומופעלים צרכנים חשמליים גדולים. לדוגמא חיווט של מפשיר אדים ומזגן מחוברים יחדיו ומופרדים רק על ידי דיודה, ללא הדיודה, בכל פעם שמעגל אחד היה מופעל, היה עובר מתח גם לשני מה שהיה גורם לו לפעול.

 

דיודת זנר – דיודת זנר פועלת כמו דיודת סיליקון רגילה כאשר היא במנח קדמי, אבל היא הועשרה במיוחד כדי להתנהג אחרת במנח אחורי. דיודת זנר מאפשרת לזרם במתח מסוים לעבור מבלי לגרום לעצמה נזק שוב ושוב ושוב. המתח אותו תעביר דיודת הזנר, המכונה לעיתים נקודת הזנר, משתנה בין דיודה לדיודה מכיוון שכל דיודה הועשרה במיוחד לטפל במתח מסוים.

 

 

ניתן להשתמש בדיודת זנר למנוע קפיצות מתח על-ידי חיבורה בין המעגל וההארקה שלו במנח אחורי, כאשר קפיצת המתח גדולה נקודת הזנר, היא סוגרת את המעגל והארקה ומונעת מקפיצת המתח לפגוע במשהו. שימו לב, לדיודת הזנר סימון מיוחד השונה מדיודה רגילה, צד הקטודה מכיל שני שיפועים מנוגדים. בדרך-כלל, תפורט גם נקודת הזנר על-מנת שאפשר יהיה להבין את פעולת המעגל.

שימוש נפוץ יותר לדיודת זנר בתחום הרכב הוא בבדיקת מתח הטעינה של הרכב. על-ידי חיבור של דיודת זנר בין בסיס של טרנזיסטור והצד החיובי של מערכת הטעינה, הדיודה מאפשרת לזרם לזרום אל הבסיס כאשר נקודת הזרם הושגה. אם נקודת הזנר היא 14.5 וולט, והטרנזיסטור אליו מחוברת הדיודה מכבה את השדה של האלטרנטור כאשר הטרנזיסטור מופעל, ניתן לשמור על מתח טעינה קבוע. ברגע שמתח המערכת נופל מתחת לנקודת הזנר, דיודת הזנר מפסיקה להעביר זרם והטרנזיסטור כבה, מה שמאפשר לשדה של האלטרנטור לזרום.

 

דיודה פולטת אור (Light Emitting Diodes – LED) – הלד הוא דיודה אשר מתוכננת במיוחד להפיק אור. הלדים מיוצרים בתוך מעטפת אפוקסי שקופה, כדי שיוכלו לפלוט את האור שהם מייצרים כאשר הם במנח קדמי. צבע האור יכול להיות אדום, ירוק או אינפרא-אדום, בהתאם לכמות החומר בו מועשר הלד. לד, כמו דיודת סיליקון יעביר זרם רק בכיוון אחד. נפילת המתח של לד במנח קדמי (1.5 עד 2 וולט) גדולה בהרבה מזו של דיודת סיליקון. הזרם בלד במנח קדמי חייב להיות מבוקר, כמו בכל מוליך למחצה, אחרת הלד יינזק. ללד יש יתרונות רבים על נורת ליבון רגילה כמו אורך חיים גדול יותר, פעולה קרה יותר, מהירות תגובה טובה יותר, דרישת מתח נמוכה יותר והיכולת לייצר את אותה כמות אור של נורת ליבון רגילה תוך צריכת פחות אנרגיה.

בתחום הרכב, משתמשים בלדים יותר ויותר במגוון שימושים, החל בתצוגות ספרתיות ולוחות מחוונים דרך פוטוטרנזיסטורים אשר ממירים אור לזרם חשמלי וכלה בנורות חיצוניות, שם באה לידי ביטוי מהירות התגובה העדיפה של הפוטוטרנזיסטורים. שימו לב, בשרטוט של התצוגה הספרתית, לצורה בה מוצג לד, בדומה לדיודה אך מוקף עיגול.