Ideal Diode الثنائي المثالي

I الدوائر االلكترونية د. الخضر تاي هللا يوسف الخضر

KUECAD 1 2018

بسم هللا الرحمن الرحيم I الدوائر االلترونية الوحدة االولي

Diodesالثنائيات مقدمة:

. حيث تم االنتقال من حقبة الصمامات الزجاجية الي حقبة اشباه الموصالت. 1947اول ظهور للترانزستور كان في ديسمبر تتميز اشباه الموصالت بصغر الحجم, ظهرت منظومات كاملة علي شريحة اصغر باالف المرات عن عنصر واحد من العناصر القديمة. التطور الهائل في علم االلكترونيات جعل معرفة المهندسين بالتطور الذي يحدث في بحث وحيد محدودة. صغر حجم

مادة شبه الموصل المستخدم, و وتقنبة تصميم الشبكات للدائرة, وحدود عملية المعدات االلكترونية محدد بثالث عوامل: جودة التصنيع والمعدات المستخدمة في هذه العملية.

Ideal Diodeالثنائي المثالي ئص ايعتبر الثنائي اول معدة الكترونية, ويعتبر ايضا اصغر معدة الكترونية ولكنه يلعب دور حيوي في النظم االلكترونية, وله خص

تشبه الي حد كبير خصائص المفتاح البسيط, ويستخدم في التطبيقات في المدي من التطبيقات البسيطة الي التطبيقات المعقدة.له خصائص مثالية ويكون كذلك في كل الحاالت. يتم ذكر المعدة المثالية الغراض المصطلح مثالي تشير الي اي معدة او جهاز

المقارنة, والثبات وبرهان وجودية امكانية التطوير. الثنائي المثالي هو معدة ثنائية االطراف يرمز له في الدوائر االلكترونية بالرمز .(1b)الشكل وخصائص الثنائي المثالي كما موضح في (1a)الموضح في الشكل

الخصائص. (b)الرمز. (a)( الثنائي المثالي 1الشكل )

مثاليا, يوصل الثنائي التيار الكهربي في االتجاه الموضح بالسهم في رمز الثنائي ويكون في هذه الحالة دائرة قصيرة. عند سريان التيار في االتجاه العكسي سيتحول الثنائي الي دائرة مفتوحة.

المثالي هي نفس خصائص المفتاح البسيط والذي يسمح بمرور التيار في اتجاه واحد فقط. خصائص الثنائي فان الخصائص تكون كما في الجزء االيمن للمحور (1a)اذا كانت قطبية مصدر الجهد الموصل الي الثنائي تتوافق مع الشكل

الحالة تكون كما في الجزء االيسر للشكل . واذا تم عكس قطبية مصدر الجهد فان الخصائص في هذه(1b)الراسي للشكل


KUECAD 2 2018

(1b) اذا كان اتجاه التيار في اتجاه السهم للرمز .(1a) فان الخصائص تكون كما في الجزء العلوي للمحور االفقي كما في .(1b)فان الخصائص ستكون كما في الجزء اسفل المحور االفقي للشكل , بينما اذا تم عكس اتجاه التيار (1b)الشكل

( منطقة او مدي التشغيل 1اهم المعامالت للثنائيات هي المقاومة عند نقطة التشغيل او مدي التشغيل. بالرجوع للشكل ) من , كما معرفة بقانون اوم هي:FR, سوف نجد ان قيمة مقاومة المسار االمامي DVوقطبية الجهد DIالمعرفة باتجاه التيار

00F

F

F F

VR

I I

short circuit

لذا, الثنائي المثالي هو تيار المسار االمامي عبر الثنائي. FIهو جهد المسار االمامي علي طرفي الثنائي, و FVحيث ان عبارة عن دارة قصيرة لكل فترة العمل.

اذا تم تطبيق جهد سالب فان مقاومة المسار العكسي هي:

0

R RR

R

V VR

I

open circuit

لذا, الثنائي المثالي عبارة عن دائرة هو التيار العكسي عبر الثنائي. RIهو الجهد العكسي علي طرفي الثنائي, و RVحيث ان مفتوحة لكل فترة الالعمل.

( التالي يوضح شرح مبسط لظروف عمل الثنائي المثالي.2الشكل )

حالة الفصل للثنائي المثالي حسب قطبية الجهد علي طرفيه (b)حالة التوصيل (a)( 2الشكل )

تيار بمعرفة اتجاه ال )مدي( العمل او في منطقة )مدي( الفصل )القفل( عموما, من السهولة تحديد ما اذا كان الثنائي في منطقة ( يوضح هاتين الحالتين للثنائي المثالي.3الناتج من ربط جهد علي طرفي الثنائي. الشكل )

(حالة التوصيل وحالة الفصل للثنائي المثالي تم تحديدها من اتجاه سريان التيار.3الشكل )


KUECAD 3 2018

Semiconductor Materialsمواد اشباه الموصالت من اسم هذه المواد نعرف خصائصها. البادئة اشباه تعني ان هذه المواد تقع في المنتصف بين نوعين من المواد.

هي كل المواد التي تسمح بمرور الشحنة الكهربية عند ربط مصدر جهد علي طرفيها. الموصالت هي كل المواد التي يكون مستوي توصيلها منخفض جدا او معدم تحت تاثير مصدر جهد علي طرفيها. العوازل

هي كل المواد التي لها مستوي موصلية بين مستوي موصلية الموصالت ومستوي موصلية العوازل. اشباه الموصالتحنة الكهربية او التيار الكهربي. فالمواد ذات كما هو معروف ان معكوس الموصلية هو المقاومة اي مقاومة المواد لسريان الش

الموصلية العالية تكون مقاومتها صغيرة والعكس بالعكس. الموصلية النوعية للمواد تعطي في معظم مراجع الهندسة الكهربية . في النظام العالمي للوحدات mمتر –وتستخدم عند مقارنة مستوي مقاومة المواد. وتقاس بـ اوم ويرمز لها بالرمز رو

تذكر ان المقاومة الي مادة يمكن حسابها كاالتي:

1l RA

R mA l

21Aفي الحقيقة اذا كانت مساحة المقطع cm 1, والطولl cm الموصل تساوي المقاومة , فان مقاومة مكعب من هذا النوعية للمادة المصنوع منها هذا المكعب, ويمكن اثبات ذلك كاالتي:

2

1

1

cmlR

A cm

( التالي يوضح المقاومة النوعية لثالث 1عند مقارنة المقاومة النوعية للمواد المختلفة. الجدول ) هذه الحقيقة ستكون مفيدة جدا مجموعات من المواد.

( القيمة الحقيقية لالنواع الثالث للمواد1) جدول

insulatorsالعوازل semiconductorsاشباه الموصالت conductorsالموصالت 610 cm

(copper) (germanium) 50 cm

(silicon) 350 10 cm (mica) 1210 cm

من اساسيات الكهربية عرفنا خصائص الموصالت والعوازل. الجديد هنا اننا سوف نتطرق بالتفصيل لخصائص اشباه الموصالت, , وتم اختيارهما من مجموعة اشباه الموصالت الن ليست هي كل اشباه الموصالت هاوفي الجدول اعاله ذكرنا مثالين لها ولكن

تبني علي هاتين المادتين )السيلكون والجيرمانيوم(. قديما كانت معظم المعدات االلكترونية تبني من معظم المعدات االلكترونية الجيرمانيوم, ولكن حديثا تم التحول الي السيلكون ولكن تظل المعدات االلكترونية المصنوعة من الجيرمانيوم هي االحدث. تعتبر

لعدة اسباب: مادتي السيلكون والجيرمانيوم اهم اشباه الموصالت يمكن انتاجهما بدرجة نقاء عالية. .1( اليهما, يمكن ان يغير من خصائصهما dopingعند اضافة جزء في المليون من الشوائب )هذه العملية تسمي بالتطعيم .2

رديئة التوصيل الي موصالت جيدة.اسة للحرارة االجهزة والمعدات الحسيمكن تغير خصائصهما بتسليط الضوء او الحرارة والتي تعتبر ميزة هامة عند تطوير .3

والضوء.


KUECAD 4 2018

ذرات يسمي يب الدوري للتنمط كامل من المادة يسمي الكريستال, والتر التكوين الذري لكل من السيلكون والجيرمانيوم متشابه. 14ة تحتوي علي وهذا يعني ان النوا 14. الشكل التالي يوضح التكوين الذري للسيلكون. الرقم الذري للسيلكون هو latticeشبكة

الكترونات. المدار الخارجي يسمي 4الكترون في مدارات حول الذرة, حيث يحتوي المدار الخارجي علي 14بروتون, متعادلة بـ . كل اشباه valence electrons, وااللكترونات في هذا المدار تسمي بالكترونات التكافؤ valence shellمدار التكافؤ

لكترونات تكافؤ.ا 4الموصالت يكون لها

( التكوين الذري لمادة السيلكون.4الشكل )

عدد الكترونات التكافؤ الي مادة تحدد موصليتها للكهرباء. وتحدد ايضا طريقة ارتباطها مع الذرات االخري.عند تجميع ذرات السيلكون مع بعضها البعض, اي ذرة سوف تشارك الكترونات مدارها الخارجي االربع مع اربعة ذرات مجاورة

.covalent bondingوتنتج كرستال صلب كما موضح في الشكل التالي. هذه المساهمة لاللكترونات تسمي الرابطة التساهمية

ن.( الرابطة التساهمية للسيلكو 5الشكل )

:Dopingالتطعيم


KUECAD 5 2018

هي عملية اضافة ذرة )تسمي هذه الذرة بالشوائب( الشباه الموصالت النقية. اشباه الموصالت النقية محدودة االستخدام في مجال اه موصالت د وينتج اشب, وعند تطعيم اشباه الموصالت فان مستوي موصليتها سوف يزداااللكترونات ولها موصلية منخفضة

. extrinsicغير جوهرية ني ومن امثلة المواد ذات الذرات خماسية التكافؤ: االنتيمو الذرات خماسية التكافؤ تحتوي علي خمسة الكترونات في مدار التكافؤ.

Sb وارسينك ,As والفسفوروس ,P تطعيم كرستال السيلكون بعدد كبير من الذرات خماسية التكافؤ ينتج عدد كبير من االلكترنات .هذا العدد من االلكترونات الحرة ينتج الن لكل ذرة خماسية التكافؤ سيكون هنالك الكترون حر من الرابطة التساهمية. في المادة.

لذا, الكترون واحد من الكترونات التكافؤ للذرات خماسية التكافؤ غير مستخدم في الرابطة التساهمية كما موضح في الشكل التالي.لذرة االرسينك, وبما ان الرابطة التساهمية تحتوي علي ثمانية الكترونات فلذا الكترون واحد سيكون االلكترون الحر في الشكل يتبع

زائد وهو االلكترون الحر.

( تطعيم كرستال السيلكون بذرة خماسية التكافؤ.6الشكل )

عبر المادة. وبما ات الحرة والتي ستطفؤعند تطعيم كريستال السيلكون بماليين الذرات خماسية التكافؤ, ينتج ماليين من االلكترون negative typeان االلكترون يحمل شحنة كهربية سالبة, فان هذه العملية تنتج مادة تسمي شبه موصل سالب

semiconductor. بالرغم من ذلك تظل الشحنة الكهربية الكلية متعادلة, الن العدد الكلي لاللكترونات يساوي العدد الكليالن الطاقة الحرارية تنتج زوج من فراغ الكترون holesاشباه الموصالت السالبة ايضا تحمل عدد قليل من الفراغات للبروتونات.

هنالك عدد قليل من الكترونات التكافؤ تمص طاقة كافية للخروج من الرابطة التساهمية وتصبح حرة وتكون اضافة في الكرستال.التي تنشا في الكرستال تنتج شحنة موجبة النها تجذب االلكترونات بالقرب منها. holesلاللكترونات الحرة االخري. الفراغات

بما ان عدد االلكترونات الحرة في اشباه الموصالت السالبة اكثر من عدد الفراغات, لذلك فان االلكترونات الحرة تسمي حامالت .minority current carriersالت التيار االقلية , والفراغات تسمي حامmajority current carriersالتيار الكثيرة

يوجد عدد من االيونات في مادة شبه الموصل السالب, الن االلكترون الحر للمادة خماسية التكافؤ يترك ذرته االم وتصبح هذه الذرة ايونا موجبا.


KUECAD 6 2018

, والجاليوم B, والبورون Alمثل االلمونيوم الذرات ثالثية التكافؤ هي التي تحتوي علي ثالث الكترونات فقط في مدارها الخارجي,Gaوابط التساهمية في الر . اذا تم تطعيم كرستال السيلكون بعدد كبير من الذرات ثالثي التكافؤ ينتج عدد كبير من الفراغات

المكونة للمادة. الننا نحتاج اللكترون واحد الكمال اي رابطة تساهمية كما موضح في الشكل التالي.

( تطعيم كرستال السيلكون بذرات ثالثية التكافؤ.7شكل )

بالمثل عند تطعيم السيلكون بماليين الذرات ثالثية التكافؤ ينتج ماليين الفراغات في المادة. وبما ان الفراغات تحمل شحنة كهربية ات الكلي ة الن عدد االلكترونموجبة فان المادة في هذه الحالة تسمي شبه موصل موجب. ايضا الشحنة الكلية للمادة تكون متعادل

يساوي عدد البروتونات الكلي. اشباه الموصالت الموجبة تحتوي علي عدد قليل من االلكترونات الحرة الن الطاقة الحرارية تنتج بحامالت فراغات نما تسمي اليزوج من الترون فراغ. للمادة شبه الموصلة الموجبة تسمي االلكترونات الحرة حامالت التيار القليلة ب

.التيار الكثيرة. شبه الموصل الموجب يحتوي علي عدد من االيونات السالبة

( شبه الموصل السالب وشبه الموصل الموجب.8شكل )

the p-n junction Diodeموجب –ثنائي الوصلة سالب شبه موصل موجب مع شبه موصل سالب توصيل )ربط( , تتكون منdiodeالمعدة شبه الموصل ثنائية االطراف تسمي الثنائي

. كما ذكرنا سابقا ان الثنائي معدة junctionالمنطقة الضيقة بين شبهيي الموصل تسمي الوصلة كما موضح في الشكل التالي.ثنائي في الدوائر ال لاحادية االتجاه بحيث تسمح بمرور التيار في اتجاه واحد. ايضا الشكل التالي يوضح الرمز المستخدم لتمثي


KUECAD 7 2018

Cathode, بينما يسمي النصف السالب الكاثود Anode (A)االلكترونية والكهربية. النصف الموجب من الثنائي يسمي باالنود (K).

الرمز المستخدم لتمثيل الثنائي. (b)التركيب االساسي (a)( الوصلة الثنائية 9شكل)

Depletion Zoneمنطقة االستنزاف في في شبه الموصل السالب وفراغات في شبه الموصل الموجب.تالي يوضح وصلة ثنائية تحتوي علي الكترونات حرة الشكل ال

لحظة توصيل شبه الموصل السالب مع شبه الموصل الموجب, فان االلكترونات الحرة في شبه الموصل السالب سوف تنتقل الي لكترونات االشبه الموصل الموجب هي حامالت التيار القليلة فان عمر شبه الموصل الموجب, وبما ان االلكترونات الحرة في

قصيرا. الن هذه االلكترونات المنتقلة ستتحد مع فراغات في شبه الموصل الموجب. االثر المهم الذي يجب المنتقلة سيكون اغات صل الموجب واتحاده مع الفر مالحظته هنا, هو انه عند انتقال االلكترونات الحرة من شبه الموصل السالب الي شبه المو

. (b)سينتج لدينا ايونات موجبة في شبه الموصل السالب وايونات سالبة في شبه الموصل الموجب كما موضح في الشكل التالي ويتوقف انتقال االلكترونات , a barrier potential BVسينتج جهد حاجز ه, فانdiffusionعملية انتقال االلكترونات باستمرار

من شبه الموصل السالب الي الموجب. االلكترونات المنتقلة من الجانب السالب الي الجانب الموجب تتحسس جهد سالب كبير في الجانب الموجب والتي تدفعها الي الجانب السالب مرة اخري. وبالمثل الفراغات المنتقلة من الجانب الموجب الي الجانب

حسس جهد موجب كبير مما يدفعها الي العودة الي الجانب الموجب مرة اخري. المنطقة التي تحتوي علي االيونات السالب تتو طبقة depletion region. ايضا هذه المنطقة تسمي depletion zoneالسالبة وااليونات الموجبة تسمي منطقة االستنزاف

البة حامالت الشحنة. االيونات الس. تستخدم كلمة االستنزاف النه في هذه المنطقة يتم استنزاف كل depletion layerاالستنزاف وااليونات الموجبة الموجودة في منطقة االستنزاف تكون مثبتة في تركيب كرستالي ولذا فانها تكون قادرة علي الحركة.

جهد الحاجز الناتج (b) ب السالب والفراغات في الجانب الموجبااللكترونات الحرة في الجان (a)( الوصلة الثنائية 10شكل )

من وجود االيونات في منطقة االستنزاف.


KUECAD 8 2018

BVBarrier Potentialجهد الحاجز BVفرق الجهد هذا يسمي جهد الحاجز ويرمز له بـ تنتج االيونات فرق جهد عند الوصلة الثنائية كما موضح في الشكل اعاله.

0.7للسيلكون تكون قيمة جهد الحاجز V 0.3وللجيرمانيوم تكون قيمته V جهد الحاجز اليمكن قياسه خارجيا باستخدام . الثنائية. جهد الحاجز يوقف انتقال حامالت التيار.الفولتميتر, ولكنه موجود في الوصلة

forward biased p – n junctionاالنحياز االمامي للوصلة الثنائية مصطلح االنحياز يطلق علي جهد او تيار التحكم. عند انحياز الثنائي اماميا )االنحياز االمامي للثنائي( يجعل التيار يسري

الشكل التالي. بسهوله عبر الثنائي كما موضح في

( االنحياز االمامي للثنائي.11شكل )

كما نالحظ من الشكل اعاله ان االنحياز االمامي للثنائي نحصل عليه بربط الجانب السالب للثنائي الي طرف الجهد السالب جز. جهد الحاوالجانب الموجب للثنائي الي طرف الجهد الموجب. يجب ان يكون مصدر الجهد له قيمة كافية للتغلب علي

الجانب وعند وصولها الي مصدر الجهد يدفع االلكترونات الحرة من الجانب السالب الي الجانب الموجب عبر منطقة االستنزاف.الموجب ستتحد مع الفراغات. سنتقل االلكترونات من فراغ الي اخر النها ستجذب بواسطة الطرف الموجب لمصدر الجهد. الي

سالب )من الطرف السالب لمصدر الجهد( سيكون مقابل له الكترون يغادر الجانب الموجب. اذا كانت الكترون يدخل الجانب ال0.7صلة الثنائية في الشكل اعاله مصنوعة من السيلكون يجب ان يكون مصدر الجهد له قيمة و ال V او اكبر ليعادل تاثير

جهد الحاجز الداخلي وبالتالي يسري التيار عبر الثنائي. )في التطبيقات العملية يجب اضافة مقاومة علي التوالي مع الثنائي لتحديد قيمة التيار(.

جب ان ميا. ييوضح رمز الثنائي في الدائرة الكهربية مع مصدر جهد مربوطة بطريقة تجعل الثنائي منحاز اما (b.11)الشكل نتذكر انه يتم الحصول علي االنحياز االمامي فقط اذا كان االنود موجب بالنسبة للكاثود. وتذكر ايضا ان االلكترونات تسري

من الجانب السالب عكس اتجاه سهم رمز الثنائي. السهم في رمز الثنائي يشير الي اتجاه سريان التيار.

Reverse-Biased p-n Junctionاالنحياز العكسي للوصلة الثنائية


KUECAD 9 2018

علي انحياز عكسي للوصلة الثنائية. وذلك بتوصيل الطرف السالب لمصدر الجهد ( يوضح كيفية الحصول 12الشكل التالي )الي الي الجانب الموجب للوصلة بينما الطرف الموجب لمصدر الجهد يربط الي الجانب السالب للوصلة. ونتيجة لذلك, فان

كال الجانبين للوصلة تدفع بعيدا عن الوصلة, هذا سوف يزيد عرض نطاق منطقة االستنزاف كما موضح حامالت الشحنة في (. االلكترونات الحرة في الجانب السالب تجذب بعيدا عن الوصلة نتيجة لقوة جذب الطرف الموجب للبطارية. a.12في الشكل )

تيجة لقوة الجذب الناتجة من الطرف السالب لمصدر الجهد. بالمثل, الفراغات في الجانب الموجب تجذب بعيدا عن الوصلة نيوضح رمز الثنائي في الدائرة الكهربية مع مصدر جهد مربوطة بطريقة تجعل الثنائي منحاز عكسيا. نتيجة (b.12)الشكل

ة النهائية.الياالنحياز العكسي يكون الثنائي في وضع عدم التوصيل )الفصل( ويعمل كدائرة مفتوحة, وتكون له مقاومة مث

( االنحياز العكسي للثنائي.12شكل )

leakage currentتيار التسريب حتي في حالة االنحياز العكسي فان الثنائي يمرر تيار صغير يسمي تيار التسريب, وينتج هذا التيار من حامالت التيار القيليلة في كال جانبي الثنائي وهي الفراغات في الجانب السالب وااللكترونات الحرة في الجانب الموجب, وتنتج حامالت التيار هذه من

منتجة, فان فراغ ال –فراغ. وبما ان درجة الحرارة تحدد عدد ازواج الترون –تج ازواج قليلية من الترون الطاقة الحرارية والتي تنتيار التسريب يتاثر بدرجة الحرارة. لذا, اي زيادة في درجة حرارة الثنائي ينتج عنها زيادة في تيار التسريب. اتجاه تيار التسريب

النحياز االمامي.يكون عكس اتجاه سريان التيار في حالة ا Volt – Ampere characteristic Curveالتيار –منحني خصائص الجهد

لثنائي السيلكون. يحتوي الشكل تيار الثنائي في ( التالي يوضح عالقة التيار عبر الثنائي والجهد علي طرفي الثنائي13الشكل ) الجهد في حالة االنحياز –كل من االنحياز االمامي واالنحياز العكسي. الربع االيمن العلوي من الشكل يمثل عالقة التيار

0.6FVمياالمامي. من هذا الشكل نالحظ ان هنالك تيار صغير جدا يسري عبر الثنائي عندما يكون جهد االنحياز االما V وعندما تقترب قيمة الجهد االمامي من هذه القيمة فان التيار سيبدأ بالزيادة, ويجب مالحظة ان جهد االنحياز سيظل ثابت نسبيا

هو هو جهد الحاجز الداخلي للسيلكون. جهد الحاجز الداخلي للجيرمانيوم V 0.7الجهد بينما يزداد تيار االنحياز االمامي. 0.3 V جهد لثنائي الجيرمانيوم التيار سيزيد بصورة كبيرة عندما يكون جهد االنحياز االمامي حوالي –. عليه في عالقة تيار0.3 V.


KUECAD 10 2018

جهد لثنائي السيلكون. –( عالقة تيار 13شكل )

BRVBreakdown Voltageجهد االنهيار تيار لثنائي السيلكون في حالة االنحياز العكسي. نالحظ من هذا الشكل –الربع اليسار السفلي من الخصائص يمثل عالقة جهد

يسري عبر الثنائي حتي نصل الي جهد االنهيار. التيار الذي يسري قبل جهد االنهيار هو Aتيار صغير جدا في حدود التيار الناتج من الطاقة الحرارية كما ذكرنا سابقا هذا التيار يسمي تيار التسريب ) احيانا يسمي هذا التيار بتيار التشبع العكسي(.

بيا علي تغير جهد االنحياز العكسي. الزيادة في هذا التيار مع ازدياد جهد تيار التسريب يزداد مع زيادة درجة الحرارة ويعتمد نساالنحياز العكسي ناتج عن تيار التسريب للسطح, وذلك الن كرستال السيلكون يحتوي علي عدد من الفراغات في اسطح هذه

.قليلية الموجودة علي االسطحالكرستالة ناتجة عن عن الفراغات الغير مملؤه والتي تولد مسار لاللكترونات الحرة العندما يكون جهد االنحياز العكسي كبير, حيث يتم توليد الكترونات حرة في الجانب الموجب ويتم avalancheيحدث االنهيار

تسريعها بواسطة مصدر الجهد الي سرعات عالية, هذه االلكترونات تصتدم بالكترونات التكافؤ في المدارات االخري وتصبح ات التكافؤ هذه حرة ايضا وتتسارع الي سرعات عالية, وتكرر هذه العملية وينتج عنها االنهيار. وعند الوصول الي جهد الكترون

نر المنطقة التي يحدث فيها االنهيار ويزداد التيار فيها بصورة كبيرة تسمي منطقة ز االنهيار يزداد تيار التسريب بصورة كبيرة. Zener Region .لثنائيات بجهد االنهيار. معظم الثنائيات المستخدمة في المقومات لها جهد انهيار يزيد يجب عدم تشغيل ا

.V 50عن من فيزياء اشباه الموصالت نجد ان الخصائص العامة لثنائي اشباه الموصالت يمكن وصفها بالمعادلة االتية في حالة االنحياز

االمامي واالنحياز العكسي. /

1 1kkV T

F RI I e حيث ان:


KUECAD 11 2018

RI.)هو تيار التسريب )تيار التشبع العكسي : k : 11600ثابت يساوي / ,1 2للجيرمانيوم و 1للسيلكون عند تيار الثنائي الصغير و للسيلكون والجيرمانيوم

عند تيار الثنائي العالي.kT 0273: درجة الحرارة بالكلفنk cT T .

Temperature Effectsتاثير درجة الحرارة ويوضح ذلك منحني خصائص ثنائي السيلكون الموضح في الشكل )( التالي. درجة الحرارة تؤثر في خصائص ثنائي السيلكون

درجة مئوية. 10درجة الحرارة مع زيادةمن التجارب العملية وجد ان تيار التسريب يتضاعف

( تغير خصائص الثنائي مع تغير درجة الحرارة.14شكل )

DC Resistance Of Diode (static) )االستاتيكية( مقاومة الثنائي المستمرة(, يتضح من الخصائص في منطقة االنحياز االمامي ان عالقة 13بالرجوع الي منحني خصائص الثنائي الموضح في الشكل )

تيار عالقة ال خطية وبالتالي يمكن القول بان الثنائي يمثل معدة كهربية ال خطية. المقاومة المباشرة للثنائي في حالة –جهد االنحياز االمامي يمكن ان تكتب علي الصورة:

2FF

F

VR

I

(1مثال ) .Bوالنقطة A( اوجد المقاومة المباشرة عند النقطة 13من منحني خصائص الثنائي في الشكل )


KUECAD 12 2018

الحل هي: Bو A( نجد ان التيار والجهد عند النقطتين 13من الشكل )

Bالنقطة Aالنقطة V 0.7 V 0.65 الجهد mA 22.5 mA 11 التيار

االن نوجد المقاومة المباشرة كاالتي:

3

3

0.6559.1

11 10

0.731.1

22.5 10

FA

FB

R

R

الجهد تنخفض مقاومة الثنائي المباشرة ويصبح الثنائي اكثر موصلية.نالحظ انه مع ازدياد AC Diode Resistance (Dynamic) مقاومة الثنائي المتناوبة )الديناميكية(

( التي تصف المقاومة المستمرة للثنائي نالحظ من المثال السابق ان المقاومة المستمرة تعتمد علي شكل منحني 1من المعادلة )حول النقطة موضع االهتمام. اذا تم تطبيق مصدر متناوب بدال عن المصدر المباشر, فان الحالة سوف تختلف الخصائص

تماما. تغير الدخل سينقل نقطة التشغيل الحالية لالعلي ولالسفل في منطقة من منحني الخصائص ولذا يتم تعريف تغير محدد (.(15للتيار والجهد كما موضح في الشكل التالي )شكل )

( تعريف المقاومة الديناميكية للثنائي.15شكل )


KUECAD 13 2018

مشتقة Qيتم تحديدها بتطبيق الجهد المباشر. نقطة التشغيل Qفي حالة عدم تطبيق اشارة دخل, نقطة التشغيل ستكون النقطة والتي تعني غير متغير. quiescentمن الكلمة

المماس لمنحني الخصائص عند نقطة التشغيل كما موضح في الشكل التالي سيحدد تغير مححد للتيار والجهد والتي يمكن استخدامها اليجاد المقاومة الديناميكية لمنطقة الخصائص المحددة لتغير اشارة الدخل. يجب ان نجعل التغير في الجهد والتيار

من العالقة:نقطة التشغيل. المقاومة الديناميكية للثنائي يمكن ايجادها صغير بقدر االمكان ومتماثل علي جانبي

3dD

d

VR

I

( ايجاد المقاومة الديناميكية.16شكل )

(2مثال ) لمنحني الخصائص الموضح في الشكل التالي اوجد:

2DIالمقاومة الديناميكية عند .أ mA. 25DIالمقاومة الديناميكية عند .ب mA.

الحل2DIأ. لتيار mA( لتغير التيار 2, المماس لمنحني الخصائص عند هذا التيار كما موضح في شكل المثال )2 mA اعلي

4DIوادني التيار. نجد انه عند mA 0.76نجد انDV V 0, وعندDI mA 0.65نجد انDV V لذا فان . المقاومة الديناميكية هي:

3

0.76 0.6527.5

4 0 10

dd

d

VR

I

25DIلتيار ب. mA( لتغير التيار 2, المماس لمنحني الخصائص عند هذا التيار كما موضح في شكل المثال )5 mA 30DIاعلي وادني التيار. نجد انه عند mA 0.8نجد انDV V 20, وعندDI mA 0.78نجد انDV V لذا فان .

المقاومة الديناميكية هي:

3

0.8 0.782

30 20 10

dd

d

VR

I


KUECAD 14 2018

نالحظ االتي:2FIعند التيار mA 0.7نجد انFV V :والمقاومة االستاتيكية هي

3

0.7350

2 10FBR

وهي اكبر من المقاومة الديناميكية عند نفس التيار.25FIعند التيار mA 0.79نجد انFV V :والمقاومة االستاتيكية هي

3

0.7931.62

25 10FBR

وهي اكبر بكثير من المقاومة الديناميكية عند نفس التيار.

(.2شكل المثال )

الخصائص, ولكن هنالك تعريف اساسي من علم ناميكية هندسيا من منحنيالطريقة السابقة تسمي طريقة ايجاد المقاومة الدي الحسبان ينص علي:

المشتقة لدالة عند نقطة تساوي ميل المنحني المرسوم عند تلك النقطة.بالنسبة لجهد االنحياز االمامي سوف نحصل علي Qالمعادلة )( الصورة العامة لتيار الثنائي, ايجاد المشتقة عند نقطة التشغيل

للمقاومة الديناميكية للثنائي كاالتي:مة الصيغة العا


KUECAD 15 2018

/ / /

/

1

1

k k k

k

kV T kV T kV T

F s s s s s

k k k k

kV T

s s F s

k k

d d k k k kI I e I e I e I I

dV dV T T T T

k kI e I I I

T T

Fمما ذكرنا سابقا sI I :في المستويات العليا لتيار الثنائي, ولذلك يمكن كتابة F

F

k

dI kI

dV T

1وبتعويض :للسيلكون والجيرمانيوم للمستويات العليا لتيار الثنائي, واخذ درجة حرارة الغرفة القياسية نحصل علي

0 0

11600 1160011600;

1

25 273 298

1160038.93

298

k

FF F

k

T C K

dII I

dV

المقاومة الديناميكية هي مقلوب المعادلة االخيرة, ولذا,0.026 26

d

F F F

dV mVR

dI I I

وتتطلب تعويض قيم نقطة التشغيل مباشرة اليجاد المقاومة الديناميكية. ليسفائدة المعادلة اعاله يجب ان تفهم بطريقة صحيحة, هنالك حوجة لمنحني الخصائص وليس هنالك خوفا من ايجاد القيم الصحيحة من المنحنيات وال رسم ميل منحني الخصائص

. للقيم لثنائي عند صعود المنحنيعند نقطة التشغيل. ومع ذلك يجب ان تعلم بان هذه المعادلة صحيحة للقيم الكبيرة لتيار ا2نجد ان الصغيرة لتيار الثنائي لثنائي السيلكون وقيمة المقاومة الديناميكية في هذه الحالة يجب ان نضرب المقاومة

. ولقيم تيار الثنائي اسفل ركبة منحني الخصائص فان هذه المعادلة تصبح غير صحيحة.2الديناميكية بالعامل كل القيم الممكنة لمقاومة الثنائي يمكن ايجادها بالطرق السابقة وهي ال تشمل مقاومة المادة شبه الموصلة نفسها والتي تسمي

والمقاومة الناتجة من ربط الجانب الموجب مع الجانب السالب ومقاومة اطراف التوصيل body resistanceمقاومة الجسم . االن يمكن تطوير معادلة المقاومة الديناميكية لتشمل هذه المقاومات contact resistanceالخارجية والتي تسمي مقاومة الربط

', والمقاومة الجديدة يرمز لها بـ Brويرمز لها بالمقاومة

FR :كما موضح في المعادلة االتية ' 26F B

F

mVR r

I

(:2لمعدات القدرة المنخفضة. للمثال ) 2لمعدات القدرة العالية الي 0.1له قيمة حقيقية في المدي من Brالعامل 3

3

26 101.04

25 10FR

.Brاوم يمكن اعتباره علي انه مساهمة 1نجد ان هنالك فرق قيمته اوم. باستخدام المعادلة )( ويجب ضربها في 27.5هو mA 25ايضا من المثال السابق نجد ان المقاومة الديناميكية عند تيار

نحصل علي: 2العامل 26

2 2 13 262

F

mVR

mA


KUECAD 16 2018

.Brاوم والتي هي عبارة عن مساهمة 1.5هنالك فرق حوالي Average AC Resistance of Diodeمقاومة الثنائي المتناوبة المتوسطة

اذا كانت اشارة الدخل كافية النتاج صعود وهبوط كبير كما في الشكل )(, مقاومة المعدة المرتبطة لهذا النطاق تسمي المقاومة هي المقاومة التي يمكن ايجادها برسم خط مستقيم بين نقطة تقاطع القيمة العظمي الي المتناوبة المتوسطة. المقاومة المتناوبة

نقطة تقاطع القيمة الصغري للجهد. وفي صورة معادلة رياضية:

. .

av

pt to pt

Vr

I

( ايجاد المقاومة المتناوبة المتوسطة.17شكل )

للحالة الموضحة في الشكل )(:

3

0.725 0.655

17 2 10avr

فان قيمتها mA 17اوم, ولو تم حسابها عند 5فان قيمتها ستكون اكبر من mA 2اذا تم حساب المقاومة المتوسطة عند . المعادلة )( mA 17الي القيمة الصغري mA 2ستكون اصغر. بين هاتين المقاومتين المتناوبتين االنتقال من القيمة العظمي

. في الحقيقة مستوي واحد للمقاومة يمكن يستخدم لمستوي mA 17الي mA 2تعرف القيمة المرتبطة بالقيمة المتوسطة من واسع من الخصائص يبرهن حقيقة مهمة في ايجاد الدائرة المكافئة للثنائي.


KUECAD 17 2018

ة ما انخفض مستوي التيار المستخدم اليجاد المقاومة المتوسطكما هو الحال مع قيمة المقاومة االستاتيكية والمقاومة الديناميكية, كل كلما ارتفعت قيمة المقاومة.

( التالي يوضح مختصر للمقاومات الممكنة للثنائي والفرق بينها.1الجدول )

Diode Approximationsتقريب الثنائي

يعتمد علي الكهربية تحليل الثنائي. واختيار احد هذه التقريباتهنالك ثالث تقريبات يمكن استخدامها لتمثيل الثنائي في الدوائر درجة دقة التخليل المطلوبة.

التقريب االول(. 18التقريب االول يعتبر الثنائي في حالة االنحياز االمامي مثل مفتاح مفلق له هبوط جهد صفر فولت, كما موضح في الشكل )

عكسي مثل مفتاح مفتوح يمر عبر تيار قيمته صفر امبير كما موضح في الشكل وبالمثل يعتبر الثنائي في حالة االنحياز ال(18.a( الشكل .)18.c.يوضح خصائص التمثيل للثنائي بهذا التقريب )

يستخدم التقريب االول عادة في حالة الحوجة فقط لتوضيح فكرة عامة عن تيار وجهد الدائرة. مثالي.التقريب االول يسمي عادة بتقريب الثنائي ال


KUECAD 18 2018

( التقريب االول للثنائي.18شكل )

التقريب الثاني(. لثنائي 19التقريب الثاني يعتبر الثنائي في حالة االنحياز كثنائي مثالي علي التوالي مع بطارية, كما موضح في الشكل )

وهي نفس قيمة جهد الحاجز للوصلة الثنائية. اما في حالة V 0.3ولثنائي الجيرمانيوم V 0.7السيلكون يكون جهد البطارية هو يستخدم التقريب ( يعرض ايضا خصائص الثنائي بهذا التقريب.c.19االنحياز العكسي يمثل الثنائي كمفتاح مفتوح. الشكل )

الثاني عند الحوجة لقيم اكثر دقة.

( التقريب الثاني للثنائي.19شكل )

التقريب الثالث, ,قيمة هذه المقاومة تعتمد علي مستوي التطعيم وحجم الجانب الموجب والجانب Brالتقريب الثالث يستخدم المقاومة الكلية للثنائي (. هبوط الجهد عبر الثنائي يحسب من العالقة التالية:20السالب. التقريب الثالث موضح في الشكل )

4B BV V Ir تزيد من جهد االنحياز االمامي علي طرفي الثنائي مع ازدياد قيمة التيار. Brالقيمة الكلية للمقاومة


KUECAD 19 2018

( التقريب الثالث للثنائي.20شكل )

( يوضح الدائرة الكهربية المستخدمة للتقريبات الثالث للثنائي.21الشكل )

التقريب (c)التقريب االول. (b)الدائرة االصلية. (a)دمة لتوضيح استخدام لتقريب الثنائي. المستخ ( الدائرة الكهربية21شكل )

التقريب الثالث. (d)الثاني. مثال

اوجد جهد وتيار الحمل باستخدام التقريب االول, وباستخدام التقريب الثاني, وباستخدام التقريب الثالث.


KUECAD 20 2018

الحل باستخدام التقريب االول:

10

10100

100

L in

LL

L

V V V

VI mA

R

التقريب الثاني:10 0.7 9.3

9.393

100

L in B

LL

V V V V

VI mA

R

التقريب الثالث:

3

10 0.790.73

100 2.5

90.73 10 100 9.07

in BL

B

L L

V VI mA

R r

V I R V

القيم القياسية للثنائي القيم التالية تمثل القيم القصوي والخصائص الكهربية لثنائي اشباه الموصالت.

مة يمكن ان يرمز . هذه القيالقيم المهمة النه سيتم تدمير الثنائي بعد هذه القيمة: تعتبر قيمة جهد االنهيار من جهد االنهيار. 1 peak reverse, او جهد الذروة العكسية peak inverse voltage (PIV)لها باي من: جهد الذروة المعكوس

voltage(PRV) او قيمة جهد االنهيار ,)BRbreakdown voltage rating (Vسي االقصي , او ذروة الجهد العكpeak )RRMreverse voltage maximum (V. حافظة لماالمامي مع ا : هذه القيمة المهمة تحدد قيمة اقصي تيار مسموح بها لمتوسط التيار0I. قيمة التيار االمامي المتوسطة 2

علي سالمة الثنائي.FSMI : هي اقصي قيمة للتيار اللحظي يمكن ان يتحملها الثنائي لنبضة وحيدة. ويرمز لها بـ اقصي اندفاع للتيار االمامي. 3

(maximum forward surge current). : كل قوائم البيانات للثنائي يجب ان تحتوي علي االقل علي قيمة واحدة للتيار العكسي االقصي لقيمة . اقصي تيار عكسي4

0.05RIحددت التيار االقصي بـ 1N4002نات ثنائي السيلكون جهد عكسي محدد. مثال قائمة بيا A لدرجة حرارة025JT C 100وجهد انحياز عكسيRV V:من هذه البيانات يمكن حساب المقاومة العكسية للثنائي كاالتي .

6

1002

0.05 10

RR

R

VR G

I

الحيطة وكل الحذر اال تتعدي القيم القصوي المسموح بها للثنائي تحت اي ظرف من الظروف.يجب ان اخذ Rectifier Circuitsدوائر التقويم

معظم المعدات االلكترونية تحتاج الي جهد مباشر للعمل بصورة جيدة. وبما ان معظم المعدات والمنظومات توصل الي مصدر التيار المتردد, لذلك, يجب ان نحول التيار المتردد الي تيار مباشر بالقيمة المطلوبة. الدائرة التي تقوم بتحول التيار المتردد الي

. والجزء المهم في مصدر القدرة هي ثنائيات تقويم التيار, والتي تحول التيار power supplyلقدرة تيار مباشر تسمي مصدر ا


KUECAD 21 2018

)الجهد( المتردد الي تيار )الجهد( مباشر. الثنائيات لها المقدرة النتاج تيار مباشر في طرف الخرج, الن الثنائيات هي معدات وحيد.احادية االتجاه والتي تسمح بمرور التيار في اتجاه

The Half-Wave Rectifierالمقوم نصف الموجي كما موضح SVمحول خافض, يعطي جهد ملف ثانوي 1Tتسمي مقوم نصف الموجة. (a.22)الدائرة الموضحة في الشكل

منحاز انحياز امامي, ويسمح بمرور التيار الي 1D. عندما يكون جهد الملف الثانوي موجبا, يكون الثنائي (b.22)في الشكل منحاز انحياز عكسي, ويعمل مثل المفتاح المفتوح وال 1D. وعندما يكون جهد الملف الثانوي سالبا, يكون الثنائي LRالحمل

. ونتيجة لذلك يكون جهد الخرج سلسلة من النبضات الموجبة, كما موضح في الشكل LRيسمح بمرور التيار الي الحمل (22.c).

وجة الخرج.شكل م (C)جهد الملف الثانوي. (b)الدائرة. (a)مقوم نصف موجة ( 22شكل )

:له نسبة ملفات (a.22)المحول الموضح في الشكل 4 :1P SN N :عليه, الجهد الفعال للملف الثانوي يمكن حسابه كاالتي . 1

120 304

SS P

P

NV V Vac

N

جهد الذروة لجهد الملف الثانوي يحسب كاالتي:( ) 1.414 1.414 30 42.42S pk SV V V

جهد الذروة الي الذروة هو: ( )2 84.84S pk P pV V .


KUECAD 22 2018

. في اي لحظة يكون فيها جهد الملف الثانوي موجب فان (C.22)شكل موجة الخرج للمقوم نصف الموجه موضح في الشكل ة, وفي اي موجبالثنائي يكون دائرة قصيرة ويمرر التيار الي الحمل. ويكون خرج المقوم عبارة عن سلسلة من انصاف الموجة ال

وبالتالي جهد الخرج يكون صفرا.لحظة يكون فيها جهد الملف الثانوي سالب فان الثنائي يكون دائرة مفتوحة . باستخدام التقريب الثاني, جهد الذروة عبر الحمل V 42.42باستخدام التقريب االول للثنائي, جهد الذروة عبر الحمل يساوي

.V 41.72 = 0.7 - 42.42جهد ذروة الملف الثانوي: V 0.7يقل بمقدار القيمة المتوسطة او القيمة المباشرة لجهد خرج المقوم نصف الموجه يمكن ايجاده بالعالقة:

( )0.318dc out pkV V حيث ان

( )out pkV لخرج المباشر هو:ه جهد الذروة لجهد الحمل. باستخدام التقريب الثاني للثنائي, جهد ا

0.318 41.72 13.27dcV V

هذه هي قيمة الجهد المباشر التي يمكن قياسها باستخدام مقياس جهد مباشر عبر الحمل. التيار المباشر المار عبر الحمل:13.27

132.7100

dcL

L

VI mA

R

وتيار الثنائي متساويان:للمقوم نصف الموجي, التيار المباشر عبر الحمل ( )diode L dcI I

60من التعريف, عدد الدورات بين نقطتين في جهد الدخل والخرج للمقوم سيكون متساوي. وبما ان تردد مصدر المحول تساوي Hz 1, زمن الدورة هو/ 1/ 60 16.67f ms ,تردد خرج . جهد الملف الثانوي يكون له نفس تردد الملف االبتدائي, لذا

المقوم يكون نفس تردد جهد الدخل للمحول:60out inf f Hz

عندما يكون جهد المحول سالب فان الثنائي يكون منحاز عكسيا ويعمل كدائرة مفتوحة. الدائرة المكافئة لهذه الحالة موضحة في (. عندما يكون يكون التيار صفر يكون جهد الخرج ايضا يساوي صفر.23)الشكل

( مقوم نصف موجه في حالة االنحياز العكسي.23شكل )

نالحظ ان الملف الثانوي والثنائي تكون موصلة علي التوالي. من اساسيات الدوائر الكهربية, جهد الدائرة المفتوحة في دائرة التوالي هو في هذه الحالة هد الملف الثانوي. يجب ان يكون جهد الذرة العكسي اقل من القيمة القياسية لجهد هو جهد الدخل والذي الذروة العكسي للثنائي.

مثال:هي (a.22)اذا كانت نسبة اللفات للدائرة في الشكل 3:1p sN N :احسب ., , , , ,S dc L diode outV V I I PIV f.


KUECAD 23 2018

الحل:

( )

1120 40

3

1.414 40 56.56

S

S pk

V Vac

V V

56.56باستخدام التقريب الثاني للثنائي, ذروة جهد الخرج: 0.7 55.86 V . 0.318 55.86 17.76

17.76177.6

100

177.6

56.56

60

dc

L

diode L

out in

V V

I mA

I I mA

PIV V

f f Hz

اذا اردنا الحصول علي جهد سالب يجب عكس الثنائي. The Full-Wave Rectifierمقوم الموجة الكاملة

محول خافض, والذي يعطي جهد علي الصورة 1Tتسمي مقوم الموجة الكاملة. المحول (a.24)الدائرة الموضحة في الشكل يكون منحاز انحياز امامي, 1D. عندما يكون جهد الملف الثانوي موجب, الثنائي (c.24)والشكل (b.24)الموضح في الشكل

منحاز انحياز عكسي ويكون دائرة مفتوحة. وعندما 2D. ايضا في هذه الحالة يكون الثنائي 1Rحمل ويسمح بمرور التيار الي ال 1Dينما الثنائي منحاز انحياز امامي مما يسمح بمرور التيار الي الحمل, ب 2Dيكون جهد الملف الثانوي سالب فان الثنائي

منحاز انحياز عكسي وبالتالي سيكون دائرة مفتوحة. يجب مالحظة ان اتجاه سريان التيار عبر الحمل في كال الحالتين واحد.. اي من نصفي الملف الثانوي center-tapeالمحول المستخدم لمقوم الموجة الكاملة يحتوي علي منزلق في الملف الثانوي

. الجهد للنصف االعلي للملف الثانوي Vac 30, من sV, والذي يمثل الجهد الكلي لكل نصف موجة, Vac 15يكون له جهد 1. جهود الملف الثانوي 2V, بينما يرمز لجهد النصف االسفل للملف الثانوي بالرمز 1Vيرمز له بالرمز 2&V V تكون علي

, علي التوالي. لحساب جهد الذروة نتبع االتي:(c.24)و (b.24)الصورة الموضحة في االشكال

1( ) 2( ) 1.414 1.414 15 21.212

spk pk

VV V V

الخرج المباشر للمقوم الكامل من غير ترشيح يمكن ان يحسب كاالتي: 0.636dc out pk

V V . جهد الخرج النهائي الموضح في الشكل V 20.51 = 0.7 – 21.21باستخدام التقريب الثاني للثنائي, جهد الذروة للحمل هو

(24.f) :يحسب كاالتي 0.636 0.636 20.51 13.04dc out pk

V V V :الحمل. التيار المباشر عبر مقاومة الحمل هيهذه القيمة التي يمكن قياسها عند الحمل باستخدام مقياس جهد علي التوازي مع

13.04130.4

100

dcL

VI mA

R

/لمقوم الموجة الكاملة, التيار المار عبر اي من الثنائيات يحسب كاالتي: 2 65.2diode LI I mA .


KUECAD 24 2018

الخرج عندما يكون 2V .(d)الجهد 1V .(c)الجهد (b)الدائرة. (a)( مقوم كامل الموجة نوع منزلق الملف الثانوي 24شكل )

الخرج النهائي. (f)الخرج عندما يكون جهد الملف الثانوي سالب. (e)جهد الملف الثانوي موجب.


KUECAD 25 2018

(d.24)التيار المباشر للثنائي هو تيار نصف موجة للتيار المار في مقاومة الحمل ويمكن تمثيله بالموجة الموضحة في االشكال . بما ان mA 205.1لكل موجة, فان تيار الحمل في هذه اللحظة يكون V 20.51روة جهد الخرج هي . اذا كانت ذ(e.24)و

هي نصف موجة, فان القيمة المتوسطة المباشرة التي تمر عبر اي من الثنائيات (e.24)و (d.24)الموجة الموضحة في الشكل تحسب كاالتي:

30.318 0.318 205.1 10 65.2dc out pk

I I mA ثنائي في المقوم كامل الموجة يمرر فقط نصف التيار المباشر للحمل. ايضا, هذا الن كل ثنائي يغذي نصف وهذا يثبت ان كل

الموجة الخاص به فقط الي مقاومة الحمل./1نالحظ ان جهد الملف الثانوي له زمن دوري (b.24)من الشكل 1/ 60 16.67T f ms بالرجوع الي موجة الخرج .

. عليه, تردد موجة الخرج النهائي يساوي:ms 8.33, نجد ان الدورة تكتمل خالل (f.24)النهائي الموضحة في الشكل

3

1 1120 2

8.33 10out inf Hz f

T

يوضح الثنائيات باستخدام التقريب الثاني للثنائي. الدائرة توضح الجهد للجزء االعلي للملف الثانوي عندما يصل (25)الشكل , نستخدم قانون كيرشوف للجهد 2D. ولحساب ذروة الجهد العكسي عند الثنائي 42.42Vالي الذروة الموجبة والتي قيمتها

نحصل علي: 42.42 0.7 41.72AK Bs pk

V V V V

( مقوم كامل الموجة في حالة ان الثنائي الثاني منحاز عكسيا.25شكل )

مثال::( هي: 24اذا كانت نسبة الملفات للمحول الخافض في الشكل ) 3:1p sN N :احسب القيم االتية ,dcV وLI وdiodeI , وذروة الجهد العكسي للثنائي االول وتردد جهد الخرج.

الحل: جهد الملف الثانوي:

1120 40

3

ss p ac

p

NV V V

N

بوجود منزلق الملف الثانوي نجد ان:


KUECAD 26 2018

1 2 202

sac

VV V V

اليجاد جهد الذروة: 1 2

1.414 20 28.28pk pk

V V V . لحساب الخرج المباشر:V 27.58 = 0.7 – 28.28باستخدام التقريب الثاني للثنائي, ذروة جهد الخرج هي

0.636 0.636 27.58 17.54dc out pkV V V

التيار المباشر للحمل:17.54

175.4100

dcL

VI mA

R

التيار المباشر عبر الثنائي:3175.4 10

87.72 2

dcdiode

II mA

وتساوي: V 0.7تكون اقل من ذروة جهد الملف الثانوي بمقدار ذروة الجهد العكسي عبر اي ثنائي1.414 40 0.7 55.86PIV V

2تردد الخرج النهائي يساوي ضعف تردد المصدر ويساوي 120out inf f Hz . The Full-Wave Bridge Rectifierمقوم الموجة الكامل نوع القنطرة

يوضح الدائرة لمقوم الموجة الكاملة نوع القنطرة, المحول عبارة عن محول خافض ينتج جهد في الملف الثانوي (a.26)الشكل 2. عندما يكون جهد الملف الثانوي موجب, تكون الثنائيات (b.26)كما موضح في الشكل 3&D D منحازة انحياز امامي

1. نالحظ ايضا في هذه الحالة الثنائيات LRمل وتسمح بمرور التيار عبر مقاومة الح 4&D D تكون منحازة انحياز عكسي وتمثل بدوائر مفتوحة.

1وعندما يكون هد الملف الثانوي سالب فان الثنائيات 4&D D تكون منحازة انحياز امامي وتسمح بمرور التيار عبر مقاومة2الحمل. وفي هذه الحالة تكون الثنائيات 3&D D منحازة انحياز عكسي وتمثل دائرة مفتوحة. يجب ان نالحظ ان اتجاه سريان

د علي طرفي مقاومة الحمل يكون موجب دائما.التيار عبر مقاومة الحمل في كال الحالتين واحد, ولذا لهذه الدائرة, الجه30rmsللمحول المستخدم في هذه الدائرة نجد ان جهد الملف الثانوي acV V وجهد الذروة 42.42

s pkV V.

, عندما يكون جهد الملف الثانوي موجب, تكون الثنائيات (b.26)اذا كان شكل موجة الملف الثانوي كما موضح في الشكل 2 3&D D منحازة انحياز امامي, وتنتج جهد علي طرفي الحمل علي الصورة الموضحة في الشكل(26.c) وبالمثل, وعندما .

1يكون جهد الملف الثانوي سالب فان الثنائيات 4&D D تكون منحازة انحياز امامي وتنتج جهد علي طرفي الحمل علي الصورة .(e.26). ويكون الجهد النهائي علي طرفي الحمل كما موضح في الشكل (d.26)الموضحة في الشكل

للثنائي, جهد الذروة علي طرفي الحمل يساوي باستخدام التقريب الثاني 42.42 1.4 41.02L pk

V V . الجهد المباشر علي طرفي الحمل يمكن ايجادها كاالتي:

0.636 0.636 41.02 26.09dc out pkV V V

التيار المباشر عبر الحمل يحسب كاالتي:


KUECAD 27 2018

26.09260.9

100

dcL

L

VI mA

R

تيار الثنائي يوجد كما يلي:3260.9 10

130.452 2

Ldiode

II mA

2تردد الجهد النهائي هو: 120out inf f Hz .

جهد الخرج في حالة توصيل الثنائيات (c)جهد الملف الثانوي. (b)الدائرة. (a)( مقوم الموجة الكاملة نوع القنطرة. 26شكل )

2 3&D D .(d) 1جهد الخرج في حالة توصيل الثنائيات 4&D D .(e) .جهد الخرج النهائي وصول جهد الملف الثانوي ذروتة الموجبة. الحظ الثنائيات المنحازة ( يوضح الدائرة المكافئة لمقوم القنطرة في لحظة 27الشكل )

باستخدام قانون كيرشوف للجهد نحصل علي: PIVاماميا والمنحازة عكسيا. لحساب ذروة الجهد العكسي 1 0.7 42.42 41.72AK B s pk

V D V V V 4 42.42 0.7 41.72AK Bs pk

V D V V V

( الدائرة المكافئة لمقوم القنطرة باستخدام التقريب الثاني للثنائي.27شكل )


KUECAD 28 2018

مثال::اذا كانت نسبة الملفات لمقوم القنطرة هي 3:1p sN N . احسب, , , ,dc L diode outV I I PIV f.

الحل:

1120 40

3

1.414 56.56

1.4 55.16

0.636 35.08

350.8

1175.4

2

0.7 55.86

2 120

s ac

ss pk

out pk s pk

dc out pk

dcL

diode L

s pk

out in

V V

V V V

V V V

V V V

VI mA

R

I I mA

PIV V V

f f Hz

Load-Line Analysisالتحليل باستخدام خط الحمل قيمة الحمل الموصل مع الثنائي يكون له تاثير علي نقطة العمل للثنائي. اذا استخدم منحني خصائص الثنائي للتحليل, يمكن ان نرسم خط علي هذه الخصائص ليمثل خط الحمل. تقاطع هذا الخط مع منحني الخصائص يعطي نقطة العمل للثنائي. التحليل

حليل باستخدام خط الحمل.باستخدام خط الحمل يسمي الت. البطارية تدفع التيار للسريان (b.29)يوضح دائرة تحتوي علي ثنائي له منحني خصائص موضح في الشكل (a.29)الشكل

في الدائرة مع عقارب الساعة والثنائي يكون في حالة انحياز امامي. بتطبيق قانون كيرشوف للجهد للدائرة نحصل علي:0 0D D D D D DE V I R E V I R E V I R

المعادلة اعاله معادلة خط مستقيم ورسم هذا المستقيم في منحني الخصائص وتقاطع الخط المستقيم مع منحني الخصائص يعطي نقطة العمل لهذه الدائرة. لرسم الخط المستقيم نوجد نقطة تقاطعه مع محوري الخصائص كاالتي:

0DVتوجد بوضع DIنقطة التقاطع مع محور :في المعادلة اعاله نحصل علي

0D

D

V

EI

R

0DIتوجد بوضع DVنقطة التقاطع مع محور :في المعادلة اعاله نحصل علي 0D

D IV E

لنحصل علي خط مستقيم وهو خط الحمل. تغير قيمة المقاومة تغير نقطة التقاطع مع المحور الراسي. النقطتيننصل هاتين وتكون النتيجة تغير ميل خط الحمل وتغير نقطة العمل.

االن لدينا خط الحمل للدائرة. للحصول علي بيانات نقطة العمل نرسم خط عموديا لالسفل نقطة تقاطع هذا الخط مع ور االفقي تعطي المح

DQV ونرسم خط افقيا من نقطة العمل الي المحور الراسي نقطة تقاطع هذا الخط مع المحور الراسي ,يعطي

DQI.


KUECAD 29 2018

منحني الخصائص. (b)الدائرة. (a)( ثنائي التوالي 29شكل )

العمل.( رسم خط الحمل وايجاد نقطة 30شكل )

مثال:,( وباستخدام منحني الخصائص المرفق اوجد: 31لثنائي التوالي الموضح في الشكل ) ,DQ DQ RV I V.

( دائرة المثال31شكل )

الحل: اوال نوجد نقاط تقاطع خط الحمل مع محاور الخصائص كاالتي:


KUECAD 30 2018

3

0

0

1010

1 10

10

D

D

D

V

D I

EI mA

R

V E V

(.32مستقيم بينهما ونحدد نقطة العمل ومنها نوجد قيم العمل لهذه الدائرة كما موضح في الشكل )نحدد نقاط التقاطع ونرسم خط

( خط الحمل ونقطة العمل للمثال.32شكل )

( نجد ان:32من الشكل )0.78 , 9.25DQ DQV V I mA

االن نعوض هذه القيم في المعادلة العامة للدائرة للحصول علي جهد الحمل كاالتي:3 39.25 10 1 10 9.25

: 10 0.78 9.22

D R R DQ

R DQ

E V V V I R V

OR V E V V

الفرق في االجابتين ناتج من عدم دقة قراءة منحني الخصائص. عموما من المفروض ان تكون االجابة بالطريقتين متساوية. مثال:

2Rاعد المثال السابق اذا كانت المقاومة k . الحل:

الخصائص كاالتي:اوال نوجد نقاط تقاطع خط الحمل مع محاور

3

0

0

105

2 10

10

D

D

D

V

D I

EI mA

R

V E V

(.33) هذه الدائرة كما موضح في الشكلنحدد نقاط التقاطع ونرسم خط مستقيم بينهما ونحدد نقطة العمل ومنها نوجد قيم العمل ل ( نجد ان:33من الشكل )

0.7 , 4.6DQ DQV V I mA للحصول علي جهد الحمل كاالتي:االن نعوض هذه القيم في المعادلة العامة للدائرة


KUECAD 31 2018

3 34.6 10 2 10 9.2

: 10 0.7 9.3

D R R DQ

R DQ

E V V V I R V

OR V E V V

( خط الحمل للمثال.33شكل )

مثال:,(, اوجد 34لثنائي التوالي الموضح في الشكل ) ,D R DV V I.

( دائرة المثال.34شكل )

الحل: من الدائرة نجد ان الجهد يجعل الثنائي منحاز انحياز امامي.

3

0.7

8 0.7 7.3

9.33.32

2.2 10

D

R D

RD R

V V

V E V V

VI I mA

R

مثال: اعد حل المثال اعاله اذا تم عكس الثنائي.

الحل: (. بما ان الدائرة مفتوحة لذا, فان:35في هذه الحالة يكون الثنائي منحاز انحياز عكسي ويمثل بدائرة مفتوحة كما في الشكل )

0

0

D R

R

I I

V


KUECAD 32 2018

قانون كيرشوف للجهد كاالتي:اليجاد الجهد علي طرفي الثنائي نطبق 0

8

D R

D

E V V

V E V

( الدائرة المكافئة لحل المثال.35شكل )

مثال:,(, اوجد 36لثنائي التوالي الموضح في الشكل ) ,D R DV V I.

( دائرة المثال.36شكل )

الحل:0.7BVمن الشكل نالحظ ان جهد البطارية اقل من جهد الحاجز لذلك:, لذا فان الثنائي سيكون مغلق ويكون دائرة مفتوحة .

0

0

0.5

D R

R

D

I I

V

V E V

مثال:o,( اوجد 37للدائرة الموضحة في الشكل ) DV I.

(37شكل )

الحل: الثنائيات منحازة اماميا فبالتالي:


KUECAD 33 2018

1 2

3

12 0.7 0.3 11

111.96

5.6 10

o D D

oRD R

V E V V V

VVI I mA

R R

Special Diodesالثنائيات الخاصة ثنائيات المواد شبه الموصل باالضافة لتقويم التيار, لها تطبيقات اخري مهمة مثل اشعاع ضوء بالوان مختلفة. سوف نتناول هنا

Zener, وثنائي زنر light-emitting diode (LED) )ثنائي ضوئي( ضوئيباعث نوعين من الثنائيات الخاصة: ثنائي Diode.

LEDالثنائي الضوئي عند استخدام عناصر مثل الغاليوم والزرنيخ والفسفور في تطعيم المواد شبه الموصله, يمكن انتاج ثنائيات تبعث ضوء بالوان مختلفة. تسمي هذه الثنائيات بالثنائيات الباعثة للضوء )اصطالحا تسمي الثنائيات الضوئبة(. االلوان الشائعة لهذه الثنائيات هي:

واالشعة تحت الحمراء. حاليا, تستخدم الثنائيات بدال من المصابيح المتوهجة في العديد من حمر واالخضر واالصفر البرتقالياال الحاالت. تستخدم مواد شبه شفافة تسمح بمرور الضوء ويصبح مرئي.

ور االلكترونات . عند عبوالفراغات في منطقة الربطكما ذكرنا سابقا, اي ثنائي في حالة انحياز امامي, يتم اتحاد االلكترونات الحرة من الجانب السالب الي الجانب الموجب واتحادها مع الفراغات. عند اتحاد االلكترون مع الفراغ فانه يحرر طاقة وتكون هذه

. ولرؤية الضوء فةالطاقة في شكل حرارة او ضوء. في حالة ثنائي السيلكون, يكون الضوء غير مرئي الن مادة السيلكون غير شفاالناتج من تحرير طاقة االلكترون عند اتحاده مع الفراغ يجب استخدام مواد شبه شفافة. الضوء المنبعث من الثنائي الضوئي تعتمد

علي نوع المادة المستخدمة لتصنيع الثنائي.لة المبتعث من الثنائي في حا( التالي يوضح رمز الثنائي الضوئي. االسهم الخارجة من الثنائي توضح الضوء 38الشكل )

الضوئي اكبر من جهد الحاجز لثنائي السيلكون االعتيادي. والقيمة الحقيقية االنحياز االمامي. جهد الحاجز الداخلي للثنائي. هبوط الجهد االمامي يتغير حسب لون الضوء والتيار االمامي للثنائي V 2.5و 1.5لجهد الحاجز تكون في المدي بين

لكل الوان الضوء والتيارات االمامية V 2في معظم الحاالت, هبوط الجهد عبر الثنائي الضوئي يفرض علي انه الضوئي. للثنائي.

( رمز الثنائي الضوئي.38شكل )

مثال: .(a.39)احسب تيار الثنائي الضوئي الموضح في الشكل

الحل:اليجاد التيار المار عبر الثنائي نطبق قانون كيرشوف للجهد علي الدائرة مع االخذ في االعتبار هبوط الجهد عبر الثنائي علي

كاالتي: V 2انه

3

24 20 10

2.2 10

in LEDin LED LED LED

V VV I R V I mA

R


KUECAD 34 2018

اعتيادي علي التوازي ربط ثنائي (c)الدائرة كما توضح في االشكال التوضيحية. (b)الدائرة. (a)( الدائرة للمثال. 39شكل )

مع الثنائي الضوئي لحماية الثنائي الضوئي من تسليط جهد سالب فجائي علي الدائرة. مثال:

.(b.39)للدائرة mA 25النتاج تيار ثنائي قيمته sRاحسب المقاومة الحل:

3

24 20 880

25 10

in LEDin LED LED

LED

V VV I R V R

I

الثنائيات الضوئية لها قيمة جهد انهيار عكسي منخفضة, والقيمة الحقيقية لجهد االنهيار العكسي للثنائيات الضوئية تكون في . وبسبب القيمة المنخفضة لجهد االنهيار العكسي للثنائيات فان اي جهد عكسي يتم تطبيقه علي V 15الي 3المدي من

او تغير كثيرا من خصائص الثنائي. احد الطرق المستخدمة لحماية الثنائيات الضوئية الثنائيات الضوئية سيؤدي الي انهيارها, بهذه (c.39)تستخدم ثنائي اعتيادي موصل علي التوازي مع الثنائي الضوئي كما موضح في الشكل من الجهود العكسية

ائي ة, الجهد العكسي االقصي علي طرفي الثنالطريقة نضمن عدم تجاوز الجهد العكسي قيمة جهد الحاجز الداخلي, في هذه الحال .V 0.7الضوئي يساوي الجهد االمامي للثنائي االعتيادي

Zener Diodesثنائيات زنر هي ثنائيات خاصة صممت لتعمل في منطقة جهد االنهيار العكسي. هذه المعدات ال تشابه الثنائيات االعتيادية, والتي التعمل

االنهيار. من اهم تطبيقات ثنائي زنر هو تنظيم الجهد. يربط ثنائي زنر علي التوازي مع حمل مصدر بالقرب من منطقة جهد يوضح (b.40)الشكل يوضح رمز ثنائي زنر. (a.40). يظل جهد ثنائي زنر ثابت بالرغم من تغير تيار الحمل. الشكل القدرة

ز االمامي, يعمل ثنائي زنر مثل اي ثنائي اعتيادي بهبوطمنحني خصائص ثنائي زنر مصنوع من السيلكون. في منطقة االنحياعند التوصيل. في منطقة االنحياز العكسي, نجد ان تيار تسريب عكسي صغير يمر عبر الثنائي حتي نصل V 0.7جهد امامي

ار زنر ويرمز له بتيالي قيمة جهد االنهيار العكسي. عند هذه النقطة يزيد تيار ثنائي زنر بصورة حادة. يسمي التيار العكسي , والذي يظل ثابت بازدياد قيمة تيار زنر. ولهذا فان ثنائي زنر يستخدم zV. هنا جهد االنهيار العكسي يرمز له بالرمز ZIبالرمز

ير.كمنظم للجهد حيث تظل قيمة الجهد ثابته بالرغم من زيادة التيار ضمن مدي كبzفي ثنائي زنر تحسب حسب العالقة العامة للقدرة الكهربية المستهلكة القدرة z zP I V القدرة المستهلكة في ثنائي زنر يجب .

. لذا, فان ZMPوالتي يرمز لها بالرمز power ratingان تكون دائما اقل من القدرة المستهلكة الموضحة في بيانات الثنائي اقصي تيار مسموح به للمرو عبر ثنائي زنر يحسب كاالتي:


KUECAD 35 2018

ZMZM

Z

PI

V

منحني الخصائص لثنائي زنر. (b)الرمز. (a)( ثنائي زنر. 40شكل )

مثال:1 W, 10 V .ثنائي زنر. احسب اقصي تيار مسموح به

:الحل1

10010

ZMZM

Z

PI mA

V

الحظ ان ثنائي زنر يكون في حالة انحياز ثنائي زنر. V 6.2( التالي يوضح منظم جهد من غير حمل يستخدم 41الشكل ) 6.2عكسي بما ان الطرف الموجب للمصدر مربوط الي الكاثود عبر مقاومة التوالي. ثنائي زنر يعطي جهد خرج ثابت قيمته

V:تيار الثنائي يحسب كاالتي .

3

25 6.218.8

1 10

in zz

s

V VI mA

R

( منظم جهد من غير حمل يستخدم ثنائي زنر.41شكل )


KUECAD 36 2018

اذا تغر جهد الدخل فان تيار الثنائي سيتغير ايضا تبعا لذلك. علي كل حال, جهد الثنائي يظل ثابت نسبيا. اي تغير في جهد .zR الثنائي سيكون نتيجة للتغير الصغير في هبوط الجهد عبر ممانعة ثنائي زنر

مثال: , احسب تيار الثنائي في هذه الحالة.V 10اذا تغير جهد الدخل للمثال اعاله الي

الحل:

3

25 1015

1 10

in zz

s

V VI mA

R

( اعاله له تطبيقات محدودة في االلكترونيات. عادة, يتم استخدام حمل 41منظم الجهد من غير حمل الموضح في الشكل ) . (42)مقاومي تربط علي طرفي الخرج, كما موضح في الشكل

( منظم جهد بحمل يستخدم ثنائي زنر.42شكل )

, علي التوازي مع ثنائي زنر, فان جهد الحمل يساوي جهد ثنائي زنر: LRهذا الشكل يوضح منظم جهد بحمل حقيقي. بما ان L zV V( ان هبوط الجهد عبر مقاومة التوالي هو: 42. من المهم ان نالحظ في الشكل )in zV V لذا, فان التيار .sI عبر

مقاومة التوالي يحسب كاالتي:15 7.5

75100

in zs

s

V VI mA

R

تيار الحمل عبر مقاومة الحمل هو:7.5

50150

zL

L

VI mA

R

. بما ان ثنائي زنر موصل علي التوازي مع مقاومة الحمل, فان:zVتذكر ان جهد الخرج يساوي جهد ثنائي زنر 75 50 25s z L z s LI I I I I I mA

مثال: , احسب تيار مقاومة التوالي, مقاومة الحمل, ومقاومة الثنائي.250( الي 42اذا تغيرت مقاومة حمل منظم الجهد في الشكل )

الحل:75sIتيار مقاومة التوالي ال يتغير النه ليس له عالقة بمقاومة الحمل, لذا, mA:بقية التيارات تحسب كاالتي . 7.5

30250

75 30 45

zL

L

z s L

VI mA

R

I I I mA


KUECAD 37 2018

القدرة المستهلكة في الثنائي تحسب كاالتي:345 10 7.5 337.5z z zP I V mW

التوالي ثابت, اوم تقلل من تيار الحمل بينما يظل تيار مقاومة 250الي 150من هذا المثال نالحظ ان زيادة مقاومة الحمل من ويزيد تيار الثنائي ولكن تظل القدرة المستهلكة اقل من القدرة المستهلكة المسوح بها.

مثال:200LR( احسب التيارات في حالة: )أ( 43للدائرة الموضحة في الشكل ) )500. )بLR .

( دارة المثال.43شكل )

الحل:

200

500

200

500

16 1060

100

1050

200

1020

500

60 50 10

60 20 40

in zs

s

zL

L

L

z

z

V VI mA

R

VI mA

R

I mA

I mA

I mA

Documents

Ideal Diode الثنائي المثالي