Diode: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 2. November 2013, 18:32 Uhr

verschiedene Dioden

Eine Diode hat die Eigenschaft, Strom nur in einer Richtung durchzulassen. Sehr häufig werden Dioden als sogenannte Gleichrichterdioden in einem Wechselstromkreis verwendet. Dadurch, dass Dioden Strom nur in eine Richtung durchlassen, wird am Ausgang ein pulsierenden Gleichstrom erzeugt, der dann mit Hilfe eines Elkos geglättet wird. Es gibt jedoch noch viele weitere Anwendungen in der Elektronik, bei denen es darauf ankommt, daß sehr kleine Steuerströme nur in eine Richtung fließen können. Dioden werden auch als Schutzdioden genutzt, um eine teure Schaltung (Controllerboards) vor der Zerstörung durch eine Verpolung zu schützen.

Eine Diode besteht aus zwei Schichten, einem n-dotierten und einem p-dotierten Halbleitermaterial, die sich berühren. Aufgrund von Abstoßung bzw. Anziehung von gleichen Ladungen findet, abhängig von der Polung einer externen Spannungsquelle, entweder ein Stromfluß statt oder wird komplett unterbunden. Somit leitet eine Diode nur in eine Richtung.

Schaltzeichen

Diodentypen

Gleichrichterdiode

Gleichrichterdioden sind die "normale" Form der Dioden. Neben den langsamen Ausführungen für Netzfrequenz gibt es auch schnelle (fast, ultra fast) Ausführungen für Schaltnetzteile und ähnliche Anwendungen. Das schnell bei den Dioden bezieht sich dabei auf den Übergang vom leitenden in den sperrenden Zustand. Wenn die Spannung schnell von Vorwärts- in Sperrrichtung wechselt, kann bei langsamen Dioden noch einige Mikrosekunden (z.B. 5 µs) lang Strom in Sperrrichtung fließen. Beim Wechsel von sperrend nach leitend sind alle Dioden schnell.

Schottky Diode

Hier erfolgt die Sperrschichtbildung zwischen einem N-dotierten Siliziumkristall und einer Metallelektrode (Randschichttheorie nach W. Schottky, 1938). Kennzeichen des nach dem Planarverfahren hergestellten Metall-Halbleiterübergangs sind eine gegenüber Silizium niedrige Kniespannung (0,3V...0,4V), ein sehr scharfer Kennlinienknick in Durchlaß- und Sperrichtung, niedrige Sperrspannung, hohe Sperrströme, geringes Rauschen und extrem schnelle Schaltzeiten. Wegen der schnellen Schaltzeiten und geringen Durchlassspannung werden Schottkydioden häufig in Schaltnetzteilen eingesetzt.

Lawinen-Gleichrichterdiode

Im Gegensatz zu normalen Dioden darf die Durchbruchspannung U(BR) mit nichtperiodischen Verlustleistungsimpulsen überschritten werden, ohne daß damit die Lawinen-Gleichrichterdiode (Si-Diode mit kontrolliertem Durchbruchverhalten) zerstört wird.

Selengleichrichter

Die veralteten Selengleichrichter (polykristallin) haben im Vergleich zu Siliziumgleichrichtern größere Abmessungen und hohe Durchlaß- und Sperrverluste. Vorteilhaft ist eine höhere Überlastbarkeit und der Überlastschutz mit normalen flinken Sicherungen. Je Gleichrichterplatte werden bis zu 45 Volt Sperrspannung und Stromdichten bis zu 150mA/cm2 erreicht.

Zenerdiode

Wird die Sperrspannung einer Diode Überschritten, dann leitet die auch in Sperrrichtung; sie bricht durch.

Zener-Dioden sind Dioden, die für den Betrieb in Sperrichtung ausgelegt sind. Sie haben bei der sogenannten Zenerspannung eine sehr steile Kennlinie, die relativ temperaturstabil ist. Daher werden Zenerdioden meist zur Spannungsstabilisierung eingesetzt. Den niedrigsten Temperatukoeffizienten und den schärfsten Kennlinienknick haben Zenerdioden mit einer Sperrspannung zwischen 5V und ca 6V. Zenerdioden werden gefertigt für Spannungen von wenigen Volt bis ca. 200V. Für kleine Durchbruchsspannungen von z.B. 1.4V kann man zwei Si-Dioden in Reihe oder eine LED in Vorwärtsrichtung betreiben.

Suppressordiode

Suppressordioden sind spezielle Zenerdioden zum Schutz einer Schaltung vor Überspannung. Im Vergleich zu einer normalen Zenerdiode können sie kurzzeitig sehr hohe Ströme vertragen und haben dafür aber größere Tolleranzen, Temperaturabhängikteit und Kapazität und keinen so scharfen Knick in der Kennlinie. Es gibt auch Bipolare Ausführungen.

Lumineszenzdiode

Besser bekannt als "Leuchtdiode" oder kurz LED. In Durchlassrichtung wird ein Teil der beim Passieren des pn-Übergangs freiwerdenden Energie in Form von Licht charakteristischer Wellenlänge frei.

Die Vorwärtsspannung der Leuchtdiode ist um so größer, je höher die Energie der ausgesendeten Photonen ist. Sie ist am kleinsten für Infrarotdioden (IR-Diode, ca. 1.2V) und steigt von Rot (ca. 1.5-1.8V) über Gelb, Grün bis zu Blau/Weiss und Ultraviolett (UV-Diode, ca. 3-3.5V). Sie sind sensibel gegen Überstrom und Falschpolung, denn sie haben sehr geringe Sperrspannungen!

Eine Leuchtdiode kann in gewissem Umfang also auch als Photodiode eingesetzt werden. Sie ist aber unempfindlich auf Licht längerer Wellenlängen.

Photodiode

Auf die pn-Schicht auftreffende Photonen oberhalb einer bestimmten Frequenz trennen dort Ladungsträger, was zu einer intensitätsabhängigen Spannung führt, bzw. die Photodiode wird zu einer Stromquelle. Auch Leuchtdioden sind in gewissem Umfang als Photodioden einsetzbar. Siehe auch Fotodiode.

PIN-Diode

PIN - Dioden haben zwischen der P und N Schicht eine nicht oder sehr schwach dotierte (intrinsische) Schicht. Dadurch ergibt sich eine relativ kleine Kapazität, hohe Spannungsfestigkeit und lange Ladungsträgerlebensdauer. PIN Dioden eignen sich als Schalter oder variable Impedanz im Hochfrequenz (ab etwa 1 MHz) Bereich. Ein relativ kleiner Gleichstrom in Durchflußrichtung macht die Diode für das HF-signal niederohmig. Photodioden und langsame Gleichrichterdioden für Hochspannung sind ebenfalls oft PIN Dioden.

Tunneldiode

Bei einer Tunneldiode ist die Dotierung der Halbleiterschichten so hoch, dass bereits bei kleiner Flusspannung ein Stromfluss stattfindet (Esaki-Strom). Mit wachsender Flussspannung verschwindet dieser Effekt, und die Kennlinie beginnt zu fallen. Für größere Spannungen nimmt die Kennlinie die gewohnte Form an. Eine Tunneldiode hat also in Durchlassrichtung ein lokales Leitfähigkeits-Maximum. Sie zeichnen sich also dadurch aus, daß sie für bestimmte Spannungen einen negativen differenziellen Widerstand haben, also gilt

[math] \frac{\mathrm{d}I(U)}{\mathrm{d}U} \lt 0 [/math]

In dem Bereich ist die Kennlinie fallend, und nicht wie sonst üblich überall mit der Spannung steigend.

Bei Sperrpolung tritt ein kräftiger Stromfluss auf, d.h. Tunneldioden haben keine Sperrfähigkeit

Backward-Diode

Spezialfall der Tunneldiode, die kein Leitfähigkeitsmaximum in Flussrichtung aufweist und in Sperrichtung leitet. Backward-Dioden sind geeignet zum Gleichrichten von Spannungen im Millivolt-Bereich, wobei die dann in Flussreichtung sperren und in "Sperrichtung" leiten.

Kapazitätsdiode

Bei allen Dioden ist die Kapazität in Sperrichtung abhängig von der Spannung. Durch Spannung in Sperrichtung verbreitert sich die Verarmungsschicht am PN Übergang und die Kapazität wird kleiner. Bei Kapazitätsdioden wird auf eine definierte Kapazität und Spannungsabhängigkeit geachtet. Die typische Anwendung sind Radioempfänger und Spannungsgesteuerte Oszillatoren.

Laser-Diode

Laser-Dioden sind im Prinzip spezielle,hochwertige LEDs. Bei niedrigen Strömen verhalten sich Laserdioden auch wie normale LEDs. Ab einer Schwellstromstärke erhöht sich Effizienz und es wird kohärentes, fast ideal einfarbiges (monochromatisches) Laser-Licht erzeugt. Bei den gewöhnlichen Laserdioden tritt an 2 gegenüberliegenden Seiten aus einem kleinen Bereich ein stark divergentes Lichtbündel aus. Das Licht der einen Seite wird oft von einer Photodiode im gleichen Gehäuse aufgefangen. Laser-dioden sind sehr empfindlich gegen elektrostatische Ladungen und zu hohe Ströme. Wegen der hohen Intensität und Leuchtdichte sind Laserdioden gefährlich für das Auge und entsprechende Sicherheitsvorschriften müssen eingehalten werden.

Röhrendiode

Die älteste Form der Diode. Eine Röhrendiode ist eine Elektronenröhre mit zwei Elektroden: Kathode und Anode. An der Kathode treten durch Glüh-, Photo oder Feldemmission Elektronen aus. Ist die Anode positiv gegenübder der Kathode, werden die Elektronen von der Kathode "abgesaugt" und es fliesst ein Strom. Ist die Anode negativ, fliesst kein Strom, da die Anode keine Elektroden emittieren kann. Die Kathode ist oft mit einem speziellen Material überzogen, das eine niedrige Austrittsenergie für Elektronen aufweist und zudem als Heizwendel ausgebildet.

Bei Beleuchtung der Kathode können Ladungsträger durch den äusseren Photoeffekt gebildet werden und die Diode wird zu einer Stromquelle (Photodiode).

Schaltbeispiele

Freilaufdiode

Bei einer Freilaufdiode handelt es sich nicht um einen bestimmten Diodentyp, der Begriff bezeichnet vielmehr eine Diode, die wie gezeigt verschaltet ist. Damit der Strom durch die induktive Last (Motor, Relaisspule, etc) nach Abschalten der Spannung (Öffnen des Schalters) weiter fliessen kann bzw. Spannungsspitzen durch Induktion vermieden werden, wird antiparallel zur Stromflussrichtung durch die Last eine Diode angeschlossen. Die Freilaufdiode muß also wenigstens kurzzeitig den Laststrom verkraften. Wenn nicht nur gelegentlich, sondern schnell (z.B. für PWM)geschaltet wird, ist die Geschwindigkeit der Diode wichtig. Bei PWM-Schaltungen sind in der Regel nur schnelle Diode oder Shottkydioden als Freilaufdioden geeignet.

Ist der Schalter geschlossen und wird die Last von aussen mit Energie versorgt, dann arbeitet die Diode in Sperrrichtung; sie muss also eine Sperrspannung haben, die mindestens so groß ist wie die maximale Spannung an der Last. Ist der Schalter offen, dann arbeitet die Diode in Vorwärtsrichtung und hält den Stromfluß durch die Last aufrecht und vermeidet dadurch auch induktive Spannungsspitzen, die ansonsten zur Zerstörung anderer Bauteile oder zu Problemen in der Schaltung führen könnten.

Siehe auch

• Leuchtdioden
• Gleichrichter

Weblinks

• Dioden Lerntest
• Wikipedia