Tunnel Diode - Sirkuit Kerja dan Aplikasi

Dioda terowongan adalah jenis dioda semikonduktor yang memiliki resistansi negatif karena efek mekanis kuantum yang dikenal sebagai penerowongan.

Dalam posting ini kita akan mempelajari karakteristik dasar dan cara kerja dioda terowongan, dan juga rangkaian aplikasi sederhana yang menggunakan perangkat ini.

Kita akan melihat bagaimana dioda terowongan dapat digunakan untuk mengubah panas menjadi listrik, dan untuk mengisi baterai kecil.

Kredit Gambar: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:GE_1N3716_tunnel_diode.jpg

Gambaran

Setelah lama menghilang dari dunia semikonduktor, dioda terowongan, sebenarnya telah diluncurkan kembali karena dapat diimplementasikan untuk mengubah energi panas menjadi listrik. Dioda terowongan juga dikenal sebagai Dioda Esaki , dinamai menurut penemu Jepangnya.

Pada tahun lima puluhan dan enam puluhan, dioda terowongan diterapkan dalam banyak aplikasi terutama di sirkuit RF, di mana kualitas luar biasa mereka dimanfaatkan untuk menghasilkan sensor level, osilator, mixer, dan hal-hal seperti itu yang sangat cepat.

Cara Kerja Tunnel Diode

Berbeda dengan dioda standar, dioda terowongan bekerja dengan menggunakan zat semikonduktor yang memiliki tingkat doping yang sangat besar, yang menyebabkan lapisan penipisan antara p -n junction menjadi sekitar 1000 kali lebih sempit bahkan dari dioda silikon tercepat.

Setelah dioda terowongan dibias maju, proses yang dikenal sebagai 'penerowongan' aliran elektron mulai terjadi di seluruh sambungan p -n.

'Tunneling' dalam semikonduktor doped sebenarnya adalah metode yang tidak mudah dipahami dengan menggunakan hipotesis atom konvensional, dan mungkin tidak dapat dibahas dalam artikel kecil ini.

Hubungan antara Tegangan Maju dan Arus Dioda Terowongan

Saat menguji hubungan antara tegangan maju dioda terowongan, UF, dan arus, IF, kita dapat menemukan bahwa unit memiliki karakteristik resistansi negatif antara tegangan puncak, Atas, dan tegangan lembah, Uv, seperti yang ditunjukkan pada Gambar di bawah.

Oleh karena itu, ketika dioda diberi daya dalam area yang diarsir dari kurva IF-UF-nya, arus maju turun saat tegangan naik. Hambatan dioda tanpa keraguan negatif, dan biasanya disajikan sebagai -Rd.

Desain yang disajikan dalam artikel ini memanfaatkan kualitas dioda terowongan di atas dengan menerapkan satu set perangkat dioda terowongan yang terhubung secara serial untuk mengisi baterai melalui panas matahari (bukan panel surya).

Seperti yang diamati pada Gambar di bawah, tujuh atau lebih dioda terowongan Gallium-Indium Antimonide (GISp) dihubungkan secara seri dan dijepit pada heatsink besar, yang membantu mencegah disipasi daya mereka (dioda terowongan menjadi lebih dingin saat UF semakin tinggi atau meningkat) .

Heatsink digunakan untuk mengaktifkan akumulasi panas matahari yang efektif, atau bentuk panas lainnya yang mungkin diterapkan, yang energinya diperlukan untuk diubah menjadi arus pengisian daya untuk mengisi daya baterai Ni-Cd yang diusulkan.

Mengubah Panas menjadi Listrik menggunakan Dioda Terowongan (Listrik Termal)

Teori kerja konfigurasi khusus ini sebenarnya sangat mudah. Bayangkan sebuah resistansi biasa, alami, R, mampu mengosongkan baterai melalui arus I = V / R. yang menyiratkan bahwa resistansi negatif akan dapat memulai proses pengisian untuk baterai yang sama, hanya karena tanda I dibalik, yaitu: -I = V / -R.

Dengan cara yang sama, jika resistansi normal memungkinkan pembuangan panas sebesar P = PR watt, resistansi negatif akan dapat memberikan jumlah watt yang sama ke dalam beban: P = -It-R.

Setiap kali beban adalah sumber tegangan sendiri dengan resistansi internal yang relatif berkurang, resistansi negatif harus, tentu saja, menghasilkan tingkat tegangan yang lebih besar untuk arus muatan, Ic, mengalir yang diberikan oleh rumus:

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

Mengacu pada anotasi Σ (Rd), segera dipahami bahwa semua dioda dalam urutan string harus dijalankan di dalam wilayah -Rd, terutama karena setiap dioda dengan karakteristik + Rd mungkin menghentikan tujuan.

Menguji Dioda Terowongan

Untuk memastikan bahwa semua dioda menghadirkan resistansi negatif, rangkaian uji langsung dapat dirancang seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut.

Perhatikan bahwa meteran harus ditentukan untuk menunjukkan polaritas arus, karena sangat mungkin terjadi bahwa dioda tertentu memiliki rasio IP: Iv yang sangat berlebihan (kemiringan terowongan) yang menyebabkan baterai tiba-tiba terisi saat menerapkan bias maju kecil.

Analisis harus dilakukan pada suhu atmosfer di bawah 7 ° C (coba freezer yang sudah dibersihkan), dan catat kurva UF-IF untuk setiap dioda dengan secara cermat meningkatkan bias maju melalui potensiometer, dan mendokumentasikan besaran yang dihasilkan dari JIKA, seperti yang ditampilkan pada pembacaan meteran.

Selanjutnya, dekatkan radio FM untuk memastikan bahwa dioda yang diuji tidak berosilasi pada 94,67284 MHz (Frek, untuk GISp pada level doping 10-7).

Jika Anda menemukan ini terjadi, dioda spesifik mungkin tidak sesuai untuk aplikasi saat ini. Tentukan kisaran OF yang menjamin -Rd untuk hampir semua dioda. Berdasarkan ambang produksi dioda dalam lot yang tersedia, kisaran ini bisa minimal, katakanlah, 180 hingga 230 mV.

Sirkuit aplikasi

Listrik yang dihasilkan oleh dioda terowongan dari panas dapat digunakan untuk mengisi daya baterai Ni-Cd kecil.

Pertama-tama tentukan jumlah dioda yang diperlukan untuk mengisi daya baterai melalui arus minimalnya: untuk pemilihan UF di atas, minimal Tujuh dioda harus dihubungkan secara seri untuk memberikan arus pengisian sekitar 45 mA ketika dihangatkan ke tingkat suhu:

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

Atau kira-kira 35 ° C ketika resistansi termal heatsink tidak lebih dari 3,5 K / W, dan saat dipasang di bawah puncak sinar matahari (Ta 26 ° C). Untuk mendapatkan efisiensi maksimum dari pengisi daya NiCd ini, heatsink harus berwarna gelap untuk pertukaran panas terbaik ke dioda.

Selain itu, tidak boleh bersifat magnetis, mengingat bahwa segala jenis medan luar, induksi atau magnet, akan menyebabkan stimulasi pembawa muatan yang tidak stabil di dalam terowongan.

Hal ini akibatnya dapat menyebabkan efek saluran yang tidak terduga, elektron kemungkinan besar terlempar dari sambungan p -n di atas substrat, dan dengan demikian menumpuk di sekitar terminal dioda, memicu tegangan yang mungkin berbahaya tergantung pada rumah logam.

Beberapa dioda terowongan Tipe BA7891NG, sayangnya, sangat sensitif terhadap medan magnet terkecil, dan pengujian telah membuktikan bahwa hal ini perlu dijaga secara horizontal sehubungan dengan permukaan bumi untuk mencegahnya.

Prototipe Asli yang Mendemonstrasikan Listrik dari Panas Matahari menggunakan Dioda Terowongan