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Diodo de túnel – Circuito de trabalho e aplicação

Um diodo túnel é um tipo de diodo semicondutor que apresenta uma resistência negativa devido a um efeito mecânico quântico conhecido como tunelamento.

Neste post vamos aprender as características básicas e funcionamento dos diodos de túnel, e também um circuito de aplicação simples utilizando este dispositivo.

Veremos como um diodo túnel pode ser usado para transformar calor em eletricidade e para carregar uma pequena bateria.

DIODO DE TÚNEL
Crédito da imagem: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Visão geral

Após um longo desaparecimento do mundo dos semicondutores, o diodo túnel, na verdade, foi relançado como resultado do fato de poder ser implementado para converter energia térmica em eletricidade. Os diodos de túnel também são conhecidos como Diodo Esakiem homenagem ao seu inventor japonês.

Nas décadas de 1950 e 60, os diodos de túnel foram implementados em muitas aplicações principalmente em circuitos de RF, nos quais suas qualidades extraordinárias foram aproveitadas para produzir sensores de nível extremamente rápidos, osciladores, misturadores e coisas assim.

Como funciona o diodo túnel

Em contraste com um diodo padrão, um diodo túnel funciona usando uma substância semicondutora que tem um nível de dopagem incrivelmente grande, levando a camada de depleção entre a junção p-n a se tornar aproximadamente 1000 vezes mais estreita mesmo que os diodos de silício mais rápidos.

Uma vez que o diodo túnel é polarizado diretamente, um processo conhecido como “túnel” do fluxo de elétrons começa a acontecer em toda a junção p-n.

“Tunneling” em semicondutores dopados é na verdade um método não facilmente compreensível usando a hipótese atômica convencional e talvez não possa ser coberto neste pequeno artigo.

Relação entre Tensão Direta de Diodo de Túnel e Corrente

Ao testar a relação entre a tensão direta de um diodo túnel, UF, e a corrente, IF, podemos descobrir que a unidade possui uma característica de resistência negativa entre a tensão de pico, Up, e a tensão de vale, Uv, conforme demonstrado na Figura abaixo.

POLARIZAÇÃO DIRETA DO DIODO TÚNEL E CURVA CARACTERÍSTICA DA CORRENTE DIRETA

Portanto, quando o diodo é alimentado dentro da área sombreada de sua curva IF-UF, a corrente direta diminui à medida que a tensão aumenta. A resistência do diodo é sem dúvida negativa e normalmente apresentada como -Rd.

O projeto apresentado neste artigo aproveita a qualidade acima dos diodos de túnel implementando um conjunto de dispositivos de diodo de túnel conectados em série para carregar uma bateria através calor solar (não painel solar).

Conforme observado na figura abaixo, sete ou mais diodos de túnel de antimônio de gálio-índio (GISp) são conectados em série e fixados em um grande dissipador de calor, o que ajuda a evitar a dissipação de sua energia (diodos de túnel ficam mais frios à medida que a UF aumenta ou aumenta) .

GERAR ELETRICIDADE A PARTIR DO CALOR USANDO DIODOS DE TÚNEL

O dissipador de calor é utilizado para permitir um acúmulo efetivo de calor solar, ou qualquer outra forma de calor que possa ser aplicada, cuja energia é necessária para ser transformada em corrente de carga para carregar a bateria de Ni-Cd proposta.

Converter calor em eletricidade usando diodos de túnel (eletricidade térmica)

A teoria de trabalho dessa configuração especial é surpreendentemente direta. Imagine que uma resistência comum, natural, R, é capaz de descarregar uma bateria através de uma corrente I=V/R. o que implica que uma resistência negativa poderá iniciar um processo de carregamento para a mesma bateria, simplesmente porque o sinal de I se inverte, ou seja: -I=V/-R.

Da mesma forma, se uma resistência normal permite a dissipação de calor por P = PR watts, uma resistência negativa será capaz de fornecer a mesma quantidade de potência na carga: P = -It-R.

Sempre que a carga é uma fonte de tensão própria com resistência interna relativamente reduzida, a resistência negativa deve, certamente, gerar um nível de tensão maior para a corrente de carga, Ic, fluir que é dada pela fórmula:

Ic = δ[ Σ(Uf) – Ubat] /Σ(Rd)+Rbat

Referindo-se à anotação Σ (Rd) entende-se imediatamente que todos os diodos dentro da sequência de strings devem ser executados dentro da região -Rd, principalmente porque qualquer diodo individual com uma característica +Rd pode terminar o objetivo.

Testando diodos de túnel

Para garantir que todos os diodos apresentem uma resistência negativa, um circuito de teste simples pode ser projetado conforme mostrado na figura a seguir.

COMO TESTAR DIODOS DE TÚNEL

Observe que o medidor deve ser especificado para indicar a polaridade da corrente, porque pode muito bem acontecer que um diodo específico tenha uma relação IP:Iv realmente excessiva (inclinação do túnel) fazendo com que a bateria seja carregada inesperadamente ao implementar uma pequena polarização direta.

A análise deve ser realizada a uma temperatura atmosférica abaixo de 7°C (experimente um freezer limpo) e anote a curva UF-IF para cada diodo, aumentando meticulosamente a polarização direta através do potenciômetro e documentando as magnitudes resultantes de IF, conforme exibido na leitura do medidor.

Em seguida, aproxime um rádio FM para ter certeza de que o diodo que está sendo testado não está oscilando em 94,67284 MHz (Freq , para GISp no nível de doping 10-7).

Se você achar que isso está acontecendo, o diodo específico pode ser inadequado para a presente aplicação. Determine a faixa de OF que garante -Rd para quase todos os diodos. Com base no limiar de fabricação dos diodos no lote disponível, essa faixa pode ser tão mínima quanto, digamos, 180 a 230 mV.

Circuito de aplicação

A eletricidade gerada pelos diodos de túnel a partir do calor pode ser usada para carregar uma pequena bateria de Ni-Cd.

Primeiro determine a quantidade de diodos necessários para carregar a bateria através de sua corrente mínima: para a seleção de UF acima, um mínimo de sete diodos terão que ser conectados em série para fornecer uma corrente de carga de aproximadamente 45 mA quando aquecidos a um nível de temperatura de:

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

Ou aproximadamente 35°C quando a resistência térmica do dissipador de calor não for superior a 3,5 K/W, e quando instalado sob pico de luz solar (Ta 26°C). Para obter a máxima eficiência deste carregador de NiCd, o dissipador de calor deve ser de cor escura para a melhor troca de calor possível para os diodos.

Além disso, não deve ser magnético, considerando que qualquer tipo de campo externo, induzido ou magnético, causará estimulação instável dos portadores de carga dentro dos túneis.

Isso pode, consequentemente, causar o efeito de duto desavisado; os elétrons podem provavelmente ser expulsos da junção p-n sobre o substrato e, assim, acumular-se em torno dos terminais do diodo, desencadeando tensões possivelmente perigosas, dependendo do invólucro metálico.

Vários diodos de túnel Tipo BA7891NG são, lamentavelmente, muito sensíveis a campos magnéticos mínimos, e os testes provaram que eles precisam ser mantidos na horizontal em relação à superfície da terra para interditar isso.

Protótipo original demonstrando eletricidade a partir do calor solar usando diodos de túnel

CALOR SOLAR EM ELETRICIDADE USANDO CIRCUITO DE APLICAÇÃO DE DIODO TÚNEL

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FONTE


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