Predorska dioda - Delovno in aplikacijsko vezje

Tunelska dioda je vrsta polprevodniške diode, ki ima negativno upornost zaradi kvantno-mehanskega učinka, znanega kot tuneliranje.

V tem prispevku bomo spoznali osnovne značilnosti in delovanje tunelskih diod ter preprosto vezje za uporabo te naprave.

Videli bomo, kako bi lahko tunelsko diodo uporabili za spreminjanje toplote v elektriko in za polnjenje majhne baterije.

Kreditna slika: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Pregled

Po dolgem izginotju iz polprevodniškega sveta je bila tunelska dioda dejansko ponovno lansirana zaradi dejstva, da bi jo lahko uporabili za pretvorbo toplotne energije v električno energijo. Tunelske diode so znane tudi kot Esaki dioda , poimenovano po svojem japonskem izumitelju.

V devetdesetih petdesetih in šestdesetih letih so bile tunelske diode vgrajene v veliko aplikacij, predvsem v RF vezjih, v katerih so bile njihove izredne lastnosti izkoriščene za izdelavo izjemno hitrih nivojskih senzorjev, oscilatorjev, mešalnikov in podobnih stvari.

Kako deluje tunelska dioda

V nasprotju s standardno diodo tunelska dioda deluje s polprevodniško snovjo, ki ima neverjetno veliko stopnjo dopinga, kar povzroči, da izčrpajoča plast med stikom p -n postane približno 1000-krat ožja kot najhitrejše silicijeve diode.

Ko je tunelska dioda usmerjena naprej, se začne postopek, znan kot 'tuneliranje' elektronskega toka, skozi p-n križišče.

„Tuneliranje“ v dopiranih polprevodnikih je pravzaprav metoda, ki je s konvencionalno atomsko hipotezo težko razumljiva, in je morda ni mogoče obravnavati v tem majhnem članku.

Razmerje med napetostjo in tokom predorske diode

Med preskušanjem razmerja med prednjo napetostjo UF in tokom IF predorne diode lahko ugotovimo, da je enota lastnik negativne karakteristike upora med najvišjo napetostjo Up in dolino Uv, kot je prikazano na sliki spodaj.

Torej, ko se dioda napaja znotraj zasenčenega območja svoje krivulje IF-UF, se tok naprej znižuje, ko napetost narašča. Odpornost diode je nedvomno negativna in je običajno predstavljena kot -Rd.

Zasnova, predstavljena v tem članku, izkorišča zgoraj navedeno kakovost tunelskih diod z izvedbo niza serijsko povezanih tunelskih diodnih naprav za polnjenje baterije skozi sončna toplota (ne sončna plošča).

Kot je razvidno iz spodnje slike, je sedem ali več tunelskih diod Gallium-Indium Antimonide (GISp) zaporedno priključenih in pritrjenih na velik hladilnik, kar pomaga preprečiti izgubo njihove moči (tunelske diode se ohladijo, ko se UF poveča ali poveča) .

Heatsink se uporablja za učinkovito kopičenje sončne toplote ali katere koli druge oblike toplote, ki jo je mogoče uporabiti, katere energija se pretvori v polnilni tok za polnjenje predlagane Ni-Cd baterije.

Pretvorba toplote v električno energijo s pomočjo predorskih diod (toplotna elektrika)

Delovna teorija te posebne konfiguracije je pravzaprav neverjetno enostavna. Predstavljajte si navaden, naravni, uporovni R, ki lahko akumulator izprazni s tokom I = V / R. kar pomeni, da bo negativni upor lahko sprožil postopek polnjenja iste baterije, preprosto zato, ker se znak I obrne, to je: -I = V / -R.

Na enak način, če običajni upor omogoča odvajanje toplote s P = PR vati, bo negativni upor lahko zagotovil enako moč v obremenitvi: P = -It-R.

Kadar je obremenitev vir napetosti sama s sorazmerno zmanjšano notranjo upornostjo, mora negativni upor zagotovo ustvariti večjo napetost toka polnilnega toka Ic, ki je podana s formulo:

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

Glede sklicevanja na pripis Σ (Rd) se takoj razume, da je treba vse diode znotraj zaporedja nizov voditi znotraj območja -Rd, predvsem zato, ker lahko katera koli posamezna dioda z + Rd značilnostjo konča cilj.

Preskušanje tunelskih diod

Da bi zagotovili, da imajo vse diode negativni upor, bi lahko zasnovali neposredno preskusno vezje, kot je razkrito na naslednji sliki.

Upoštevajte, da mora biti merilnik določen tako, da prikazuje polarnost toka, ker se lahko zelo zgodi, da ima določena dioda resnično previsoko razmerje IP: Iv (naklon predora), zaradi česar se akumulator nepričakovano napolni ob majhnem prednapetosti.

Analizo je treba opraviti pri atmosferski temperaturi pod 7 ° C (poskusite z očiščenim zamrzovalnikom) in si za vsako posamezno diodo zapišite krivuljo UF-IF, tako da natančno povečate prednaklon skozi potenciometer in dokumentirate nastale velikosti ČE, kot je prikazano na odčitku števca.

Nato približajte FM radio in se prepričajte, da preskušana dioda ne niha pri 94,67284 MHz (Freq, za GISp na nivoju dopinga 10-7).

Če se vam to zgodi, je določena dioda morda neprimerna za trenutno aplikacijo. Določite obseg OF, ki zagotavlja -Rd za skoraj vse diode. Glede na proizvodni prag diod v razpoložljivi seriji bi lahko bilo to območje minimalno, recimo, od 180 do 230 mV.

Aplikacijsko vezje

Električno energijo, ki jo tunelske diode proizvajajo iz toplote, lahko uporabimo za polnjenje majhne Ni-Cd baterije.

Najprej določite količino diod, potrebnih za polnjenje akumulatorja skozi njen minimalni tok: za zgornjo izbiro UF bo treba zaporedno povezati najmanj sedem diod, da bodo med ogrevanjem zagotovili polnilni tok približno 45 mA do temperature:

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

Ali približno 35 ° C, ko toplotna odpornost hladilnika ni večja od 3,5 K / W in če je nameščen pod največjo sončno svetlobo (Ta 26 ° C). Da ima polnilnik NiCd največjo možno učinkovitost, mora biti hladilnik temno obarvan za najboljšo možno izmenjavo toplote na diode.

Poleg tega ne sme biti magnetno, saj bo kakršno koli zunanje polje, inducirano ali magnetno, povzročilo nestabilno stimulacijo nosilcev naboja v predorih.

To lahko posledično povzroči nič hudega sluteče učinke elektronov, ki bi se verjetno strgali s p -n spoja čez podlago in se tako kopičili okoli priključkov diode, kar bi sprožilo morda nevarne napetosti, odvisno od kovinskega ohišja.

Več tunelskih diod tipa BA7891NG je na žalost zelo občutljivih na najmanjša magnetna polja, testi pa so dokazali, da jih je treba med seboj vzdrževati vodoravno glede na zemeljsko površino.

Izvirni prototip, ki prikazuje električno energijo iz sončne toplote s tunelskimi diodami