Alagútdióda - munka- és alkalmazási áramkör

Az alagútdióda egy olyan félvezető dióda, amelynek negatív ellenállása van az alagútként ismert kvantummechanikai hatás miatt.

Ebben a bejegyzésben megtanuljuk az alagútdiódák alapvető jellemzőit és működését, valamint egy egyszerű alkalmazás áramkört is, amely ezt az eszközt használja.

Meglátjuk, hogyan lehet egy alagútdiódát használni a hő villamos energiává történő átalakítására és egy kis akkumulátor töltésére.

Kép jóváírása: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Áttekintés

A félvezetői világból való hosszú eltűnés után az alagútdiódát valójában újraindították annak eredményeként, hogy megvalósítható volt a hőenergia villamos energiává történő átalakítására. Az alagútdiódák néven is ismertek Esaki dióda , nevét japán feltalálójáról kapta.

A tizenkilenc ötvenes és hatvanas években az alagútdiódákat sok alkalmazásban főleg RF áramkörökben valósították meg, amelyek rendkívüli tulajdonságait kihasználva rendkívül gyors szintérzékelők, oszcillátorok, keverők és hasonló dolgok előállítására szolgáltak.

Hogyan működik az alagútdióda

A szokásos diódával ellentétben az alagútdióda olyan félvezető anyag használatával működik, amelynek hihetetlenül nagy az adalékolási szintje, ami ahhoz vezet, hogy a p -n csomópont közötti kimerülő réteg körülbelül 1000-szer keskenyebbé válik, még a leggyorsabb szilíciumdiódáknál is.

Amint az alagútdióda előre van előfeszítve, az elektronáramlás 'alagútjának' nevezett folyamat az egész p -n kereszteződésben elkezdődik.

Az „alagutazás” az adalékolt félvezetőkben valójában egy olyan módszer, amely a hagyományos atomi hipotézissel nem könnyen érthető, és talán nem is tárgyalható ebben a kis cikkben.

Az alagút dióda előremenő feszültsége és áramának kapcsolata

Az alagútdióda előremenő feszültsége, az UF és az áram (IF) kapcsolatának tesztelése során megállapíthatjuk, hogy az egység negatív ellenállási jellemzővel rendelkezik a csúcsfeszültség, Up és a völgyfeszültség, Uv között, amint az az alábbi ábrán látható.

Ezért, amikor a dióda az IF-UF görbe árnyékolt területén belül van táplálva, az előremenő áram a feszültség emelkedésével csökken. A dióda ellenállása minden kétséget kizáróan negatív, és általában -Rd.

Az ebben a cikkben bemutatott kialakítás kihasználja az alagútdiódák fenti minőségének előnyeit azáltal, hogy sorozatosan csatlakoztatott alagútdiódás eszközöket hoz létre az akkumulátor töltésére naphő (nem napelem).

Amint az az alábbi ábrán látható, hét vagy több gallium-indium-antimonid (GISp) alagútdióda sorba van kapcsolva és egy nagy hűtőbordára van rögzítve, ami segít megakadályozni teljesítményük eloszlását (az alagútdiódák hűlnek, amikor az UF magasabb vagy magasabb) .

A hűtőbordát arra használják, hogy hatékonyan felhalmozódjon a napenergia, vagy bármilyen más hő, amely alkalmazható, és amelynek energiáját töltési áramgá kell átalakítani a javasolt Ni-Cd akkumulátor feltöltéséhez.

A hő átalakítása villamos energiává alagútdiódákkal (hőenergia)

Ennek a speciális konfigurációnak az elmélete valóban elképesztően egyszerű. Képzeljük el, hogy egy normál, természetes ellenállás, R képes lemeríteni az akkumulátort egy I = V / R áramon keresztül. ami azt jelenti, hogy negatív ellenállás képes lesz elindítani egy ugyanazon akkumulátor töltési folyamatát, egyszerűen azért, mert az I jele megfordul, vagyis: -I = V / -R.

Ugyanígy, ha egy normál ellenállás lehetővé teszi a hőelvezetést P = PR wattokkal, akkor egy negatív ellenállás ugyanolyan teljesítményt képes biztosítani a terhelésben: P = -It-R.

Amikor a terhelés önmagában viszonylag csökkent belső ellenállású feszültségforrás, a negatív ellenállásnak minden bizonnyal nagyobb feszültségszintet kell generálnia az Ic töltőáram áramlásához, amelyet a képlet ad meg:

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

A Σ (Rd) annotációra hivatkozva rögtön megértjük, hogy a string-szekvencián belüli összes diódát az -Rd régión belül kell futtatni, főleg azért, mert bármely egyedi + Rd karakterisztikájú dióda megszakíthatja az objektívet.

Alagútdiódák tesztelése

Annak biztosítása érdekében, hogy az összes dióda negatív ellenállást mutasson, egy egyszerű teszt áramkört lehet kialakítani, amint az a következő ábrán látható.

Figyelje meg, hogy a mérőt meg kell adni az áram polaritásának jelzésére, mert nagyon könnyen előfordulhat, hogy egy adott diódának valóban túlzott IP: Iv aránya van (alagút meredeksége), aminek következtében az akkumulátor váratlanul feltöltődik egy kis előrehaladás megvalósításakor.

Az elemzést 7 ° C alatti légköri hőmérsékleten kell elvégezni (próbáljon meg egy tisztított fagyasztót), és jegyezze fel az egyes diódák UF-IF görbéjét azáltal, hogy aprólékosan növeli a potenciométeren keresztüli előrehaladást, és dokumentálja a kapott IF, amint az a mérőóra kijelzőjén látható.

Ezután hozzon közel egy FM-rádiót, hogy megbizonyosodjon arról, hogy a tesztelt dióda nem rezg-e 94,67284 MHz-en (Freq, GISp esetén 10-7 doppingszintnél).

Ha ezt tapasztalja, akkor az adott dióda alkalmatlan lehet a jelen alkalmazáshoz. Határozza meg az OF tartományát, amely szinte az összes dióda számára garantálja az -Rd értéket. A rendelkezésre álló tétel diódáinak gyártási küszöbértéke alapján ez a tartomány olyan minimális lehet, mint mondjuk 180–230 mV.

Alkalmazási áramkör

Az alagútdiódák által hőből előállított villamos energia felhasználható egy kis Ni-Cd akkumulátor töltésére.

Először határozza meg az akkumulátor minimális áramellátásával történő töltéséhez szükséges diódák mennyiségét: a fenti UF kiválasztásához legalább hét diódát kell sorba kötni annak érdekében, hogy kb. 45 mA töltőáramot nyújtson felmelegedésükkor. hőmérsékleti szintig:

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

Vagy körülbelül 35 ° C, ha a hűtőborda hőellenállása nem haladja meg a 3,5 K / W-ot, és amikor csúcsfényes napfény alatt (Ta 26 ° C) van felszerelve. A NiCd töltő maximális hatékonysága érdekében a hűtőbordának sötét színűnek kell lennie a diódák lehető legjobb hőcseréje érdekében.

Ezenkívül nem lehet mágneses, tekintve, hogy bármilyen indukált vagy mágneses külső mező instabil ingerlést vált ki az alagutak töltéshordozóiban.

Ez azt eredményezheti, hogy a gyanútlan csatorna hatású elektronok valószínűleg kikopognak a p -n csatlakozásból az aljzaton, és ezáltal felépülhetnek a dióda kivezetései körül, ami veszélyes feszültségeket vált ki a fémes háztól függően.

Számos BA7891NG típusú alagútdióda sajnálatos módon nagyon érzékeny a percenkénti mágneses mezőkre, és tesztek bebizonyították, hogy ezeket a föld felszínén vízszintesen kell tartani, hogy ezt megakadályozzák.

Eredeti prototípus a napenergiából származó villamos energia bemutatására alagútdiódák segítségével