Grundlagen der Elektronik
Halbleiterdioden
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Autoelektrik (Startseite) Grundlagen der ElektronikHalbleiterdioden |
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Die Halbleitertechnik ermöglichte seit etwa 1950 die rasante Entwicklung der Elektronik, die noch nicht abgeschlossen ist,
und die gerade im Kfz immer neue Einsatzfelder erobert. Dioden sind eine Gruppe der Halbleiterbauelemente und werden in
sehr verschiedenen Ausführungen dem Zweck angepasst hergestellt.
Auf dem Bild erkennt man eine Leuchtdiode (LED = Light Emitting Diode) sowie zwei Gleichrichterdioden
für unterschiedliche Stromstärken.
Am fabrikneuen Bauteil erkennt man die Polung
Die Abhängigkeit des Widerstands von der Polung wird in der Kennlinie deutlich. Diese Kennlinie erhält man, wenn die Diode über
einen Widerstand an eine variable Gleichspannungsquelle anschließt und gleichzeitig die Werte von Strom durch die Diode und Spannung an der Diode
misst. Notiert man diese Wertepaare in einer Messtabelle , kann man sie als Diagramm darstellen.
Das Ergebnis sollte für eineSilizium-Diode so aussehen, wie im Bild dargestellt:
Bei negativer Polung fließt ein Sperrstrom von einigen mA, der nur mit einem sehr empfindlichen
Messgerät festgestellt werden, der aber in der Praxis bedeutungslos ist.
Bei Polung in Durchlassrichtung ist der Strom bis zu einer Spanung von etwa 0,7V praktisch 0A, steigt bei weiterer Spannungserhöhung
jedoch sehr steil an.
Nach dem Ohmschen Gesetz ist die Kennlinie eines Widerstands umso steiler, je kleiner der Widerstand ist,
also je besser er den Strom durchlässt. Für die Diode ergeben sich damit im Prinzip 2 Widerstandsbereiche:
Damit erfüllt eine Diode in der Elektrik dieselbe Funktion, wie in der Hydraulik / Pneumatik ein federvorgespanntes
Rückschlagventil (z.B. Reifenventil).
Auf die Kugel wirkt von links der Leitungsdruck p1 und von rechts der Leitungsdruck p2 und die Federkraft. Wenn p1 nur geringfügig größer ist als p2
reicht die Kraft noch nicht aus, um die Ventilkugel vom Ventilsitz zu drücken. Erst wenn die Druckdifferenz (p1 - p2) groß genug ist wird die Federkraft
überwunden und das Ventil öffnet. In Sperrrichtung bleibt das Ventil natürlich geschlossen.
Die Rolle des Stroms aus der Elektrik übernimmt in der Hydraulik der Volumenstrom (z.B.23,6 Liter/min).
Die Rolle der Spannung aus der Elektrik übernimmt in der Hydraulik die Druckdifferenz (z.B. 185 bar).
Zur Übung soll hier am Beispiel der abgebildeten Schaltung erklärt werden, wie die zugehörige Kennlinie zustande kommt:
Zunächst:
Diese Parallelschaltung von Diode und Widerstand wirkt in der Elektrik genau so wie in der Hydraulik ein Drosselrückschlagventil
, wo eine Drossel (eine Engstelle) und ein Rückschlagventil parallelgeschaltet sind).
Nun zu Elektrik:
Gäbe es die Diode nicht, entspräche die Kennlinie der gesamten Schaltung der des Widerstands von 100 W,
also eine relativ flache gerade Linie durch den Nullpunkt des Diagramms.
Bei einer Parallelschaltung:
Dioden sind immer in Reihe mit einem Widerstand oder einem anderen Verbraucher zu schalten, der den Strom auf ein für die Diode erträgliches
Maß begrenzt. Dazu ist die Diode selbst nicht in der Lage. Deren Kennlinie ist gerade so, dass sie einen beliebig großen Strom durchleitet, wenn die Spannung
an der Diode nur über der Schleusenspannung liegt, sogar wenn sie dabei selbst zerstört wird (Wärmetod).
Dabei lässt sich der Mindestwert des Vorwiderstands leicht errechnen:
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Beachte die unterschiedlichen Schleusenspannungen der verschiedenen Leuchtdioden bei der Berechnung des gemeinsamen erforderlichen Vorwiderstands für LEDs.
Die aktive Schicht ist genau der Übergangsbereich zwischen n-dotiertem Gebiet und p-dotiertem Gebiet. Hier rekombinieren Löcher und Elektronen, wobei Energie in Form von Licht frei wird.
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