Grundlagen von Halbleiter-Dioden und die Dioden-Anwendungen

In diesem Artikel gibt es wieder ein weiteres Gastvideo von mg-spots.de.

Wie eine Fahrradventil die Luft, lässt auch die Diode den elektrischen Strom nur in eine Richtung durch.

So muss die Anode mit Pluspol und die Kathode mit dem Minuspol der Spannungsquelle angeschlossen sein. Halbleiterdioden können nur geringe Spannungen aushalten und bei hohen Spannungen können sie zerstört werden. Sie dürfen somit eigentlich nur in Reihe mit einem Widerstand gesetzt werden. Die Größe des Widerstandes ist abhängig von der Art der Diode und Höhe der Betriebsspannung.

Drei Dioden (Germanium, Silizium und Leuchtdioden) werden nun genauer unter die Lupe genommen. Das Tutorial von mg-spots.de nimmt die Dioden genauer unter die Lupe.

Dioden-Arten

Bei allen drei Dioden steigt die Kennlinie sehr stark an, sobald sie höheren Spannungen ausgesetzt werden. Die Spannung bei der der Strom beginnt anzusteigen nennt sich Schwellspannung. Bei Germanium liegt diese bei 0,3 V, bei Silizium bei 0,7 V und bei LED ungefähr bei 2 V. Damit der Vorwiderstand (RV) berechnet werden kann, wird die Betriebsspannung (UB) der Spannungsquelle, die gemessene Diodenspannung (UF) an der Diode und der Diodenstrom (IF) benötigt.

Man kann jedoch auch die Schwellspannung (UD) statt der Diodenspannung nehmen, da es hier kaum Unterschiede gibt. Die Formel würde dann lauten: RV = (UB-UD):IF und es wird wieder deutlich, dass hier das Ohmsche Gesetz zum Einsatz kommt.

Der Diodenstrom beträgt in der Regel 20mA. Je steiler die Kennlinie einer Diode und kleiner die Schwellspannung, desto eher ist sie als Gleichrichter geeignet. Silizium wird dabei am häufigsten als Gleichrichter eingesetzt.

Gleichrichter-Schaltungen

Bei dem Einweg-Gleichrichter handelt es sich um eine sehr einfache Schaltung. Einweg kommt daher, da der Strom nur über einen Weg zum Lastwiderstand geht. Damit eine Gleichrichtung stattfinden kann, muss eine Spannungsquelle eine Wechselspannung erzeugen.

Aus der Elektrotechnik wissen wir, dass eine Wechselspannung als eine Sinuskurve dargestellt wird. Wird jetzt in der Schaltung eine Silizium-Diode verbaut, lässt diese also erst Strom durch, wenn der Wert der Spannungsquelle 0,7 V erreicht und erst dann fließt ein Strom. Sobald die Eingangsspannung unter diesen Wert fällt, sperrt die Diode und es fließt kein Strom. Dies bezieht sich immer auf eine positive Halbwelle. Bei der negativen Halbwelle fließt generell kein Strom und die Diode bleibt gesperrt.

Brücken-Gleichrichter

Eine etwas aufwendigere Schaltung ist die Brücken-Schaltung. Sie besteht aus vier Dioden. Wieder wird eine Wechselspannung verwendet. Bei der positiven Halbwelle wird der Strom über den Lastwiderstand und zwei Dioden geschickt und gleiches auch bei der negativen Halbwelle. Aber niemals alle vier Dioden gleichzeitig.

Im Vergleich zum Einweg-Gleichrichter wird hier auch die negative Halbwelle genutzt und wird durch den Aufbau zu einer positiven Halbwelle.

Für sehr kleine Spannung eignet sich diese Schaltung jedoch nicht, denn bei dieser Schaltung geht an den Dioden 1,4 V verloren. In diesem Fall eignen sich Germanium-Dioden eher. Doch die Gleichrichtung ist auch in diesem Fall sehr schwankend und ist noch nicht das Optimum für elektronische Schaltungen. Diese benötigen Spannungen mit fast keinen Schwankungen.

Diese Spannungen müssen geglättet werden. Umgesetzt werden kann dieses durch einen Sieb-Kondensator. Dieser wird in die Schaltung eingebaut und sobald Spannungspausen eintreten, entlädt sich der Kondensator und gibt die „fehlende“ Spannung ab und ergänzt die Ausgangsspannung. Fließt eine zu hohe Spannung, nimmt der Kondensator die „übrige“ Spannung auf.

Einfaches Gleichspannungs-Netzteil selber bauen

Ein Netzteil kann einfach selbst gebaut werden. Der Kondensator muss so gewählt werden, dass er die Eingangsspannung des Trafos aushält. Mit Lüsterklemmen kann die Schaltung einfach nachgebaut werden. Dazu wird ein Kondensator, ein Spielzeugtransformator, Schraubklemmen (Lüsterklemmen) und vier Dioden benötigt.

Stromkreis-Entkopplung mit Dioden

Bei dieser Schaltung können verschiedene LEDs angesteuert werden. Als Beispiel hat man zwei Schalter und drei LEDs. Mit Schalter 2 möchte man LED 1 + 2 ansteuern und mit Schalter 1 möchte man LED 2 + 3 ansteuern. Bei dieser Schaltung würde ein ODER-Glied (Digitaltechnik) zum Einsatz kommen.

Es gibt zahlreiche Einsatzgebiete und Schaltungsmöglichkeiten von Dioden. Sie sind aus der Elektrotechnik nicht mehr wegzudenken und finden überall ihren Einsatz.


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