Тунелен диод - Работна и приложна схема

Тунелен диод - Работна и приложна схема

Тунелният диод е вид полупроводников диод, който има отрицателно съпротивление поради квантово-механичен ефект, известен като тунелиране.



В този пост ще научим основните характеристики и работата на тунелните диоди, както и проста схема за приложение, използваща това устройство.

Ще видим как тунелен диод може да се използва за превръщане на топлината в електричество и за зареждане на малка батерия.



Тунелен диод

Кредит за изображение: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Общ преглед

След дълго изчезване от полупроводниковия свят, тунелният диод всъщност е рестартиран в резултат на факта, че може да бъде приложен за преобразуване на топлинната енергия в електричество. Тунелните диоди са известни още като Esaki диод , кръстен на японския си изобретател.



През деветнадесетте петдесетте и шейсетте години тунелните диоди бяха внедрени в много приложения, предимно в радиочестотни схеми, в които техните необикновени качества бяха използвани за производството на изключително бързи сензори за ниво, осцилатори, миксери и подобни неща.

Как работи тунелният диод

За разлика от стандартния диод, тунелният диод работи чрез използване на полупроводниково вещество, което има невероятно голямо ниво на допиране, което води до изчерпване на слоя между p -n прехода да стане приблизително 1000 пъти по-тесен дори от най-бързите силициеви диоди.

След като тунелният диод е пристрастен напред, процес, известен като „тунелиране“ на електронния поток, започва да се случва през p-n прехода.

„Тунелирането“ в легирани полупроводници всъщност е метод, който не е лесно разбираем при използване на конвенционална атомна хипотеза и може би не може да бъде разгледан в тази малка статия.

Връзка между напрежението и тока на тунелния диод

Докато тестваме връзката между предното напрежение на тунелния диод, UF и тока, IF, можем да открием, че устройството притежава отрицателна характеристика на съпротивлението между пиковото напрежение, Up и напрежението в долината, Uv, както е показано на Фигура по-долу.

преден отклонение на тунелния диод и крива на характеристиката на тока напред

Следователно, когато диодът се захранва в сенчестата зона на неговата IF-UF крива, предният ток намалява, докато напрежението се покачва. Съпротивлението на диода е без никакви съмнения отрицателно и обикновено се представя като -Rd.

Дизайнът, представен в тази статия, се възползва от горепосоченото качество на тунелни диоди чрез внедряване на набор от последователно свързани тунелни диодни устройства за зареждане на батерия чрез слънчева топлина (не соларен панел).

Както се вижда на фигурата по-долу, седем или повече тунелни диода от галий-индий антимонид (GISp) се свързват последователно и се захващат върху голям радиатор, което помага да се предотврати разсейването на тяхната мощност (тунелните диоди се охлаждат с увеличаване или увеличаване на UF) .

генерират електричество от топлина с помощта на тунелни диоди

Радиаторът се използва, за да позволи ефективно натрупване на слънчева топлина или всяка друга форма на топлина, която може да бъде приложена, чиято енергия е необходима, за да се трансформира в заряден ток за зареждане на предложената Ni-Cd батерия.

Преобразуване на топлина в електричество с помощта на тунелни диоди (топлоенергия)

Работната теория на тази специална конфигурация всъщност е удивително ясна. Представете си обикновен, естествен, съпротивление, R, е в състояние да разрежда батерия чрез ток I = V / R. което предполага, че отрицателното съпротивление ще може да инициира процес на зареждане за същата батерия, просто защото знакът на I се обръща, тоест: -I = V / -R.

По същия начин, ако нормалното съпротивление позволява разсейване на топлината с P = PR вата, отрицателното съпротивление ще може да осигури същото количество мощност в товара: P = -It-R.

Когато натоварването е източник на напрежение сам по себе си с относително намалено вътрешно съпротивление, отрицателното съпротивление със сигурност трябва да генерира по-голямо ниво на напрежение за зарядния ток, Ic, за да протича, което се дава по формулата:

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

Позовавайки се на анотацията Σ (Rd), веднага се разбира, че всички диоди в последователността на низовете трябва да се изпълняват в областта -Rd, главно защото всеки отделен диод с + Rd характеристика може да прекрати целта.

Тестване на тунелни диоди

За да сте сигурни, че всички диоди имат отрицателно съпротивление, може да бъде проектирана директна тестова схема, както е показано на следващата фигура.

как да тествате тунелни диоди

Обърнете внимание, че измервателният уред трябва да бъде посочен, за да показва полярността на тока, тъй като много добре може да се случи, че определен диод има наистина прекомерно съотношение IP: Iv (наклон на тунела), което кара батерията неочаквано да се зарежда при прилагане на малък напредък.

Анализът трябва да се извърши при атмосферна температура под 7 ° C (опитайте с почистен фризер) и да отбележите кривата UF-IF за всеки отделен диод чрез внимателно увеличаване на пристрастието напред през потенциометъра и документиране на получените величини на IF, както е показано на показанията на глюкомера.

След това приближете FM радио, за да сте сигурни, че диодът, който се тества, не се колебае при 94,67284 MHz (Freq, за GISp при ниво на допинг 10-7).

Ако установите, че това се случва, конкретният диод може да е неподходящ за настоящото приложение. Определете обхвата на OF, който гарантира -Rd за почти всички диоди. Въз основа на производствения праг на диодите в наличната партида, този диапазон може да бъде минимален, например 180 до 230 mV.

Верига на приложение

Електричеството, генерирано от тунелни диоди от топлина, може да се използва за зареждане на малка Ni-Cd батерия.

Първо определете количеството диоди, необходимо за зареждане на батерията чрез нейния минимален ток: за горния избор на UF, трябва да бъдат свързани последователно минимум седем диода, за да се осигури заряден ток от приблизително 45 mA, когато се затоплят до ниво на температура от:

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

Или приблизително 35 ° C, когато термичното съпротивление на радиатора е не повече от 3,5 K / W и когато е монтирано под върхова слънчева светлина (Ta 26 ° C). За да се постигне максимална ефективност от това зарядно устройство NiCd, радиаторът трябва да е тъмно оцветен за възможно най-добрия топлообмен към диодите.

Освен това то не трябва да бъде магнитно, като се има предвид, че всякакъв вид външно поле, индуцирано или магнитно, ще доведе до нестабилна стимулация на носителите на заряд в тунелите.

Това може следователно да доведе до нищо неподозиращия ефект на канала, като електроните може да се избият от p -n кръстовището върху субстрата и по този начин да се натрупат около диодните клеми, предизвиквайки може би опасни напрежения в зависимост от металния корпус.

Няколко тунелни диода тип BA7891NG са, за съжаление, много чувствителни към най-малките магнитни полета и тестовете са доказали, че те трябва да се поддържат хоризонтални по отношение на земната повърхност, за да се забрани това.

Оригинален прототип, демонстриращ електричество от слънчева топлина с помощта на тунелни диоди

слънчева топлина към електричество с помощта на схема за прилагане на тунелен диод


Предишен: Как да свържете правилно модула на газовия сензор MQ-135 Напред: Триаци - Работни вериги и схеми за приложение