ไดโอดอุโมงค์เป็นไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ชนิดหนึ่งซึ่งมีความต้านทานเชิงลบเนื่องจากผลทางกลควอนตัมที่เรียกว่าอุโมงค์

ในโพสต์นี้เราจะได้เรียนรู้คุณสมบัติพื้นฐานและการทำงานของไดโอดอุโมงค์และวงจรการใช้งานง่าย ๆ โดยใช้อุปกรณ์นี้

เราจะมาดูกันว่าสามารถใช้ไดโอดอุโมงค์เพื่อเปลี่ยนความร้อนเป็นไฟฟ้าและสำหรับชาร์จแบตเตอรี่ขนาดเล็กได้อย่างไร

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

ภาพรวม

หลังจากหายไปนานจากโลกเซมิคอนดักเตอร์ไดโอดอุโมงค์ได้รับการเปิดตัวอีกครั้งอันเป็นผลมาจากความจริงที่ว่ามันสามารถใช้เพื่อเปลี่ยนพลังงานความร้อนเป็นไฟฟ้าได้ ไดโอดอุโมงค์เรียกอีกอย่างว่า เอซากิไดโอด ซึ่งตั้งชื่อตามนักประดิษฐ์ชาวญี่ปุ่น

ในช่วงทศวรรษที่สิบเก้าและอายุหกสิบเศษไดโอดอุโมงค์ถูกนำไปใช้ในแอพพลิเคชั่นจำนวนมากโดยเฉพาะในวงจร RF ซึ่งคุณสมบัติพิเศษของพวกมันถูกนำมาใช้ในการผลิตเซ็นเซอร์ระดับที่เร็วมากออสซิลเลเตอร์เครื่องผสมและสิ่งต่างๆเช่นนั้น

Tunnel Diode ทำงานอย่างไร

ในทางตรงกันข้ามกับไดโอดมาตรฐานไดโอดอุโมงค์จะทำงานโดยใช้สารกึ่งตัวนำที่มีระดับยาสลบที่ใหญ่เหลือเชื่อทำให้ชั้นพร่องระหว่างทางแยก p -n แคบลงประมาณ 1,000 เท่าแม้กระทั่งไดโอดซิลิคอนที่เร็วที่สุด

เมื่อไดโอดอุโมงค์ส่งต่อแบบเอนเอียงกระบวนการที่เรียกว่า 'อุโมงค์' ของการไหลของอิเล็กตรอนจะเริ่มเกิดขึ้นตลอดทางแยก p -n

'Tunneling' ในเซมิคอนดักเตอร์เจือเป็นวิธีการที่ไม่สามารถเข้าใจได้ง่ายโดยใช้สมมติฐานอะตอมแบบเดิมและอาจไม่สามารถกล่าวถึงได้ในบทความเล็ก ๆ นี้

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันทางตรงของไดโอดอุโมงค์และกระแสไฟฟ้า

ในขณะที่ทดสอบความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าไปข้างหน้าของไดโอดอุโมงค์ UF และกระแส IF เราจะพบว่าหน่วยนี้มีลักษณะความต้านทานเชิงลบระหว่างแรงดันไฟฟ้าสูงสุดขึ้นและแรงดันในหุบเขา Uv ดังแสดงในรูปด้านล่าง

ความลำเอียงไปข้างหน้าไดโอดอุโมงค์และเส้นโค้งลักษณะปัจจุบันไปข้างหน้า

ดังนั้นเมื่อไดโอดถูกขับเคลื่อนภายในพื้นที่แรเงาของเส้นโค้ง IF-UF กระแสไปข้างหน้าจะลดลงเมื่อแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น ความต้านทานของไดโอดนั้นไม่มีข้อสงสัยใด ๆ เป็นลบและโดยปกติจะแสดงเป็น -Rd

การออกแบบที่นำเสนอในบทความนี้ใช้ประโยชน์จากคุณภาพข้างต้นของไดโอดอุโมงค์โดยการใช้ชุดอุปกรณ์ไดโอดอุโมงค์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมเพื่อชาร์จแบตเตอรี่ผ่าน ความร้อนจากแสงอาทิตย์ (ไม่ใช่แผงโซลาร์เซลล์)

ดังที่สังเกตในรูปด้านล่างไดโอดอุโมงค์ Gallium-Indium Antimonide (GISp) เจ็ดตัวขึ้นไปจะเชื่อมต่อเป็นชุดและยึดเข้ากับฮีทซิงค์ขนาดใหญ่ซึ่งช่วยป้องกันการกระจายพลังงาน (ไดโอดอุโมงค์จะเย็นลงเมื่อ UF สูงขึ้นหรือเพิ่มขึ้น) .

ฮีทซิงค์ใช้เพื่อให้สามารถสะสมความร้อนจากแสงอาทิตย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพหรืออาจใช้ความร้อนในรูปแบบอื่นซึ่งพลังงานจะต้องเปลี่ยนเป็นกระแสประจุเพื่อชาร์จแบตเตอรี่ Ni-Cd ที่เสนอ

แปลงความร้อนเป็นไฟฟ้าโดยใช้ไดโอดอุโมงค์ (ไฟฟ้าความร้อน)

ทฤษฎีการทำงานของโครงแบบพิเศษนี้ตรงไปตรงมาอย่างน่าอัศจรรย์ ลองนึกภาพความต้านทานธรรมดาตามธรรมชาติ R สามารถปล่อยแบตเตอรี่ผ่านกระแส I = V / R ซึ่งหมายความว่าความต้านทานเชิงลบจะสามารถเริ่มกระบวนการชาร์จสำหรับแบตเตอรี่ก้อนเดียวกันได้เพียงเพราะสัญญาณของฉันกลับด้านนั่นคือ: -I = V / -R

ในทำนองเดียวกันถ้าความต้านทานปกติอนุญาตให้กระจายความร้อนโดย P = PR วัตต์ความต้านทานเชิงลบจะสามารถให้กำลังวัตต์ในปริมาณเท่ากัน: P = -It-R

เมื่อใดก็ตามที่โหลดเป็นแหล่งจ่ายแรงดันด้วยตัวมันเองโดยมีความต้านทานภายในที่ค่อนข้างลดลงความต้านทานเชิงลบจะต้องสร้างแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นสำหรับกระแสประจุ Ic เพื่อไหลซึ่งกำหนดโดยสูตร:

Ic = δ [Σ (Uf) - อุบัต] / Σ (ถ) + Rbat

เมื่ออ้างถึงคำอธิบายประกอบΣ (Rd) เข้าใจได้ทันทีว่าไดโอดทั้งหมดในลำดับสตริงจะต้องถูกเรียกใช้ภายในขอบเขต -Rd ส่วนใหญ่เป็นเพราะไดโอดแต่ละตัวที่มีคุณสมบัติ + Rd อาจยุติวัตถุประสงค์

การทดสอบไดโอดอุโมงค์

เพื่อให้แน่ใจว่าไดโอดทั้งหมดมีความต้านทานเป็นลบสามารถออกแบบวงจรทดสอบที่ตรงไปตรงมาได้ดังแสดงในรูปต่อไปนี้

สังเกตว่าควรระบุมิเตอร์เพื่อระบุขั้วของกระแสไฟฟ้าเนื่องจากอาจเกิดขึ้นได้เป็นอย่างดีว่าไดโอดที่เฉพาะเจาะจงมีอัตราส่วน IP: Iv มากเกินไป (ความชันของอุโมงค์) ทำให้แบตเตอรี่ถูกชาร์จโดยไม่คาดคิดเมื่อใช้อคติไปข้างหน้าเล็กน้อย

การวิเคราะห์จะต้องดำเนินการที่อุณหภูมิบรรยากาศต่ำกว่า 7 ° C (ลองใช้ช่องแช่แข็งที่ทำความสะอาดแล้ว) และจดเส้นโค้ง UF-IF สำหรับทุกไดโอดโดยการเพิ่มอคติไปข้างหน้าอย่างพิถีพิถันผ่านโพเทนชิออมิเตอร์และบันทึกขนาดผลลัพธ์ของ IF ตามที่แสดงในการอ่านมิเตอร์

จากนั้นนำวิทยุ FM มาไว้ใกล้ ๆ เพื่อให้แน่ใจว่าไดโอดที่กำลังทดสอบนั้นไม่สั่นที่ 94.67284 MHz (Freq สำหรับ GISp ที่ระดับยาสลบ 10-7)

หากคุณพบว่าสิ่งนี้เกิดขึ้นไดโอดเฉพาะอาจไม่เหมาะสมกับแอปพลิเคชันปัจจุบัน กำหนดช่วง OF ที่รับประกัน -Rd สำหรับไดโอดทั้งหมดเท่านั้น ตามเกณฑ์การผลิตของไดโอดในล็อตที่มีอยู่ช่วงนี้อาจมีค่าน้อยที่สุดเช่น 180 ถึง 230 mV

วงจรประยุกต์

กระแสไฟฟ้าที่เกิดจากไดโอดอุโมงค์จากความร้อนสามารถใช้สำหรับชาร์จแบตเตอรี่ Ni-Cd ขนาดเล็ก

ขั้นแรกให้กำหนดปริมาณไดโอดที่จำเป็นสำหรับการชาร์จแบตเตอรี่ผ่านกระแสไฟฟ้าที่น้อยที่สุด: สำหรับการเลือก UF ด้านบนจะต้องเชื่อมต่อไดโอดอย่างน้อยเจ็ดตัวต่อเนื่องกันเพื่อให้กระแสไฟชาร์จประมาณ 45 mA เมื่ออุ่น ถึงระดับอุณหภูมิ:

Γ [-Σ (ถ) ถ้า] [[(Rth-j) - RΘ] .√ (Td + Ta) ° C

หรือประมาณ 35 ° C เมื่อความต้านทานความร้อนของฮีทซิงค์ไม่เกิน 3.5 K / W และเมื่อติดตั้งภายใต้แสงแดดจัด (Ta 26 ° C) เพื่อให้เครื่องชาร์จ NiCd นี้มีประสิทธิภาพสูงสุดฮีทซิงค์จะต้องมีสีเข้มเพื่อให้การแลกเปลี่ยนความร้อนกับไดโอดได้ดีที่สุด

นอกจากนี้จะต้องไม่เป็นแม่เหล็กโดยพิจารณาว่าสนามภายนอกใด ๆ ที่เหนี่ยวนำหรือแม่เหล็กจะทำให้เกิดการกระตุ้นของพาหะนำประจุภายในอุโมงค์ที่ไม่เสถียร

สิ่งนี้อาจทำให้เกิดผลกระทบของท่อที่ไม่สงสัยว่าอิเล็กตรอนอาจถูกกระแทกจากทางแยก p -n เหนือพื้นผิวและด้วยเหตุนี้จึงสร้างขึ้นรอบขั้วไดโอดทำให้เกิดแรงดันไฟฟ้าที่เป็นอันตรายขึ้นอยู่กับตัวเรือนโลหะ

“แนวคิดโครงงานนวัตกรรมสำหรับนักศึกษาวิทยาการคอมพิวเตอร์ ”

ไดโอดอุโมงค์หลายชนิดชนิด BA7891NG มีความไวต่อสนามแม่เหล็กน้อยที่สุดอย่างน่าเสียดายและการทดสอบได้พิสูจน์แล้วว่าสิ่งเหล่านี้จำเป็นต้องคงไว้ในแนวนอนโดยคำนึงถึงพื้นผิวโลกเพื่อเปรียบเทียบสิ่งนี้