Diode de túnel: circuit de treball i aplicació

Un díode túnel és un tipus de díode semiconductor que presenta una resistència negativa a causa d’un efecte mecànic quàntic conegut com a túnel.

En aquest post aprendrem les característiques bàsiques i el funcionament dels díodes de túnel, i també un senzill circuit d'aplicació mitjançant aquest dispositiu.

Veurem com es pot utilitzar un díode túnel per canviar la calor a electricitat i carregar una petita bateria.

Crèdit de la imatge: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Visió general

Després d’una llarga desaparició del món dels semiconductors, el díode túnel s’ha realitzat de nou com a conseqüència del fet que es podria implementar per convertir l’energia tèrmica en electricitat. Els díodes de túnel també es coneixen com Diodo Esaki , batejat amb el nom del seu inventor japonès.

Als anys cinquanta i seixanta, els díodes de túnel es van implementar en moltes aplicacions principalment en circuits de RF, en què es van aprofitar les seves qualitats extraordinàries per produir sensors de nivell extremadament ràpids, oscil·ladors, mescladors i coses semblants.

Com funciona el díode de túnel

A diferència d’un díode estàndard, un díode túnel funciona utilitzant una substància semiconductora que té un nivell de dopatge increïblement gran, cosa que fa que la capa d’esgotament entre la unió p-n sigui aproximadament 1000 vegades més estreta fins i tot que els díodes de silici més ràpids.

Una vegada que el díode del túnel està esbiaixat cap endavant, comença un procés conegut com a 'túnel' del flux d'electrons a tota la unió p-n.

El 'túnel' en semiconductors dopats és en realitat un mètode que no es pot entendre fàcilment mitjançant una hipòtesi atòmica convencional i que potser no es pot tractar en aquest petit article.

Relació entre la tensió directa del díode del túnel i el corrent

En provar la relació entre la tensió directa d’un diode de túnel, UF i corrent, IF, podem trobar que la unitat posseeix una característica de resistència negativa entre el voltatge de pic, Up i el voltatge de la vall, Uv, com es demostra a la figura següent.

Per tant, quan el díode s’alimenta dins de la zona ombrejada de la seva corba IF-UF, el corrent cap endavant baixa a mesura que augmenta la tensió. La resistència del díode és sens dubte negativa i normalment es presenta com -Rd.

El disseny presentat en aquest article aprofita l'avantatge de la qualitat anterior dels díodes de túnel mitjançant la implementació d'un conjunt de dispositius de díodes de túnel connectats en sèrie per carregar una bateria a través de calor solar (no panell solar).

Com s’observa a la figura següent, set o més díodes de túnel antimonida de gal·li-indi (GISp) s’enganxen en sèrie i es fixen en un gran dissipador de calor, cosa que ajuda a evitar la dissipació de la seva potència (els díodes de túnel es refreden a mesura que la UF augmenta o augmenta) .

El dissipador de calor s’utilitza per permetre una acumulació efectiva de calor solar, o qualsevol altra forma de calor que es pugui aplicar, l’energia de la qual s’ha de transformar en un corrent de càrrega per carregar la bateria Ni-Cd proposada.

Converteix la calor en electricitat mitjançant díodes de túnel (electricitat tèrmica)

La teoria de treball d’aquesta configuració especial és realment increïblement senzilla. Imagineu que una resistència normal, natural, R, és capaç de descarregar una bateria a través d’un corrent I = V / R. el que implica que una resistència negativa serà capaç d'iniciar un procés de càrrega per a la mateixa bateria, simplement perquè el signe de I s'inverteix, és a dir: -I = V / -R.

De la mateixa manera, si una resistència normal permet la dissipació de calor per P = PR watts, una resistència negativa podrà proporcionar la mateixa quantitat de potència a la càrrega: P = -It-R.

Sempre que la càrrega és una font de tensió per si sola amb una resistència interna relativament reduïda, la resistència negativa ha de generar, certament, un major nivell de voltatge per al flux de corrent de càrrega, Ic, que ve donat per la fórmula:

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

En referència a l’anotació Σ (Rd), s’entén de seguida que tots els díodes de la seqüència de cadenes s’han d’executar dins de la regió -Rd, principalment perquè qualsevol díode individual amb una característica + Rd pot acabar l’objectiu.

Prova de díodes de túnels

Per assegurar-se que tots els díodes presenten una resistència negativa, es podria dissenyar un circuit de prova senzill tal com es mostra a la figura següent.

Tingueu en compte que s’ha d’especificar el mesurador per indicar la polaritat del corrent, perquè podria passar que un díode específic tingui una proporció IP: Iv realment excessiva (pendent del túnel) que faci que la bateria es carregui inesperadament en implementar un petit biaix cap endavant.

L'anàlisi s'ha de realitzar a una temperatura atmosfèrica inferior a 7 ° C (proveu un congelador net) i anoteu la corba UF-IF per a cada díode augmentant meticulosament el biaix cap endavant a través del potenciòmetre i documentant les magnituds resultants de SI, tal com es mostra a la lectura del comptador.

A continuació, acosteu una ràdio FM per assegurar-vos que el díode que s'està provant no oscil·li a 94,67284 MHz (Freq, per a GISp al nivell de dopatge 10-7).

Si trobeu això, és possible que el díode específic no sigui adequat per a la present aplicació. Determineu el rang de OF que garanteix -Rd per a gairebé tots els díodes. Basant-se en el llindar de fabricació dels díodes del lot disponible, aquest rang podria ser tan mínim com, per exemple, entre 180 i 230 mV.

Circuit d'aplicació

L'electricitat generada pels díodes del túnel a partir de la calor es pot utilitzar per carregar una petita bateria de Ni-Cd.

Determineu primer la quantitat de díodes necessaris per carregar la bateria a través del seu corrent mínim: per a la selecció UF anterior, s’haurà de connectar un mínim de set díodes en sèrie per proporcionar un corrent de càrrega d’aproximadament 45 mA quan s’escalfin. fins a un nivell de temperatura de:

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

O aproximadament 35 ° C quan la resistència tèrmica del dissipador de calor no superi els 3,5 K / W i quan s’instal·li sota la màxima llum solar (Ta 26 ° C). Per obtenir la màxima eficiència d’aquest carregador de NiCd, el dissipador de calor ha de ser de color fosc per obtenir el millor intercanvi de calor possible als díodes.

A més, no ha de ser magnètic, ja que qualsevol tipus de camp exterior, induït o magnètic, provocarà una estimulació inestable dels portadors de càrrega dins dels túnels.

En conseqüència, això pot provocar l’efecte del conducte que no se sospita que els electrons es puguin treure de la unió p-n sobre el substrat i, per tant, s’acumulin al voltant dels terminals del díode, provocant potser tensions perilloses en funció de la carcassa metàl·lica.

Diversos díodes de túnel tipus BA7891NG són, lamentablement, molt sensibles als més mínims camps magnètics, i les proves han demostrat que cal mantenir-les horitzontals respecte a la superfície terrestre per prohibir-ho.

Prototip original que demostra electricitat a partir de calor solar mitjançant díodes de túnel