Tunnelidiood - töö- ja rakendusahel

Tunnelidiood on pooljuhidioodi tüüp, millel on tunneltööna tuntud kvantmehaanilise efekti tõttu negatiivne takistus.

Selles postituses õpime tunneldioodide põhiomadusi ja toimimist ning selle seadme abil ka lihtsat rakendusahelat.

Näeme, kuidas saaks tunneli dioodi kasutada soojuse muutmiseks elektriks ja väikese aku laadimiseks.

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

Ülevaade

Pärast pikka kadumist pooljuhtide maailmast on tunnelidiood tegelikult uuesti käivitatud, kuna seda oli võimalik rakendada soojusenergia muundamiseks elektriks. Tunnelidioodid on tuntud ka kui Esaki diood , mis on nimetatud Jaapani leiutaja järgi.

Üheksateistkümnendatel viiekümnendatel ja kuuekümnendatel rakendati tunnelidioode paljudes rakendustes, peamiselt RF-ahelates, kus nende erakordseid omadusi kasutati ülikiirete tasemeandurite, ostsillaatorite, segistite ja muu sellise tootmiseks.

Kuidas tunnelidiood töötab

Vastupidiselt tavalisele dioodile töötab tunnelidiood, kasutades pooljuhtainet, millel on uskumatult suur dopingutase, mis viib p-n ristmiku vahelise ammendumiskihi muutumiseni isegi kõige kiirematest ränidioodidest umbes 1000 korda.

Kui tunnelidiood on ettepoole kallutatud, algab kogu p-n ristmikul protsess, mida nimetatakse elektronvoolu tunneliks.

Legeeritud pooljuhtide 'tunnelimine' on tegelikult meetod, mida tavapäraste aatomhüpoteeside abil pole hõlpsasti mõistetav, ja seda ei pruugi selles väikeses artiklis käsitleda.

Tunnelidioodi ettepoole suunatud pinge ja voolu suhe

Tunnelidioodi ettepoole suunatud pinge, UF ja voolu (IF) seose testimisel võime leida, et seadmel on tipppinge Up ja oru pinge Uv negatiivne takistus, nagu on näidatud allpool joonisel.

Seega, kui dioodi toiteallikas on selle IF-UF kõvera varjutatud ala, siis pinge tõusmisel langeb ettepoole suunatud vool alla. Dioodi takistus on kahtlemata negatiivne ja tavaliselt on see -Rd.

Selles artiklis esitatud disain kasutab ära tunnelidioodide ülaltoodud kvaliteeti, rakendades seeriaga ühendatud tunnelidioodiseadmete komplekti aku laadimiseks päikesesoojus (mitte päikesepaneel).

Nagu on näidatud allpool toodud joonisel, on seitse või enam gallium-indiumantimoniidi (GISp) tunnelidioodi järjestikku ühendatud ja kinnitatud suurele jahutusradiaatorile, mis aitab vältida nende jõu hajumist (tunneli dioodid muutuvad jahedamaks, kui UF tõuseb kõrgemale või suureneb) .

Radiaatorit kasutatakse päikese soojuse või mis tahes muu rakendatava soojuse efektiivse kogunemise võimaldamiseks, mille energia tuleb kavandatava Ni-Cd aku laadimiseks muundada laadimisvooluks.

Soojuse muundamine elektriks tunneldioodide (soojusenergia) abil

Selle erilise konfiguratsiooni tööteooria on tegelikult hämmastavalt sirgjooneline. Kujutage ette, et tavaline, loomulik vastupidavus R on võimeline akut tühjendama voolu I = V / R kaudu. mis tähendab, et negatiivne takistus on võimeline algatama sama aku laadimisprotsessi lihtsalt seetõttu, et I märk muutub vastupidiseks, see tähendab: -I = V / -R.

Samamoodi, kui normaalne takistus võimaldab soojuse hajumist P = PR vattidega, suudab negatiivne takistus anda koormusele sama palju võimsust: P = -It-R.

Kui koormus on omaette pingeallikas, millel on suhteliselt madalam sisetakistus, peab negatiivne takistus kindlasti tekitama laenguvoolu Ic voolamiseks suurema pinge, mis on antud valemiga:

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

Viidates märkusele Σ (Rd), mõistetakse kohe, et kõik stringijärjestuses olevad dioodid tuleb käitada -Rd piirkonnas, peamiselt seetõttu, et ükski + Rd karakteristikaga üksikdiood võib objektiivi lõpetada.

Tunnelidioodide testimine

Veendumaks, et kõigil dioodidel on negatiivne takistus, võiks konstrueerida otsese katseahela, nagu on näidatud järgmisel joonisel.

Pange tähele, et arvesti peaks olema määratud voolu polaarsuse tähistamiseks, sest võib juhtuda, et konkreetsel dioodil on tõesti liiga suur IP: Iv suhe (tunneli kalle), mis põhjustab väikese ettepoole suunatud kallutamise korral ootamatult aku laetuse.

Analüüs tuleb läbi viia õhutemperatuuril alla 7 ° C (proovige puhastatud sügavkülmikut) ja märkige üles iga dioodi UF-IF kõver, suurendades hoolikalt potentsiomeetri kaudu ettepoole suunatud kallutatust ja dokumenteerides sellest tulenevad KUI, nagu kuvatakse loenduri näidul.

Järgmisena viige FM-raadio lähedale, et veenduda, et testitav diood ei võnkuks sagedusel 94,67284 MHz (sagedus, GISp puhul dopingutasemel 10–7).

Kui leiate, et see juhtub, võib konkreetne diood olla selle rakenduse jaoks sobimatu. Määrake OF vahemik, mis tagab -Dd peaaegu kõigi dioodide jaoks. Saadud partii dioodide tootmiskünnise põhjal võib see vahemik olla nii minimaalne kui näiteks 180 kuni 230 mV.

Rakendusahel

Tunnelidioodide poolt soojusest toodetud elektrit saab kasutada väikese Ni-Cd aku laadimiseks.

Kõigepealt määrake akude laadimiseks vajalike dioodide arv minimaalse voolu kaudu: ülaltoodud UF-i valimiseks tuleb järjestikku ühendada vähemalt seitse dioodi, et anda nende soojendamisel umbes 45 mA laadimisvoolu temperatuurini:

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

Või umbes 35 ° C, kui jahutusradiaatori soojustakistus ei ületa 3,5 K / W ja kui see on paigaldatud päikesevalguse kätte (Ta 26 ° C). NiCd laadija maksimaalse efektiivsuse saavutamiseks peab jahutusradiaator olema dioodidele parimal võimalikul soojusvahetusel tumedat värvi.

Lisaks ei tohi see olla magnetiline, arvestades, et igasugune indutseeritud või magnetväline väli põhjustab tunnelites laengukandjate ebastabiilset stimulatsiooni.

Sellest tulenevalt võib see põhjustada pahaaimamatu kanali efekti, mis võivad tõenäoliselt p-n ristmikust üle substraadi koputada ja seeläbi koguneda dioodiklemmide ümber, vallandades metallist korpusest sõltuvalt ohtlikud pinged.

Mitmed BA7891NG tüüpi tunnelidioodid on kahjuks väga tundlikud väikseimate magnetväljade suhtes ja katsed on tõestanud, et selle keelamiseks tuleb neid maapinna suhtes horisontaalselt hoida.

Algne prototüüp, mis demonstreerib päikeseküttega elektrit tunneldioodide abil