دیاک چیست؟

دیاک چیست؟

دیاک یک قطعه الکترونیکی است که به طور گسترده‌ای حتی کمک به راه‌اندازی TRIAC در هنگام استفاده به عنوان سوئیچ‌های AC استفاده می‌شود و در نتیجه اغلب در دیمرهای نور مانند موارد مورد استفاده در روشنایی خانگی یافت می‌شود.

تصویر ۱: دیاک

این قطعه الکترونیکی همچنین به طور گسترده در مدارهای استارت یا راه‌انداز برای لامپ‌های فلورسنت استفاده می‌شود و همچنین برای عملکردهای مختلف زمان‌بندی (تایمر) و نوسان‌ساز و همچنین محافظت در برابر جریان‌های گذرا برای برخی مدارها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

اگرچه این اصطلاح اغلب دیده نمی‌شود، اما دیاک‌ها را می‌توان دیودهای تریگر متقارن (Symmetrical Trigger Diode) نیز نامید که این اصطلاح از تقارن منحنی مشخصه آن‌ها ناشی می‌شود.

دیاک‌ها در قالب‌های مختلفی عرضه می‌شوند. این قطعات به عنوان قطعه مجزا ممکن است در بسته‌های سربی کوچک قرار داشته باشند. همچنین، می‌توان آن‌ها را در بسته‌های نصب سطحی، در بسته‌های بزرگی که به شاسی پیچ می‌شوند، یا انواع بسته‌های دیگر تهیه کرد. از آنجا که دیاک‌ها اغلب به عنوان یک ترکیب DIAC-TRIAC استفاده می‌شوند، اغلب در قالب یک TRIAC یکپارچه و ساخته می‌شوند. 

نماد دیاک

نماد DIAC که برای نشان دادن این قطعه الکترونیکی در نمودارهای مدار استفاده می‌شود به عنوان ترکیبی از دو دیود موازی با یکدیگر است که در جهت مخالف به هم متصل شده‌اند.

تصویر ۲: نماد مدار DIAC

با توجه به این واقعیت که دیاک‌ها قطعاتی دوجهته هستند، ترمینال‌ها را نمی‌توان مانند آنچه در دیود وجود دارد، به عنوان آند و کاتد برچسب‌گذاری کرد. در عوض، می‌توان آن‌ها را به عنوان A1 و A2 یا MT1 و MT2 برچسب‌گذاری کرد، که MT مخفف “ترمینال اصلی” (Main Terminal) است.

.

عملکرد دیاک 

مدارهای الکترونیکی که در آن‌ها از دیاک استفاده می‌شود، از این واقعیت استفاده می‌کنند که یک دیاک فقط پس از عبور از ولتاژ شکست معین جریان را هدایت می‌کند. این ولتاژ به عنوان VBO در نمودار مشخصه ولتاژ-جریان مشخص شده است.

ولتاژ شکست واقعی به عوامل مختلفی در ساخت قطعه بستگی دارد، اما در حالت کلی چیزی شبیه به آنچه است که در ادامه آورده شده است. 

هنگامی که ولتاژ شکست دیاک رخ می‌دهد، مقاومت قطعه به طور ناگهانی کاهش می یابد و این منجر به کاهش شدید افت ولتاژ در سراسر دیاک به VF می‌شود. بدین ترتیب، یک افزایش متناظر در جریان وجود دارد. این موضوع را می‌توان به وضوح در مشخصه I/V زیر مشاهده کرد.

تصویر ۳: مشخصه ولتاژ-جریان دیاک

تا زمانی که جریان عبوری از دیاک کمتر از مقدار خاصی به نام جریان نگهدارنده کاهش یابد، در حالت رسانایی خود باقی خواهد ماند. هنگامی که جریان به کمتر از جریان نگهدارنده (Holding Current) می‌رسد، دیاک به مقاومت بالا یا حالت غیررسانای خود برمی‌گردد.

دیاک‌ها به طور گسترده در کاربردهای AC مورد استفاده قرار می‌گیرند و هر بار که ولتاژ در چرخه کاهش می‌یابد به طوری که جریان به زیر جریان نگهدارنده می‌رسد، دیاک به حالت غیررسانایی خود “بازنشانی” (Reset) می‌شود. 

از آنجا که رفتار دیاک در هر دو جهت تقریباً برابر است، می‌توان از آن برای سوئیچینگ برابر برای هر دو نیمه یک چرخه AC استفاده کرد، به عنوان مثال برای TRIACها.

اکثر DIACها دارای ولتاژ شکست حدود 30 ولت هستند، اگرچه مشخصات دقیق به نوع خاص قطعه بستگی دارد.

جالب است که رفتار دیاک‌ها تا حدودی شبیه به رفتار یک لامپ نئون است، اگرچه دیاک‌ها سوئیچینگ بسیار دقیق‌تری در ولتاژ دارند و در نتیجه درجه بسیار بهتری از یکسان‌سازی سوئیچینگ را ارائه می‌دهند.

ساختار دیاک

دیاک به صورت سه‌لایه یا پنج‌لایه ساخته می‌شود که تفاوت بین این دو در عمل نسبتاً کم است.

در ساختار سه‌لایه، سوئیچینگ زمانی اتفاق می‌افتد که اتصالی که بایاس معکوس است، شکست معکوس را تجربه می‌کند. نسخه سه‌لایه قطعه رایج‌تر است و می‌تواند ولتاژ شکست (break-over) حدود 30 ولت داشته باشد. به دلیل تقارن قطعه، عملکرد تقریباً متقارن است.

اگرچه ساختار ممکن است شبیه به ساختار یک ترانزیستور دوقطبی به نظر برسد، ساخت واقعی و لایه‌ها و غیره متفاوت است. به عنوان مثال، ناحیه میانی بسیار ضخیم‌تر است.

تصویر ۴: ساختار یک دیاک سه‌لایه

دیاک پنج‌لایه به روشی کاملاً یکسان عمل نمی‌کند، اگرچه منحنی I-V آن بسیار شبیه به نسخه سه‌لایه است. این ساختار را می‌توان به عنوان دو دیود شکست (break-over) پشت به پشت در نظر گرفت.

تصویر ۵: ساختار یک دیاک پنج‌لایه

از نظر عملکرد، هنگامی که ترمینال بالا نسبت به پایین در نمودار مثبت‌تر است، جریان از لایه N مربوطه عبور نمی‌کند، بلکه مسیری متشکل از P2 و N2 و P1 و N1 را طی می‌کند. هنگامی که پتانسیل معکوس می‌شود، جریان از مسیر P1 و N2 و P2 و N3 عبور می‌کند.

در اکثر موارد از نسخه سه‌لایه DIAC استفاده می‌شود زیرا بهبود کافی در ویژگی‌های سوئیچینگ را فراهم می‌کند. البته در برخی از کاربردها از دیاک پنج‌لایه نیز استفاده می‌شود.

مشخصات دیاک

هنگام انتخاب دیاک برای طراحی مدار، لازم است درک خوبی از مشخصات مربوطه داشته باشیم. پارامترهای مختلفی وجود دارند که بیشتر مختص DIACها هستند و لازم است درک خوبی از چیستی آن‌ها و تأثیرشان بر مدار داشته باشیم. در ادامه، این موارد را بررسی می‌کنسم. 

• ولتاژ شکست، VBO

ولتاژ شکست (Breakover voltage) ولتاژی است که در آن دیاک از حالت قطع خود به حالت رسانایی تغییر می‌کند. این پارامتر معمولاً برای هر دو جهت مثبت و منفی مشخص می‌شود.

ولتاژ و همچنین جریان شکست دو ویژگی مهم دیاک برای اکثر مدارها هستند، زیرا شرایط عملکرد را تعیین می‌کنند.

باید به خاطر داشت که ولتاژ شکست به دما وابسته است و اغلب در محدوده دمای عملیاتی حدود 5±% تغییر می‌کند.

• جریان شکست، IBO

 جریان شکست (Breakover current) حداقل جریان مورد نیاز برای راه‌اندازی دیاک است و معمولاً برای هر دو جهت مثبت و منفی مشخص می‌شود.

مانند ولتاژ شکست، جریان شکست باید به اندازه‌ای کم باشد که توسط سیگنال تریگر موجود راه‌اندازی شود، اما به اندازه کافی بالا باشد تا از آسیب دیدن دیاک ناشی از اضافه جریان جلوگیری شود.

• ولتاژ حالت روشن، VTO

 ولتاژ حالت روشن (On-state voltage) افت ولتاژی است که دیاک در حالت هدایت قرار دارد. این مقدار معمولاً برای یک جریان روشن (On-state current) مشخص تعیین می‌شود.

• جریان حالت روشن، IT

 جریان حالت روشن (On-state voltage) حداکثر جریانی است که DIAC می‌تواند در حالت روشن خود ارائه دهد. این جریان معمولاً برای یک ولتاژ حالت روشن مشخص می‌شود. مانند هر مشخصه دیگری که حداکثر جریان را تعریف می‌کند، قطعه باید به خوبی در حداکثر جریان خود کار کند. 

• اتلاف توان، PD

 اتلاف توان (Power dissipation) حداکثر توانی است که دیاک می‌تواند در حالت روشن خود تلف کند. این مقدار معمولاً برای یک ولتاژ و جریان در حالت روشن مشخص می‌شود، و قطعه باید به خوبی در حداکثر جریان خود کار کند تا قابلیت اطمینان بهبود یابد.

• محدوده کاری دمای محل پیوند (درجه سانتی‌گراد)

این محدوده دمایی برای نیمه‌هادی دمایی است که قطعه می‌تواند با خیال راحت در آن کار کند. دمای بسیار پایین اغلب باعث کاهش فعالیت خود نیمه‌هادی‌ها و کاهش عملکرد می‌شود. اگر دما بیش از حد بالا باشد، می‌تواند منجر به کاهش قابل توجه قابلیت اطمینان شود.

باید به خاطر داشت که دمای محل اتصال یا پیوند بیش از دمای محیط در تجهیزات خواهد بود. اغلب عددی در دیتاشیت  داده می شود تا بتوان دمای اتصال را با آگاهی از شرایط مدار و دمای محیط محاسبه کرد.

• تقارن ولتاژ شکست

 تقارن ولتاژ شکست (Breakover Voltage Symmetry) معیاری از نحوه عملکرد قطعه در هر دو نیمه شکل‌موج AC است. اگر تقارن ولتاژ دیاک خوب نباشد، می‌تواند باعث شود مدار برای نیم سیکل‌های مثبت و منفی شکل موج AC رفتار متفاوتی داشته باشد. این امر می‌تواند منجر به اعوجاج سیگنال شود و در شرایط شدید حتی می‌تواند باعث اختلال در عملکرد مدار شود.

مثال دیاک در یک مدار ساده

فرض کنید می‌خواهیم از دیاک برای کنترل جریان در یک مدار روشنایی استفاده کنیم. دیاک (DIAC) یک قطعه الکترونیکی نیمه‌هادی است که مانند یک سوئیچ عمل می‌کند و تا زمانی که ولتاژ دو سر آن به یک مقدار معین (ولتاژ شکست) نرسد، در حالت خاموش باقی می‌ماند. وقتی ولتاژ دو سر دیاک از این مقدار عبور کند، دیاک به‌صورت ناگهانی روشن می‌شود و جریان را از خود عبور می‌دهد. این ویژگی دیاک در مدارهای روشنایی استفاده می‌شود تا زمانی که ولتاژ مدار به مقدار معینی برسد، جریان را قطع کند و در صورت رسیدن به ولتاژ مشخص، مسیر جریان را باز کند. به‌عنوان‌مثال، در مدارات دیمر (دیمرهای نوری)، دیاک به همراه ترایاک برای کنترل شدت نور لامپ‌ها به کار می‌رود و باعث می‌شود که نور لامپ به‌تدریج افزایش یا کاهش یابد.

در بالا تصویر یک مدار ساده با دیاک نمایش‌داده‌شده است که شامل یک منبع تغذیه AC، یک مقاومت و دیاک می‌باشد. تمامی عناصر مدار به‌وضوح نشان داده شده‌اند.

شکل موج V-I دیاک

تصویر زیر شکل موج V-I دیاک را نشان می‌دهد:

​برای کنترل مقدار میانگین جریان عبوری از لامپ، علاوه بر روشن و خاموش‌کردن ساده، می‌توان با اعمال یک پالس کوتاه به گیت تریستور در یک‌لحظه مشخص، ترایاک را تحریک کرد تا بیشتر از یک نیم موج را هدایت کند. در نتیجه، مقدار میانگین جریان لامپ با تغییر زمان تأخیر  Tبین شروع هر تناوب و لحظه تحریک یا تریگر تغییر می‌کند. این روش به‌عنوان «کنترل فاز» شناخته می‌شود.

برای انجام کنترل فاز، دو عنصر اصلی موردنیاز است. اول، یک مدار جابه‌جایی فاز متغیر که معمولاً از یک مدار پسیو RC تشکیل شده است و دوم، یک مدار یا قطعه تریگر که بتواند وقتی شکل موج تأخیر یافته به یک ولتاژ معین رسید، پالس گیت موردنیاز را تولید کند. یکی از نیمه‌هادی‌های حالت جامد که برای تولید این پالس‌های گیت طراحی شده، دیاک است. ساختار دیاک شبیه به ترانزیستور است، با این تفاوت که بدون جریان بیس کار می‌کند و به همین دلیل می‌تواند با هر پلاریته‌ای به مدار متصل شود.

دیاک‌ها بیشتر به‌عنوان قطعات تریگر در کاربردهای کنترل فاز و توان متغیر مورداستفاده قرار می‌گیرند؛ زیرا دیاک‌ها پالس تریگر تیزتری فراهم می‌کنند (برخلاف ولتاژهای با شیب ملایم) که برای روشن‌کردن قطعه سوئیچینگ اصلی مفید است.

نماد دیاک و منحنی‌های مشخصه ولتاژ-جریان آن معمولاً در دیاگرام‌ها برای نشان‌دادن عملکرد آن نمایش داده می‌شوند.

همان‌طور که در منحنی‌های مشخصه مشاهده می‌شود، دیاک در هر دو جهت جریان را مسدود می‌کند. این ویژگی تا زمانی برقرار است که ولتاژی بیشتر از مقدار ولتاژ شکست که با VBR نشان داده می‌شود، به آن اعمال شود و در این لحظه دیاک دچار شکست می‌شود. در این حالت، دیاک مشابه یک دیود زنر عمل کرده و در ولتاژ بالا جریان زیادی را از خود عبور می‌دهد. نقطه VBR به‌عنوان ولتاژ شکست دیاک شناخته می‌شود.

در یک دیود زنر معمولی، افزایش جریان باعث ثابت ماندن ولتاژ می‌شود. اما در دیاک، به دلیل عمل ترانزیستوری، با افزایش جریان، ولتاژ کاهش می‌یابد. زمانی که دیاک در حالت هدایت قرار می‌گیرد، مقاومت آن به‌شدت کاهش می‌یابد و اجازه می‌دهد جریان زیادی از آن عبور کند. در دیاک‌های معمولی مانند ST2 یا DB3، ولتاژ شکست معمولاً در حدود 25± تا 35± ولت است. همچنین، دیاک‌هایی با ولتاژ شکست بالاتر، مانند DB4  با ولتاژ حدود 40 ولت نیز موجود هستند.

ازآنجاکه دیاک یک قطعه متقارن است، برای ولتاژهای مثبت و منفی دارای مشخصه مشابهی است. مقاومت منفی این قطعه را برای تریگر یا فرمان‌دادن به تریستورها یا ترایاک‌ها بسیار مناسب کرده است.

کاربردهای دیاک

روش‌های زیادی برای استفاده از دیاک وجود دارد، برخی از آن‌ها را می‌توان کاربردهای استانداردتر نامید، در حالی که برخی دیگر تخصصی‌تر در نظر گرفته می‌شوند. 

استفاده در کنار TRIAC

یکی از کاربردهای عمده دیاک در طراحی مدارهای الکترونیکی است که از TRIAC استفاده می کنند. ترایاک‌ها به طور متقارن آتش (تریگر) نمی‌شوند، زیرا تفاوت‌های جزئی بین دو نیمه قطعه وجود دارد.

آتش غیرمتقارن و شکل‌موج‌های حاصله باعث تولید هارمونیک‌های ناخواسته می‌شود و هرچه شکل‌موج متقارن‌تر باشد، سطح تولید هارمونیک بیشتر می‌شود.

تصویر ۶: ترکیب دیاک-ترایاک

برای حل مشکلات ناشی از عملکرد نامتقارن، یک DIAC اغلب به صورت سری با گیت قرار می‌گیرد. این قطعه به یکنواخت شدن سوئیچینگ برای هر دو نیمه چرخه کمک می‌کند. این امر نتیجه این واقعیت است که مشخصه سوئیچینگ دیاک بسیار یکنواخت‌تر از ترایاک است.

از آنجا که دیاک تا زمانی که ولتاژ تریگر به یک ولتاژ معین در هر جهت برسد، از هر جریان گیتی جلوگیری می‌کند، باعث می‌شود نقطه آتش TRIAC در هر دو جهت یکنواخت‌تر شود. با توجه به سودمندی دیاک‌ها اغلب ممکن است در ترمینال گیت TRIAC ساخته شوند.

در حالی که استفاده از DIAC عملکرد TRIAC را بهبود می‌بخشد، هنوز کارایی آن‌ها کامل نیست و در نتیجه TRIACها در مدارهای الکترونیکی سوئیچینگ جریان کوچک مورد استفاده قرار می‌گیرند، زیرا مقداری عدم تقارن با هارمونیک‌ باقی می‌ماند و مسائل دیگری نیز وجود دارد. 

استفاده از دو تریستور راه‌حلی بسیار رضایت‌بخش‌تر از TRIAC است، اما به قیمت استفاده از قطعات الکترونیکی بیشتر. TRIAC برای طراحی مدارهای کوچک ایده‌آل است، زیرا تعداد قطعات الکترونیکی، اندازه کلی و هزینه را کاهش می‌دهد. به همین دلیل است که از آن‌ها به طور گسترده در دیمرهای نور استفاده می‌شود که اندازه و هزینه پارامترهای بسیار مهمی هستند.

استفاده در خطوط مشترک PSTN تلفن 

اگرچه امروزه از DIAC برای فعال کردن خطوط مشترک به ندرت استفاده می‌شود، اما قبل از اواسط دهه 1960 در برخی مناطق جهان نسبتاً رایج بود. در واقع، از DIAC به عنوان یک دستگاه حفظ حریم خصوصی استفاده می‌شد که در آن چندین تلفن در یک مدار PSTN قرار داشت. 

مدارهای دیاک 

همان‌طور که گفتیم، دیاک معمولاً با یک ترایاک برای یکنواخت کردن تریگر در هر دو طرف چرخه برای بهبود عملکرد استفاده می‌شود. نمونه‌های زیادی از دیاک‌هایی که در مدارها، به‌ویژه با ترایاک‌ها استفاده می‌شوند، وجود دارد.

مدار اصلی در زیر نشان داده شده است و نشان می‌دهد که چگونه دیاک به صورت سری با گیت ترایاک قرار می‌گیرد تا درجه یکنواختی از سوئیچینگ در هر دو طرف چرخه حاصل شود.

تصویر ۷: یک مدار ترایاک پایه با استفاده از فاز شکل موج ورودی برای کنترل توان تلف‌شده در بار

یکی از مسائل مربوط به سوئیچینگ ترایاک این است که سطوح بالایی از هارمونیک‌ها را می‌توان تولید کرد و این هارمونیک‌ها را می‌توان در امتداد خط برق فرستاد تا بتوان آن‌ها را هدایت یا تابش کرد.

در نتیجه اغلب یک فیلتر اضافه می‌شود که اغلب از خازن‌ها و سلف‌ها تشکیل می‌شود. یک مثال ساده از یک فیلتر CR ساده در زیر نشان داده شده است. با وجود این، عملکرد سوئیچینگ دیاک ثابت می‌ماند.

تصویر ۸: یک مدار ترایاک پایه با یک اسنابر گذرا

اینها فقط دو مورد از مدارهای پایه دیاک هستند که روش استفاده از این قطعه را نشان می‌دهند. 

نمونه‌ای از مشخصات دیاک DB3 

گاهی اوقات دیدن مشخصات یک DIAC معمولی مفید است. در اینجا یک دیاک DB3 را بررسی می‌کنیم که بسیار محبوب است. در ادامه، پارامترهای مشخصات این دستگاه آورده شده است.

جمع‌بندی

دیاک یک قطعه الکترونیکی پرکاربرد است که برای استفاده همراه با TRIAC برای یکنواختی ویژگی‌های سوئیچینگ آن است. با یکسان‌سازی ویژگی‌های سوئیچینگ این TRIACها، سطح هارمونیک‌های تولیدشده هنگام سوئیچینگ سیگنال‌های AC را می‌توان کاهش داد.

با وجود این، برای کاربردهای بزرگ، معمولاً از دو تریستور به جای یک ترایاک استفاده می‌شود. با این وجود، ترکیب DIAC / TRIAC برای کاربردهای کم‌مصرف از جمله دیمرهای نور و غیره بسیار مفید است.

منبع: electronics-notes