Wir untersuchen die Tunneldiode am Beispiel von 3I306M

In der modernen Elektronik werden Tunneldioden durch Komponenten ersetzt, die zur Lösung derselben Probleme bequemer sind. Aber warum nicht mit einem aktiven Element experimentieren, das einst als eines der schnellsten galt?

Tunneldioden sind in solche unterteilt, die für Verstärker, Impulsgeneratoren und Schlüsselschaltungen vorgesehen sind. Laut Datenblatt sind die Dioden der Serie 3I306 für den Einsatz in Schaltgeräten ausgelegt. Die Grafik zeigt die Abhängigkeit des Spannungsabfalls an der Diode vom Strom durch sie an einem geraden Teil der I - V - Kennlinie:


Das Charakterogramm des Autors ist improvisiert und besteht aus einem Signalgenerator, einem 10-Ohm-Widerstand und einem Oszilloskop. In diesem Fall tritt ein Fehler auf: Ein Kanal des Oszilloskops misst die Gesamtspannung an der gesamten seriellen Schaltung von der Diode und dem Widerstand und der andere nur am Widerstand (der Strom kann indirekt aus der zweiten dieser Spannungen bestimmt werden). Es ist möglich, den Spannungsabfall nur an der Diode zu berechnen, indem die Kurven in eine CSV-Datei exportiert und anschließend die Diagramme in Python mit matplotlib generiert werden.

Ein Beispiel für die I-V-Charakteristik einer Tunneldiode auf einem Oszilloskopbildschirm:


Zunächst steigt der Strom durch die Diode auf ca. 11 mA an, bis die Spannung auf 150 mV ansteigt, fällt dann stark auf 500 μA ab und steigt wieder an. Dies ist der Bereich des negativen Differenzwiderstands, in dem der Strom mit zunehmender Spannung abnimmt.

Um den Betrieb der Diode im Schaltgerät zu untersuchen, hat der Autor sie an zwei BNC-Anschlüsse angeschlossen. Ihre Gehäuse sind miteinander verbunden, und zwischen den zentralen Kontakten ist eine Diode angeschlossen. Das Signal vom Generator mit einer Ausgangsimpedanz von 50 Ohm wird über die Diode mit derselben Eingangsimpedanz dem Oszilloskop zugeführt:


Das Verhalten der Diode ist unabhängig von der Wellenform. Wenn die Spannung den Schwellenwert überschreitet, erfolgt ein Umschalten. Der Autor legte ein Dreieckssignal mit einer Frequenz in der Größenordnung von 100 kHz an. Der Strom nimmt in 900 Pikosekunden ab und der Anstieg in 1,1 Nanosekunden. Beeindruckend, besonders wenn man bedenkt, dass die Schaltung aus einem Teil besteht, ohne den Signalgenerator. Bei einem Rechteckgenerator am Timer 555 dauert das Umschalten etwa 100 Nanosekunden.


Die Größe des Ausgangssignals ist jedoch gering, da Tunneldioden bei niedrigen Spannungen und Strömen arbeiten.

Ferner versucht der Autor, eine Schaltdiode für andere Zwecke zu verwenden - im Generator. Hier wird er ungedämpfte Schwingungen in der Schaltung aufrechterhalten:


Die Schwingschaltung bestand zunächst aus einer Windung mit einem Durchmesser von 9 mm und einem Kondensator von 2 pF. Ein 10 nF-Kondensator schließt die erzeugten Schwingungen für sich selbst und leitet sie nicht in den Stromkreis. Die Versorgungsspannung beträgt 700 mV, nach dem Starten arbeitet der Generator weiter, wenn die Spannung auf 330 mV abfällt.


Der Generator arbeitete zunächst mit einer Frequenz von 295 MHz. Beim Ersetzen des Kondensators in der Schaltung durch einen anderen mit einer Kapazität in pF erhöhte sich die Frequenz auf nur 300 MHz, was impliziert, dass die eigene Kapazität der Diode die Frequenz weiter senkte. Nachdem der Autor die Spuleninduktivität berechnet hatte, berechnete er die eigene Kapazität der Diode - 18 pF. Das Datenblatt besagt, dass es 30 pF nicht überschreitet, und dies stellte sich als so heraus.

Bei der Beobachtung von Schwankungen ist es wichtig, der Schaltung keine zusätzliche Kapazität hinzuzufügen. Bei einer 10x-Oszilloskopsonde beträgt die Kapazität 10 pF, was ausreicht, um die Frequenz weiter zu reduzieren. Daher schloss der Autor den Eingang des Oszilloskops für das Gehäuse, nachdem er eine weitere Spulenmessung erhalten hatte. Wenn Sie es in die Schleife der Schaltung bringen, können Sie einen Transformator ohne Kern erhalten. Die Schwingungsamplitude kann auf diese Weise nicht erkannt werden, aber Sie können sehen, wie sie von der Versorgungsspannung abhängt.


Um die Erzeugungsfrequenz zu erhöhen, verkürzte der Autor die Diodenanschlüsse und verband einen Kondensator mit einer axialen Stiftanordnung direkt mit ihnen. Die Spule wird nicht mehr benötigt, die Induktivität wird durch die Ausgänge der Komponenten bereitgestellt. Nach dem Anlegen einer Versorgungsspannung von 700 mV an die Schaltung begann das Lasern mit einer Frequenz von 581 MHz. Wie kann man es sonst noch erhöhen? Hohlraumresonator nehmen?


Wahrscheinlich war es für die Designer nicht einfach, mit Tunneldioden zu arbeiten: Die Regel "Wir bauen einen Verstärker - es stellt sich heraus, dass der Generator" sollte hier respektiert werden. Daher hat der Autor noch nicht versucht, einen Verstärker auf einer solchen Diode herzustellen.

Der Autor hat das Ausgangssignal auf die gleiche Weise aufgenommen, und obwohl es perfekt sinusförmig aussieht, kann es verzerrt werden. Gerade bei einer Frequenz von 581 MHz hat das 1-GHz-Oszilloskop nicht genügend Auflösung, um Verzerrungen zu erkennen. Genau wie im vorherigen Fall ist es nicht möglich, die Amplitude genau zu messen, was bedeutet, dass es nicht möglich ist, diesen Generator mit dem vorherigen zu vergleichen.

Tunneldioden sind sehr „empfindlich“: Eine von ihnen versagte beim Entfernen der I - V - Kennlinie aufgrund der zu großen Signalamplitude vom Generator und die andere aufgrund von Überhitzung beim Löten. Mit den restlichen acht ging der Autor viel feiner um. Es ist notwendig, die Diode bei einer Temperatur von nicht mehr als 260 ° C nicht länger als 3 Sekunden und mit einem Kühlkörper zu löten. Der Autor hat keine für solche Zwecke empfohlene Kupferpinzette mit einer Dicke von 2 mm, aber ein Aluminiumclip, der ursprünglich zum Löten von Germaniumkomponenten gekauft wurde, wurde hergestellt:


Dioden haben auch Angst vor statischer Aufladung. "Diodentests durch einen Tester sind nicht zulässig." Nach einem solchen Experiment überlebte der Autor die Diode, aber während des Tests klingelte sie nicht in beide Richtungen. Sie müssen die Polarität anhand der Abbildung im Datenblatt bestimmen.

Wenn Sie mit Tunneldioden experimentieren möchten, kaufen Sie sie nur für den Fall eines Spielraums, aber beachten Sie diese einfachen Regeln sofort. Und dann verlieren Sie keinen einzigen.