Tunelio diodas - darbo ir taikymo grandinė

Tunelio diodas yra puslaidininkio diodo tipas, kuriam būdingas neigiamas atsparumas dėl kvantinio mechaninio poveikio, vadinamo tuneliu.

Šiame įraše sužinosime pagrindines tunelio diodų charakteristikas ir veikimą, taip pat paprastą taikymo grandinę naudodami šį įrenginį.

Pamatysime, kaip tunelio diodas galėtų būti naudojamas šilumai pakeisti į elektrą ir įkrauti mažą bateriją.

Vaizdo kreditas: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Apžvalga

Po ilgo dingimo iš puslaidininkių pasaulio tunelio diodas buvo iš tikrųjų paleistas iš naujo dėl to, kad jį būtų galima įgyvendinti šilumos energiją paversti elektra. Tunelio diodai taip pat žinomi kaip Esaki diodas , pavadintas japonų išradėjo vardu.

Devyniolikoje penkiasdešimt ir šešiasdešimt dešimtmečių tunelio diodai buvo pritaikyti daugybėje programų, visų pirma radijo dažnių grandinėse, kurių ypatingomis savybėmis buvo pasinaudota gaminant ypač greito lygio jutiklius, osciliatorius, maišytuvus ir panašius dalykus.

Kaip veikia tunelio diodas

Skirtingai nuo standartinio diodo, tunelio diodas veikia naudojant puslaidininkinę medžiagą, kurios dopingo lygis yra neįtikėtinai didelis, todėl išeikvojimo sluoksnis tarp p -n sankryžos tampa maždaug 1000 kartų siauresnis net už greičiausius silicio diodus.

Kai tunelio diodas yra nukreiptas į priekį, procesas, vadinamas elektronų srauto „tuneliu“, prasideda visoje p-n sankryžoje.

Legiruotų puslaidininkių „tuneliavimas“ iš tikrųjų yra lengvai suprantamas metodas, naudojant įprastą atominę hipotezę, ir galbūt jo negalima aptarti šiame mažame straipsnyje.

Tunelio diodo priekinės įtampos ir srovės ryšys

Tikrindami ryšį tarp tunelio diodo priekinės įtampos, UF ir srovės, IF, galime pastebėti, kad įrenginiui būdinga neigiama pasipriešinimo charakteristika tarp smailės įtampos Up ir slėnio įtampos Uv, kaip parodyta žemiau.

Todėl, kai diodas maitinamas tamsesnėje jo IF-UF kreivės srityje, įtampa didėja. Diodo varža be jokių abejonių yra neigiama ir paprastai pateikiama kaip -Rd.

Šiame straipsnyje pateiktas dizainas naudojasi aukščiau išvardytų tunelių diodų kokybe, įgyvendindamas nuosekliai sujungtų tunelio diodų įtaisų rinkinį, kad įkrautų bateriją saulės šiluma (ne saulės baterija).

Kaip parodyta žemiau esančiame paveikslėlyje, septyni ar daugiau galio-indio antimonido (GISp) tunelio diodų yra pajungiami nuosekliai ir pritvirtinami ant didelio radiatoriaus, kuris padeda išvengti jų galios išsisklaidymo (tunelio diodai atvėssta, kai UF didėja arba padidėja) .

Radiatorius naudojamas efektyviai kaupti saulės šilumą ar bet kokią kitą galimą šilumos rūšį, kurios energiją reikia paversti įkrovimo srove siūlomai Ni-Cd baterijai įkrauti.

Konvertuoti šilumą į elektrą naudojant tunelio diodus (šiluminę elektrą)

Šios specialios konfigūracijos darbo teorija iš tikrųjų yra nuostabiai paprasta. Įsivaizduokite, kad įprastas, natūralus atsparumas, R, gali iškrauti akumuliatorių per srovę I = V / R. o tai reiškia, kad neigiamas pasipriešinimas galės pradėti to paties akumuliatoriaus įkrovimo procesą vien dėl to, kad I ženklas pasikeis, ty: -I = V / -R.

Lygiai taip pat, jei normalus pasipriešinimas leidžia išsklaidyti šilumą P = PR vatais, neigiamas pasipriešinimas galės tiekti tą patį galios vatą į apkrovą: P = -It-R.

Kai apkrova yra atskiras įtampos šaltinis su santykinai mažesniu vidiniu pasipriešinimu, neigiamas pasipriešinimas, be abejo, turi sukelti didesnį įtampos lygį, kad tekėtų įkrovos srovė Ic, kuri pateikiama pagal formulę:

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

Remiantis anotacija Σ (Rd), iškart suprantama, kad visi eilutės sekos diodai turi būti paleisti -Rd srityje, daugiausia todėl, kad bet kuris atskiras diodas su + Rd charakteristika gali nutraukti tikslą.

Tunelio diodų bandymas

Norint įsitikinti, kad visi diodai turi neigiamą atsparumą, galima suprojektuoti nesudėtingą bandymo grandinę, kaip parodyta kitame paveiksle.

Atkreipkite dėmesį, kad skaitiklis turėtų būti nurodytas srovės poliškumui nurodyti, nes gali labai atsitikti taip, kad konkretus diodas turi tikrai per didelį IP: Iv santykį (tunelio nuolydį), dėl kurio baterija netikėtai įkraunama įgyvendinant nedidelį priekinį poslinkį.

Analizė turi būti atliekama žemesnėje nei 7 ° C atmosferos temperatūroje (išbandykite išvalytą šaldiklį) ir užrašykite kiekvieno diodo UF-IF kreivę, kruopščiai padidindami priekinį poslinkį per potenciometrą ir dokumentuodami gautus IF, kaip parodyta skaitiklio rodmenyje.

Po to priartinkite FM radiją, kad įsitikintumėte, jog bandomasis diodas nesvyruoja 94,67284 MHz dažniu (dažnis, GISp esant dopingo lygiui 10–7).

Jei pastebėsite, kad tai vyksta, konkretus diodas gali būti netinkamas šiai programai. Nustatykite OF diapazoną, kuris garantuoja -Rd beveik visiems diodams. Remiantis diodų gamybos riba turimoje partijoje, šis diapazonas galėtų būti toks minimalus, kaip, tarkime, nuo 180 iki 230 mV.

Taikymo grandinė

Tunelio diodų iš šilumos gaunama elektra gali būti naudojama mažai Ni-Cd baterijai įkrauti.

Pirmiausia nustatykite diodų kiekį, reikalingą akumuliatoriui įkrauti per minimalią srovę: norint pasirinkti aukščiau nurodytą UF, teks nuosekliai prijungti mažiausiai septynis diodus, kad sušildžius jie gautų maždaug 45 mA įkrovimo srovę iki temperatūros lygio:

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

Arba maždaug 35 ° C, kai radiatoriaus šiluminė varža yra ne didesnė kaip 3,5 K / W ir kai jis sumontuotas esant didžiausiai saulės šviesai (Ta 26 ° C). Kad šis NiCd įkroviklis būtų maksimaliai efektyvus, radiatorius turi būti tamsios spalvos, kad šiluma būtų kuo geriau keičiama į diodus.

Be to, jis neturi būti magnetinis, atsižvelgiant į tai, kad bet koks išorinis laukas, sukeltas ar magnetinis, sukels nestabilų tunelių krūvininkų stimuliavimą.

Tai gali sukelti neįtariamą ortakio efektą. Elektronai gali būti išmušti iš p-n sankryžos virš pagrindo ir taip kauptis aplink diodo gnybtus, sukelti galimą pavojingą įtampą, priklausomai nuo metalinio korpuso.

Deja, keli BA7891NG tipo tunelio diodai, deja, yra labai jautrūs smulkiausiems magnetiniams laukams, ir bandymai parodė, kad norint tai užkirsti kelią, žemės paviršių reikia palaikyti horizontaliai.

Originalus prototipas, rodantis elektros energiją iš saulės šilumos naudojant tunelio diodus