터널 다이오드 – 작동 및 응용 회로

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터널 다이오드는 터널링으로 알려진 양자 역학적 효과로 인해 음의 저항을 갖는 반도체 다이오드의 한 유형입니다.

이 게시물에서는 터널 다이오드의 기본 특성과 작동 및이 장치를 사용한 간단한 응용 회로에 대해 알아 봅니다.



열을 전기로 바꾸고 소형 배터리를 충전하는 데 터널 다이오드를 사용하는 방법을 살펴 보겠습니다.

터널 다이오드

이미지 크레딧 : https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg



개요

반도체 세계에서 오랫동안 사라진 터널 다이오드는 실제로 열 에너지를 전기로 변환하는 구현이 가능하다는 사실의 결과로 다시 출시되었습니다. 터널 다이오드는 Esaki 다이오드 , 일본 발명가의 이름을 따서 명명되었습니다.

1950 년대와 60 년대에 터널 다이오드는 주로 RF 회로의 많은 응용 분야에서 구현되었으며, 그 탁월한 품질은 매우 빠른 레벨 센서, 발진기, 믹서 등을 생산하는 데 활용되었습니다.

터널 다이오드의 작동 원리

표준 다이오드와 달리 터널 다이오드는 도핑 레벨이 엄청나게 큰 반도체 물질을 사용하여 작동하므로 pn 접합 사이의 공 핍층이 가장 빠른 실리콘 다이오드보다 약 1000 배 더 좁아집니다.

터널 다이오드가 순방향 바이어스되면 전자 흐름의 '터널링'으로 알려진 프로세스가 p -n 접합 전체에서 발생하기 시작합니다.

도핑 된 반도체의 '터 넬링'은 실제로 기존의 원자 가설을 사용하여 쉽게 이해할 수없는 방법이며이 작은 기사에서는 다루지 못할 수도 있습니다.

터널 다이오드 순방향 전압과 전류의 관계

터널 다이오드의 순방향 전압, UF 및 전류 IF 간의 관계를 테스트하는 동안 장치가 아래 그림과 같이 피크 전압 Up과 밸리 전압 Uv 사이에 음의 저항 특성을 가지고 있음을 알 수 있습니다.

터널 다이오드 순방향 바이어스 및 순방향 전류 특성 곡선

따라서 다이오드가 IF-UF 곡선의 음영 영역 내에서 전력을 공급 받으면 전압이 올라감에 따라 순방향 전류가 내려갑니다. 다이오드의 저항은 의심 할 여지없이 음수이며 일반적으로 -Rd로 표시됩니다.

이 기사에 제시된 설계는 직렬로 연결된 터널 다이오드 장치 세트를 구현하여 위의 터널 다이오드 품질을 활용하여 배터리를 충전합니다. 태양열 (태양 전지판이 아님).

아래 그림에서 볼 수 있듯이 7 개 이상의 GISp (Galium-Indium Antimonide) 터널 다이오드가 직렬로 연결되고 큰 히트 싱크에 고정되어 전력 손실을 방지하는 데 도움이됩니다 (UF가 높아지거나 증가함에 따라 터널 다이오드가 냉각 됨). .

터널 다이오드를 사용하여 열에서 전기 생성

히트 싱크는 제안 된 Ni-Cd 배터리를 충전하기 위해 에너지를 충전 전류로 변환하는 데 필요한 태양열 또는 다른 형태의 열을 효과적으로 축적하는 데 사용됩니다.

터널 다이오드를 사용하여 열을 전기로 변환 (열전기)

이 특수 구성의 작동 이론은 실제로 놀랍도록 간단합니다. 일반적인 자연 저항 R이 전류 I = V / R을 통해 배터리를 방전 할 수 있다고 상상해보십시오. 이는 음의 저항이 동일한 배터리에 대해 충전 프로세스를 시작할 수 있음을 의미합니다. 단순히 I의 부호가 반전되기 때문에 즉, -I = V / -R입니다.

같은 방식으로, 정상적인 저항이 P = PR 와트만큼 열 방출을 허용하는 경우 음의 저항은 부하에 동일한 양의 와트를 제공 할 수 있습니다. P = -It-R.

부하가 내부 저항이 상대적으로 감소 된 자체 전압 소스 일 때마다 음의 저항은 확실히 충전 전류 Ic에 대해 더 높은 수준의 전압을 생성해야합니다.

Ic = δ [Σ (Uf)-Ubat] / Σ (Rd) + Rbat

주석 Σ (Rd)를 참조하면, 주로 + Rd 특성을 가진 개별 다이오드가 목표를 종료 할 수 있기 때문에 스트링 시퀀스 내의 모든 다이오드가 -Rd 영역 내에서 실행되어야한다는 것을 즉시 이해할 수 있습니다.

터널 다이오드 테스트

모든 다이오드가 음의 저항을 나타내도록하기 위해 다음 그림과 같이 간단한 테스트 회로를 설계 할 수 있습니다.

터널 다이오드 테스트 방법

특정 다이오드의 IP : Iv 비율 (터널 기울기)이 과도하여 작은 순방향 바이어스를 구현할 때 배터리가 예기치 않게 충전 될 수 있으므로 전류의 극성을 나타내도록 미터를 지정해야합니다.

분석은 7 ° C 미만의 대기 온도에서 수행해야합니다 (청소 된 냉동기를 사용해보십시오). 전위차계를 통해 순방향 바이어스를 꼼꼼하게 증가시키고 결과 크기를 문서화하여 모든 단일 다이오드에 대한 UF-IF 곡선을 기록해야합니다. IF, 미터 판독 값에 표시됩니다.

다음으로 FM 라디오를 가까이 가져 와서 테스트중인 다이오드가 94.67284MHz (도핑 레벨 10-7에서 GISp의 경우 주파수)에서 진동하지 않는지 확인합니다.

이런 일이 발생하면 특정 다이오드가 현재 응용 분야에 적합하지 않을 수 있습니다. 거의 모든 다이오드에 대해 -Rd를 보장하는 OF 범위를 결정합니다. 사용 가능한 로트에있는 다이오드의 제조 임계 값을 기준으로이 범위는 180 ~ 230mV 정도로 최소화 될 수 있습니다.

응용 회로

터널 다이오드가 열로 생성 한 전기는 소형 Ni-Cd 배터리를 충전하는 데 사용할 수 있습니다.

먼저 최소 전류를 통해 배터리를 충전하는 데 필요한 다이오드의 수를 결정합니다. 위의 UF를 선택하려면 예열 될 때 약 45mA의 충전 전류를 제공하기 위해 최소 7 개의 다이오드를 직렬로 연결해야합니다. 온도 수준 :

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

또는 히트 싱크의 열 저항이 3.5K / W 이하이고 태양 광이 가장 많은 곳 (Ta 26 ° C)에 설치할 때 약 35 ° C입니다. 이 NiCd 충전기에서 최대 효율을 얻으려면 다이오드에 대한 최상의 열 교환을 위해 방열판이 어두운 색이어야합니다.

또한 유도되거나 자기적인 모든 종류의 외부 장이 터널 내에서 전하 캐리어의 불안정한 자극을 유발할 수 있다는 점을 고려할 때 자성이 없어야합니다.

이것은 결과적으로 의심하지 않는 덕트 효과를 유발할 수 있습니다. 전자는 기판 위의 p -n 접합부에서 노크되어 다이오드 단자 주변에 축적되어 금속 하우징에 따라 위험한 전압을 유발할 수 있습니다.

여러 터널 다이오드 유형 BA7891NG는 유감스럽게도 미세한 자기장에 매우 민감하며 테스트 결과이를 차단하기 위해 지표면과 관련하여 수평을 유지해야합니다.

터널 다이오드를 사용하여 태양열에서 전기를 시연하는 원본 프로토 타입

터널 다이오드 응용 회로를 사용하여 태양열을 전기로 변환


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