Tunelska dioda - radni i aplikacijski krug

Tunelska dioda je vrsta poluvodičke diode koja ima negativan otpor zbog kvantno-mehaničkog učinka poznatog kao tuneliranje.

U ovom ćemo postu naučiti osnovne karakteristike i rad tunelskih dioda, kao i jednostavan sklop primjene pomoću ovog uređaja.

Vidjet ćemo kako bi se dioda tunela mogla koristiti za promjenu topline u električnu energiju i za punjenje male baterije.

Kredit za sliku: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Pregled

Nakon dugog nestanka iz poluvodičkog svijeta, tunel dioda je zapravo ponovno pokrenuta kao rezultat činjenice da bi se mogla primijeniti za pretvaranje toplinske energije u električnu. Tunelske diode su također poznate kao Esaki dioda , nazvana po svom japanskom izumitelju.

Devedesetih pedesetih i šezdesetih tunel diode su implementirane u puno aplikacija, prvenstveno u RF krugovima, u kojima su iskorištene njihove izvanredne kvalitete za proizvodnju izuzetno brzih senzora razine, oscilatora, miksera i sličnih stvari.

Kako djeluje tunel dioda

Za razliku od standardne diode, tunelska dioda djeluje pomoću poluvodičke supstance koja ima nevjerojatno veliku razinu dopinga, što dovodi do toga da sloj osiromašenja između p-n spoja postaje približno 1000 puta uži čak i od najbržih silicijskih dioda.

Jednom kada je tunel dioda pristrana, proces poznat pod nazivom 'tuneliranje' protoka elektrona počinje se događati kroz p-n spoj.

'Tuneliranje' u dopiranim poluvodičima zapravo je metoda koja nije lako razumljiva pomoću konvencionalne atomske hipoteze i možda je nije moguće obraditi u ovom malom članku.

Povezanost napona i struje prednje diode tunela

Tijekom ispitivanja odnosa između napona napona, UF i struje, IF, tunelske diode, možemo ustanoviti da jedinica posjeduje negativnu karakteristiku otpora između vršnog napona Up i napona doline Uv, kao što je prikazano na donjoj slici.

Stoga, kada se dioda napaja unutar zasjenjenog područja svoje IF-UF krivulje, struja prema naprijed opada kako napon raste. Otpor diode je bez ikakvih sumnji negativan i obično se prikazuje kao -Rd.

Dizajn predstavljen u ovom članku iskorištava prednost gore navedene kvalitete tunelskih dioda implementirajući niz serijski povezanih tunelskih diodnih uređaja za punjenje baterije kroz solarna toplina (ne solarna ploča).

Kao što je uočeno na slici ispod, sedam ili više tunelskih dioda od galijum-indijskog antimonida (GISp) priključene su u seriju i stegnute na veliki hladnjak, što pomaže u sprečavanju rasipanja njihove snage (tunelske diode postaju hladnije kako UF raste ili se povećava) .

Hladnjak se koristi za omogućavanje učinkovite akumulacije sunčeve topline ili bilo kojeg drugog oblika topline koji se može primijeniti, čija se energija pretvara u struju naboja za punjenje predložene Ni-Cd baterije.

Pretvorba topline u električnu energiju pomoću tunelskih dioda (toplinska električna energija)

Teorija rada ove posebne konfiguracije zapravo je nevjerojatno jednostavna. Zamislite da je običan, prirodni otpor R sposoban isprazniti bateriju kroz struju I = V / R. što podrazumijeva da će negativni otpor moći pokrenuti postupak punjenja za istu bateriju, jednostavno zato što se znak I obrne, to jest: -I = V / -R.

Na isti način, ako normalni otpor dopušta odvođenje topline za P = PR vati, negativni otpor moći će pružiti istu količinu snage u opterećenju: P = -It-R.

Kad god je opterećenje samostalno izvor napona s relativno smanjenim unutarnjim otporom, negativni otpor mora, zasigurno, generirati veću razinu napona za struju naboja, Ic, koji se daje formulom:

Ic = δ [Σ (Uf) - Ubat] / Σ (Rd) + Rbat

Pozivajući se na napomenu Σ (Rd), odmah se razumije da se sve diode unutar niza nizova moraju izvoditi unutar -Rd područja, uglavnom zato što svaka pojedinačna dioda s + Rd karakteristikom može prekinuti cilj.

Ispitivanje tunelskih dioda

Kako bi bili sigurni da sve diode imaju negativan otpor, mogao bi se izraditi izravni ispitni krug kako je otkriveno na sljedećoj slici.

Imajte na umu da bi mjerač trebao biti naveden kako bi ukazivao na polaritet struje, jer bi se itekako moglo dogoditi da određena dioda ima stvarno prekomjerni omjer IP: Iv (nagib tunela) zbog čega se baterija neočekivano napuni pri provedbi malog prednapona.

Analizu je potrebno provesti na atmosferskoj temperaturi ispod 7 ° C (isprobati očišćeni zamrzivač) i zabilježiti krivulju UF-IF za svaku pojedinu diodu preciznim povećanjem predrasuda prema potenciometru i dokumentiranjem rezultirajućih veličina AKO, kao što je prikazano na očitavanju brojila.

Dalje, približite FM radio kako biste bili sigurni da dioda koja se ispituje ne oscilira na 94,67284 MHz (Freq, za GISp na doping razini 10-7).

Ako ustanovite da se to događa, određena dioda može biti neprikladna za sadašnju aplikaciju. Odredite opseg OF koji jamči -Rd za gotovo sve diode. Na temelju proizvodnog praga dioda u dostupnoj seriji, ovaj raspon mogao bi biti minimalan kao, recimo, 180 do 230 mV.

Aplikacijski krug

Električna energija koju tunelske diode generiraju iz topline može se koristiti za punjenje male Ni-Cd baterije.

Prvo odredite količinu dioda potrebnih za punjenje baterije kroz njezinu minimalnu struju: za gornji odabir UF, najmanje sedam dioda morat će se povezati u seriju kako bi se osigurala struja punjenja od približno 45 mA kad se zagriju do razine temperature od:

Γ [-Σ (Rd) Ako] [δ (Rth-j) - RΘ] .√ (Td + Ta) ° C

Ili približno 35 ° C kada toplinski otpor hladnjaka nije veći od 3,5 K / W i kada je instaliran pod vršnom sunčevom svjetlošću (Ta 26 ° C). Da bi ovaj NiCd punjač imao maksimalnu učinkovitost, hladnjak mora biti tamne boje radi najbolje izmjene topline na diodama.

Uz to, on ne smije biti magnetski, s obzirom da će bilo koja vrsta vanjskog polja, inducirana ili magnetska, prouzročiti nestabilnu stimulaciju nosača naboja unutar tunela.

To bi posljedično moglo dovesti do nesumnjivog utjecaja kanala na elektrone, koji bi se vjerojatno mogli izbiti iz p-n spoja preko podloge, i tako nakupljati oko terminala diode, izazivajući možda opasne napone ovisno o metalnom kućištu.

Nekoliko tunelskih dioda tipa BA7891NG su, nažalost, vrlo osjetljive na najsitnija magnetska polja, a ispitivanja su dokazala da ih je potrebno održavati vodoravno u odnosu na površinu zemlje kako bi se to spriječilo.

Izvorni prototip koji demonstrira električnu energiju iz solarne topline pomoću tunelskih dioda