Tuneļa diode ir pusvadītāju diodes veids, kam raksturīga negatīva pretestība kvantu mehāniskā efekta dēļ, kas pazīstams kā tunelēšana.

Šajā ierakstā mēs uzzināsim tuneļa diodes pamatīpašības un darbību, kā arī vienkāršu lietojuma shēmu, izmantojot šo ierīci.

Mēs redzēsim, kā tuneļa diodi varētu izmantot siltuma pārveidošanai par elektrību un nelielas baterijas uzlādēšanai.

Attēlu kredīts: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Pārskats

Pēc ilgas pazušanas no pusvadītāju pasaules tuneļa diode faktiski tika atsākta, jo to varēja ieviest, lai siltumenerģiju pārveidotu par elektrību. Tuneļa diodes ir pazīstamas arī kā Esaki diode , kas nosaukts japāņu izgudrotāja vārdā.

Deviņpadsmit piecdesmitajos un sešdesmitajos gados tuneļa diodes daudzās lietojumprogrammās tika ieviestas galvenokārt RF ķēdēs, kurās to ārkārtas īpašības tika izmantotas, lai ražotu ārkārtīgi ātrus līmeņa sensorus, oscilatorus, maisītājus un tamlīdzīgus izstrādājumus.

Kā darbojas tuneļa diode

Atšķirībā no standarta diodes, tuneļa diode darbojas, izmantojot pusvadītāju vielu, kurai ir neticami liels dopinga līmenis, kā rezultātā noplicināšanas slānis starp p-n krustojumu kļūst aptuveni 1000 reizes šaurāks pat par ātrākajām silīcija diodēm.

Kad tuneļa diode ir novirzīta uz priekšu, visā p-n krustojumā sākas process, kas pazīstams kā elektronu plūsmas “tuneļošana”.

Daļēju pusvadītāju “tunelēšana” faktiski ir metode, kuru nav viegli saprast, izmantojot parasto atomu hipotēzi, un, iespējams, to nevar aplūkot šajā mazajā rakstā.

Saistība starp tuneļa diodes priekšspriegumu un strāvu

Pārbaudot saikni starp tuneļa diodes priekšējo spriegumu, UF un strāvu, IF, mēs varam atrast, ka vienībai ir negatīva pretestības raksturlielums starp maksimālo spriegumu Up un ielejas spriegumu Uv, kā parādīts zemāk.

tuneļa diode uz priekšu novirze un uz priekšu vērstas strāvas raksturlīkne

Tāpēc, kad diodi darbina tā IF-UF līknes aizēnotajā zonā, spriegumam uz augšu straume nāk uz priekšu. Diodes pretestība bez šaubām ir negatīva, un to parasti uzrāda kā -Rd.

Šajā rakstā uzrādītais dizains izmanto iepriekšminētās tuneļa diodes kvalitātes priekšrocības, ieviešot virkni savienotu tuneļa diode ierīču komplektu, lai uzlādētu akumulatoru saules siltums (nevis saules panelis).

Kā novērots zemāk redzamajā attēlā, septiņas vai vairāk gallija-indija antimonīda (GISp) tuneļa diodes ir savienotas virknē un piestiprinātas pie liela radiatora, kas palīdz novērst to jaudas izkliedi (tuneļa diodes kļūst vēsākas, kad UF iet uz augšu vai palielinās) .

Radiatoru izmanto, lai nodrošinātu efektīvu saules siltuma vai jebkura cita veida siltuma uzkrāšanos, kura enerģija ir jāpārveido par uzlādes strāvu, lai uzlādētu piedāvāto Ni-Cd akumulatoru.

Konvertēt siltumu uz elektrību, izmantojot tuneļa diodes (siltuma elektrība)

Šīs īpašās konfigurācijas darba teorija patiesībā ir pārsteidzoši vienkārša. Iedomājieties parastu, dabisku pretestību R, kas spēj izlādēt akumulatoru caur strāvu I = V / R. tas nozīmē, ka negatīva pretestība varēs sākt uzlādes procesu par vienu un to pašu akumulatoru vienkārši tāpēc, ka I zīme tiek mainīta, tas ir: -I = V / -R.

Tādā pašā veidā, ja normāla pretestība ļauj siltuma izkliedi ar P = PR vati, negatīva pretestība spēs nodrošināt tādu pašu jaudas daudzumu slodzē: P = -It-R.

Ikreiz, kad slodze pati par sevi ir sprieguma avots ar relatīvi samazinātu iekšējo pretestību, negatīvajai pretestībai noteikti ir jāveido lielāks sprieguma līmenis lādēšanas strāvas Ic plūsmai, ko nosaka formula:

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

Atsaucoties uz anotāciju Σ (Rd), uzreiz tiek saprasts, ka visas virknes virknes diodes ir jādarbina -Rd reģionā, galvenokārt tāpēc, ka objektīvs var pārtraukt jebkuru atsevišķu diodi ar + Rd raksturlielumu.

Tuneļa diodu pārbaude

Lai pārliecinātos, ka visām diodēm ir negatīva pretestība, varētu izveidot vienkāršu testa ķēdi, kā parādīts nākamajā attēlā.

Ievērojiet, ka skaitītājs ir jānorāda, lai norādītu strāvas polaritāti, jo ļoti labi var gadīties, ka konkrētam diodam ir patiešām pārmērīga IP: Iv attiecība (tuneļa slīpums), izraisot akumulatora negaidītu uzlādi, īstenojot nelielu priekšu.

Analīze jāveic atmosfēras temperatūrā, kas zemāka par 7 ° C (izmēģiniet iztīrītu saldētavu), un pierakstiet UF-IF līkni katram diodim, rūpīgi palielinot virzību uz priekšu caur potenciometru un dokumentējot iegūtos IF, kā parādīts skaitītāja rādījumā.

Pēc tam tuviniet FM radio, lai pārliecinātos, ka pārbaudāmais diods nav svārstīgs 94,67284 MHz frekvencē (Freq, GISp dopinga līmenī 10-7).

Ja konstatējat, ka tas notiek, konkrētais diode var būt nepiemērots šai lietojumprogrammai. Nosakiet OF diapazonu, kas garantē -Rd gandrīz visām diodēm. Pamatojoties uz diodu ražošanas slieksni pieejamajā partijā, šis diapazons varētu būt tikpat minimāls kā, piemēram, no 180 līdz 230 mV.

Lietošanas shēma

Elektroenerģiju, ko siltuma rezultātā iegūst tuneļa diodes, var izmantot nelielas Ni-Cd baterijas uzlādēšanai.

Vispirms nosakiet nepieciešamo diodu daudzumu, lai akumulatoru uzlādētu ar minimālo strāvu: iepriekšminētajai UF izvēlei sērijveidā būs jāpievieno vismaz septiņas diodes, lai tās sildot nodrošinātu aptuveni 45 mA uzlādes strāvu līdz temperatūras līmenim:

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

Vai arī aptuveni 35 ° C, ja radiatora siltuma pretestība nav lielāka par 3,5 K / W un ja tā ir uzstādīta zem maksimālas saules gaismas (Ta 26 ° C). Lai šim NiCd lādētājam būtu maksimāla efektivitāte, radiatoram jābūt tumšā krāsā, lai pēc iespējas labāk nomainītu diodes.

“kas ir sprieguma dalītājs ”

Turklāt tas nedrīkst būt magnētisks, ņemot vērā, ka jebkāds ārējs, inducēts vai magnētisks lauks izraisīs nestabilu lādiņu nesēju stimulāciju tuneļos.

Tādējādi tas var izraisīt nenojaušamu kanāla efektu, elektroni, iespējams, tiks notriekti no p-n krustojuma virs pamatnes un tādējādi uzkrāsies ap diodes spailēm, izraisot varbūt bīstamu spriegumu atkarībā no metāla korpusa.

Diemžēl BA7891NG tipa tuneļa diodes, diemžēl, ir ļoti jutīgas pret sīkākajiem magnētiskajiem laukiem, un testi ir pierādījuši, ka, lai to aizliegtu, tie ir jāsaglabā horizontāli attiecībā pret zemes virsmu.