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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Einige Schaltungen verwenden Tunneldioden. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Diverse elektronische Geräte Am einfachsten ist es, Oszillatorschaltungen mit Tunneldioden aufzubauen. Da die Tunneldiode ein spannungsstabiles Zweipolgerät mit negativem Widerstand ist, kann sie beim Anschließen eines parallelen Schwingkreises erzeugen. In diesem Fall kompensiert der negative Widerstand der Diode die Verluste, und es können ungedämpfte Schwingungen entstehen und in der Schaltung aufrechterhalten werden. Gewöhnliche Niederfrequenz-Tunneldioden funktionieren gut bei Frequenzen, die Einheiten von Megahertz entsprechen. Dioden mit höherer Frequenz, die eine geringere Sperrschichtkapazität und eine geringere Leitungsinduktivität aufweisen, erzeugen Frequenzen von mehreren Tausend Megahertz. Aufgrund der kleinen Werte des Abschnitts der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Diode mit negativem Widerstand beträgt die von ihr bei jeder Frequenz abgegebene Leistung jedoch nur einen Bruchteil eines mW. Um zu verhindern, dass die Form der erzeugten Schwingungen verfälscht wird, wird in der Regel eine Teilbeschaltung der Diode mit dem Generatorkreis verwendet. In diesem Fall muss der auf die Diodenanschlüsse reduzierte Verlustwiderstand gleich seinem negativen Widerstand sein. In realen Schaltungen wird der reduzierte Verlustwiderstand größer als negativ gewählt. Widerstand der Tunneldiode, um eine zuverlässige Erregung des Generators bei Temperatur-, Versorgungsspannungs- und Frequenzänderungen zu gewährleisten. Da der Parallelverlustwiderstand in realen Schwingkreisen den Widerstand der Tunneldiode deutlich übersteigt, muss der Abgriff aus einem kleinen Teil der Kreiswindungen erfolgen (Bild 1). Ein Teil der Schwingungsleistung wird am Innenwiderstand der Vorspannungsquelle abgegeben, sollte also möglichst klein sein.
Typischerweise werden Tunneldioden von einem Spannungsteiler gespeist, was zu verschwendetem Stromverbrauch führt. Tatsächlich beträgt die Vorspannung im Erzeugungsmodus bei Germaniumdioden 0,1–0,15 V und die Mindestspannung der meisten chemischen Stromquellen beträgt 1,2–2 V, weshalb im Stromkreis Spannungsteiler verwendet werden müssen . In diesem Fall werden ca. 80-90 % der Gesamtleistungsaufnahme über den Teiler abgeführt. Aus wirtschaftlichen Gründen empfiehlt es sich, für die Versorgung von Tunneldioden Quellen mit möglichst geringer Spannung zu verwenden. Der Ausgangswiderstand des Spannungsteilers wird im Bereich von 5-10 Ohm gewählt und nur bei Geräten, bei denen höchste Effizienz gefordert ist, auf 20-30 Ohm erhöht. Der negative Widerstand der Tunneldiode sollte den Widerstand des Teilers um das 5- bis 10-fache übersteigen. Es ist nicht ratsam, so kleine Widerstände mit Kondensatoren zu überbrücken, um Verluste an Hochfrequenzenergie zu reduzieren, da dies in manchen Fällen zu einem instabilen Betrieb des Generators führen kann, insbesondere wenn sein Modus entsprechend der maximalen Ausgangsleistung ausgewählt wurde. Der negative Widerstand der Tunneldiode ist stark abhängig von der Lage des Arbeitspunktes, so dass bei einer Änderung der Versorgungsspannung um 10 % der Normalbetrieb des Generators komplett gestört werden kann. Daher ist es bei der Stromversorgung von Dioden aus chemischen Stromquellen - Batterien, Akkumulatoren - sehr schwierig, deren stabilen Betrieb sicherzustellen. Es ist am ratsamsten, sie mit Quecksilberoxidelementen zu versorgen, deren Spannung sich während des Betriebs geringfügig ändert, und in einigen Fällen ist es erforderlich, eine vorstabilisierte Spannung zu verwenden oder nichtlineare Widerstände im Teiler zu verwenden - im Oberarm, Stabilisierung des Stroms und im unteren Arm - Spannung. Wenn also in der Oszillatorschaltung (Abb. 2, a) anstelle des Widerstands R2 eine Germaniumdiode D11 in direkter Verbindung verwendet wird, wie in Abb. 2 gezeigt. 1,5, b verbessert sich die Stabilität des Generators und wenn sich die Versorgungsspannung von 1 auf XNUMX V ändert, sind keine Einstellungen erforderlich.
In den oben genannten Schaltungen von Selbstoszillatoren mit einer Frequenz von 465 kHz ist die L1-Spule auf einen 4-teiligen Polystyrolrahmen mit einem Durchmesser von 4 mm mit einem F-1000-Ferritkern mit einem Durchmesser von 2,8 und einer Länge von 12 gewickelt mm. Die Spulenwicklung enthält 220 Windungen PEV 0,13-Draht mit einer Anzapfung aus 18 Windungen. Die Hochfrequenzspannung im Stromkreis beträgt 1 Veff. Alle oben erwähnten Stabilisierungsverfahren verkomplizieren die Schaltungen etwas und erhöhen in einigen Fällen den Stromverbrauch, so dass sie keine breite Anwendung gefunden haben. In Geräten werden Tunneldioden am häufigsten in Verbindung mit Transistoren verwendet. Es ist bekannt, dass in einem Transistor der Emitterstrom relativ wenig von der Kollektorversorgungsspannung abhängt, insbesondere wenn die Transistorvorspannung auf irgendeine Weise stabilisiert wird. Wenn Sie also die Dioden mit dem Emitterstrom des Transistors speisen, können Sie nicht nur an Stabilität, sondern auch an Effizienz gewinnen. Letztere erhöht sich hier dadurch, dass die Verluste am oberen Arm des Teilers wegfallen und die zusätzliche Leistungsaufnahme der Tunneldiode gering ist. Neben Generatoren, die auf eine feste Frequenz abgestimmt sind, können Tunneldioden auch in Reichweitengeneratoren verwendet werden. In diesem Fall ist es zwar notwendig, die Verbindung zwischen der Diode und der Schaltung sorgfältiger auszuwählen, um die Amplitude der Schwingung und die Leistung in der Last im gesamten überlappten Bereich auf einem bestimmten Niveau zu halten. Ein Beispiel für eine solche Verwendung einer Tunneldiode ist die in der Zeitschrift Radio Nr. 5, 1962, beschriebene Lokaloszillatorschaltung für einen Überlagerungsempfänger. Die Lokaloszillatorschaltung wird in diesem Fall sogar einfacher erhalten als auf einem Transistor (Fig. 3 ).
Die Gesamtzahl der Windungen in Spule L1 bleibt erhalten, und für die Kommunikation mit der Tunneldiode wird die Wicklung L1 von ihrem geerdeten Ende her auf L2 gewickelt und enthält 10 Windungen PELSHO 0,15-Draht. Die Verbindungswicklung mit dem Wandler L3 bleibt ungefähr erhalten Dasselbe, aber für die größte Empfindlichkeit muss die Anzahl der Windungen neu gewählt werden. Die Kapazitäten der Kondensatoren C1 und C2 bleiben unverändert. Die Tunneldiode wird von einer gemeinsamen Quelle gespeist. In diesem Fall sollte der Widerstand R2 gleich 1,2 sein com. Die Tunneldiode muss mit einem maximalen Strom von nicht mehr als 1,5 mA ausgewählt werden. Für die Stromversorgung der Diode ist es rationeller, die oben erwähnte Stabilisierungsschaltung mit einem Transistor anzuwenden. Dazu wird der Niederfrequenzverstärker verwendet wird gemäß der in Abb. 4 gezeigten Schaltung erneuert. Zwischen den Transistoren und dem Niederfrequenzverstärker wird eine Gleichstromverbindung eingeführt. Die Vorspannung an der Basis des Transistors T1 wird vom Emitter des Transistors T2 über die Kette R4D1 und entfernt Widerstände R2, R3. Die entstehende negative Stromrückkopplung hält den Emitterstrom und damit die Spannung an den Widerständen R2 und R3 nahezu konstant, wenn die Versorgungsspannung um 25–30 % des Nennwerts abnimmt (es ist besser, die Versorgung zu erhöhen). Spannung auf 9 V).
Um die Tunneldiode mit Strom zu versorgen, wird eine Spannung von 2 V verwendet, die dem Teiler über den Widerstand R2 (Abb. 3) zugeführt wird, der in diesem Fall 430 Ohm entspricht. Der Aufbau beginnt mit der Prüfung, wie sich die Spannung am Emitter des Transistors T2 ändert, wenn die Versorgungsspannung von 6 auf 4,5 V oder von 9 auf 6 V sinkt. Ändert sich die Spannung um nicht mehr als 5-10 %, dann stellen Sie die Versorgungsspannung ein gleich 5,2 V (oder 7,5 V bei 9 V), fahren Sie mit der Einrichtung des Generators fort. Dazu wird der Rotor des Drehkondensators C2 in die Mittelstellung gebracht und durch Einstellen der Widerstandswerte R1 oder R2 (Abb. 3) die maximale Schwingungsamplitude erreicht. Anschließend prüfen Sie die Gleichmäßigkeit der Erzeugung über den gesamten Bereich. Wenn die Schwingungen in einem ihrer Abschnitte zusammenbrechen, sollten Sie die Wicklung der Spule L2 um mehrere Windungen erhöhen und beim Abstimmen erneut die Gleichmäßigkeit der Erzeugung überprüfen. Nachdem Sie die Einrichtung des Lokaloszillators abgeschlossen haben, wählen Sie die Anzahl der Windungen der Kopplungswicklung des Lokaloszillators mit dem L3-Wandler aus, bis die optimale Empfindlichkeit erreicht ist. Beim Entwurf von Generatoren auf der Basis von Tunneldioden sollte man danach streben, den maximalen Qualitätsfaktor des Schwingkreises zu erhalten, um die an die Last gelieferte Leistung zu erhöhen. Um die Leistung zu erhöhen, können Sie auch zwei oder mehr Dioden in die Oszillatorschaltung einbauen. Wie sich aus der Betrachtung der Energieverhältnisse ergibt, ist es in diesem Fall vorteilhaft, die Dioden im Gleichstrom in Reihe zu schalten, dann ist die Spannung am unteren Widerstand des Teilers doppelt so hoch wie bei einer Tunneldiode, und die Verluste am Oberarm nehmen ab. Es ist zu beachten, dass der Widerstand des unteren Zweigs unbedingt aus zwei identischen Widerständen bestehen muss und ihr Mittelpunkt durch Gleichstrom mit dem Mittelpunkt zweier Dioden verbunden sein muss (Abb. 5). Andernfalls ist ein stabiler Betrieb zweier in Reihe geschalteter Dioden nicht möglich. Bei Wechselstrom können Dioden parallel oder in Reihe geschaltet werden. In dem Diagramm in Abb. 5 Jede Diode ist mit einer separaten Wicklung verbunden. Um die größtmögliche Leistung zu erhalten, muss die Kopplung jeder Tunneldiode an die Schleife einzeln angepasst werden.
Tunneldioden können auch in aperiodischen Verstärkerschaltungen verwendet werden. Wie in der Literatur angegeben, sind solche aperiodischen Verstärker im Lang- und Mittelwellenbereich jedoch aufgrund der schwierigen Trennung von Last und Signalquelle nicht sehr praktikabel. Zu berücksichtigen ist auch, dass Transistoren bei vergleichbarer Leistungsaufnahme in realen Schaltungen einen großen Gewinn gegenüber Tunneldioden haben. Verstärker mit Resonanztunneldioden sind relativ einfach zu bauen. Sie können beispielsweise nach der Oszillatorschaltung ausgeführt werden, bei der der Rückkopplungskoeffizient nicht ausreicht, um Schwingungen anzuregen. Solche Schaltungen haben alle Nachteile von regenerativen Verstärkern: Instabilität der Regenerationsschwelle, die Möglichkeit der Erregung bei Laständerungen, Verengung der Bandbreite mit zunehmender Verstärkung. Solche Verstärker können jedoch ziemlich stabil arbeiten, wenn Sie nicht danach streben, die maximale Verstärkung aus ihnen herauszuholen. Eine Schaltung mit einer solchen Anwendung einer Tunneldiode ist in Abb. 6 dargestellt. 1. Die Abbildung zeigt ein Diagramm des Eingangsteils eines Empfängers mit direkter Verstärkung mit einer Ferritantenne. Es ist bekannt, dass, um den Widerstand des Antennenkreises an den Eingangswiderstand des Transistors anzupassen, das Übersetzungsverhältnis des Transformators, der durch die Wicklungen der Spulen L2 und LXNUMX gebildet wird, viel kleiner als eins ist.
Dies führt dazu, dass die Signalspannung an der Basis des Transistors 15-20-mal geringer ist als die Spannung am L1C1-Kreis. Im Diagramm in Abb. In Fig. 6 ist der Kopplungskoeffizient deutlich höher als üblich gewählt und der Abgriff zur Basis des Transistors T1 erfolgt aus 1/5 der Gesamtwindungszahl der Spule L1. In diesem Fall stellt sich heraus, dass die L1C1-Schaltung stark überbrückt ist, ihr Band erweitert sich und die Empfindlichkeit des Empfängers sinkt. Wenn jedoch eine Tunneldiode an die zusätzliche Wicklung L3 angeschlossen wird, wird die Schaltung teilweise „entladen“, ihre Dämpfung und Bandbreite kehren zu normalen Werten zurück. Auf diese Weise ist es möglich, die Empfindlichkeit des Empfängers um das 4- bis 5-fache zu steigern. Die Windungszahl der Wicklung L3 ist so gewählt, dass die Dämpfung der Schaltung nicht vollständig kompensiert wird und der Verstärker nicht erregt wird. Um jedoch eine maximale Empfindlichkeit zu erreichen, muss man so nah wie möglich an die Erregungsschwelle herankommen, weshalb die Vorspannung der Tunneldiode einstellbar ist. Die Wicklung der Spule L1 enthält 200 Windungen PELSHO 0,15-Draht, die in einer Windung auf einen Ferritstab von 110 mm Länge, 8,4 mm Durchmesser und einer Anzapfung von 44 Windungen gewickelt sind. Die Wicklung der Spule L3 enthält 8–10 Windungen PELSHO 0,15-Draht und ist in der Nähe des geerdeten Endes der Spule L1 gewickelt. Der Nachteil der vorgeschlagenen Schaltung besteht darin, dass der Überlappungskoeffizient der Eingangsschaltung abnimmt, da aufgrund des erhöhten Kopplungskoeffizienten die Eingangskapazität des Transistors T1 stärker beeinflusst wird. Zusätzlich wird die neu berechnete Kapazität der Tunneldiode zur Schaltungskapazität addiert. Wenn daher eine ausreichend große Überlappung erforderlich ist, empfiehlt sich der Einsatz einer Tunneldiode mit minimaler Kapazität. Vorteilhafter ist der Einsatz von regenerativen Verstärkern für eine Festfrequenz, zB in einem Überlagerungs-ZF-Verstärker (Bild 7). Dazu wird auf einen der ZF-Kreise eine zusätzliche Wicklung für eine Tunneldiode gewickelt. Es ist besser, die Vorspannung der Diode zu stabilisieren. Auf diese Weise können Sie nahe genug an die Regenerationsschwelle herankommen und eine 8- bis 10-fache Verstärkung erzielen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass sich die Bandbreite des ZF-Verstärkers stark verengt, wenn die Einbeziehung der Tunneldiode nicht vorher vorgesehen war. In manchen Fällen kann der Verstärker beim Anschluss einer Diode angeregt werden, obwohl der Kopplungskoeffizient für die Erzeugung unzureichend ist. Dies liegt daran, dass die Verstärkung der Kaskade mit angeschlossener Tunneldiode größer als der maximale stabile Wert wird.
Bei der Installation muss berücksichtigt werden, dass Tunneldioden zur Anregung durch parasitäre Reaktanzen neigen. Daher haben die Schlussfolgerungen der Diode und der zugehörigen Teile eine minimale Länge, und die Installation wird so ausgeführt, als ob die Schaltung für den Betrieb bei sehr hohen Frequenzen vorgesehen wäre. Verwenden Sie in Niederfrequenzschaltungen keine Tunneldioden mit hoher Grenzfrequenz. Beim Experimentieren mit Tunneldioden müssen Strom- und Spannungsstöße vermieden werden, da sonst die Diode ausfallen kann. Verbinden und trennen Sie die Diode nur im spannungslosen Zustand. Literatur
Autor: V. Morozov; Veröffentlichung: N. Bolshakov, rf.atnn.ru
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Kommentare zum Artikel: Sergei Irgendwann in den frühen 3,5er Jahren las ich die erste Veröffentlichung über die Kommunikation mit einem Low-Power-Tunneldiodensender im 240-MHz-Bereich, eine Entfernung von 60 Kilometern (wenn die Erinnerung nicht versagt) in der Zeitschrift Radio (Sektion Ausland). Ich habe damals keine Diode gefunden, für das Experiment habe ich ein "Leuchtfeuer" mit einem Transistor für dieselben 3,5 MHz zusammengebaut. Es stellte sich heraus, dass das Signal in Entfernungen von 20 ... 60 km hörbar war. Es war nicht möglich, das Experiment in größerer Entfernung fortzusetzen, es begann dunkel zu werden und entfernte starke Stationen begannen zu stören.
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