Diodă tunel - Circuit de lucru și de aplicare

O diodă de tunel este un tip de diodă semiconductoare care prezintă o rezistență negativă datorită unui efect mecanic cuantic cunoscut sub numele de tunelare.

În acest post vom învăța caracteristicile de bază și funcționarea diodelor tunel și, de asemenea, un circuit simplu de aplicație folosind acest dispozitiv.

Vom vedea cum o diodă tunel ar putea fi utilizată pentru schimbarea căldurii în energie electrică și pentru încărcarea unei baterii mici.

Credit de imagine: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Prezentare generală

După o lungă dispariție din lumea semiconductorilor, dioda tunelului a fost relansată de fapt ca urmare a faptului că ar putea fi implementată pentru a converti energia termică în electricitate. Diodele tunel sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de Diodă Esaki , numit după inventatorul său japonez.

În anii nouăzeci și cincizeci și șaizeci, diodele tunel au fost implementate în multe aplicații în primul rând în circuite RF, în care calitățile lor extraordinare au fost profitate pentru a produce senzori de nivel extrem de rapid, oscilatoare, mixere și altele de genul acesta.

Cum funcționează dioda tunel

Spre deosebire de o diodă standard, o diodă tunel funcționează utilizând o substanță semiconductoare care are un nivel de dopaj incredibil de mare, ceea ce duce la stratul de epuizare dintre joncțiunea p-n pentru a deveni de aproximativ 1000 de ori mai îngust chiar și decât cele mai rapide diode de siliciu.

Odată ce dioda tunelului este polarizată înainte, un proces cunoscut sub numele de „tunelare” a fluxului de electroni începe să se întâmple în întreaga joncțiune p-n.

„Tunelarea” în semiconductorii dopați este de fapt o metodă care nu este ușor de înțeles folosind ipoteza atomică convențională și nu poate fi, probabil, acoperită în acest mic articol.

Relația dintre tensiunea directă a diodei tunelului și curentul

În timp ce testăm relația dintre tensiunea directă a diodei tunelului, UF și curent, IF, putem constata că unitatea deține o caracteristică de rezistență negativă între tensiunea de vârf, Up și tensiunea de vale, Uv, așa cum se arată în figura de mai jos.

Prin urmare, când dioda este alimentată în zona umbrită a curbei sale IF-UF, curentul înainte coboară pe măsură ce tensiunea crește. Rezistența diodei este fără îndoială negativă și este prezentată în mod normal ca -Rd.

Designul prezentat în acest articol profită de calitatea de mai sus a diodelor tunel prin implementarea unui set de dispozitive cu diode tunel conectate în serie pentru a încărca o baterie prin căldură solară (nu panoul solar).

După cum se observă în figura de mai jos, șapte sau mai multe diode tunel antimonid galiu-indiu (GISp) sunt conectate în serie și fixate pe un radiator mare, ceea ce ajută la prevenirea disipării puterii lor (diodele tunel se răcesc pe măsură ce UF crește sau crește) .

Radiatorul este utilizat pentru a permite o acumulare eficientă de căldură solară sau orice altă formă de căldură care poate fi aplicată, a cărei energie trebuie transformată într-un curent de încărcare pentru încărcarea bateriei Ni-Cd propuse.

Conversia căldurii în energie electrică folosind diode de tunel (electricitate termică)

Teoria de lucru a acestei configurații speciale este de fapt uimitor de simplă. Imaginați-vă că o rezistență obișnuită, naturală, R, este capabilă să descarce o baterie printr-un curent I = V / R. ceea ce implică faptul că o rezistență negativă va putea iniția un proces de încărcare pentru aceeași baterie, pur și simplu pentru că semnul lui I se inversează, adică: -I = V / -R.

În același mod, dacă o rezistență normală permite disiparea căldurii cu P = PR wați, o rezistență negativă va putea furniza aceeași cantitate de putere în sarcină: P = -It-R.

Ori de câte ori sarcina este o sursă de tensiune pe cont propriu cu rezistență internă relativ redusă, rezistența negativă trebuie, cu siguranță, să genereze un nivel mai mare de tensiune pentru curentul de încărcare, Ic, pentru curgere, care este dat de formula:

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

Referindu-ne la adnotarea Σ (Rd), se înțelege imediat că toate diodele din secvența șirurilor trebuie rulate în interiorul regiunii -Rd, în principal pentru că orice diodă individuală cu o caracteristică + Rd ar putea termina obiectivul.

Testarea diodelor tunelului

Pentru a vă asigura că toate diodele prezintă o rezistență negativă, ar putea fi proiectat un circuit de testare simplu, așa cum este prezentat în figura următoare.

Observați că contorul ar trebui specificat pentru a indica polaritatea curentului, deoarece s-ar putea întâmpla ca o diodă specifică să aibă un raport IP: Iv cu adevărat excesiv (panta tunelului) determinând încărcarea neașteptată a bateriei la implementarea unei mici polarizări directe.

Analiza trebuie efectuată la o temperatură atmosferică sub 7 ° C (încercați un congelator curățat) și notați curba UF-IF pentru fiecare diodă crescând meticulos polarizarea înainte prin potențiometru și documentând magnitudinile rezultate ale IF, așa cum este afișat pe citirea contorului.

Apoi, aduceți un radio FM aproape pentru a vă asigura că dioda care este testată nu oscilează la 94,67284 MHz (Freq, pentru GISp la nivel de dopaj 10-7).

Dacă găsiți acest lucru, dioda specifică poate fi inadecvată pentru aplicația de față. Determinați gama OF care garantează -Rd pentru aproape toate diodele. Pe baza pragului de fabricație a diodelor din lotul disponibil, acest interval ar putea fi la fel de minim ca, să zicem, 180 până la 230 mV.

Circuitul de aplicare

Electricitatea generată de diodele tunelului din căldură poate fi utilizată pentru încărcarea unei mici baterii Ni-Cd.

Determinați mai întâi cantitatea de diode necesare pentru încărcarea bateriei prin curentul său minim: pentru selecția UF de mai sus, un minim de șapte diode vor trebui conectate în serie pentru a asigura un curent de încărcare de aproximativ 45 mA când sunt încălzite la un nivel de temperatură de:

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

Sau aproximativ 35 ° C atunci când rezistența termică a radiatorului nu depășește 3,5 K / W și când este instalat la lumina maximă a soarelui (Ta 26 ° C). Pentru a obține eficiența maximă a acestui încărcător NiCd, radiatorul trebuie să fie de culoare închisă pentru cel mai bun schimb de căldură posibil la diode.

În plus, nu trebuie să fie magnetic, având în vedere că orice fel de câmp exterior, indus sau magnetic, va provoca stimularea instabilă a purtătorilor de încărcare din tuneluri.

În consecință, acest lucru poate duce la efectul de conductă nebănuit, probabil că electronii pot fi izbiți de joncțiunea p-n peste substrat și astfel se pot acumula în jurul bornelor diodei, declanșând tensiuni poate periculoase în funcție de carcasa metalică.

Mai multe diode tunel de tip BA7891NG sunt, din păcate, foarte sensibile la câmpurile magnetice minuscule, iar testele au dovedit că acestea trebuie menținute orizontal în ceea ce privește suprafața pământului pentru a interzice acest lucru.

Prototip original care demonstrează electricitatea din căldura solară folosind diode de tunel