Diodo Tunnel - Circuito di lavoro e applicazione

Un diodo tunnel è un tipo di diodo semiconduttore che presenta una resistenza negativa a causa di un effetto meccanico quantistico noto come tunneling.

In questo post impareremo le caratteristiche di base e il funzionamento dei diodi tunnel e anche un semplice circuito applicativo che utilizza questo dispositivo.

Vedremo come un diodo tunnel potrebbe essere utilizzato per trasformare il calore in elettricità e per caricare una piccola batteria.

Credito immagine: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Panoramica

Dopo una lunga scomparsa dal mondo dei semiconduttori, il diodo tunnel, è stato effettivamente rilanciato in virtù del fatto che potrebbe essere implementato per convertire l'energia termica in elettricità. I diodi a tunnel sono anche noti come Diodo Esaki , dal nome del suo inventore giapponese.

Negli anni Cinquanta e Sessanta, i diodi tunnel furono implementati in molte applicazioni principalmente nei circuiti RF, in cui le loro straordinarie qualità venivano sfruttate per produrre sensori di livello estremamente veloci, oscillatori, mixer e cose del genere.

Come funziona il diodo a tunnel

A differenza di un diodo standard, un diodo tunnel funziona utilizzando una sostanza semiconduttrice che ha un livello di drogaggio incredibilmente grande, portando lo strato di esaurimento tra la giunzione p-n a diventare circa 1000 volte più stretto anche dei diodi al silicio più veloci.

Una volta che il diodo tunnel è polarizzato in avanti, un processo noto come 'tunneling' del flusso di elettroni inizia a verificarsi in tutta la giunzione p-n.

Il 'tunneling' nei semiconduttori drogati è in realtà un metodo non facilmente comprensibile utilizzando l'ipotesi atomica convenzionale e non può forse essere trattato in questo piccolo articolo.

Relazione tra tensione diretta e corrente del diodo a tunnel

Durante il test della relazione tra la tensione diretta di un diodo a tunnel, UF e corrente, IF, possiamo scoprire che l'unità possiede una caratteristica di resistenza negativa tra la tensione di picco, Up, e la tensione di valle, Uv, come mostrato nella Fig.

Pertanto, quando il diodo è alimentato all'interno dell'area ombreggiata della sua curva IF-UF, la corrente diretta diminuisce all'aumentare della tensione. La resistenza del diodo è senza dubbio negativa e normalmente si presenta come -Rd.

Il design presentato in questo articolo sfrutta la qualità di cui sopra dei diodi a tunnel implementando una serie di dispositivi a diodi a tunnel collegati in serie per caricare una batteria attraverso calore solare (non pannello solare).

Come osservato nella figura seguente, sette o più diodi tunnel al gallio-indio antimonuro (GISp) sono collegati in serie e fissati su un grande dissipatore di calore, che aiuta a prevenire la dissipazione della loro potenza (i diodi tunnel si raffreddano quando l'UF aumenta o aumenta) .

Il dissipatore di calore viene utilizzato per consentire un efficace accumulo di calore solare, o qualsiasi altra forma di calore che può essere applicata, la cui energia è necessaria per essere trasformata in una corrente di carica per caricare la batteria Ni-Cd proposta.

Convertire il calore in elettricità utilizzando i diodi a tunnel (elettricità termica)

La teoria di lavoro di questa configurazione speciale è in realtà sorprendentemente semplice. Immagina che una resistenza ordinaria, naturale, R, sia in grado di scaricare una batteria attraverso una corrente I = V / R. il che implica che una resistenza negativa potrà avviare un processo di ricarica per la stessa batteria, semplicemente perché il segno di I viene invertito, ovvero: -I = V / -R.

Allo stesso modo, se una resistenza normale consente la dissipazione del calore di P = PR watt, una resistenza negativa sarà in grado di fornire la stessa quantità di watt nel carico: P = -It-R.

Qualora il carico sia una sorgente di tensione a sé stante con resistenza interna relativamente ridotta, la resistenza negativa deve, certamente, generare un livello di tensione maggiore per il flusso della corrente di carica, Ic, che è dato dalla formula:

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

Facendo riferimento all'annotazione Σ (Rd) si capisce subito che tutti i diodi all'interno della sequenza di stringhe devono essere eseguiti all'interno della regione -Rd, principalmente perché ogni singolo diodo con caratteristica + Rd potrebbe terminare l'obiettivo.

Test dei diodi a tunnel

Per accertarsi che tutti i diodi presentino una resistenza negativa, è possibile progettare un circuito di prova semplice come mostrato nella figura seguente.

Si osservi che il misuratore dovrebbe essere specificato per indicare la polarità della corrente, perché potrebbe benissimo accadere che uno specifico diodo abbia un rapporto IP: Iv (pendenza del tunnel) davvero eccessivo causando una carica inaspettata della batteria implementando una piccola polarizzazione diretta.

L'analisi deve essere eseguita a una temperatura atmosferica inferiore a 7 ° C (provare un congelatore pulito), e annotare la curva UF-IF per ogni singolo diodo aumentando meticolosamente la polarizzazione diretta tramite il potenziometro e documentando le grandezze risultanti di IF, come visualizzato sulla lettura del contatore.

Quindi, avvicinare una radio FM per accertarsi che il diodo in prova non oscilli a 94,67284 MHz (Freq, per GISp a livello di doping 10-7).

Se si scopre che ciò accade, il diodo specifico potrebbe non essere adatto alla presente applicazione. Determina la gamma di OF che garantisce -Rd per quasi tutti i diodi. In base alla soglia di produzione dei diodi nel lotto disponibile, questo intervallo potrebbe essere minimo, ad esempio, da 180 a 230 mV.

Circuito applicativo

L'elettricità generata dai diodi tunnel dal calore può essere utilizzata per caricare una piccola batteria Ni-Cd.

Per prima cosa determinare la quantità di diodi necessari per caricare la batteria attraverso la sua corrente minima: per la selezione di UF sopra, sarà necessario collegare in serie un minimo di Sette diodi per fornire una corrente di carica di circa 45 mA quando sono riscaldati ad un livello di temperatura di:

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

Oppure circa 35 ° C quando la resistenza termica del dissipatore di calore non è superiore a 3,5 K / W, e quando è installato sotto il picco di luce solare (Ta 26 ° C). Per ottenere la massima efficienza da questo caricabatterie NiCd, il dissipatore di calore deve essere di colore scuro per il miglior scambio di calore possibile con i diodi.

Inoltre non deve essere magnetico, considerando che qualsiasi tipo di campo esterno, indotto o magnetico, provocherà una stimolazione instabile dei portatori di carica all'interno dei tunnel.

Ciò può di conseguenza provocare l'ignaro effetto condotto che gli elettroni possono essere probabilmente espulsi dalla giunzione p -n sul substrato, e quindi accumularsi attorno ai terminali del diodo, innescando forse tensioni pericolose a seconda dell'alloggiamento metallico.

Diversi diodi a tunnel tipo BA7891NG sono, purtroppo, molto sensibili ai campi magnetici più piccoli e test hanno dimostrato che questi devono essere mantenuti orizzontali rispetto alla superficie terrestre per bloccarli.

Prototipo originale che dimostra l'elettricità dal calore solare usando diodi a tunnel