الإلكترونيات 1 · أساسيات الإلكترونيات

#02 تحليل دوائر الديود — الانحياز الأمامي والعكسي والديودات على التوالي

حدّد حالة الديود، وابنِ دائرته المكافئة، ثم حلّ مثالين أساسيين باستخدام قانون كيرشوف للجهد وقانون أوم.

السؤال

مصدر 8 فولت وديود سيليكون في الانحياز الأمامي ومقاومة 2.2 كيلو أوم ضمن حلقة واحدة، مع اتجاهي مرجع جهد الديود وتيار المقاومة.
المثال الأول في الانحياز الأمامي: اختبر افتراض التوصيل، ثم طبّق قانون كيرشوف وقانون أوم.

استخدم نموذج الجهد الثابت للديود لحل دائرتين. في الدائرة الأولى، يتصل مصدر 8 V وديود سيليكون ومقاومة 2.2 kΩ على التوالي؛ أوجد I_R وV_R وV_D في اتجاهي المصدر. في الدائرة الثانية، يغذي مصدر 12 V ديود سيليكون وديود جرمانيوم في الانحياز الأمامي مع مقاومة 5.6 kΩ على التوالي؛ أوجد V_O وI_R. استخدم المرجع الموقّع V_D = V_A − V_K.

الحل المكتوب ونص الشرح(يعرض الحل كاملًا)

تجد أدناه جميع الأسطر المكتوبة في الدفتر مع النص الكامل للشرح الصوتي.

  1. 1. النماذج وخطوات الحل

    نماذج الديود الثلاثة

    Si في التوصيل: VF ≈ 0.7 V

    Ge في التوصيل: VF ≈ 0.3 V

    النموذج المثالي في التوصيل: VF = 0 V

    الحالة ← الدائرة المكافئة ← KVL ← قانون أوم

    نص الشرح الصوتي

    مرحباً بكم من جديد. في الدرس السابق، بنينا نماذج الديود الثلاثة: السيليكون عند صفر فاصلة سبعة فولت، والجرمانيوم عند صفر فاصلة ثلاثة، والنموذج المثالي عند صفر فولت. اليوم سنستخدم هذه النماذج عملياً. سنحلّ ثلاث مسائل كلاسيكية خطوة بخطوة. الديود نفسه والمقاومة نفسها والمصدر نفسه، لكن النتائج تتغيّر كثيراً بحسب اتجاه الديود. في نهاية الدرس، ستعرف بدقة كيف تجد V D وV R وI R في أي دائرة ديود ذات حلقة واحدة. لنبدأ بأبسط حالة: ديود سيليكون في الانحياز الأمامي.

  2. 2. المثال 1 — الانحياز الأمامي

    مصدر موجب 8 فولت يدفع التيار عبر ديود سيليكون ومقاومة 2.2 كيلو أوم على التوالي؛ الديود في الانحياز الأمامي والتيار باتجاه عقارب الساعة.
    يجعل المصدر الأنود أعلى جهداً من الكاثود، لذلك يكون ديود السيليكون في حالة توصيل.

    E = 8 V، R = 2.2 kΩ، ديود Si

    انحياز أمامي ← الديود في حالة توصيل

    VD = 0.7 V

    VR = 8 − 0.7 = 7.3 V

    IR = 7.3 / 2.2k = 3.32 mA

    التحقق: IR > 0، إذن افتراض التوصيل صحيح

    نص الشرح الصوتي

    لنبدأ بالدائرة الأولى. لدينا ديود سيليكون متصل على التوالي مع مقاومة قيمتها اثنان فاصلة اثنان كيلو أوم، ويغذيهما مصدر مقداره ثمانية فولت. اتجاه الديود يوافق الاتجاه الطبيعي للتيار، ولذلك يكون في الانحياز الأمامي. نريد إيجاد ثلاث كميات: V D، وهو الجهد على الديود، وV R، وهو الجهد على المقاومة، وI R، وهو تيار الحلقة. الخطوة الأولى: هل الديود في حالة توصيل؟ تدفع ثمانية فولت التيار إلى الأمام، في حين أن هبوط السيليكون يساوي تقريباً صفر فاصلة سبعة فولت. إذن نعم، الديود في حالة توصيل. نستبدله بهبوط جهد مقداره صفر فاصلة سبعة فولت، فتكون النتيجة الأولى V D تساوي صفر فاصلة سبعة فولت. الخطوة الثانية: نطبّق قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة. تساوي ثمانية فولت مجموع V D وV R. لذلك تساوي V R ثمانية ناقص صفر فاصلة سبعة، أي سبعة فاصلة ثلاثة فولت. الخطوة الثالثة: نطبّق قانون أوم على المقاومة. يساوي I R الجهد V R مقسوماً على R. نقسم سبعة فاصلة ثلاثة فولت على اثنين فاصلة اثنين كيلو أوم، فنحصل على ثلاثة فاصلة اثنين وثلاثين ميلي أمبير. هكذا وجدنا النتائج الثلاث بثلاث خطوات واضحة. والصيغة المختصرة التي سنستخدمها كثيراً هي: I تساوي E ناقص صفر فاصلة سبعة، والكل مقسوم على R.

  3. 3. المثال 1 — الانحياز العكسي

    المصدر نفسه بقيمة 8 فولت بعد عكس قطبيته؛ ديود السيليكون في الانحياز العكسي ويُمثّل بدائرة مفتوحة، لذلك يساوي تيار المقاومة وجهدها صفراً.
    وفق المرجع V_D = V_A − V_K تكون القيمة الموقّعة V_D = −8 V، بينما مقدار الجهد العكسي يساوي 8 V.

    الحلقة نفسها مع عكس قطبية المصدر

    انحياز عكسي ← الديود في حالة قطع

    IR = 0 A و VR = 0 V

    المرجع: VD = VA − VK

    VA = −8 V، VK = 0 V

    VD = −8 V؛ |VD| = 8 V

    نص الشرح الصوتي

    الآن سأقلب المصدر. نفس الديود ونفس المقاومة، لكن مصدر الثمانية فولت متصل في الاتجاه المعاكس. يرى الديود الآن جهداً سالباً عند الأنود، ولذلك يكون في الانحياز العكسي. هل سيوصل ديود السيليكون التيار؟ لا. يبقى في حالة القطع ويتصرف كمفتاح مفتوح، فلا يوجد مسار للتيار. لذلك يساوي I_R صفر أمبير. وبما أنه لا يوجد تيار، فإن V_R تساوي صفر فولت وفق قانون أوم. الآن نحافظ على مرجع الجهد واضحاً: V_D يساوي V_A ناقص V_K. إذا اعتبرنا الطرف السفلي للمصدر مرجعاً صفرياً، يكون الكاثود عند صفر فولت لأن المقاومة لا تحمل أي هبوط، بينما يكون الأنود عند سالب ثمانية فولت. لذلك تساوي القيمة الموقّعة لـ V_D سالب ثمانية فولت. أما مقدار الجهد العكسي على الديود، أي القيمة المطلقة لـ V_D، فيساوي ثمانية فولت. انتبه إلى الفرق بين الإشارة والمقدار: عكس المصدر نقل الديود من التوصيل إلى القطع وخفّض تيار المقاومة من ثلاثة فاصلة اثنين وثلاثين ميلي أمبير إلى الصفر.

  4. 4. المثال 2 — ديودان على التوالي

    مصدر 12 فولت يدفع التيار عبر ديود سيليكون وديود جرمانيوم في الانحياز الأمامي ومقاومة 5.6 كيلو أوم ضمن حلقة واحدة.
    الديودان في حالة توصيل؛ استخدم 0.7 V للسيليكون و0.3 V للجرمانيوم.

    E = 12 V، R = 5.6 kΩ

    Si في التوصيل ← VF,Si = 0.7 V

    Ge في التوصيل ← VF,Ge = 0.3 V

    أوجد VO وIR

    ΣVF = 0.7 + 0.3 = 1.0 V

    نص الشرح الصوتي

    ننتقل الآن إلى مثال أكثر إثارة للاهتمام. لدينا ديودان متصلان على التوالي، وكلاهما في الانحياز الأمامي. الديود الموجود على اليسار من السيليكون، وهبوطه صفر فاصلة سبعة فولت. أما الديود الموجود على اليمين فمن الجرمانيوم، وهبوطه صفر فاصلة ثلاثة فولت. يغذي الدائرة مصدر مقداره اثنا عشر فولت مع مقاومة قيمتها خمسة فاصلة ستة كيلو أوم. المطلوب هو إيجاد V O على المقاومة، وإيجاد التيار I R في الحلقة. الفكرة الأساسية هي أن الديودين في حالة توصيل، ولذلك نستبدل كل ديود بهبوط الجهد الأمامي الخاص به. بعد ذلك تتحول الدائرة إلى مسألة جبر بسيطة.

  5. 5. حل دائرة التوالي

    استُبدل ديودا السيليكون والجرمانيوم بهبوطي جهد 0.7 و0.3 فولت؛ الدائرة المحلولة تعطي 11 فولت على المقاومة وتياراً قدره 1.96 ميلي أمبير.
    بعد هبوط الديودين الكلي البالغ 1.0 V، يتبقى 11 V على المقاومة.

    KVL: 12 = 0.7 + 0.3 + VO

    VO = 12 − 1.0 = 11 V

    IR = VO / R = 11 / 5.6k

    IR = 1.96 mA

    بصورة عامة: I = (E − ΣVF) / R

    نص الشرح الصوتي

    لنطبّق قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة. يجب أن تساوي اثنا عشر فولت هبوط السيليكون زائد هبوط الجرمانيوم زائد V O. أي إن اثني عشر يساوي صفر فاصلة سبعة، زائد صفر فاصلة ثلاثة، زائد V O. مجموع هبوطي الديودين يساوي واحداً فاصلة صفر فولت. وبحل المعادلة نجد أن V O تساوي اثني عشر ناقص واحد، أي أحد عشر فولت. هذه هي النتيجة الأولى. الآن نحسب التيار باستخدام قانون أوم على المقاومة. يساوي I R الجهد V O مقسوماً على R. نقسم أحد عشر فولت على خمسة فاصلة ستة كيلو أوم، فنحصل على واحد فاصلة ستة وتسعين ميلي أمبير. لاحظ القاعدة المهمة: عندما تتصل عدة ديودات على التوالي وتكون كلها في الانحياز الأمامي، نجمع هبوط الجهد لكل ديود ونتعامل مع المجموعة كهبوط واحد. إذا كان لدينا ديودان نجمع هبوطيهما، وإذا كان لدينا ثلاثة نجمع الهبوطات الثلاثة. وينطبق المبدأ نفسه على أربعة ديودات ضوئية، هبوط كل منها فولتان؛ إذ يجب أن يتجاوز المصدر ثمانية فولت حتى يتبقى جهد يدفع التيار في المقاومة.

  6. 6. الخلاصة والتحقق

    الانحياز الأمامي: توصيل ← هبوط VF ثابت

    الانحياز العكسي: قطع ← I = 0

    طبّق KVL حول الحلقة

    طبّق قانون أوم على المقاومة

    ثلاث خطوات، وخطوات الحل نفسها دائماً

    التالي: تقويم نصف الموجة

    نص الشرح الصوتي

    لنراجع خطوات حل أي مسألة ديود ذات حلقة واحدة. أولاً، ننظر إلى كل ديود ونحدّد هل هو في الانحياز الأمامي أم في الانحياز العكسي. ديود السيليكون في الانحياز الأمامي يعني هبوطاً يقارب صفر فاصلة سبعة فولت، وديود الجرمانيوم يعني هبوطاً يقارب صفر فاصلة ثلاثة فولت. أما الانحياز العكسي فيعني أن التيار يساوي صفراً. ثانياً، نطبّق قانون كيرشوف للجهد حول الحلقة، بحيث يساوي جهد المصدر مجموع هبوطات الجهد. ثالثاً، نستخدم قانون أوم على المقاومة لإيجاد التيار. ثلاث خطوات، والمنهج نفسه في كل مرة. أصبح لديك الآن إجراء واضح لحل كل دائرة ديود بسيطة ذات حلقة واحدة. في الدرس القادم، سنستخدم هذا الأسلوب في دوائر تقويم نصف الموجة، حيث ينتقل الديود بين التوصيل والقطع لتحويل التيار المتناوب إلى تيار مستمر. أراكم هناك.

الفيديو المصدر: أساسيات الإلكترونيات #02 | أمثلة محلولة على الديود: انحياز أمامي/عكسي + Si+Ge بالتسلسل (7:54)