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.
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.
“센서와 변환기의 차이점 ”
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.
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). .
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.
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
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