Tunneldiode - Arbejds- og applikationskredsløb

Tunneldiode - Arbejds- og applikationskredsløb

En tunneldiode er en type halvlederdiode, som har en negativ modstand på grund af en kvantemekanisk virkning kendt som tunneling.



I dette indlæg lærer vi de grundlæggende egenskaber og bearbejdning af tunneldioder og også et simpelt applikationskredsløb ved hjælp af denne enhed.

Vi vil se, hvordan en tunneldiode kunne bruges til at skifte varme til elektricitet og til opladning af et lille batteri.





Tunneldiode

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

Oversigt

Efter en lang forsvinden fra halvlederverdenen, tunneldioden, er faktisk blevet genstartet som et resultat af, at den kunne implementeres for at konvertere varmeenergi til elektricitet. Tunneldioder er også kendt som Esaki-diode , opkaldt efter sin japanske opfinder.



I de nittende halvtreds og tresserne blev tunneldioder implementeret i mange applikationer primært i RF-kredsløb, hvor deres ekstraordinære kvaliteter blev udnyttet til at producere ekstremt hurtige sensorer, oscillatorer, blandere og lignende.

Hvordan tunneldiode fungerer

I modsætning til en standarddiode fungerer en tunneldiode ved at anvende et halvledermateriale, der har et utroligt stort dopingniveau, hvilket fører til nedbrydningslaget mellem p-n-krydset til at blive ca. 1000 gange snævrere end de hurtigste siliciumdioder.

Når tunneldioden er forudindtaget, begynder en proces kendt som 'tunneling' af elektronstrømmen at ske gennem p-n-krydset.

'Tunneling' i dopede halvledere er faktisk en metode, der ikke er let forståelig ved hjælp af konventionel atomhypotese, og kan måske ikke dækkes af denne lille artikel.

Forholdet mellem tunneldiode fremadspænding og strøm

Mens vi tester forholdet mellem en tunneldiodes fremadspænding, UF og strøm, IF, kan vi finde ud af, at enheden ejer en negativ modstandskarakteristik mellem spidsen op, og dalspændingen, Uv, som vist i figur nedenfor.

tunnel diode fremadspænding og fremadgående karakteristisk kurve

Derfor, når dioden får strøm inden for det skraverede område af sin IF-UF-kurve, kommer fremadstrømmen ned, når spændingen går op. Diodens modstand er uden tvivl negativ og præsenteres normalt som -Rd.

Designet, der præsenteres i denne artikel, drager fordel af ovenstående kvalitet af tunneldioder ved at implementere et sæt serieforbundne tunneldiodeindretninger til at oplade et batteri gennem solvarme (ikke solcellepanel).

Som observeret i figur nedenfor er syv eller flere Gallium-Indium Antimonide (GISp) tunneldioder tilsluttet i serie og fastspændt på en stor kølelegeme, hvilket hjælper med at forhindre spredning af deres effekt (tunneldioder bliver køligere, når UF går højere eller øges) .

generere elektricitet fra varme ved hjælp af tunneldioder

Kølelegeme bruges til at muliggøre en effektiv ophobning af solvarme eller enhver anden form for varme, der kan påføres, hvis energi skal transformeres til en ladestrøm til opladning af det foreslåede Ni-Cd batteri.

Konverter varme til elektricitet ved hjælp af tunneldioder (termisk elektricitet)

Arbejdsteorien for denne specielle konfiguration er faktisk utrolig ligetil. Forestil dig, at en almindelig, naturlig modstand, R, er i stand til at aflade et batteri gennem en strøm I = V / R. hvilket antyder, at en negativ modstand vil være i stand til at starte en opladningsproces for det samme batteri, simpelthen fordi tegnet på I bliver omvendt, det vil sige: -I = V / -R.

På samme måde, hvis en normal modstand tillader varmeafledning med P = PR watt, vil en negativ modstand være i stand til at give den samme mængde watt i belastningen: P = -It-R.

Når belastningen alene er en spændingskilde med relativt reduceret intern modstand, skal den negative modstand helt sikkert generere et større spændingsniveau for ladestrømmen, Ic, til at strømme, som er givet ved formlen:

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

Med henvisning til kommentaren ann (Rd) forstås det med det samme, at alle dioder inden for strengsekvensen skal køres inden for -Rd-regionen, hovedsageligt fordi enhver individuel diode med en + Rd-karakteristik kan afslutte målet.

Test af tunneldioder

For at sikre, at alle dioder udviser en negativ modstand, kunne et ligetil testkredsløb konstrueres som afsløret i den følgende figur.

hvordan man tester tunneldioder

Vær opmærksom på, at måleren skal specificeres for at indikere strømens polaritet, fordi det meget godt kan ske, at en bestemt diode har et virkelig overdreven IP: Iv-forhold (tunnelhældning), hvilket får batteriet til uventet opladet ved implementering af en lille fremadspænding.

Analysen skal udføres ved en atmosfærisk temperatur under 7 ° C (prøv en renset fryser), og noter UF-IF-kurven for hver enkelt diode ved omhyggeligt at øge den forreste forspænding gennem potentiometeret og dokumentere de resulterende størrelser af IF, som vist på måleraflæsningen.

Derefter skal du bringe en FM-radio i nærheden for at sikre dig, at dioden, der testes, ikke svinger ved 94,67284 MHz (Freq, for GISp på dopingniveau 10-7).

Hvis du finder ud af, at dette sker, kan den specifikke diode muligvis være uegnet til denne applikation. Bestem området for OF, der garanterer -Rd for næsten alle dioder. Baseret på produktionstærsklen for dioderne i det tilgængelige parti kan dette interval være så minimalt som f.eks. 180 til 230 mV.

Applikationskredsløb

Den elektricitet, der genereres af tunneldioder fra varme, kan bruges til opladning af et lille Ni-Cd-batteri.

Bestem først den mængde dioder, der er nødvendige for at oplade batteriet gennem dets minimale strøm: til ovenstående valg af UF skal mindst syv dioder tilsluttes i serie for at give en ladestrøm på ca. 45 mA, når de opvarmes til et temperaturniveau på:

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

Eller cirka 35 ° C, når kølelegemets termiske modstand ikke er mere end 3,5 K / W, og når den installeres i spids sollys (Ta 26 ° C). For at få den maksimale effektivitet ud af denne NiCd-oplader skal kølepladen være mørkfarvet for at få den bedst mulige varmeudveksling til dioderne.

Derudover må det ikke være magnetisk, i betragtning af at enhver form for udefelt, induceret eller magnetisk, vil forårsage ustabil stimulering af ladningsbærerne i tunnellerne.

Dette kan følgelig medføre, at intetanende kanaleffekt elektroner sandsynligvis kan bankes fra fra p-n-krydset over substratet og derved opbygges omkring diodeterminalerne, hvilket udløser måske farlige spændinger afhængigt af metalhus.

Flere tunneldioder Type BA7891NG er desværre meget følsomme over for de mindste magnetfelter, og test har vist, at disse skal holdes vandret i forhold til jordoverfladen for at interdikere dette.

Original prototype, der demonstrerer elektricitet fra solvarme ved hjælp af tunneldioder

solvarme til elektricitet ved hjælp af tunnel diode applikation kredsløb


Forrige: Sådan tilslutter du et MQ-135-gassensormodul korrekt Næste: Triacs - Arbejds- og applikationskredsløb