Tunnelidiodi - työ- ja sovelluspiiri

Tunnelidiodi on eräänlainen puolijohdediodi, jolla on negatiivinen vastus tunnelointina tunnetun kvanttimekaanisen vaikutuksen vuoksi.

Tässä viestissä opitaan tunnelidiodien perusominaisuudet ja toiminta sekä yksinkertainen sovelluspiiri tällä laitteella.

Näemme, kuinka tunnelidiodia voitaisiin käyttää lämmön muuttamiseen sähköksi ja pienen akun lataamiseen.

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

Yleiskatsaus

Pitkän katoamisen jälkeen puolijohdemaailmasta tunnelidiodi on tosiasiallisesti käynnistetty uudelleen, koska se voitaisiin toteuttaa muuntamaan lämpöenergia sähköksi. Tunnelidiodit tunnetaan myös nimellä Esaki-diodi , nimetty japanilaisen keksijänsä mukaan.

Yhdeksäntoista viisikymmentäluvulla ja kuusikymmentäluvulla tunnelidiodit toteutettiin monissa sovelluksissa pääasiassa radiotaajuuspiireissä, joissa niiden poikkeuksellisia ominaisuuksia hyödynnettiin tuottamaan erittäin nopeita antureita, oskillaattoreita, sekoittimia ja vastaavia.

Kuinka tunnelidiodi toimii

Toisin kuin tavallinen diodi, tunnelidiodi toimii käyttämällä puolijohdeainetta, jolla on uskomattoman suuri seostustaso, mikä johtaa siihen, että p-n-liitoksen välinen tyhjennyskerros muuttuu noin 1000 kertaa kapeammaksi kuin nopeimmatkin piidiodit.

Kun tunnelidiodi on eteenpäin esijännitetty, prosessi, joka tunnetaan nimellä elektronivirran tunnelointi, alkaa tapahtua koko p-n-risteyksessä.

Seostettujen puolijohteiden tunnelointi on itse asiassa menetelmä, jota ei ole helppo ymmärtää käyttämällä tavanomaisia ​​atomihypoteeseja, eikä sitä voida kenties käsitellä tässä pienessä artikkelissa.

Tunnelidiodin eteenpäin suuntautuvan jännitteen ja virran suhde

Testattaessa tunnelidiodin lähtöjännitteen, UF: n ja virran, IF: n suhdetta, voimme havaita, että yksikkö omistaa negatiivisen vastusominaisuuden huippujännitteen Up ja laaksojännitteen Uv välillä, kuten alla olevassa kuvassa on esitetty.

Siksi, kun diodi saa virtansa sen IF-UF-käyrän varjostetulta alueelta, eteenpäin suuntautuva virta laskee jännitteen noustessa. Diodin vastus on epäilemättä negatiivinen, ja se esitetään yleensä muodossa -Rd.

Tässä artikkelissa esitetyssä suunnittelussa hyödynnetään tunnelidiodien yllä olevaa laatua hyödyntämällä sarja sarjaan kytkettyjä tunnelidiodilaitteita akun lataamiseksi aurinkolämpö (ei aurinkopaneelia).

Kuten alla olevasta kuvasta käy ilmi, seitsemän tai useampia Gallium-Indium Antimonide (GISp) -tunnelidiodeja on kytketty sarjaan ja kiinnitetty ison jäähdytyselementin päälle, mikä auttaa estämään niiden tehon hajaantumisen (tunnelidiodit jäähtyvät, kun UF nousee tai nousee) .

Jäähdytyselementtiä käytetään tehokkaan aurinkolämmön tai minkä tahansa muun sovellettavan lämmönmuodostuksen mahdollistamiseksi, jonka energia on muunnettava latausvirraksi ehdotetun Ni-Cd-akun lataamiseksi.

Muunna lämpö sähköksi tunnelidiodien avulla (lämpösähkö)

Tämän erityisen kokoonpanon työskentelyteoria on todella hämmästyttävän yksinkertainen. Kuvittele, että tavallinen, luonnollinen resistanssi R pystyy purkamaan akun virran I = V / R kautta. mikä tarkoittaa, että negatiivinen vastus pystyy aloittamaan latausprosessin samalle akulle yksinkertaisesti siksi, että I-merkki muuttuu päinvastaiseksi eli -I = V / -R.

Samalla tavalla, jos normaali vastus sallii lämmön hajaantumisen P = PR wateilla, negatiivinen vastus pystyy tuottamaan saman määrän tehoa kuormitukseen: P = -It-R.

Aina kun kuormitus on yksinään jännitelähde, jolla on suhteellisen alhainen sisäinen vastus, negatiivisen vastuksen on varmasti tuotettava suurempi jännitetaso latausvirralle Ic, joka virtaa kaavalla:

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

Viitattaessa huomautukseen Σ (Rd) on heti ymmärrettävissä, että kaikki merkkijonosekvenssin diodit on ajettava -Rd-alueen sisällä, lähinnä siksi, että mikä tahansa yksittäinen diodi, jolla on + Rd-ominaisuus, saattaa lopettaa objektiivin.

Tunnelidiodien testaus

Sen varmistamiseksi, että kaikilla diodeilla on negatiivinen vastus, voidaan suunnitella suoraviivainen testipiiri seuraavan kuvan mukaisesti.

Huomaa, että mittari on määriteltävä osoittamaan virran napaisuus, koska voi hyvinkin tapahtua, että tietyllä diodilla on todella liian korkea IP: Iv-suhde (tunnelin kaltevuus), mikä saa akun odottamatta latautumaan pienen eteenpäin suuntautuvan esijännityksen vuoksi.

Analyysi on suoritettava alle 7 ° C: n ilman lämpötilassa (kokeile puhdistettua pakastinta) ja merkitse muistiin jokaisen diodin UF-IF-käyrä lisäämällä huolellisesti eteenpäin suuntautuvaa esijännitystä potentiometrin läpi ja dokumentoimalla tuloksena olevat JOS, kuten mittarin lukema näyttää.

Tuo seuraavaksi FM-radio lähelle varmistaaksesi, että testattava diodi ei värähtele taajuudella 94,67284 MHz (taajuus, GISp: lle dopingtasolla 10-7).

Jos huomaat tämän tapahtuvan, tietty diodi ei välttämättä sovi esillä olevaan sovellukseen. Määritä OF-alue, joka takaa -Rd lähes kaikille diodeille. Käytettävissä olevan erän diodien valmistuskynnyksen perusteella tämä alue voi olla yhtä pieni kuin esimerkiksi 180 - 230 mV.

Sovelluspiiri

Tunnelidiodien lämmöstä tuottamaa sähköä voidaan käyttää pienen Ni-Cd-akun lataamiseen.

Määritä ensin diodien määrä, joka tarvitaan lataamaan akku sen minimivirralla: Yllä olevaa UF-valintaa varten on kytkettävä sarjaan vähintään seitsemän diodia, jotta saadaan noin 45 mA: n latausvirta, kun ne lämmitetään lämpötilaan:

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

Tai noin 35 ° C, kun jäähdytyselementin lämpövastus on enintään 3,5 K / W ja kun se asennetaan auringonvalon alle (Ta 26 ° C). Jotta tämä NiCd-laturi olisi mahdollisimman tehokas, jäähdytyselementin on oltava tummanvärinen parhaan mahdollisen lämmönvaihdon saamiseksi diodeihin.

Lisäksi se ei saa olla magneettinen, kun otetaan huomioon, että mikä tahansa ulkopuolinen, indusoitu tai magneettinen kenttä aiheuttaa epävakaata stimulaatiota tunnelien varauksen kantajista.

Tämä voi siten johtaa epäilyttävään kanavavaikutukseen, että elektronit voidaan todennäköisesti koputtaa p-n-risteyksestä substraatin yli ja siten kerääntyä diodiliittimien ympärille aiheuttaen ehkä vaarallisia jännitteitä metallikotelosta riippuen.

Useat tyypin BA7891NG tunnelidiodit ovat valitettavasti hyvin herkkiä pienimmillekin magneettikentille, ja testit ovat osoittaneet, että nämä on pidettävä vaakasuorassa maanpinnan suhteen tämän estämiseksi.

Alkuperäinen prototyyppi, joka osoittaa sähköä aurinkolämmöstä tunnelidiodien avulla