דיודת מנהרה - מעגל עבודה ויישום

דיודת מנהרה היא סוג של דיודת מוליכים למחצה הכוללת התנגדות שלילית בגלל השפעה מכנית קוונטית המכונה מנהור.

בפוסט זה נלמד את המאפיינים הבסיסיים והעבודה של דיודות המנהרה, וגם מעגל יישום פשוט המשתמש במכשיר זה.

נראה כיצד ניתן להשתמש בדיודת מנהרה לשינוי חום לחשמל ולהטענת סוללה קטנה.

אשראי תמונה: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

סקירה כללית

לאחר היעלמות ארוכה מעולם המוליכים למחצה, דיודת המנהרות, הושק למעשה מחדש כתוצאה מהעובדה שניתן ליישמה להמרת אנרגיית חום לחשמל. דיודות מנהרות ידועות גם בשם דיודת אסאקי , על שם הממציא היפני שלה.

בשנות התשע עשרה החמישים והשישים יושמו דיודות מנהרות בהרבה יישומים בעיקר במעגלי RF, בהם נוצלו את איכויותיהם יוצאות הדופן לייצור חיישני רמה מהירים במיוחד, מתנדים, מערבלים ודברים כאלה.

איך עובדת דיודת המנהרות

בניגוד לדיודה רגילה, דיודת מנהרה פועלת באמצעות חומר מוליך למחצה בעל רמת סימום גדולה להפליא, מה שמוביל לשכבת הדלדול בין צומת p -n להיות צרה פי 1000 אפילו יותר מדיודות הסיליקון המהירות ביותר.

ברגע שדיודת המנהרה מוטה קדימה, מתחיל להתרחש תהליך המכונה 'מנהור' של זרימת האלקטרונים בכל צומת p -n.

'מנהור' במוליכים למחצה מסוממים הוא למעשה שיטה שאינה מובנת בקלות באמצעות השערה אטומית קונבנציונלית, ואי אפשר אולי לכסות אותה במאמר קטן זה.

הקשר בין דיודה מנהרה מתח קדימה וזרם

בעת בדיקת הקשר בין מתח קדימה של דיודת מנהרה, UF, וזרם, IF, אנו יכולים למצוא כי היחידה מחזיקה במאפיין התנגדות שלילי בין מתח השיא, Up, לבין מתח העמק, Uv, כפי שמוצג באיור להלן.

לכן, כאשר הדיודה מופעלת בתוך השטח המוצל של עקומת IF-UF שלה, הזרם הקדמי יורד ככל שהמתח עולה. ההתנגדות של הדיודה היא ללא ספק שלילית, ובדרך כלל מוצגת כ- RD.

העיצוב המוצג במאמר זה מנצל את היתרון של האיכות הנ'ל של דיודות המנהרה על ידי הטמעת סט התקני דיודות מנהרה המחוברות סדרתי לטעינת סוללה באמצעות חום שמש (לא פאנל סולארי).

כפי שנצפה באיור להלן, שבעה דיודות מנהרה של גליום-אינדיום אנטימוניד (GISp) או יותר מחוברות בסדרה ונצמדות על גוף קירור גדול, המסייע במניעת פיזור הכוח שלהן (דיודות המנהרה מתקררות ככל שה- UF עולה או עולה) .

גוף הקירור משמש לאפשר הצטברות יעילה של חום סולארי, או כל צורה אחרת של חום שעשויה להיות מיושמת, אשר האנרגיה שלהם נדרשת להפוך לזרם טעינה להטענת סוללת ה- Ni-Cd המוצעת.

המרת חום לחשמל באמצעות דיודות מנהרות (חשמל תרמי)

תורת העבודה של תצורה מיוחדת זו היא למעשה פשוטה להפליא. תאר לעצמך עמידות רגילה וטבעית, R, מסוגלת לפרוק סוללה דרך זרם I = V / R. מה שמרמז שהתנגדות שלילית תוכל להתחיל תהליך טעינה לאותה סוללה, פשוט בגלל שהסימן I הופך, כלומר: -I = V / -R.

באותו אופן, אם התנגדות רגילה מאפשרת פיזור חום על ידי P = PR וואט, התנגדות שלילית תוכל לספק את אותה כמות הספק לעומס: P = -It-R.

בכל פעם שהעומס הוא מקור מתח בפני עצמו עם התנגדות פנימית מופחתת יחסית, ההתנגדות השלילית חייבת, ללא ספק, לייצר מתח גבוה יותר עבור זרם המטען, Ic, לזרימה הניתן על ידי הנוסחה:

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

בהתייחס לביאור Σ (Rd) מובן מיד כי כל הדיודות בתוך רצף המיתרים צריכות להיות מנוהלות באזור -Rd, בעיקר משום שכל דיודה בודדת עם מאפיין + Rd עשויה לסיים את המטרה.

בדיקת דיודות מנהרות

כדי לוודא שכל הדיודות מציגות התנגדות שלילית, ניתן לתכנן מעגל בדיקה פשוט כפי שנחשף באיור הבא.

שים לב שיש לציין את המונה כדי לציין את הקוטביות של הזרם, מכיוון שיכול מאוד לקרות שלדיודה ספציפית יש יחס מוגזם של IP: Iv (שיפוע המנהרה) וגורם לסוללה להיטען באופן בלתי צפוי בעת הטיית קדימה קטנה.

הניתוח צריך להתבצע בטמפרטורת אטמוספירה מתחת ל 7 מעלות צלזיוס (נסה להקפיא את הניקוי), וציין את עקומת UF-IF לכל דיודה אחת על ידי הגדלה מדויקת של ההטיה קדימה דרך הפוטנציומטר, ותיעוד הגדלים המתקבלים של IF, כפי שמוצג בקריאת המונה.

לאחר מכן, בקר מקרוב רדיו FM כדי לוודא שהדיודה הנבדקת אינה מתנודדת ב -94.67284 MHz (Freq, עבור GISp ברמת הסמים 10-7).

אם אתה מוצא את זה קורה, ייתכן שהדיודה הספציפית אינה מתאימה ליישום הנוכחי. קבע את טווח ה- OF שמבטיח -Rd כמעט לכל הדיודות. בהתבסס על סף הייצור של הדיודות במגרש הזמין, טווח זה יכול להיות מינימלי כמו, למשל, 180 עד 230 mV.

מעגל יישום

החשמל שנוצר על ידי דיודות מנהרה מחום יכול לשמש לטעינה של סוללת Ni-Cd קטנה.

ראשית קבעו את כמות הדיודות הדרושות להטענת הסוללה באמצעות הזרם המינימלי שלה: לבחירה הנ'ל של UF, יהיה צורך לחבר מינימום שבע דיודות בסדרה על מנת לספק זרם טעינה של כ- 45 mA כאשר הם מחוממים. לרמת טמפרטורה של:

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

או כ- 35 מעלות צלזיוס כאשר ההתנגדות התרמית של גוף הקירור אינה גבוהה מ- 3.5 K / W וכאשר הוא מותקן באור שמש שיא (Ta 26 ° C). כדי להשיג את היעילות המקסימלית ממטען NiCd זה, על גוף הקירור להיות בצבע כהה כדי להחליף את החום הכי טוב שאפשר לדיודות.

בנוסף, אסור לו להיות מגנטי, בהתחשב בכך שכל סוג של שדה חיצוני, המושרה או מגנטי, יגרום לגירוי לא יציב של נושאות המטען בתוך המנהרות.

כתוצאה מכך הדבר עלול לגרום לאפקטים של אפקט צינור חסר חשד להידפק מהצומת p -n מעל המצע, ובכך להצטבר סביב מסופי הדיודה, ויגרמו אולי מתח מסוכן בהתאם לבית המתכתי.

כמה דיודות מנהרה מסוג BA7891NG הן, למרבה הצער, רגישות מאוד לשדות מגנטיים זעירים ביותר, ובדיקות הוכיחו כי יש לשמור על אופקיות ביחס לפני האדמה כדי לנטרל זאת.

אב טיפוס מקורי המדגים חשמל מחום סולארי באמצעות דיודות מנהרות