دیود شاکلی چیست و چه کاربرد و انواعی دارد؟

دیود شاکلی یک دیود نیمه هادی چهار لایه است که از لایه های متناوب مواد نیمه هادی نوع P و نوع N ساخته شده است. این دیود که با عنوان دیود چهار لایه یا دیود PNPN نیز شناخته می شود، در واقع سه اتصال PN دارد. این دیود شامل دو ترمینال بوده و به علت مشابهت ساختار آن با ترانزیستور بدون گیت، به راحتی در دسترس نبوده و کاربرد های خاصی در الکترونیک دارد. در این مقاله ضمن تعریف دیود شاکلی، با نماد و ساختار آن آشنا شده و اصول کارکرد آن در مدار را مورد بررسی قرار می دهیم. در نهایت ضمن اشاره به مزایا و معایب استفاده از آن، با کاربرد های آن آشنا می شویم.

قبل از اینکه ادامه این مطلب را بخوانید باید بدانید که آموزشگاه فن آموزان دوره های آموزش طراحی برد الکترونیکی، آموزش تعمیرات برد الکترونیکی و آموزش رباتیک را به صورت تخصصی و جداگانه از صفر تا صد به صورت حضوری و غیر حضوری برگزار مینماید. علاقه مندان به رشته الکترونیک و رباتیک میتوانند با آموزشگاه تماس حاصل فرمایند و اطلاعات بیشتر را دریافت نمایید.

دیود شاکلی چیست؟

دیود شاکلی یک قطعه الکترونیکی تشکیل شده از چهار لایه (P-N-P-N) است. زمانی که بایاس رو به جلو باشد، جریان را در مدار هدایت می کند و زمانی که بایاس معکوس باشد هدایت جریان را متوقف می کند. تفاوت عمده بین دیود معمولی و دیود شاکلی در این است که جریان در دیود شاکلی زمانی برقرار می شود که ولتاژ عبوری از مدار از ولتاژ شکست بیشتر باشد. این قطعه الکترونیکی پر کاربرد توسط ویلیام برادفورد شاکلی اختراع شد و به همین دلیل به نام مخترع آن نامگذاری شده است.

دیود شاکلی به طور گسترده در بازار در دسترس نیست. با این حال، جز اصلی به کار رفته در دستگاه هایی مانند Diac، Triac، SCR را تشکیل می دهد. از آنجایی که این دیود در در دو حالت روشن یا خاموش کار می کند، از آن به عنوان دستگاه سوئیچینگ استفاده می شود. همان طور که گفته شد این دیود متشکل از 4 لایه می باشد و به دلیل معماری ساخت آن، با نام دیود PNPN نیز شناخته می شود.

نماد دیود شاکلی

نماد دیود شاکلی شبیه یک دیود PN معمولی است. اما فقط نیمی از مثلث است که در شکل زیر نشان داده شده است. این دیود از دو ترمینال آند و کاتد تشکیل شده و جریان از آند به کاتد عبور می کند.

ساختار دیود شاکلی

این نوع دیود خاص از چهار لایه متناوب از لایه های نیمه هادی نوع P و نوع N ساخته شده است. این لایه ها با هم پیوند داده می شوند تا ساختار PNPN را تشکیل دهند که شبیه تریستور است. ترکیب این چهار لایه سه اتصال PN به نام های J1، J2 و J3 را تشکیل می دهد. ترمینال آند به لایه P خارجی و ترمینال کاتد به لایه N خارجی متصل است.

ساختار دیود شاکلی را می توان با استفاده از دو ترانزیستور درک کرد. چهار لایه PNPN را می توان به دو ترانزیستور BJT (T1 PNP و T2 NPN) که به یکدیگر متصل هستند تقسیم کرد. بیس و کلکتور هر دو ترانزیستور BJT به هم متصل هستند. در حالی که امیتر PNP آند و امیتر NPN کاتد است. اتصالات J1 و J3 به ترتیب پیوند های بیس-امیتر PNP و NPN هستند و اتصال J2 پیوند بیس-کلکتور اتصال ترکیبی هر دو ترانزیستور است.

ساختار این نوع دیود خاص را نیز می توان به دیود های اتصال PN به نام های D1، D2 و D3 تقسیم کرد، همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است. دیود D2 در جهت مخالف دیود های D1 و D3 است. آند دیود D1 آند شاکلی است و هم چنین کاتد دیود شاکلی همان کاتد D3 است.

اصل کار دیود شاکلی

دیود شاکلی را می توان در بایاس رو به جلو و بایاس معکوس متصل کرد. در بایاس رو به جلو، اگر ولتاژ اعمال شده از ولتاژ شکست بیشتر باشد، دیود جریان را هدایت می کند. در حالی که در بایاس معکوس جریان را مسدود می کند. اصل کار دیود شاکلی شامل سه بخش زیر می باشد که در ادامه به طور ممفصل آن ها را توضیح می دهیم.

1. حالت بایاس رو به جلو
2. حالت هدایت رو به جلو
3. حالت بایاس معکوس

حالت بایاس رو به جلو

در بایاس رو به جلو، آند دیود شاکلی به پتانسیل بالاتری نسبت به کاتد متصل می شود. از آنجایی که سه اتصال J1، J2 و J3 وجود دارد، با اعمال ولتاژ بایاس رو به جلو، اتصال J1 و J3 بایاس رو به جلو می شود اما اتصال J2 بایاس معکوس می شود. به دلیل این اتصال بایاس معکوس J2، دیود شاکلی جریان را هدایت نمی کند و ولتاژ اعمال شده در سراسر دیود به نظر می رسد که جریان جریان را مسدود می کند. با این حال، جریان نشتی بسیار کمی که از آن عبور می کند، جریان نشتی رو به جلو نامیده می شود که به دما بستگی دارد. در حالت بایاس رو به جلو، دیود شاکلی در حالت خاموش است و امپدانس بالایی ارائه می ‌کند. بنابراین دیود در این حالت به عنوان یک کلید باز عمل می کند.

حالت هدایت رو به جلو

با افزایش ولتاژ اعمال شده، جریان نشتی دیود به آرامی افزایش می یابد. هنگامی که ولتاژ به پیک ولتاژ شکست یا همان ولتاژ شکست بهمنی می رسد، اتصال بایاس معکوس J2 برقرار شده و جریان در طول مدار برقرار می شود. مقاومت اتصال J2 کاهش می یابد و مانند یک اتصال بایاس رو به جلو رفتار می کند.در این موقعیت سوئیچ دیود روشن است و ولتاژ روی دیود شروع به کاهش می ‌کند. در حالی که جریان افزایش می‌ یابد. به این حالت حالت هدایت جلو می گویند و دیود شاکلی در حالت روشن است.

حالت بایاس معکوس

در بایاس معکوس، آند دیود شاکلی به پتانسیل پایین تری نسبت به کاتد آن متصل می شود و آند را نسبت به کاتد منفی تر می کند. اتصال J1 و J3 بایاس معکوس هستند در حالی که اتصال J2 بایاس رو به جلو است. این حالت Reverse Blocking Mode نام دارد. دیود در حالت خاموش است و امپدانس بسیار بالایی را نشان می دهد. با این حال، جریان نشتی بسیار کمی وجود دارد که به آن جریان نشتی معکوس می گویند.

اگر ولتاژ معکوس از ولتاژ شکست J1 و J3 فراتر رود، جریان بسیار زیادی از دیود عبور کرده و موجب خرابی دیود می شود. این ولتاژ با نام ولتاژ شکست معکوس نامیده می شود. باید تمام سعی خود را برای حفظ ولتاژ معکوس زیر حد ولتاژ شکست معکوس کنید. به این دلیل که آسیب جدی به دیود وارد می شود و لازم است آن را تعویض کنید.

ویژگی های منحنی مشخصه ولتاژ-جریان دیود شاکلی

همانطور که در بالا توضیح داده شد، هنگامی که اتصال J1 و J3 بایاس رو به جلو هستند، جریان در دیود شروع به افزایش می کند. بنابراین، از منحنی مشخصه ها می توان دریافت که جریان بالای ولتاژ شکست به طور قابل توجهی افزایش می یابد. هنگامی که جریان به مقداری برابر با مقدار فعلی می رسد، دیود شاکلی در حالت روشن است.

وقتی J2 بایاس رو به جلو و J1 و J3 بایاس معکوس باشد، دیود در حالت بایاس معکوس عمل می کند. به همین دلیل جریان معکوس شروع به افزایش می کند و اگر ولتاژ معکوس از ولتاژ شکست معکوس بیشتر شود، به دلیل شدت جریان معکوس، گرما بیش از حد تولید می شود. این منجر به تخریب دیود می شود. بنابراین هرگز در حالت بایاس معکوس عمل نمی کند.

چگونه دیود شاکلی را خاموش کنیم؟

هنگامی که سوئیچ دیود شاکلی روشن است، حتی اگر ولتاژ اعمال شده کمتر از ولتاژ قطع شود، در حالت روشن باقی می ماند و جریان را هدایت می کند. برای خاموش کردن دیود شاکلی، ولتاژ اعمال شده باید به صفر کاهش یابد یا دیود باید بایاس معکوس باشد.

معادله دیود شاکلی

معادله دیود شاکلی رابطه بین جریان دیود و ولتاژ اعمال شده را در هر دو بایاس رو به جلو و معکوس نشان می دهد. معادله دیود شکلی به صورت زیر است.

مزایای استفاده از دیود شاکلی

در اینجا برخی از مزایای دیود شاکلی آورده شده است.

• می تواند ولتاژ های معکوس بالا را مسدود کند.
• این یک دستگاه چفت کننده است که حالت خود را حفظ می کند. یا خاموش می ماند تا زمانی که ولتاژی برابر با ولتاژ شکست بیش از اعمال شود یا تا زمانی که جریان دیود کمتر از جریان نگهدارنده کاهش یابد روشن می ماند.
• افت ولتاژ رو به جلو کم دارد
• برای روشن شدن به برق کم نیاز دارد.

معایب استفاده از دیود شاکلی

دیود های شاکلی نیز مانند تمام قطعات الکترونیکی دیگر، در کنار داشتن مزایا و نقاط قوت زیاد، دارای معایبی می باسد که استتفاده از آن را محدودیت می کند. در اینجا به برخی از معایب دیود شاکلی اشاره می کنیم.

این دیود ساختار پیچیده ای دارد زیرا از چهار لایه مواد نیمه هادی ساخته شده است. برای خاموش کردن آن، جریان باید به هر طریقی کمتر از جریان نگهدارنده شود. بنابراین نیاز به مدارهای خارجی است. به علاوهدسترسی به این نوع دیود خاص در بازار تجارت قطعات الکترونیک سخت بوده و در صورت از بین رفتنآن، جایگزینی دیود با یک نمونه جدید مشکل است. طبیعتا عیب یابی و تمیر این نوع دیود ها نمی تواند مشکل را حل کند.

کاربرد های دیود شاکلی

دیود های شاکلی عمدتاً برای کاربرد های سوئیچینگ استفاده می شوند. دو کاربرد مهم دیود شوکلی به عنوان نوسانگر غیر خطی و سوئیچ تریگری در زیر مورد بحث قرار گرفته است.

1. نوسان ساز غیر خطی
2. سوئیچ تریگری

نوسان ساز غیر خطی

دیود شاکلی به عنوان نوسان ساز غیر خطی کاربرد دارد. در این حالت خازن از طریق یک مقاومت شارژ می شود و زمانی که ولتاژ دو طرف خازن بیشتر از ولتاژ شکست باشد، دیود روشن می شود و به عنوان یک اتصال کوتاه عمل می کند. سپس خازن از طریق دیود شاکلی تخلیه می شود و بنابراین چرخه خود را تکرار می کند. اما خازن کاملاً تخلیه نمی شود.

سوئیچ تریگری

دیود شاکلی به عنوان سوئیچ تریگری، برای روشن کردن SCR یا فعال کردن SCR استفاده می شود. SCR در واقع تریستور یا همان نیمه رسانای قدرت است. در مدار زیر، شبکه RC به منبع DC تغذیه می شود و خازن شروع به شارژ می کند. هنگامی که ولتاژ دو سر خازن معادل ولتاژ شکست دیود شاکلی می شود، خازن شروع به تخلیه می کند. سپس، دیود به حالت ON تبدیل می شود و SCR را با ارائه جریان گیت به SCR روشن می کند.

بنابراین، SCR روشن می شود و زنگ هشدار شروع می شود. هنگامی که منبع ولتاژ قطع می شود، SCR نیز برای مدتی در مرحله هدایت است باقی می ماند. بنابراین، دیود شاکلی فقط برای روشن کردن آن استفاده می شود.

مطلبی که خواندید حاصل تلاش تیم تحریریه واحد الکترونیک و رباتیک آموزشگاه فنی حرفه ای فن آموزان بود. فن آموزان با برگزاری دوره های تخصصی رشته الکترونیک چون آموزش طراحی برد های الکترونیکی ، آموزش تعمیرات برد الکترونیکی ، آموزش رباتیک و دیگر رشته های مرتبط با الکترونیک در تلاش است تا در بهبود اشتغال زایی در صنعت الکترونیک کشور تاثیری حتی کوچک داشته باشد. از آموزش تا اشتغال باشماییم.