Tunneldiode - Arbeits- und Anwendungsschaltung

Eine Tunneldiode ist eine Art Halbleiterdiode, die aufgrund eines als Tunneling bekannten quantenmechanischen Effekts einen negativen Widerstand aufweist.

In diesem Beitrag lernen wir die grundlegenden Eigenschaften und die Funktionsweise von Tunneldioden sowie eine einfache Anwendungsschaltung mit diesem Gerät kennen.

Wir werden sehen, wie eine Tunneldiode zum Umwandeln von Wärme in Elektrizität und zum Laden einer kleinen Batterie verwendet werden kann.

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

Überblick

Nach einem langen Verschwinden aus der Halbleiterwelt wurde die Tunneldiode tatsächlich neu gestartet, da sie zur Umwandlung von Wärmeenergie in Elektrizität eingesetzt werden könnte. Tunneldioden sind auch bekannt als Esaki-Diode , benannt nach seinem japanischen Erfinder.

In den fünfziger und sechziger Jahren wurden Tunneldioden in vielen Anwendungen hauptsächlich in HF-Schaltkreisen implementiert, in denen ihre außergewöhnlichen Eigenschaften für die Herstellung extrem schneller Füllstandsensoren, Oszillatoren, Mischer und dergleichen genutzt wurden.

So funktioniert die Tunneldiode

Im Gegensatz zu einer Standarddiode verwendet eine Tunneldiode eine Halbleitersubstanz mit einem unglaublich hohen Dotierungsgrad, was dazu führt, dass die Verarmungsschicht zwischen dem p-n-Übergang selbst etwa 1000-mal schmaler wird als die schnellsten Siliziumdioden.

Sobald die Tunneldiode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist, beginnt ein Prozess, der als 'Tunneln' des Elektronenflusses bekannt ist, im gesamten p-n-Übergang.

Das 'Tunneln' in dotierten Halbleitern ist eine Methode, die mit der herkömmlichen Atomhypothese nicht leicht zu verstehen ist und in diesem kleinen Artikel möglicherweise nicht behandelt werden kann.

Beziehung zwischen Durchlassspannung und Strom der Tunneldiode

Beim Testen der Beziehung zwischen der Durchlassspannung UF und dem Strom IF einer Tunneldiode können wir feststellen, dass die Einheit eine negative Widerstandscharakteristik zwischen der Spitzenspannung Up und der Talspannung Uv besitzt, wie in Abb. Unten gezeigt.

Wenn die Diode innerhalb des schattierten Bereichs ihrer ZF-UF-Kurve mit Strom versorgt wird, fällt daher der Durchlassstrom mit steigender Spannung ab. Der Widerstand der Diode ist ohne Zweifel negativ und wird normalerweise als -Rd dargestellt.

Das in diesem Artikel vorgestellte Design nutzt die oben genannte Qualität von Tunneldioden, indem ein Satz seriell verbundener Tunneldiodenvorrichtungen zum Laden einer Batterie implementiert wird Sonnenwärme (kein Solarpanel).

Wie in der folgenden Abbildung dargestellt, sind sieben oder mehr Gallium-Indium-Antimonid (GISp) -Tunneldioden in Reihe geschaltet und auf einem großen Kühlkörper festgeklemmt, wodurch eine Verlustleistung verhindert wird (Tunneldioden werden kühler, wenn der UF steigt oder zunimmt). .

Der Kühlkörper wird verwendet, um eine effektive Akkumulation von Sonnenwärme oder einer anderen Form von Wärme zu ermöglichen, deren Energie zum Laden des vorgeschlagenen Ni-Cd-Akkus in einen Ladestrom umgewandelt werden muss.

Umwandlung von Wärme in Elektrizität mithilfe von Tunneldioden (thermische Elektrizität)

Die Arbeitstheorie dieser speziellen Konfiguration ist tatsächlich erstaunlich einfach. Stellen Sie sich vor, ein gewöhnlicher, natürlicher Widerstand R kann eine Batterie über einen Strom I = V / R entladen. Dies bedeutet, dass ein negativer Widerstand einen Ladevorgang für dieselbe Batterie auslösen kann, einfach weil das Vorzeichen von I umgekehrt wird, dh: -I = V / -R.

Auf die gleiche Weise kann ein negativer Widerstand, wenn ein normaler Widerstand eine Wärmeableitung um P = PR Watt ermöglicht, die gleiche Leistung in die Last liefern: P = -It-R.

Immer wenn die Last eine eigenständige Spannungsquelle mit relativ reduziertem Innenwiderstand ist, muss der negative Widerstand sicherlich ein höheres Spannungsniveau erzeugen, damit der Ladestrom Ic fließen kann, was durch die Formel gegeben ist:

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

Unter Bezugnahme auf die Anmerkung Σ (Rd) versteht es sich sofort, dass alle Dioden innerhalb der String-Sequenz innerhalb des -Rd-Bereichs betrieben werden müssen, hauptsächlich weil jede einzelne Diode mit einer + Rd-Charakteristik das Objektiv beenden könnte.

Testen von Tunneldioden

Um sicherzustellen, dass alle Dioden einen negativen Widerstand aufweisen, könnte eine einfache Testschaltung entworfen werden, wie in der folgenden Abbildung dargestellt.

Beachten Sie, dass das Messgerät so angegeben werden sollte, dass es die Polarität des Stroms anzeigt, da es sehr gut vorkommen kann, dass eine bestimmte Diode ein wirklich übermäßiges IP: Iv-Verhältnis (Tunnelsteigung) aufweist, wodurch sich die Batterie beim Implementieren einer kleinen Vorwärtsvorspannung unerwartet auflädt.

Die Analyse muss bei einer atmosphärischen Temperatur unter 7 ° C durchgeführt werden (versuchen Sie es mit einem gereinigten Gefrierschrank) und notieren Sie die UF-IF-Kurve für jede einzelne Diode, indem Sie die Vorwärtsvorspannung durch das Potentiometer akribisch erhöhen und die resultierenden Größen von dokumentieren IF, wie auf dem Zählerstand angezeigt.

Bringen Sie als nächstes ein UKW-Radio in die Nähe, um sicherzustellen, dass die zu testenden Dioden nicht mit 94,67284 MHz schwingen (Frequenz für GISp bei Dotierungspegel 10-7).

Wenn Sie dies feststellen, ist die spezifische Diode möglicherweise für die vorliegende Anwendung ungeeignet. Bestimmen Sie den OF-Bereich, der -Rd für nahezu alle Dioden garantiert. Basierend auf der Herstellungsschwelle der Dioden in der verfügbaren Charge kann dieser Bereich so gering wie beispielsweise 180 bis 230 mV sein.

Anwendungsschaltung

Der von Tunneldioden aus Wärme erzeugte Strom kann zum Laden eines kleinen Ni-Cd-Akkus verwendet werden.

Bestimmen Sie zunächst die Anzahl der Dioden, die zum Laden der Batterie durch ihren minimalen Strom erforderlich sind: Für die obige Auswahl von UF müssen mindestens sieben Dioden in Reihe geschaltet werden, um beim Erwärmen einen Ladestrom von ca. 45 mA bereitzustellen auf ein Temperaturniveau von:

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

Oder ungefähr 35 ° C, wenn der Wärmewiderstand des Kühlkörpers nicht mehr als 3,5 K / W beträgt und wenn er unter Sonneneinstrahlung (Ta 26 ° C) installiert wird. Um den maximalen Wirkungsgrad dieses NiCd-Ladegeräts zu erzielen, muss der Kühlkörper dunkel gefärbt sein, um den bestmöglichen Wärmeaustausch mit den Dioden zu gewährleisten.

Außerdem darf es nicht magnetisch sein, da jedes induzierte oder magnetische Außenfeld eine instabile Stimulation der Ladungsträger in den Tunneln verursacht.

Dies kann folglich dazu führen, dass die ahnungslosen Kanaleffektelektronen wahrscheinlich vom p-n-Übergang über das Substrat geschleudert werden und sich dadurch um die Diodenanschlüsse herum aufbauen, was je nach Metallgehäuse möglicherweise gefährliche Spannungen auslösen kann.

Einige Tunneldioden vom Typ BA7891NG sind leider sehr empfindlich gegenüber kleinsten Magnetfeldern, und Tests haben gezeigt, dass diese horizontal in Bezug auf die Erdoberfläche gehalten werden müssen, um dies zu verhindern.

Ursprünglicher Prototyp zur Demonstration von Strom aus Sonnenwärme mithilfe von Tunneldioden