Tunneldiode - werk- en toepassingscircuit

Een tunneldiode is een soort halfgeleiderdiode die een negatieve weerstand vertoont vanwege een kwantummechanisch effect dat bekend staat als tunneling.

In dit bericht zullen we de basiskenmerken en werking van tunneldiodes leren, en ook een eenvoudig toepassingscircuit met dit apparaat.

We zullen zien hoe een tunneldiode kan worden gebruikt om warmte om te zetten in elektriciteit en om een ​​kleine batterij op te laden.

Afbeelding tegoed: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Overzicht

Na een lange verdwijning uit de halfgeleiderwereld is de tunneldiode feitelijk opnieuw gelanceerd als gevolg van het feit dat deze zou kunnen worden geïmplementeerd om warmte-energie om te zetten in elektriciteit. Tunneldiodes zijn ook bekend als Esaki-diode , genoemd naar de Japanse uitvinder.

In de jaren vijftig en zestig werden tunneldiodes geïmplementeerd in veel toepassingen, voornamelijk in RF-circuits, waarbij hun buitengewone kwaliteiten werden benut voor het produceren van extreem snelle niveausensoren, oscillatoren, mixers en dat soort dingen.

Hoe tunneldiode werkt

In tegenstelling tot een standaarddiode werkt een tunneldiode met een halfgeleidersubstantie die een ongelooflijk hoog dopingniveau heeft, waardoor de uitputtingslaag tussen de p-n-overgang ongeveer 1000 keer smaller wordt, zelfs dan de snelste siliciumdiodes.

Zodra de tunneldiode voorwaarts is voorgespannen, begint een proces dat bekend staat als 'tunneling' van de elektronenstroom door de p-n-overgang.

'Tunnelen' in gedoteerde halfgeleiders is eigenlijk een methode die niet gemakkelijk te begrijpen is met de conventionele atoomhypothese, en kan misschien niet worden behandeld in dit kleine artikel.

Verband tussen voorwaartse spanning en stroom van de tunneldiode

Bij het testen van de relatie tussen de voorwaartse spanning, UF en stroom IF van een tunneldiode, kunnen we ontdekken dat de eenheid een negatieve weerstandskarakteristiek bezit tussen de piekspanning, Up, en de dalspanning, Uv, zoals aangetoond in onderstaande figuur.

Daarom, wanneer de diode wordt gevoed binnen het gearceerde gebied van zijn IF-UF-curve, daalt de voorwaartse stroom naarmate de spanning stijgt. De weerstand van de diode is zonder enige twijfel negatief, en wordt normaal gesproken weergegeven als -Rd.

Het ontwerp dat in dit artikel wordt gepresenteerd, maakt gebruik van de bovenstaande kwaliteit van tunneldiodes door een reeks serieel verbonden tunneldiode-apparaten te implementeren om een ​​batterij op te laden via zonnewarmte (niet zonnepaneel).

Zoals te zien is in het onderstaande figuur, zijn zeven of meer Gallium-Indium Antimonide (GISp) tunneldiodes in serie aangesloten en vastgeklemd op een groot koellichaam, wat helpt om dissipatie van hun vermogen te voorkomen (tunneldiodes worden koeler naarmate UF hoger of hoger wordt) .

Heatsink wordt gebruikt om een ​​effectieve accumulatie van zonnewarmte mogelijk te maken, of elke andere vorm van warmte die kan worden toegepast, waarvan de energie moet worden omgezet in een laadstroom voor het opladen van de voorgestelde Ni-Cd-batterij.

Zet warmte om in elektriciteit met behulp van tunneldiodes (thermische elektriciteit)

De werktheorie van deze speciale configuratie is eigenlijk verbazingwekkend eenvoudig. Stel je voor dat een gewone, natuurlijke weerstand, R, een batterij kan ontladen via een stroom I = V / R. wat inhoudt dat een negatieve weerstand een laadproces voor dezelfde batterij kan starten, simpelweg omdat het teken van I wordt omgekeerd, dat wil zeggen: -I = V / -R.

Op dezelfde manier, als een normale weerstand warmteafvoer mogelijk maakt met P = PR watt, zal een negatieve weerstand dezelfde hoeveelheid wattage in de belasting kunnen leveren: P = -It-R.

Telkens wanneer de belasting op zichzelf een spanningsbron is met relatief verminderde interne weerstand, moet de negatieve weerstand zeker een hoger spanningsniveau genereren om de laadstroom, Ic, te laten stromen, wat wordt gegeven door de formule:

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

Verwijzend naar de annotatie Σ (Rd) is het meteen duidelijk dat alle diodes binnen de stringreeks binnen het -Rd-gebied moeten lopen, voornamelijk omdat elke individuele diode met een + Rd-karakteristiek het doel zou kunnen beëindigen.

Tunneldiodes testen

Om er zeker van te zijn dat alle diodes een negatieve weerstand hebben, zou een eenvoudig testcircuit kunnen worden ontworpen zoals getoond in de volgende afbeelding.

Merk op dat de meter moet worden gespecificeerd om de polariteit van de stroom aan te geven, omdat het heel goed kan gebeuren dat een specifieke diode een echt buitensporige IP: Iv-verhouding (tunnelhelling) heeft, waardoor de batterij onverwachts wordt opgeladen bij het implementeren van een kleine voorwaartse voorspanning.

De analyse moet worden uitgevoerd bij een atmosferische temperatuur lager dan 7 ° C (probeer een schoongemaakte vriezer), en noteer de UF-IF-curve voor elke afzonderlijke diode door de voorwaartse voorspanning door de potentiometer nauwkeurig te verhogen en de resulterende grootten van IF, zoals weergegeven op de meterstand.

Breng vervolgens een FM-radio in de buurt om er zeker van te zijn dat de diode die wordt getest niet oscilleert op 94,67284 MHz (Freq, voor GISp op dopingniveau 10-7).

Als u merkt dat dit gebeurt, is de specifieke diode mogelijk niet geschikt voor de huidige toepassing. Bepaal het bereik van OF dat -Rd garandeert voor zowat alle diodes. Op basis van de productiedrempel van de diodes in de beschikbare partij, zou dit bereik zo minimaal kunnen zijn als bijvoorbeeld 180 tot 230 mV.

Toepassingscircuit

De elektriciteit die door tunneldiodes uit warmte wordt opgewekt, kan worden gebruikt voor het opladen van een kleine Ni-Cd-batterij.

Bepaal eerst het aantal diodes dat nodig is om de batterij op te laden door zijn minimale stroom: voor de bovenstaande selectie van UF zullen minimaal zeven diodes in serie moeten worden geschakeld om een ​​laadstroom van ongeveer 45 mA te leveren wanneer ze zijn opgewarmd tot een temperatuurniveau van:

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

Of ongeveer 35 ° C wanneer de thermische weerstand van het koellichaam niet meer is dan 3,5 K / W, en wanneer deze onder pieklicht (Ta 26 ° C) wordt geïnstalleerd. Om het maximale rendement uit deze NiCd-oplader te halen, moet het koellichaam donker gekleurd zijn voor de best mogelijke warmte-uitwisseling met de diodes.

Bovendien mag het niet magnetisch zijn, aangezien elk soort veld van buitenaf, geïnduceerd of magnetisch, onstabiele stimulatie van de ladingsdragers in de tunnels zal veroorzaken.

Dit kan dientengevolge het nietsvermoedende kanaaleffect veroorzaken. Elektronen kunnen waarschijnlijk vanaf de p-n-overgang over het substraat worden gestoten en daardoor rond de diodeaansluitingen worden opgebouwd, waardoor gevaarlijke spanningen kunnen worden opgewekt, afhankelijk van de metalen behuizing.

Verschillende tunneldiodes van het type BA7891NG zijn helaas erg gevoelig voor de kleinste magnetische velden, en tests hebben aangetoond dat deze horizontaal ten opzichte van het aardoppervlak moeten worden gehouden om dit te voorkomen.

Origineel prototype dat elektriciteit uit zonnewarmte aantoont met behulp van tunneldiodes