Diodo 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 aprenderemos as características básicas e o funcionamento dos diodos túnel, e também um circuito de aplicação simples usando este dispositivo.

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

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 foi relançado como resultado do fato de que poderia ser implementado para converter energia térmica em eletricidade. Diodos de túnel também são conhecidos como Diodo Esaki , em homenagem a seu inventor japonês.

Nos anos cinquenta e sessenta, os diodos de túnel foram implementados em muitas aplicações, principalmente em circuitos de RF, nos quais suas qualidades extraordinárias foram aproveitadas para a produção de sensores de nível extremamente rápidos, osciladores, mixers e coisas assim.

Como funciona o diodo túnel

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

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

'Tunelamento' 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 a tensão direta do diodo túnel e a corrente

Ao testar 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 de vale, Uv, conforme demonstrado na Fig abaixo.

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

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

Conforme observado na Figura abaixo, sete ou mais diodos de túnel de Antimoneto de Gálio-Índio (GISp) são ligados em série e presos em um grande dissipador de calor, o que ajuda a prevenir a dissipação de sua energia (os diodos de túnel ficam mais frios conforme o UF aumenta ou aumenta) .

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 ser transformada 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 surpreendentemente direta. Imagine que uma resistência normal e natural R é capaz de descarregar uma bateria por meio 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 se inverte, ou seja: -I = V / -R.

Da mesma forma, se uma resistência normal permitir a dissipação de calor por P = PR watts, uma resistência negativa será capaz de fornecer a mesma quantidade de watts 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 maior de tensão para a corrente de carga, Ic, fluir, o que é dado pela fórmula:

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

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

Teste de diodos de túnel

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

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

A análise deve ser realizada em 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, traga um rádio FM para perto para ter certeza de que o diodo que está sendo testado não está oscilando em 94,67284 MHz (Freq, para GISp no nível de dopagem 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 limite 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 por diodos de túnel 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 eles forem 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 for instalado sob o pico da luz solar (Ta 26 ° C). Para obter a eficiência máxima deste carregador de NiCd, o dissipador de calor deve ser de cor escura para a melhor troca de calor possível com os diodos.

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

Isso pode, conseqüentemente, provocar os desavisados ​​elétrons do efeito de duto que podem provavelmente ser arrancados da junção p-n sobre o substrato e, assim, acumular-se em torno dos terminais do diodo, disparando talvez tensões perigosas dependendo do invólucro metálico.

Vários diodos de túnel do tipo BA7891NG são, lamentavelmente, muito sensíveis aos menores campos magnéticos, e os testes provaram que estes precisam ser mantidos na horizontal em relação à superfície da Terra para interditar isso.

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