Tunelová dióda - pracovný a aplikačný obvod

Vyskúšajte Náš Nástroj Na Odstránenie Problémov





Tunelová dióda je typ polovodičovej diódy, ktorá sa vyznačuje negatívnym odporom z dôvodu kvantovo mechanického javu známeho ako tunelovanie.

V tomto príspevku sa dozvieme základné charakteristiky a fungovanie tunelových diód a tiež jednoduchý aplikačný obvod využívajúci toto zariadenie.



Uvidíme, ako by sa dala použiť tunelová dióda na zmenu tepla na elektrinu a na nabíjanie malej batérie.

Tunelová dióda

Obrázok: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg



Prehľad

Po dlhom zmiznutí z polovodičového sveta sa tunelová dióda reálne spustila v dôsledku skutočnosti, že mohla byť implementovaná na premenu tepelnej energie na elektrinu. Tunelové diódy sú tiež známe ako Dióda Esaki , pomenovaná po svojom japonskom vynálezcovi.

V deväťdesiatych a šesťdesiatych rokoch boli tunelové diódy implementované v mnohých aplikáciách predovšetkým v RF obvodoch, v ktorých sa ich mimoriadne kvality využívali pri výrobe senzorov, oscilátorov, mixérov a podobne.

Ako funguje tunelová dióda

Na rozdiel od štandardnej diódy pracuje tunelová dióda pomocou polovodičovej látky, ktorá má neuveriteľne veľkú dopingovú hladinu, čo vedie k tomu, že vrstva vyčerpania medzi spojením p-n sa stane približne 1000-krát užšou ako najrýchlejšie kremíkové diódy.

Akonáhle je tunelová dióda posunutá dopredu, v celom prechode p-n sa začne proces známy ako „tunelovanie“ toku elektrónov.

„Tunelovanie“ v dopovaných polovodičoch je v skutočnosti metóda, ktorá nie je ľahko pochopiteľná pri použití konvenčných atómových hypotéz, a ktorú v tomto malom článku možno nie je možné objasniť.

Vzťah medzi dopredným napätím a prúdom tunelovej diódy

Pri testovaní vzťahu medzi dopredným napätím tunelovej diódy, UF a prúdom, IF môžeme zistiť, že jednotka vlastní zápornú charakteristiku odporu medzi špičkovým napätím Up a dolným napätím Uv, ako je znázornené na obrázku nižšie.

predpätie tunelovej diódy vpred a charakteristická krivka vpred

Preto, keď je dióda napájaná v zatienenej oblasti jej krivky IF-UF, dopredný prúd klesá s rastúcim napätím. Odpor diódy je nepochybne negatívny a zvyčajne sa vyjadruje ako -Rd.

Dizajn uvedený v tomto článku využíva výhody vyššie uvedenej kvality tunelových diód implementáciou sady sériovo pripojených tunelových diód na nabíjanie batérie prostredníctvom slnečné teplo (nie solárny panel).

Ako je vidieť na obrázku nižšie, sedem alebo viac tunelových diód gálium-indium antimonid (GISp) je zapojených do série a upnuté na veľký chladič, čo pomáha zabrániť rozptýleniu ich výkonu (tunelové diódy sa ochladzujú, pretože UF stúpa alebo stúpa) .

vyrábať elektrinu z tepla pomocou tunelových diód

Chladič sa používa na umožnenie účinnej akumulácie slnečného tepla alebo akejkoľvek inej formy tepla, ktoré sa môže použiť, ktorého energia sa vyžaduje na transformáciu nabíjacieho prúdu na nabíjanie navrhovanej Ni-Cd batérie.

Premena tepla na elektrinu pomocou tunelových diód (tepelná elektrina)

Pracovná teória tejto špeciálnej konfigurácie je v skutočnosti úžasne jednoduchá. Predstavte si, že obyčajný, prirodzený odpor R je schopný vybiť batériu prúdom I = V / R. z čoho vyplýva, že záporný odpor bude schopný iniciovať nabíjací proces pre tú istú batériu, jednoducho preto, lebo značka I sa obráti, to znamená: -I = V / -R.

Rovnakým spôsobom, ak normálny odpor umožňuje odvod tepla P = PR wattov, záporný odpor bude schopný poskytnúť rovnaké množstvo wattu do záťaže: P = -It-R.

Kedykoľvek je záťaž samostatným zdrojom napätia s relatívne zníženým vnútorným odporom, musí záporný odpor určite generovať vyššiu úroveň napätia pre nabíjací prúd Ic, ktorý prúdi podľa vzorca:

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

S odvolaním sa na anotáciu Σ (Rd) je zrejmé, že všetky diódy v reťazcovom slede musia bežať vo vnútri oblasti -Rd, hlavne preto, že cieľ môže ukončiť akákoľvek jednotlivá dióda s charakteristikou + Rd.

Testovanie tunelových diód

Aby sme sa ubezpečili, že všetky diódy majú negatívny odpor, je možné navrhnúť priamy testovací obvod, ako je zrejmé z nasledujúceho obrázka.

ako testovať tunelové diódy

Upozorňujeme, že merač by mal byť špecifikovaný tak, aby indikoval polaritu prúdu, pretože by sa mohlo veľmi dobre stať, že konkrétna dióda má skutočne nadmerný pomer IP: Iv (sklon tunela), čo spôsobí neočakávané nabitie batérie pri implementácii malého predpätia.

Analýza musí byť vykonaná pri atmosférickej teplote nižšej ako 7 ° C (vyskúšajte vyčistenú mrazničku) a zaznamenajte krivku UF-IF pre každú jednotlivú diódu pedantným zvýšením predpätia pomocou potenciometra a zdokumentovaním výsledných veličín IF, ako je zobrazené na odpočte meradla.

Ďalej priblížte FM rádio, aby ste sa uistili, že testovaná dióda nekmitá na 94,67284 MHz (Freq, pre GISp na dopingovej úrovni 10-7).

Ak zistíte, že sa to deje, konkrétna dióda nemusí byť pre túto aplikáciu vhodná. Určte rozsah OF, ktorý zaručuje -Rd takmer pre všetky diódy. Na základe výrobného limitu diód v dostupnej šarži môže byť tento rozsah minimálny, napríklad 180 až 230 mV.

Aplikačný obvod

Elektrinu vyrobenú tunelovými diódami z tepla je možné použiť na nabíjanie malej Ni-Cd batérie.

Najskôr určte množstvo diód potrebných na nabitie batérie minimálnym prúdom: pri vyššie uvedenom výbere UF bude potrebné zapojiť do série minimálne sedem diód, aby sa zabezpečil nabíjací prúd pri zahrievaní približne 45 mA. na teplotnú úroveň:

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

Alebo približne 35 ° C, keď tepelný odpor chladiča nie je väčší ako 3,5 K / W a keď je nainštalovaný na vrchole slnečného žiarenia (Ta 26 ° C). Aby táto nabíjačka NiCd mala maximálnu účinnosť, musí byť chladič tmavo sfarbený, aby sa zaistila čo najlepšia výmena tepla k diódam.

Ďalej nesmie byť magnetická, ak uvážime, že akýkoľvek druh vonkajšieho poľa, indukovaného alebo magnetického, spôsobí nestabilnú stimuláciu nosičov náboja v tuneloch.

To by následne mohlo viesť k netušiacemu duktovému efektu, ktorý by pravdepodobne mohol klepať na elektróny z p-n spoja cez substrát, a tým by sa hromadil okolo terminálov diód, čo by mohlo spôsobiť nebezpečné napätia v závislosti na kovovom kryte.

Niekoľko tunelových diód typu BA7891NG je, bohužiaľ, veľmi citlivých na najmenšie magnetické polia a testy preukázali, že je potrebné ich udržiavať vodorovne, pokiaľ ide o zemský povrch, aby sa tak nestalo.

Originálny prototyp demonštrujúci elektrinu zo solárneho tepla pomocou tunelových diód

slnečné teplo na elektrinu pomocou aplikačného obvodu tunelovej diódy


Dvojica: Ako správne zapojiť modul plynového senzora MQ-135 Ďalej: Triaky - pracovné a aplikačné obvody