نفق ديود - دائرة العمل والتطبيق

نفق ديود - دائرة العمل والتطبيق

الصمام الثنائي النفقي هو نوع من الصمام الثنائي أشباه الموصلات الذي يتميز بمقاومة سلبية بسبب التأثير الميكانيكي الكمومي المعروف باسم النفق.



في هذا المنشور سوف نتعلم الخصائص الأساسية وعمل الثنائيات النفقية ، وكذلك دائرة تطبيق بسيطة باستخدام هذا الجهاز.

سنرى كيف يمكن استخدام الصمام الثنائي النفقي لتغيير الحرارة إلى كهرباء وشحن بطارية صغيرة.





نفق ديود

حقوق الصورة: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

ملخص

بعد اختفاء طويل من عالم أشباه الموصلات ، أعيد إطلاق الصمام الثنائي النفق بالفعل نتيجة لحقيقة أنه يمكن تنفيذه لتحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء. تُعرف الثنائيات النفقية أيضًا باسم الصمام الثنائي Esaki ، سميت على اسم مخترعها الياباني.



في الخمسينيات والستينيات من القرن الماضي ، تم تنفيذ الثنائيات النفقية في الكثير من التطبيقات في المقام الأول في دوائر التردد اللاسلكي ، حيث تم الاستفادة من صفاتها غير العادية لإنتاج أجهزة استشعار ومذبذبات وخلاطات وأشياء من هذا القبيل.

كيف يعمل النفق الثنائي

على عكس الصمام الثنائي القياسي ، يعمل الصمام الثنائي النفقي باستخدام مادة شبه موصلة لها مستوى منشطات كبير بشكل لا يصدق ، مما يؤدي إلى طبقة النضوب بين تقاطع p -n لتصبح أضيق بنحو 1000 مرة حتى من أسرع ثنائيات السيليكون.

بمجرد أن يكون الصمام الثنائي النفق متحيزًا للأمام ، تبدأ عملية تعرف باسم 'نفق' تدفق الإلكترون في جميع أنحاء التقاطع p -n.

'النفق' في أشباه الموصلات المخدرة هو في الواقع طريقة لا يمكن فهمها بسهولة باستخدام الفرضية الذرية التقليدية ، وربما لا يمكن تغطيتها في هذه المقالة الصغيرة.

العلاقة بين الجهد الأمامي للتيار الثنائي النفق والتيار

أثناء اختبار العلاقة بين الجهد الأمامي للنفق ، UF ، والتيار ، IF ، يمكننا أن نجد أن الوحدة تمتلك خاصية مقاومة سالبة بين ذروة الجهد ، أعلى ، وجهد الوادي ، Uv ، كما هو موضح في الشكل أدناه.

نفق الصمام الثنائي إلى الأمام ومنحنى الخصائص الحالية إلى الأمام

لذلك ، عندما يتم تشغيل الصمام الثنائي داخل المنطقة المظللة من منحنى IF-UF ، فإن التيار الأمامي ينخفض ​​مع ارتفاع الجهد. مقاومة الصمام الثنائي هي سلبية دون أي شك ، وعادة ما يتم تقديمها على أنها -Rd.

يستفيد التصميم المقدم في هذه المقالة من جودة الثنائيات النفقية المذكورة أعلاه من خلال تنفيذ مجموعة من أجهزة الصمام الثنائي النفق المتسلسلة لشحن البطارية من خلال حرارة الشمس (وليس لوحة شمسية).

كما هو مذكور في الشكل أدناه ، يتم توصيل سبعة أو أكثر من صمامات الثنائيات النفقية الغاليوم-إنديوم أنتيمونيد (GISp) في سلسلة ومثبتة على مبدد حراري كبير ، مما يساعد على منع تبديد قوتها (تصبح الثنائيات النفقية أكثر برودة مع ارتفاع UF أو زيادة) .

توليد الكهرباء من الحرارة باستخدام الثنائيات النفقية

يتم استخدام المبرد الحراري لتمكين التراكم الفعال للحرارة الشمسية ، أو أي شكل آخر من أشكال الحرارة التي يمكن تطبيقها ، والتي تتطلب طاقتها أن تتحول إلى تيار شحن لشحن بطارية Ni-Cd المقترحة.

تحويل الحرارة إلى كهرباء باستخدام صمامات الأنفاق (الكهرباء الحرارية)

نظرية العمل لهذا التكوين الخاص هي في الواقع مباشرة بشكل مثير للدهشة. تخيل أن مقاومة عادية ، طبيعية ، R ، قادرة على تفريغ البطارية من خلال تيار I = V / R. مما يعني أن المقاومة السلبية ستكون قادرة على بدء عملية شحن لنفس البطارية ، وذلك ببساطة لأن إشارة I يتم عكسها ، أي: -I = V / -R.

بنفس الطريقة ، إذا كانت المقاومة العادية تسمح بتبديد الحرارة بواسطة P = PR واط ، فإن المقاومة السلبية ستكون قادرة على توفير نفس المقدار من القوة الكهربائية في الحمل: P = -It-R.

عندما يكون الحمل مصدر جهد من تلقاء نفسه مع مقاومة داخلية منخفضة نسبيًا ، يجب أن تولد المقاومة السلبية ، بالتأكيد ، مستوى أعلى من الجهد لتيار الشحن ، Ic ، للتدفق الذي تعطى بواسطة الصيغة:

Ic = δ [Σ (Uf) - Ubat] / Σ (طريق) + Rbat

بالإشارة إلى التعليق التوضيحي Σ (طريق) ، من المفهوم على الفور أن جميع الثنائيات الموجودة في تسلسل السلسلة يجب تشغيلها داخل المنطقة -Rd ، ويرجع ذلك أساسًا إلى أن أي صمام ثنائي فردي بخاصية + Rd قد ينهي الهدف.

اختبار الثنائيات النفقية

للتأكد من أن جميع الثنائيات تقدم مقاومة سلبية ، يمكن تصميم دائرة اختبار مباشرة كما هو موضح في الشكل التالي.

كيفية اختبار الثنائيات النفقية

لاحظ أنه يجب تحديد العداد للإشارة إلى قطبية التيار ، لأنه من المحتمل جدًا أن يحتوي الصمام الثنائي المحدد على نسبة IP: IV مفرطة حقًا (منحدر نفق) مما يتسبب في شحن البطارية بشكل غير متوقع عند تنفيذ انحياز أمامي صغير.

يجب إجراء التحليل عند درجة حرارة أقل من 7 درجات مئوية (جرب مجمدًا نظيفًا) ، ولاحظ أسفل منحنى UF-IF لكل صمام ثنائي واحد عن طريق زيادة التحيز الأمامي بدقة من خلال مقياس الجهد ، وتوثيق المقادير الناتجة من IF ، كما هو موضح في قراءة العداد.

بعد ذلك ، أحضر راديو FM بالقرب منك للتأكد من أن الصمام الثنائي الذي يتم اختباره لا يتأرجح عند 94.67284 ميجاهرتز (Freq ، لـ GISp عند مستوى المنشطات 10-7).

إذا وجدت هذا يحدث ، فقد يكون الصمام الثنائي المحدد غير مناسب للتطبيق الحالي. حدد نطاق الـ OF الذي يضمن -Rd لجميع الثنائيات تقريبًا. بناءً على عتبة تصنيع الثنائيات في الدفعة المتاحة ، يمكن أن يكون هذا النطاق في حده الأدنى ، على سبيل المثال ، من 180 إلى 230 ملي فولت.

دائرة التطبيق

يمكن استخدام الكهرباء المولدة من الثنائيات النفقية من الحرارة لشحن بطارية Ni-Cd صغيرة.

حدد أولاً كمية الثنائيات اللازمة لشحن البطارية من خلال الحد الأدنى من تيارها: للاختيار أعلاه من UF ، يجب توصيل سبعة صمامات ثنائية على الأقل في سلسلة لتوفير تيار شحن يبلغ 45 مللي أمبير تقريبًا عند تسخينها لدرجة حرارة:

Γ [-(طريق) إذا] [δ (Rth-j) - RΘ] .√ (Td + Ta) ° C

أو ما يقرب من 35 درجة مئوية عندما لا تزيد المقاومة الحرارية للمبدد الحراري عن 3.5 ك / وات ، وعندما يتم تثبيته تحت أشعة الشمس القصوى (تا 26 درجة مئوية). للحصول على أقصى قدر من الكفاءة من شاحن NiCd ، يجب أن يكون المبدد الحراري داكن اللون للحصول على أفضل تبادل حراري ممكن للصمامات الثنائية.

بالإضافة إلى ذلك ، يجب ألا يكون مغناطيسيًا ، مع الأخذ في الاعتبار أن أي نوع من المجال الخارجي ، مستحثًا أو مغناطيسيًا ، سيؤدي إلى تحفيز غير مستقر لحاملات الشحن داخل الأنفاق.

قد يؤدي هذا بالتالي إلى حدوث إلكترونات ذات تأثير مجرى غير مرغوب فيه من المحتمل أن تكون قد طرقت من تقاطع p -n فوق الركيزة ، وبالتالي تتراكم حول أطراف الصمام الثنائي ، مما قد يؤدي إلى جهد خطير اعتمادًا على السكن المعدني.

العديد من الثنائيات النفقية من نوع BA7891NG ، للأسف ، حساسة للغاية لأدق المجالات المغناطيسية ، وقد أثبتت الاختبارات أن هذه الثنائيات تحتاج إلى أن يتم الحفاظ عليها أفقيًا فيما يتعلق بسطح الأرض لمنع هذا.

نموذج أصلي يوضح الكهرباء الناتجة عن الحرارة الشمسية باستخدام الثنائيات النفقية

الطاقة الشمسية للكهرباء باستخدام دائرة تطبيق الصمام الثنائي النفق


السابق: كيفية توصيل وحدة استشعار الغاز MQ-135 بشكل صحيح التالي: Triacs - دوائر العمل والتطبيق