Diodo de Túnel – Circuito de Trabalho e Aplicação

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

Neste post, aprenderemos os recursos básicos e a operação dos diodos de túnel, e também um circuito de aplicação simples com este dispositivo.

Veremos como um diodo de túnel pode ser usado para converter calor em eletricidade e 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 do túnel foi realmente relançado como resultado, podendo ser implementado para converter energia térmica em eletricidade. Os diodos do túnel também são conhecidos como Esaki Diode, nomeado após seu inventor japonês.

Nos anos cinquenta e sessenta, os diodos de túnel foram implementados em muitas aplicações principalmente em circuitos de RF, onde suas qualidades extraordinárias foram usadas para produzir sensores de nível extremamente rápido, osciladores, misturadores e similares.

Como o diodo do túnel funciona

Ao contrário de um diodo padrão, um diodo de túnel trabalha usando uma substância semicondutora que possui um nível de dopagem incrivelmente alto, o que faz com que a camada de depleção entre a junção p-n se torne aproximadamente 1000 vezes mais estreita, diodos de silício mais rápidos.

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

O tunelamento em semicondutores dopados é na verdade um método que não é facilmente entendido usando hipóteses atômicas convencionais e pode não ser abordado neste pequeno artigo.

Relação entre a tensão direta e a corrente do diodo do túnel

Testando a relação entre a tensão direta de um diodo de 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 do vale, Uv, como mostrado em a figura abaixo.

polarização direta do diodo do túnel e curva característica da corrente direta

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

O design apresentado neste artigo aproveita a qualidade anterior dos diodos de túnel implementando um conjunto de dispositivos de diodo de túnel conectados em série para carregar uma bateria via calor solar (Sem painel solar).

Como visto na figura abaixo, sete ou mais diodos de túnel antimoneto de gálio-índio (GISp) são conectados em série e presos em um grande dissipador de calor, ajudando a impedir a dissipação de sua energia (os diodos o túnel esfria à medida que o UF aumenta ou aumenta).

gerar eletricidade a partir do calor usando diodos de túnel

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

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

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

Da mesma forma, se um resistor normal permite dissipação de calor em P = PR watts, um resistor negativo pode fornecer a mesma quantidade de energia na carga: P = -It-R.

Toda vez que a carga é uma fonte de tensão por si só com uma resistência interna relativamente baixa, a resistência negativa deve gerar um nível de tensão mais alto para a corrente de carga, Ic, fluir, que é obtida pela fórmula:

Ic = δ[ Σ(Uf) – Ubat] / Σ (Rd) + Rbat

Referindo-se à anotação Rd (Rd), é imediatamente entendido que todos os diodos na sequência de cadeias devem ser executados na região -Rd, principalmente porque qualquer diodo individual com uma característica + Rd pode terminar o alvo.

Teste de diodo em túnel

Para garantir que todos os diodos tenham resistência negativa, um circuito de teste direto pode ser projetado como revelado na figura a seguir.

como testar diodos de túnel

Observe que o medidor precisa ser especificado para indicar a polaridade atual, porque pode muito bem acontecer que um diodo específico tenha uma relação IP: Iv realmente excessiva (inclinação do túnel), fazendo com que a bateria carregue inesperadamente implementando uma pequena polarização direta.


A análise deve ser realizada a uma temperatura atmosférica abaixo de 7 ° C (tente um freezer limpo) e observe a curva UF-IF para cada diodo, aumentando meticulosamente o viés direto através do potenciômetro e documentando as magnitudes de SI resultantes, como mostrado na leitura do medidor.

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

Se você achar que isso está acontecendo, o diodo específico pode não ser adequado para a presente aplicação. Determine o intervalo de OF que garante -Rd para quase todos os diodos. Dependendo do limite de fabricação do diodo no lote disponível, esse intervalo pode ser tão baixo quanto, por exemplo, 180 a 230 mV.

Circuito de aplicação

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

Primeiro, determine o número de diodos necessários para carregar a bateria através de sua corrente mínima: Para a seleção UF acima, um mínimo de sete diodos deve ser conectado em série para fornecer uma corrente de carga de aproximadamente 45 mA quando aquecida a uma corrente mínima. 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 instalada sob luz solar máxima (Ta 26 ° C). Para obter a máxima eficiência desse carregador de NiCd, o dissipador de calor deve ser de cor escura para a melhor troca de calor possível entre os diodos.

Além disso, não deve ser magnético, pois qualquer tipo de campo externo, induzido ou magnético, causará um estímulo instável dos portadores de carga dentro dos túneis.

Consequentemente, isso pode causar o efeito do duto desavisado; É provável que os elétrons se desconectem da junção p-n no substrato e, portanto, se acumulem ao redor dos terminais do diodo, o que pode desencadear tensões perigosas dependendo da carcaça de metal.

Infelizmente, vários diodos do túnel do tipo BA7891NG são muito sensíveis aos menores campos magnéticos, e testes mostraram que eles devem ser mantidos na horizontal em relação à superfície da Terra para interceptar isso.

Protótipo original que demonstra eletricidade do calor solar usando diodos de túnel

calor solar em eletricidade usando o circuito de aplicação de diodo em túnel


FONTE

Nota: Este foi traduzido do Inglês para português (auto)

Pode conter erros de tradução

Olá, se tiver algum erro de tradução (AUTO), falta de link para download etc…

Veja na FONTE até ser revisado o post.

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