اقرأ في هذا المقال
تعريف الصمام الثنائي المتغير:
التعريف: هو الصمام الثنائي “الدايود” الذي تختلف السعه الداخلية له تبعاً لاختلاف الجهد العكسي، يُعرف هذا النوع من الصمام الثنائي باسم الصمام الثنائي (Varactor). يتم استخدامه لتخزين الشحنة.
يعمل الدايود المتغير دائماً في وضع التحيز العكسي (reverse bias)، وهو عبارة عن جهاز من نوع أشباه الموصلات يعتمد على مقدار الجهد. الجهاز المعتمد على الجهد الكهربائي يعني أنّ خرج الدايود يعتمد على جهد الدخل.
يتم استخدام الصمام الثنائي المتغير في مكان يتطلب السعة المتغيرة (variable capacitance)، ويتم التحكم في هذه السعة المتغيرة بمساعدة الجهد. يُعرف الدايود (Varactor) أيضاً باسم (Varicap) أو باسم (Voltcap) أو السعة المتغيرة للجهد أو الدايود (Tunning).
شرح الصمام الثنائي المتغير:
تستخدم الدايودات المتغيرة (Varactor) أو (varicap) بشكل أساسي في دوائر الترددات اللاسلكية أو في الترددات الراديوية، لتوفر لنا سعة متغيرة يتم التحكم عن طريقها بالجهد. يمكن استخدام هذه المكونات الإلكترونية بمجموعة متنوعة من الاستخدامات التي تحتاج إلى مستوى السعة للتحكم فيه بواسطة جهد كهربائي. لا يمكننا استخدام الثنائيات المتغيرة فقط للتحكم في الجهد، كما هو الحال عندما يكون هناك حلقة مغلقة بالطور، ولكن يمكن أيضاً استخدامها مع المعالجات الدقيقة في الحواسيب حيث يمكن توليد الجهد بشكل رقمي ثم تحويله إلى جهد تناظري للتحكم في الصمام الثنائي باستخدام محول رقمي إلى تناظري (ADC).
في الواقع، تطبيقات الدايودات المتغيرة كثيرة ويتم استخدامها بشكل كبير في مجموعة من الدوائر المختلفة لمجموعة مختلفة من استخدامات الدوائر المختلفة، لتصميم الدوائر الإلكترونية وكذلك تصميم الترددات اللاسلكية. على الرغم من استخدام (varactor) و(varicap diode) للدلالة على هذا النوع من الدايود، إلا أنّهما يدلان على نفس النوع من الدايود. الاسم (varactor) يعني المفاعل المتغير، أو المفاعلة، و(varicap) يعني السعة المتغيرة (var-cap).
عمل الصمام الثنائي المتغير:
يتكون الدايود المتغير (Varactor) من مادة من نوع أشباه الموصلات من النوع (n و p). في مادة أشباه الموصلات من النوع (n)، تكون الإلكترونات هي حاملة الشحنة الأغلبية وفي المادة من النوع (p)، تكون الثقوب “الشحنات الموجبة” هي ناقلات الشحنة الأغلبية. عندما يتم ربط مادة أشباه الموصلات من النوع (p و n) معاً، يتم تكوين الوصلة (pn)، ويتم إنشاء “منطقة النضوب” عند تقاطع (PN). تشكل الأيونات الموجبة والسالبة “منطقة النضوب”. تحظر هذه المنطقة التيار للدخول من منطقة (PN).
يعمل الصمام الثنائي (varactor) فقط في “التحيز العكسي”. بسبب التحيز العكسي (reverse bias)، لا يتدفق التيار. إذا تم توصيل الصمام الثنائي في اتجاه أمامي (forward biasing)، يبدأ التيار بالتدفق عبر الصمام الثنائي وتنخفض منطقة استنفادها. “منطقة النضوب” لا تسمح للأيونات بالانتقال من مكان إلى آخر.
يستخدم الدايود المتغير (Varactor) لتخزين الشحنة وليس لتدفق الشحنة. في التحيز الأمامي، تصبح الشحنة الإجمالية المخزنة في الدايود تساوي الصفر، وهو أمر غير مطلوب. وبالتالي، فإنّ الدايود المتغير (Varactor) يعمل دائماً في حالة التحيز العكسي.
معادلة الصمام الثنائي المتغير:
تعطى الصيغة التالية سعة الصمام الثنائي المتغير:
CT = ∈ A / W
حيث:
- ε – سماحية مادة أشباه الموصلات.
- A – منطقة (PN-junction).
- W – عرض منطقة النضوب.
تزداد سعة الصمام الثنائي المتغير مع زيادة (n) والمنطقة من النوع (p) وتنخفض مع زيادة “منطقة النضوب”. تعني الزيادة في السعة أنّه يتم تخزين المزيد من الشحنات في الصمام الثنائي. لزيادة سعة تخزين الشحنة، يجب أن تظل “منطقة النضوب” “التي تعمل كعزل كهربائي للمكثف” من الصمام الثنائي صغيرة.
تطبيقات الصمام الثنائي المتغير:
تستخدم الدايودات المتغيرة (Varactor) بشكل كبير في العديد من تصميمات (RF). إنّها تستخدم لتغيير السعة داخل الدائرة عن طريق تطبيق جهد للتحكم فيها. نتيجةً لذلك تُستخدم الدايودات المتغيرة بشكل كبير في مجال الترددات اللاسلكية. على الرغم من أنّ الدايودات المتغيرة (varactor) أو (varicap) يمكن تطبيقها في العديد من الدوائر المختلفة، إلا أنّها وجدت استخدامات في هذه المجالات:
- المذبذبات التي يتم التحكم فيها بالجهد (VCOs): تستخدم هذه المذبذبات في الكثير من الترددات اللاسلكية المختلفة. أحد المجالات الأساسية لهذه المذبذبات هو داخل حلقات مقفلة على مراحل. يمكن استخدام هذه المذبذبات ضمن أجهزة توليف الترددات أو كمزيلات لتشكيلات (FM). يعتبر الدايود المتغير مكون أساسي داخل هذه المذبذبات.
- مرشحات (RF): يستخدم الصمام الثنائي (varactor) ليجعل من الممكن ضبط هذا النوع من المرشحات. قد تكون هناك حاجة إلى المرشحات هذه في تشكيل الدوائر الأمامية حيث تجعل هذه المرشحات من الممكن تتبع تردد الإشارة الواردة. ويمكن التحكم فيها باستخدام جهد للتحكم. عادةً ما يمكن توفير هذا تحت تحكم المعالج الدقيق عبر محول رقمي إلى محول تناظري.
- مُعدِّلات التردد والطور: يمكن استخدام الصمام الثنائي المتغير في مُعدِّلات التردد والطور. في مُعدِّلات التردد، يمكن وضعها عبر عنصر الطنين داخل المولد الكهربائي والصوت المطبق على الدايودات المتغيرة. وبهذا الشكل ستختلف سعتها بالتزامن مع الصوت، مما يتسبب في انتقال تردد الإشارة لأعلى ولأسفل بالتزامن مع تغيرات السعة، وبالتالي تزامناً مع الصوت.
لتعديل الطور، يمكن تمرير إشارة التردد عبر شبكة لإزاحة الطور، ويتم دمج الدايود المتغير في هذه الشبكة. ويتم تطبيق الصوت على الدايود المتغير وهذا يتسبب في تحول المرحلة بشكل متزامن مع اختلافات الصوت.
من حيث الدوائر التي تستخدم فيها الدايودات المتغيرة، تشمل هذه مذبذبات الحلقات المغلقة الطور وبالتالي هناك العديد من أنواع مُركِّبات التردد، في المرشحات حيث يجب التحكم في تردد المرشحات رقمياً. يمكن استخدامها في بعض أشكال دوائر المضاعف التوافقي.
