Dioda tunelowa - obwód roboczy i aplikacyjny

Wypróbuj Nasz Instrument Do Eliminowania Problemów





Dioda tunelowa to rodzaj diody półprzewodnikowej, która ma ujemną rezystancję ze względu na efekt mechaniki kwantowej zwany tunelowaniem.

W tym poście poznamy podstawowe charakterystyki i działanie diod tunelowych, a także prosty obwód aplikacyjny wykorzystujący to urządzenie.



Zobaczymy, jak można wykorzystać diodę tunelową do zamiany ciepła na energię elektryczną i do ładowania małej baterii.

Dioda tunelowa

Źródło zdjęcia: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg



Przegląd

Po długim zniknięciu ze świata półprzewodników dioda tunelowa została faktycznie ponownie uruchomiona, ponieważ mogłaby zostać zastosowana do zamiany energii cieplnej na energię elektryczną. Diody tunelowe są również znane jako Dioda Esaki , nazwany na cześć swojego japońskiego wynalazcy.

W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych diody tunelowe zostały wdrożone w wielu zastosowaniach, głównie w obwodach RF, w których ich niezwykłe właściwości zostały wykorzystane do produkcji niezwykle szybkich czujników poziomu, oscylatorów, mikserów i tym podobnych.

Jak działa dioda tunelowa

W przeciwieństwie do standardowej diody, dioda tunelowa działa przy użyciu substancji półprzewodnikowej, która ma niewiarygodnie duży poziom domieszkowania, co prowadzi do tego, że warstwa zubożenia między złączem p-n staje się około 1000 razy węższa, nawet niż najszybsze diody krzemowe.

Gdy dioda tunelowa jest spolaryzowana do przodu, proces znany jako „tunelowanie” przepływu elektronów zaczyna zachodzić w złączu p-n.

„Tunelowanie” w półprzewodnikach domieszkowanych jest w rzeczywistości metodą trudną do zrozumienia przy użyciu konwencjonalnej hipotezy atomowej i być może nie można jej omówić w tym małym artykule.

Zależność między napięciem przewodzenia diody tunelowej a prądem

Podczas testowania zależności między napięciem przewodzenia diody tunelowej, UF i prądem IF, możemy stwierdzić, że jednostka posiada ujemną charakterystykę rezystancji między napięciem szczytowym Up i napięciem dolnym Uv, jak pokazano na rysunku poniżej.

polaryzacja w przód diody tunelowej i krzywa charakterystyki prądu przewodzenia

Dlatego, gdy dioda jest zasilana w zacienionym obszarze jej krzywej IF-UF, prąd przewodzenia spada wraz ze wzrostem napięcia. Rezystancja diody jest bez wątpienia ujemna i zwykle jest przedstawiana jako -Rd.

Projekt przedstawiony w tym artykule wykorzystuje powyższą jakość diod tunelowych poprzez zaimplementowanie zestawu szeregowo połączonych diod tunelowych do ładowania akumulatora poprzez ciepło słoneczne (nie panel słoneczny).

Jak widać na poniższym rysunku, siedem lub więcej diod tunelowych z antymonku galu i indu (GISp) jest połączonych szeregowo i zaciśniętych na dużym radiatorze, co pomaga zapobiegać rozpraszaniu ich mocy (diody tunelowe chłodzą się wraz ze wzrostem lub wzrostem UF) .

generują energię elektryczną z ciepła za pomocą diod tunelowych

Radiator służy do efektywnego gromadzenia ciepła słonecznego lub dowolnej innej formy ciepła, które może być zastosowane, którego energia musi zostać przekształcona w prąd ładowania do ładowania proponowanego akumulatora Ni-Cd.

Zamień ciepło na energię elektryczną za pomocą diod tunelowych (energia cieplna)

Działająca teoria tej specjalnej konfiguracji jest w rzeczywistości zadziwiająco prosta. Wyobraź sobie zwykły, naturalny opór, R, jest w stanie rozładować baterię prądem I = V / R. co oznacza, że ​​ujemny opór będzie mógł zainicjować proces ładowania dla tej samej baterii, po prostu dlatego, że znak I zostanie odwrócony, czyli: -I = V / -R.

W ten sam sposób, jeśli normalny opór pozwala na rozproszenie ciepła przez P = PR waty, ujemny opór będzie w stanie dostarczyć taką samą ilość mocy do obciążenia: P = -It-R.

Ilekroć obciążenie jest samoistnym źródłem napięcia o relatywnie zmniejszonej rezystancji wewnętrznej, to opór ujemny musi z pewnością generować wyższy poziom napięcia dla przepływu prądu ładowania Ic, który jest określony wzorem:

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

Odnosząc się do adnotacji Σ (Rd), od razu rozumie się, że wszystkie diody w ciągu ciągu muszą być uruchomione w obszarze -Rd, głównie dlatego, że każda pojedyncza dioda o charakterystyce + Rd może zakończyć cel.

Testowanie diod tunelowych

Aby upewnić się, że wszystkie diody mają ujemną rezystancję, można zaprojektować prosty obwód testowy, jak pokazano na poniższym rysunku.

jak testować diody tunelowe

Zwróć uwagę, że miernik powinien być określony tak, aby wskazywał polaryzację prądu, ponieważ bardzo dobrze może się zdarzyć, że określona dioda ma naprawdę nadmierny stosunek IP: Iv (nachylenie tunelu), powodując nieoczekiwane naładowanie akumulatora po wykonaniu niewielkiego odchylenia w przód.

Analizę należy przeprowadzić w temperaturze powietrza poniżej 7 ° C (spróbuj wyczyścić zamrażarkę) i zanotować krzywą UF-IF dla każdej pojedynczej diody, skrupulatnie zwiększając przesunięcie w przód za pomocą potencjometru i dokumentując wynikową wielkość IF, zgodnie z odczytem licznika.

Następnie zbliż radio FM, aby upewnić się, że testowana dioda nie oscyluje przy 94,67284 MHz (Freq, dla GISp na poziomie domieszkowania 10-7).

Jeśli okaże się, że tak się dzieje, konkretna dioda może być nieodpowiednia do tego zastosowania. Określ zakres OF, który gwarantuje -Rd dla prawie wszystkich diod. Biorąc pod uwagę próg produkcyjny diod z dostępnej partii, zakres ten może wynosić, powiedzmy, od 180 do 230 mV.

Obwód aplikacji

Energię elektryczną wytwarzaną przez diody tunelowe z ciepła można wykorzystać do naładowania małej baterii Ni-Cd.

Najpierw określ ilość diod potrzebnych do ładowania akumulatora jego minimalnym prądem: dla powyższego doboru UF należy połączyć szeregowo minimum Siedem diod, aby zapewnić prąd ładowania około 45 mA po ich rozgrzaniu do poziomu temperatury:

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

Lub około 35 ° C, gdy opór cieplny radiatora nie przekracza 3,5 K / W i gdy jest on zainstalowany w warunkach największego nasłonecznienia (Ta 26 ° C). Aby uzyskać maksymalną wydajność tej ładowarki NiCd, radiator musi być w ciemnym kolorze, aby zapewnić najlepszą możliwą wymianę ciepła z diodami.

Ponadto nie może być magnetyczny, biorąc pod uwagę, że jakiekolwiek zewnętrzne pole, indukowane lub magnetyczne, spowoduje niestabilną stymulację nośników ładunku w tunelach.

Może to w konsekwencji doprowadzić do niczego niepodejrzewającego efektu kanału, elektrony mogą prawdopodobnie zostać wyrzucone ze złącza p-n na podłożu, a tym samym gromadzić się wokół końcówek diody, wyzwalając być może niebezpieczne napięcia w zależności od metalowej obudowy.

Kilka diod tunelowych typu BA7891NG jest niestety bardzo wrażliwych na najmniejsze pola magnetyczne, a testy wykazały, że należy je utrzymywać poziomo w stosunku do powierzchni ziemi, aby temu zapobiec.

Oryginalny prototyp demonstrujący energię elektryczną z ciepła słonecznego przy użyciu diod tunelowych

ciepło słoneczne do energii elektrycznej za pomocą obwodu aplikacyjnego diody tunelowej


Poprzedni: Jak prawidłowo podłączyć moduł czujnika gazu MQ-135 Dalej: Triaki - obwody robocze i aplikacyjne