Was ist eine Diode? – Definition und Funktion

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Was ist eine Diode?

Eine Diode ist ein elektrisches Bauelement mit der grundsätzlichen Eigenschaft, dass sie nur in einer Richtung von elektrischem Strom durchflossen wird. Diese Eigenschaft ist wesentlich für die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom, weshalb Dioden häufig in Wechselstromadaptern und anderen Gleichrichterschaltungen zu finden sind. Der heute am häufigsten verwendete Diodentyp ist die Halbleiterdiode.

Einige Dioden können Licht abgeben. Diese werden Leuchtdioden oder LEDs genannt. Kommerzielle LED-Leuchtmittel sind seit den 1960er Jahren erhältlich, aber technische Entwicklungen und Verbesserungen in den 1990er und 2000er Jahren haben ihre Popularität stark erhöht. Dieses Leuchtmittel hilft, den Energieverbrauch zu reduzieren und vermeidet die Quecksilberverunreinigung von Kompaktleuchtstofflampen.

Ein weiterer wichtiger Vorteil ist, dass LEDs fast nie ausbrennen, wie es bei herkömmlichen Glühbirnen der Fall ist. Die Physik dieser Dioden ist ziemlich eng mit der von Photovoltaikzellen verwandt. LEDs nehmen Strom auf und erzeugen Licht, während Photovoltaikzellen Licht aufnehmen und Strom erzeugen.

Wie funktioniert eine Diode?

Was ist eine Diode und wie finktioniert sie eigentlich?

Schottky Dioden

Die Funktionsweise einer Diode kann schwer zu verstehen sein, da sie eine ziemlich fortgeschrittene Quantenmechanik beinhaltet. Auf der einfachsten Ebene kann man jedoch die Funktionsweise einer Diode verstehen, indem man sich den Fluss der positiven Ladungen (oder „Löcher“) und der negativen Ladungen (der Elektronen) anschaut.

Technisch gesehen wird eine Halbleiterdiode als p-n-Übergang bezeichnet. Diese p-n-Übergänge sind auch für den Betrieb einer Photovoltaikzelle wichtig.

Damit die Diode richtig funktioniert, ist ein Prozess erforderlich, der als Dotierung bezeichnet wird. Halbleiter können mit Materialien dotiert werden, so dass sie einen Überschuss an leicht verschiebbaren Elektronen aufweisen – allgemein als negativer oder n-Typ-Bereich bezeichnet.

Sie können auch mit Elementen dotiert werden, die einen Überschuss an Löchern erzeugen, die diese Elektronen leicht absorbieren – allgemein als positiver oder p-leitender Bereich bezeichnet. Der negative und positive Bereich der Diode ist gleichzeitig die Kathode bzw. Anode des Bauteils.

Die Unterschiede zwischen diesen beiden Materialien und ihre Wechselwirkungen über sehr kurze Distanzen (weniger als ein Millimeter) ergeben beim Zusammenfügen der beiden Typen eine Diode. Die Verbindung dieser beiden Typen erzeugt den p-n-Übergang, und der Bereich zwischen den beiden Seiten wird als Verarmungszone bezeichnet, da die Elektronen aus der n-Typ-Region diffundieren und einige der Löcher in der p-Typ-Region füllen.

Dadurch entstehen negative Ionen im p-Typ-Bereich und es bleiben positive Ionen im n-Typ-Bereich zurück. Dieser reagiert je nach Richtung des elektrischen Feldes unterschiedlich auf elektrische Felder. Dies führt zu einem nützlichen elektronischen Verhalten, je nachdem, auf welche Weise die Spannung, oder das elektrische Feld, angelegt wird, man nennt dies Bias.

Bias

Eine Diode (PN-Übergang) in einem Stromkreis lässt den Strom leichter in eine Richtung fließen als in eine andere. Eine Vorwärtsspannung bedeutet, dass eine Spannung an eine Diode angelegt wird, die einen leichten Stromfluss ermöglicht, während eine Sperrvorspannung bedeutet, dass eine Spannung an eine Diode in der entgegengesetzten Richtung angelegt wird.

Die Spannung mit Rückwärtsvorspannung verursacht keinen nennenswerten Stromfluss. Dies ist nützlich, um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Es hat auch andere Verwendungen bei der Manipulation von elektronischen Signalen.

Reverse Bias

Wenn eine Spannung über die Diode so angelegt wird, dass die n-Typ-Hälfte der Diode mit dem positiven Pol der Spannungsquelle und die p-Typ-Hälfte mit dem negativen Pol verbunden ist, würden die Elektronen aus dem externen Stromkreis durch „Auffüllen der Löcher“ mehr negative Ionen im p-Typ-Bereich und mehr positive Ionen im n-Typ-Bereich erzeugen, wenn die Elektronen zum positiven Pol der Spannungsquelle hin verschoben werden.

Folglich würde die Verarmungsregion zunehmen und die Spannung zwischen der p-Typ- und der n-Typ-Region würde ebenfalls zunehmen, wenn die Gesamtladung auf jeder Seite des Übergangs in der Größe zunimmt, bis die Spannung an der Diode gleich der angelegten Spannung ist und ihr entgegenwirkt und sie auslöscht, wodurch der Strom durch die Schaltung beendet wird.

Dieser Prozess geschieht fast augenblicklich und führt dazu, dass im Wesentlichen kein Strom durch die Schaltung fließt, wenn Spannung in dieser Richtung über die Diode angelegt wird. Dies wird als in Sperrrichtung vorgespannter p-n-Übergang bezeichnet.

Forward Bias

Wenn die Spannung in der entgegengesetzten Richtung über die Diode angelegt wird, beginnt der Verarmungsbereich zu schrumpfen. In einer in Sperrrichtung vorgespannten Diode würden die Elektronen und Löcher vom Übergang weggezogen werden, aber ein in Vorwärtsrichtung vorgespanntes Szenario stellt sicher, dass die Elektronen und Löcher sich zum Übergang hin bewegen, wenn sie vom positiven bzw. negativen Pol der Spannungsquelle abgestoßen werden.

Bei einer ausreichend großen angelegten Spannung würden sowohl die Löcher als auch die Elektronen die Verarmungszone überwinden und sich in der Nähe des Übergangs treffen, wo sie sich in einem kontinuierlichen Prozess verbinden, den Stromkreis schließen und einen Stromfluss ermöglichen.

Vorwärtsspannung und Durchbruchspannung

Es ist eine minimale Schwellenspannung erforderlich, um die Verarmungszone zu überwinden, die bei den meisten Siliziumdioden bei signifikanten 0,7 Volt liegt. Darüber hinaus induziert die Sperrvorspannung eine kleine Menge an Strom durch die Diode, den sogenannten Leckstrom, der für die meisten Zwecke im Wesentlichen vernachlässigbar ist. Schließlich führt eine ausreichend große Sperrspannung zum vollständigen elektronischen Durchbruch der Diode und lässt den Strom in Sperrrichtung durch die Diode fließen.

Verschiedene Arten von Dioden

Verschiedene Diodentypen haben unterschiedliche Anforderungen an die Spannung. Bei Siliziumdioden beträgt die Durchlassspannung 0,7 V und bei Germanium 0,3 V. Bei Siliziumdioden zeigt das dunkle Band den Kathodenanschluss an und der andere Anschluss ist die Anode. Im Allgemeinen werden Dioden als Verpolungs- und Transientenschutz verwendet. Es gibt viele Arten von Dioden, von denen einige im Folgenden aufgeführt sind.

Kleinsignal-Diode

Es handelt sich um ein kleines Gerät mit überproportionalen Eigenschaften, dessen Anwendungen hauptsächlich bei Geräten mit hoher Frequenz und sehr niedrigen Strömen wie Radios und Fernsehern usw. liegen. Um die Diode vor Verunreinigungen zu schützen, ist sie mit einem Glas umhüllt, so dass sie auch als Glaspassivierte Diode bezeichnet wird. Ein häufiger und oft genutzter Vertreter der Kleinsignaldioden ist 1N4148.

Das Erscheinungsbild einer Signaldiode ist im Vergleich zu einer Leistungsdiode sehr klein. Zur Kennzeichnung des Kathodenanschlusses ist eine Kante mit schwarzer oder roter Farbe markiert. Für die Anwendungen bei hohen Frequenzen ist die Leistung der Kleinsignaldiode sehr effektiv.

Im Hinblick auf die Funktionsfrequenzen der Signaldiode ist die Strom- und Leistungsaufnahme sehr gering, die bei 150mA und 500mW maximal fast bei 150mA und 500mW liegen.

Die Signaldiode ist eine siliziumdotierte Halbleiterdiode oder eine germaniumdotierte Diode, wobei die Eigenschaften der Diode je nach Dotierungsmaterial variieren. Bei der Signaldiode sind die Eigenschaften der siliziumdotierten Diode ungefähr entgegengesetzt zu denen der germaniumdotierten Diode.

Die Silizium-Signaldiode hat einen hohen Spannungsabfall an der Kopplung von etwa 0,6 bis 0,7 Volt, so dass sie einen sehr hohen Widerstand, aber einen niedrigen Durchlasswiderstand hat. Auf der anderen Seite hat die Germanium-Signaldiode einen niedrigen Widerstand aufgrund des geringen Spannungsabfalls bei fast 0,2 bis 0,3 Volt und einen hohen Durchlasswiderstand. Aufgrund des kleinen Signals wird der Funktionspunkt bei der Kleinsignaldiode nicht gestört.

Großsignal-Diode

Diese Dioden haben eine große PN-Übergangsschicht. Dadurch ist die Umwandlung von AC- in DC-Spannungen unbegrenzt möglich. Dies führt auch zu einer Erhöhung der Strombelastbarkeit in Durchlassrichtung und der Sperrspannung in Sperrrichtung. Diese großen Signale stören auch den Funktionspunkt. Aus diesem Grund ist sie nicht für Hochfrequenzanwendungen geeignet.

Die Hauptanwendungen dieser Dioden sind in Batterieladegeräten wie Wechselrichtern. Bei diesen Dioden liegt der Bereich des Vorwärtswiderstands in Ohm und der Sperr-Rückwärtswiderstand in Mega-Ohm. Da sie ein hohes Strom- und Spannungsverhalten haben, können sie in elektrischen Geräten verwendet werden, die zur Unterdrückung hoher Spitzenspannungen eingesetzt werden.

Zener-Diode

Die Zenerdiode ist ein passives Element, das nach dem Prinzip des Zenerdurchbruchs arbeitet. Es ist ähnlich wie eine normale Diode in Vorwärtsrichtung und erlaubt auch Strom in Rückwärtsrichtung, wenn die angelegte Spannung die Durchbruchspannung erreicht. Sie ist so ausgelegt, dass sie die anderen Halbleiterbauelemente vor momentanen Spannungsimpulsen schützt. Sie wirkt dabei als Spannungsregler.

Schaltungssymbol einer Zenerdiode.

Schaltsymbol der Zener-Diode.

Licht Emittierende Diode (LED)

Diese Dioden wandeln die elektrische Energie in Lichtenergie um. Die erste Produktion begann 1968. Die LED durchläuft einen Elektrolumineszenzprozess, bei dem Löcher und Elektronen rekombiniert werden, um Energie in Form von Licht in Vorwärtsrichtung zu erzeugen.

Früher wurden LED in Induktionslampen verwendet, aber jetzt werden sie in neueren Anwendungen in der Umwelt- und Aufgabentechnik eingesetzt. Meistens werden sie in Anwendungen wie Flugzeugbeleuchtung, Verkehrssignalen und Kamerablitzen verwendet.

Schaltungssymbol einer LED.

Schaltsymbol einer Licht emittierenden Diode (LED).

Konstantstrom-Dioden

Konstantstromdiode ist auch bekannt als Stromregelungsdiode oder Konstantstromdiode oder Strombegrenzungsdiode oder als diodengeschalteter Transistor. Die Funktion der Diode ist die Regelung der Spannung bei einem bestimmten Strom.

Sie fungiert als Strombegrenzer mit zwei Anschlüssen. In diesem JFET fungiert er als Strombegrenzer, um eine hohe Ausgangsimpedanz zu erreichen. Das Symbol der Konstantstrom-Diode ist unten dargestellt.

Schaltungssysbol einer Konstantstrom-Diode.

Schaltsymbol einer Konstantstromdiode.

Schottky-Diode

Bei diesem Diodentyp wird der Übergang durch Kontakt des Halbleitermaterials mit Metall gebildet. Dadurch wird der Vorwärtsspannungsabfall auf min. Das Halbleitermaterial ist Silizium vom N-Typ, das als Anode und das Metall als Kathode fungiert, deren Materialien Chrom, Platin, Wolfram usw. sind.

Durch den Metallübergang haben diese Dioden eine hohe Stromleitfähigkeit, wodurch die Schaltzeit reduziert wird. Daher hat Schottky einen größeren Nutzen bei Schaltanwendungen. Hauptsächlich wegen des Metall-Halbleiter-Übergangs ist der Spannungsabfall gering, was wiederum die Diodenleistung erhöht und den Leistungsverlust reduziert. Daher werden Schottky Dioden in Hochfrequenzgleichrichteranwendungen eingesetzt. Das Symbol der Schottky-Diode ist wie unten dargestellt.

Schaltunssymbol einer Schottkydiode.

Schaltsymbol einer Schottky-Diode.

Schockley-Diode

Aufbau einer Shockleydiode.

Aufbau einer Shockley-Diode.

Die Shockley Diode war die erste Erfindung von Halbleiterbauelementen, die aus vier Schichten besteht. Sie wird auch als PNPN-Diode bezeichnet. Die Shockley-Diode entspricht einem Thyristor ohne Gate-Anschluss, was bedeutet, dass der Gate-Anschluss abgetrennt ist. Da es keine Triggereingänge gibt, kann die Diode nur durch die Bereitstellung einer Vorwärtsspannung leiten.

Eine Shockleydiode bleibt eingeschaltet, wenn sie „EIN“ geschaltet ist, und bleibt ausgeschaltet, wenn sie „AUS“ geschaltet ist. Die Diode hat zwei Betriebszustände: leitend und nicht leitend. Im nichtleitenden Zustand leitet die Diode mit geringerer Spannung.

Schaltungssymbol einer Shockleydiode.

Schaltsymbol einer Shockley-Diode.

Anwendungen für Shockley-Dioden:

  • Triggerschalter für SCR
  • Wirkt als Relaxationsoszillator

Speicherschaltdiode

Dei Speicherschaltdiode wird auch als Abrissdiode oder Ladungsspeicherdiode bezeichnet. Dies ist der spezielle Typ von Dioden, der die Ladung aus dem positiven Impuls speichert und im negativen Impuls der Sinussignale verwendet. Die Anstiegszeit des Stromimpulses ist gleich der Snap-Zeit. Aufgrund dieses Phänomens hat sie Geschwindigkeitsrückgewinnungsimpulse.

Die Anwendungen dieser Dioden liegen in Multiplikatoren höherer Ordnung und in Impulsformerschaltungen. Die Grenzfrequenz dieser Dioden ist sehr hoch und liegt fast in der Größenordnung von Giga-Hertz.

Als Multiplikator hat diese Diode den Grenzfrequenzbereich von 200 bis 300 GHz. Bei den Operationen, die im 10 GHz-Bereich durchgeführt werden, spielen diese Dioden eine wichtige Rolle. Der Wirkungsgrad ist für Multiplizierer niedrigerer Ordnung hoch. Das Symbol für diese Diode ist wie unten dargestellt.

Schaltungssymbol einer Speicherschalt-Diode.

Schaltsymbol einer Speicherschaltdiode.

Tunnel-Diode

Die Tunneldiode wird als Hochgeschwindigkeitsschalter von der Größenordnung von Nanosekunden verwendet. Aufgrund des Tunneleffekts arbeitet er sehr schnell im Mikrowellenfrequenzbereich. Es handelt sich um ein Gerät mit zwei Endgeräten, in dem die Konzentration der Dotierstoffe zu hoch ist.

Das Einschwingverhalten wird durch die Sperrschichtkapazität plus Streuverdrahtungskapazität begrenzt. Wird meist in Mikrowellen-Oszillatoren und -Verstärkern verwendet. Es wirkt als Bauelement mit der höchsten negativen Leitfähigkeit. Tunneldioden können sowohl mechanisch als auch elektrisch abgestimmt werden. Das Symbol der Tunneldiode ist wie unten dargestellt.

SChaltunssymbol einer Tunnel-Diode.

Schaltsymbol einer Tunnel-Diode.

Anwendungen für Tunnel-Dioden:

  • Oszillatorische Schaltungen
  • Mikrowellen-Schaltkreise
  • Beständig gegen nukleare Strahlung.

Varactor-Diode

Diese sind auch als Varicap-Dioden bekannt. Sie wirken wie der variable Kondensator. Die Operationen werden hauptsächlich nur im Zustand der Sperrvorspannung durchgeführt. Diese Dioden sind sehr berühmt wegen ihrer Fähigkeit, die Kapazitätsbereiche innerhalb der Schaltung bei konstantem Spannungsfluss zu verändern.

Sie sind in der Lage, die Kapazität bis zu hohen Werten zu variieren. Bei Varaktordiode können wir durch Änderung der Sperrvorspannung die Verarmungsschicht verringern oder erhöhen. Diese Dioden haben viele Anwendungen als spannungsgesteuerter Oszillator für Mobiltelefone, Satellitenvorfilter usw. Das Symbol der Varaktor-Diode ist unten angegeben.

Schaltungssymbol einer Varaktordiode.

Schaltsymbol einer Varaktor-Diode.

Anwendungen für Varaktordioden:

  • Spannungsgesteuerte Kondensatoren
  • Spannungsgesteuerte Oszillatoren
  • Parametrische Verstärker
  • Frequenz-Vervielfacher
  • FM-Sender und Phasenregelkreise in Radio- und Fernsehgeräten und Mobiltelefonen

Laserdiode

Ähnlich wie LED, bei der der aktive Bereich durch einen p-n-Übergang gebildet wird. Elektrisch gesehen ist eine Laserdiode eine p-i-n-Diode, bei der der aktive Bereich im intrinsischen Bereich liegt. Wird in der faseroptischen Kommunikation, in Barcodelesegeräten, Laserpointern, beim Lesen und Aufzeichnen von CD/DVD/Blu-ray und beim Laserdrucken verwendet.

Laserdioden-Typen:

  • Laser mit doppelter Heterostruktur: Freie Elektronen und Löcher gleichzeitig in der Region verfügbar.
  • Quantum-Well-Laser: Laser mit mehr als einem Quantum-Well werden als Multi-Quantum-Well-Laser bezeichnet.
  • Quantenkaskaden-Laser: Quantenkaskaden-Laser: Dies sind Heteroübergangslaser, die eine Laserwirkung bei relativ langen Wellenlängen ermöglichen.
  • Separate Confinement-Heterostruktur-Laser: Um das Dünnschichtproblem bei Quantenlasern zu kompensieren, setzen wir auf separate Confinement-Heterostrukturlaser.
  • Verteilte Bragg-Reflektor-Laser: Es können kantenemittierende Laser oder VCSELS sein.
Schaltungssymbol einer Laserdiode.

Schaltsymbol einer Laser-Diode.

Diode zur Unterdrückung transienter Spannungen

In Halbleiterbauelementen treten aufgrund der plötzlichen Zustandsänderung Spannungstransienten auf. Sie beschädigen die Ausgangsreaktion des Bausteins. Zur Überwindung dieses Problems werden Spannungsunterdrückungsdioden verwendet. Der Betrieb von Spannungsunterdrückungsdioden ist dem Betrieb von Zenerdioden ähnlich.

Der Betrieb dieser Dioden ist als p-n-Übergangsdioden normal, aber zum Zeitpunkt der transienten Spannung ändert sich ihr Betrieb. Im normalen Zustand ist die Impedanz der Diode hoch. Wenn irgendeine transiente Spannung in der Schaltung auftritt, tritt die Diode in das Lawinendurchbruchgebiet ein, in dem die niedrige Impedanz bereitgestellt wird.

Sie ist spontan sehr schnell, da die Dauer des Lawinendurchbruchs in Picosekunden liegt. Eine Diode zur Unterdrückung von Transientenspannungen klemmt die Spannung auf die festgelegten Pegel, meist ist ihre Klemmspannung im Minimalbereich.

Diese haben Anwendungen in den Bereichen Telekommunikation, Medizin, Mikroprozessoren und Signalverarbeitung. Sie reagiert schneller auf Überspannungen als Varistoren oder Gasentladungsröhren.

Schaltungssymbol einer Diode zur Unterdrückung transienter Spannungen.

Schaltsymbol einer Diode zur Unterdrückung transienter Spannungen

Die Diode ist gekennzeichnet durch:

  • Ableitstrom
  • Maximale Sperr-Abstandsspannung
  • Durchschlagsspannung
  • Klemmenspannung
  • Parasitäre Kapazität
  • Parasitäre Induktivität
  • Energiemenge, welche die Diode absorbieren kann

Golddotierte Dioden

In diesen Dioden wird Gold als Dotierstoff verwendet. Golddotierte Dioden sind schneller als andere Dioden. Bei diesen Dioden ist der Leckstrom im Sperrvorspannungszustand ebenfalls geringer. Sogar beim höheren Spannungsabfall erlaubt es der Diode, in Signalfrequenzen zu arbeiten. In diesen Dioden hilft Gold bei der schnelleren Rekombination von Minoritätsträgern.

Super-Sperrschicht-Dioden

Es handelt sich um eine Gleichrichterdiode mit niedrigem Durchlassspannungsabfall als Schottky-Diode mit Stoßspannungsfestigkeit und niedrigem Sperr-Leckstrom als p-n-Übergangsdiode. Sie wurde für hohe Leistung, schnelles Schalten und verlustarme Anwendungen entwickelt. Super-Barriere-Gleichrichter sind die nächste Generation von Gleichrichtern mit niedrigerer Durchlassspannung als Schottky-Dioden.

Peltier-Diode

Bei diesem Diodentyp erzeugt sie an der Zwei-Material-Übergangsstelle eines Halbleiters eine Wärme, die von einem Anschluss zu einem anderen Anschluss fließt. Dieser Fluss erfolgt in nur einer Richtung, die der Richtung des Stromflusses entspricht.

Diese Wärme wird aufgrund der elektrischen Ladung erzeugt, die durch die Rekombination von Minoritätsladungsträgern entsteht. Dies wird hauptsächlich in Kühl- und Heizanwendungen verwendet. Dieser Diodentyp wird als Sensor und Wärmemotor für die thermoelektrische Kühlung verwendet.

Kristalldiode

Kristalldiode ist ein Typ von Punktkontaktdiode. Ihr Betrieb hängt vom Kontaktdruck zwischen Halbleiterkristall und Punkt ab.

In Kristalldioden befindet sich ein Metalldraht, der gegen den Halbleiterkristall gepresst wird. Dabei wirkt der Halbleiterkristall als Kathode und der Metalldraht als Anode. Diese Dioden sind in der Natur veraltet. Kristalldioden werden hauptsächlich in Mikrowellenempfängern und -detektoren verwendet.

Kristall-Dioden-Anwendungen:

  • Kristall-Diodengleichrichter
  • Kristall-Dioden-Detektor
  • Kristall-Radioempfänger

Ausgleichsdiode

Dieses passive Element arbeitet nach dem Prinzip des LVS-Zusammenbruchs. Es arbeitet im umgekehrten Vorspannungszustand. Es erzeugt große Ströme aufgrund der Ionisierung, die durch den p-n-Übergang während des Sperrvorspannungszustands erzeugt wird.

Diese Dioden sind speziell dafür ausgelegt, bei einer bestimmten Sperrspannung durchzubrechen, um den Schaden zu verhindern.

Schaltungssymbol einer Ausgleichs-Diode.

Schaltsymbol einer Ausgleichsdiode.

Verwendung von Ausgleichsdioden:

  • Erzeugung von RF-Rauschen: Die Ausgleichs-Diode dient als HF-Quelle für Antennenanalysatorbrücken und auch als Generator für weißes Rauschen. Sie wird in Funkgeräten und auch in Hardware-Zufallszahlengeneratoren verwendet.
  • Erzeugung von Mikrowellenfrequenzen: Hierbei wirkt die Diode als negativer Widerstand.
  • Einzelphotonen-Lawinendetektor: Hierbei handelt es sich um Photonendetektoren mit hoher Verstärkung, die bei Lichtpegelanwendungen eingesetzt werden.

Steuerdiode

Die Silizium-Gleichrichter Diode besteht aus drei Anschlüssen, nämlich Anode, Kathode und einem Gate. Sie ist fast gleich der Shockley-Diode. Wie der Name schon sagt, wird sie hauptsächlich zu Steuerzwecken verwendet, wenn in der Schaltung kleine Spannungen angelegt werden.

Schaltunssymbol einer Steuer-Diode.

Schaltsymbol einer Steuersiode.

Betriebsarten von Steuerdioden:

  • Vorwärtssperrmodus (Aus-Zustand): Hierbei sind j1 und j3 in Vorwärtsrichtung und j2 in Rückwärtsrichtung vorgespannt. Er bietet einen hohen Widerstand unterhalb der Durchbruchspannung und gilt daher als Aus-Zustand.
  • Vorwärtsleitungsmodus (eingeschalteter Zustand): In diesem Fall ist j1 und j3 in Vorwärtsrichtung vorgespannt und j2 in Rückwärtsrichtung vorgespannt: Durch Erhöhung der Spannung an Anode und Kathode oder durch Anlegen eines positiven Impulses am Gate können wir einschalten. Zum Ausschalten besteht die einzige Möglichkeit darin, den durch das Gate fließenden Strom zu verringern.
  • Umgekehrter Sperrmodus (Aus-Zustand): SCR, der die Sperrspannung blockiert, wird als asymmetrischer SCR bezeichnet. Wird meist in Stromquellen-Wechselrichtern verwendet.

Vakuum-Dioden

Vakuumdioden bestehen aus zwei Elektroden, die als Anode und Kathode fungieren. Die Kathode besteht aus Wolfram, das die Elektronen in Richtung der Anode emittiert. Der Elektronenfluss erfolgt immer nur von der Kathode zur Anode. Sie wirkt also wie ein Schalter.

Wenn die Kathode mit Oxidmaterial beschichtet ist, ist das Elektronenemissionsvermögen hoch. Die Anode ist etwas lang und in einigen Fällen ist ihre Oberfläche rau, um die in der Diode entstehenden Temperaturen zu reduzieren. Die Diode leitet nur in einem Fall, nämlich dann, wenn die Anode gegenüber dem Kathodenanschluss positiv ist.

Schaltungssymbol einer Vakuumdiode.

Schaltsymbol einer Vakuum-Diode.

PIN-Diode

Die verbesserte Version der normalen P-N-Übergangsdiode ergibt die PIN-Diode. Bei der PIN-Diode ist eine Dotierung nicht erforderlich. Das intrinsische Material bedeutet, dass das Material, das keine Ladungsträger hat, zwischen den P- und N-Bereich eingefügt wird, wodurch die Fläche der Verarmungsschicht vergrößert wird.

Wenn wir eine Vorwärtsvorspannung anlegen, werden die Löcher und Elektronen in die intrinsische Schicht gedrückt. Irgendwann aufgrund dieses hohen Injektionsniveaus wird das elektrische Feld auch durch das intrinsische Material geleitet.

Schaltungssymbol einer Pindiode.

Schaltsymbol einer Pin-Diode.

Anwendungen für PIN-Dioden:

  • Hochfrequenz-Schalter: Pin-Diode wird sowohl für die Signal- als auch für die Komponentenauswahl verwendet. Pin-Dioden fungieren z.B. als Bereichsschalter-Induktivitäten in Oszillatoren mit geringem Phasenrauschen.
  • Dämpfungsglieder: Sie wird als Brücken- und Nebenschlusswiderstand in Brücken-T-Dämpfungsgliedern verwendet.
  • Fotodetektoren: sie detektiert Röntgen- und Gammastrahlenphotonen.

Dioden mit Punktkontakt

Ein Gold- oder Wolframdraht wird als Punktkontakt verwendet, um einen PN-Übergangsbereich zu erzeugen, indem ein hoher elektrischer Strom durch ihn geleitet wird. Ein kleiner Bereich des PN-Übergangs wird um den Rand des Drahtes herum erzeugt, der mit der Metallplatte verbunden ist, die wie in der Abbildung dargestellt ist.

Eine Punktkontakt-Diode.

Eine Diode mit Punkt-Kontakt.

In Vorwärtsrichtung ist die Funktionsweise recht ähnlich, aber in umgekehrtem Vorspannungszustand wirkt der Draht wie ein Isolator. Da sich dieser Isolator zwischen den Platten befindet, wirkt die Diode wie ein Kondensator. Im Allgemeinen sperrt der Kondensator die Gleichströme, wenn die Wechselströme bei hohen Frequenzen in der Schaltung fließen. Diese werden also zur Erfassung der Hochfrequenzsignale verwendet.

Gunn-Diode

Die Gunn-Diode wird nur mit n-Typ-Halbleitermaterial hergestellt. Die Verarmungszone von zwei N-Typ-Materialien ist sehr dünn. Wenn die Spannung in der Schaltung ansteigt, erhöht sich auch der Strom. Nach einer bestimmten Spannungshöhe wird der Strom exponentiell abnehmen, so dass der negative Differenzwiderstand entsteht.

Gunn-Dioden haben zwei Elektroden mit Galliumarsenid und Indiumphosphid, wodurch sie einen negativen Differenzwiderstand haben. Die Gunn Diode wird auch als Elektronentransfergerät bezeichnet. Sie erzeugt Mikrowellen-HF-Signale, weshalb sie hauptsächlich in Mikrowellen-HF-Geräten verwendet wird. Eine Gunn-Diode kann auch als Verstärker verwendet werden.

Schaltungssymbol einer Gunndiode.

Schaltsymbol einer Gunn-Diode.

Anwendungen für Dioden

Wir wissen, dass eine Diode den Stromfluss nur in eine Richtung zulässt und daher als Einwegschalter fungiert. Die Diode besteht aus Materialien des Typs P und N und hat zwei Anschlüsse, nämlich Anode und Kathode. Diese Vorrichtung kann durch Steuerung der an sie angelegten Spannung betrieben werden.

Wenn die an die Anode angelegte Spannung in Bezug auf die Kathode positiv ist, wird die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt. Wenn die an die Diode angelegte Spannung größer ist als der Schwellenwert (im Allgemeinen 0,6 V), dann wirkt die Diode als Kurzschluss und lässt den Stromfluss zu. Wenn die Polarität der Spannung geändert wird, d.h. die Kathode gegenüber der Anode positiv gemacht wird, dann wird sie in Sperrrichtung vorgespannt und wirkt als offener Stromkreis, so dass kein Strom fließen kann.

Zu den Anwendungsgebieten von Dioden gehören Kommunikationssysteme als Begrenzer, Clipper, Gatter; Computersysteme als logische Gatter, Clampers; Stromversorgungssysteme als Gleichrichter und Inverter; Fernsehsysteme als Phasendetektoren, Begrenzer, Clampers; Radarschaltungen als Verstärkungsregelkreise, Parameterverstärker usw. Die folgende Beschreibung beschreibt kurz die verschiedenen Anwendungen von Dioden.

Bevor wir einen tiefen Einblick in die verschiedenen Anwendungen von Dioden geben, wollen wir uns kurz einen Überblick über typische Anwendungen für Dioden verschaffen:

  • Gleichrichter
  • Clipper-Schaltungen
  • Klemmschaltungen
  • Umkehrstrom-Schutzschaltungen
  • In logischen Toren
  • Spannungsmultiplikatoren

Diode als Gleichrichter

Die häufigste und wichtigste Anwendung einer Diode ist die Gleichrichtung von Wechselstrom in Gleichstrom. Mit Hilfe der Dioden können verschiedene Arten von Gleichrichterschaltungen aufgebaut werden. Die Grundtypen dieser Gleichrichterschaltungen sind Halbwellen-, Vollwellen-Mittelabgriff- und Vollbrückengleichrichter. Eine einzelne Diode oder eine Kombination von vier Dioden wird in den meisten Fällen für die Leistungsumwandlung verwendet. Die Abbildung unten zeigt den Diodenbetrieb in einem Gleichrichter.

Schaltung einer Diode als Gleichrichter.

Schaltplan einer Diode als Gleichrichter.

Während des positiven Halbzyklus der Eingangsversorgung wird die Anode gegenüber der Kathode positiv geschaltet, so dass die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt wird. Dadurch fließt ein Strom zur Last. Da die Last widerstandsbehaftet ist, ist die Spannung über dem Lastwiderstand gleich der Versorgungsspannung, d.h. die sinusförmige Eingangsspannung erscheint an der Last. Und der Laststromfluss ist proportional zu der angelegten Spannung.

Während der negativen Halbwelle der Eingangssinuswelle wird die Anode in Bezug auf die Kathode negativ gemacht, so dass die Diode in Sperrrichtung vorgespannt wird. Daher fließt kein Strom zur Last. Der Stromkreis wird offen, und es entsteht keine Spannung an der Last.

Sowohl die Spannung als auch der Strom auf der Lastseite haben die gleiche Polarität, d.h. die Ausgangsspannung ist pulsierender Gleichstrom. Sehr oft hat diese Gleichrichterschaltung einen Kondensator, der über die Last geschaltet ist, um stabile und kontinuierliche Gleichströme ohne Welligkeiten zu erzeugen.

Dioden in Clipping-Schaltkreisen

Clipping-Schaltungen werden in FM-Sendern verwendet, bei denen Rauschspitzen auf einen bestimmten Wert begrenzt werden, so dass übermäßige Spitzen von ihnen entfernt werden. Die Clipping-Schaltung wird verwendet, um die Spannung über den voreingestellten Wert hinaus abzuschalten, ohne den restlichen Teil der Eingangswellenform zu stören. Basierend auf der Diodenkonfiguration in der Schaltung werden diese Clipper in zwei Typen unterteilt; Serien- und Shunt-Clipper und diese wiederum werden in verschiedene Typen klassifiziert.

Eine Diode in einem Clipping-Schaltungen.

Schaltplan einer Clipping-Schaltungen.

Die obige Abbildung zeigt die positiven Serien- und Shuntclipper. Bei Verwendung dieser Clipper-Schaltungen werden positive Halbzyklen der Eingangsspannungswellenform entfernt. Bei den positiven Serien-Clippern wird die Diode während des positiven Zyklus des Eingangs in Sperrrichtung vorgespannt, so dass die Spannung am Ausgang Null ist. Daher wird die positive Halbwelle am Ausgang abgetrennt. Während der negativen Halbwelle des Eingangs wird die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt, und die negative Halbwelle erscheint am Ausgang.

Im positiven Shunt-Clipper wird die Diode während der positiven Halbwelle in Durchlassrichtung vorgespannt, so dass die Ausgangsspannung Null ist, da die Diode als geschlossener Schalter wirkt. Und während der negativen Halbwelle ist die Diode in Sperrichtung vorgespannt und wirkt als offener Schalter, so dass die volle Eingangsspannung am Ausgang anliegt. Mit den beiden obigen Dioden-Clippern wird die positive Halbwelle des Eingangs am Ausgang geclippt.

Dioden in Klemmschaltungen

Eine Klemmschaltung wird verwendet, um entweder die positive oder negative Spitze eines Eingangssignals auf einen gewünschten Pegel zu verschieben oder zu verändern. Diese Schaltung wird auch als Pegelschieber oder DC-Restaurator bezeichnet. Diese Klemmschaltungen können positiv oder negativ sein, abhängig von der Diodenkonfiguration. Bei der positiven Klemmschaltung werden negative Spitzen nach oben angehoben, so dass die negativen Spitzen auf den Nullpegel fallen. Im Falle der negativen Klemmschaltung werden positive Spitzen geklemmt, so dass sie nach unten gedrückt wird, so dass die positiven Spitzen auf den Nullpegel fallen.

Im folgenden Diagramm wird die Anwendung von Dioden in Klemmschaltungen erläutert. Während der positiven Halbwelle des Eingangs wird die Diode in Sperrrichtung vorgespannt, so dass die Ausgangsspannung gleich der Summe aus Eingangsspannung und Kondensatorspannung ist (unter Berücksichtigung der Tatsache, dass der Kondensator anfänglich geladen wird). Während der negativen Halbwelle des Eingangs wird die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt und verhält sich wie ein geschlossener Schalter, so dass sich der Kondensator auf einen Spitzenwert des Eingangssignals auflädt.

Eine Diode in einer Klemm-Schaltung.

Schaltplan einer Klemmschaltung mit Diode.

Dioden in Logikgattern

Dioden können auch digitale logische Operationen ausführen. Die Zustände des Logikschalters mit niedriger und hoher Impedanz sind analog zu den Vorwärts- bzw. Rückwärts-Vorspannungszuständen der Diode. Daher kann die Diode logische Operationen wie UND, ODER usw. ausführen. Obwohl die Diodenlogik eine frühere Methode mit einigen Einschränkungen ist, werden diese in einigen Anwendungen eingesetzt. Die folgende Abbildung zeigt die ODER-Gatterlogik, die mit einem Diodenpaar und einem Widerstand implementiert wurde.

Dioden können in einem Logik-Gatter eingesetzt werden.

Schaltplan eines Logikgatters.

In der obigen Schaltung wird die Eingangsspannung an V angelegt und durch Steuerung der Schalter erhalten wir die ODER-Logik am Ausgang. Hier bedeutet logisch 1 hohe Spannung und logisch 0 Null Spannung. Wenn sich beide Schalter im offenen Zustand befinden, sind beide Dioden in Sperrrichtung vorgespannt, so dass die Spannung am Ausgang Y Null ist. Wenn einer der Schalter geschlossen ist, wird die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt, und als Folge davon ist der Ausgang hoch.

Dioden in Spannungsmultiplikator-Schaltungen

Spannungsvervielfacher bestehen aus zwei oder mehr Diodengleichrichterschaltungen, die kaskadiert sind, um eine Ausgangsgleichspannung zu erzeugen, die dem Multiplikator der angelegten Eingangsspannung entspricht. Diese Vervielfacherschaltungen sind unterschiedlicher Natur, wie Spannungsverdoppler, -verdreifacher, -vervierfacher usw. Durch die Verwendung von Dioden in Kombination mit Kondensatoren erhalten wir das ungerade oder gerade Vielfache der Eingangsspitzenspannung am Ausgang.

Schaltung eines Spannungs-Multiplikators.

Schaltplan eines Spannungsmultiplikators.

Die obige Abbildung zeigt eine Halbwellenspannungsverdopplerschaltung, deren DC-Ausgangsspannung doppelt so hoch ist wie die Spitzen-Eingangswechselspannung. Während der positiven Halbwelle des Wechselstromeingangs ist die Diode D1 in Durchlassrichtung und D2 in Sperrrichtung vorgespannt. Dadurch lädt sich der Kondensator C1 über die Diode D1 auf die Spitzenspannung Vm des Eingangs auf. Während der negativen Halbwelle des Wechselstromeingangs ist D1 in Sperrichtung und D2 in Durchlassrichtung vorgespannt. Der Kondensator C2 beginnt also, D2 und C1 vollständig zu laden. Somit ist die Gesamtspannung über C2 gleich den 2Vm.

Während der nächsten positiven Halbwelle wird die Diode D2 in Sperrichtung vorgespannt, so dass der Kondensator C2 durch die Last entladen wird. In gleicher Weise erhalten wir durch Kaskadierung der Gleichrichterschaltungen die mehrfachen Werte der Eingangsspannung am Ausgang.

Dioden im Rückstromschutz

Der Verpolungs- oder Stromschutz ist notwendig, um Schäden zu vermeiden, die durch falsches Anschließen der Batterie oder Verpolung der Gleichstromversorgung entstehen. Der versehentliche Anschluss der Versorgung führt dazu, dass eine große Menge Strom fließt, der durch die Schaltungskomponenten zur Explosion führt. Daher wird eine Schutz- oder Sperrdiode in Reihe mit der positiven Seite des Eingangs geschaltet, um das Problem der Verpolung zu vermeiden.

Rückstromschutz-Schaltung mit einer Diode.

Schaltplan für einen Rückstromschutz.

Die obige Abbildung zeigt die Rückstromschutzschaltung, bei der die Diode in Reihe mit der Last auf der positiven Seite der Batterieversorgung geschaltet ist. Bei richtig gepoltem Anschluss wird die Diode in Durchlassrichtung vorgespannt und der Laststrom fließt durch sie hindurch. Bei falschem Anschluss wird die Diode jedoch in Sperrrichtung vorgespannt, so dass kein Strom zur Last fließen kann. Daher ist die Last gegen den Sperrstrom geschützt.

Dioden zur Unterdrückung von Spannungsspitzen

Im Falle einer Induktivität oder induktiver Lasten erzeugt das plötzliche Entfernen der Versorgungsquelle aufgrund der gespeicherten Magnetfeldenergie eine höhere Spannung. Diese unerwarteten Spannungsspitzen können die erheblichen Schäden an den Schaltungskomponenten verursachen. Daher wird eine Diode über die Induktivität oder induktive Lasten geschaltet, um die großen Spannungsspitzen zu begrenzen. Diese Dioden werden in verschiedenen Schaltungen auch unterschiedlich bezeichnet, wie z.B. Snubberdiode, Sperrdiode, Suppressordiode, Freilaufdiode usw.

Eine Diode als Schutz gegen Spannungs-Spitzen.

Schaltplan für den Schutz gegen Spannungsspitzen.

In der obigen Abbildung ist die Freilaufdiode zur Unterdrückung von Spannungsspitzen in einer Induktivität über die induktive Last geschaltet. Wenn der Schalter plötzlich geöffnet wird, wird die Spannungsspitze in der Induktivität erzeugt. Daher bildet die Freilaufdiode den sicheren Weg für den Stromfluss, um die von der Spannungsspitze angebotene Spannung zu entladen.

Dioden in Solarpaneelen

Die Dioden, die zum Schutz von Sonnenkollektoren verwendet werden, werden als Bypass-Dioden bezeichnet. Wenn das Solarmodul defekt oder beschädigt ist oder durch heruntergefallene Blätter, Schnee und andere Hindernisse abgeschattet wird, sinkt die Gesamtausgangsleistung und es kommt zu Hot-Spot-Schäden, da der Strom der restlichen Zellen durch diese defekte oder abgeschattete Zelle fließen muss, was zu einer Überhitzung führt. Die Hauptfunktion der Bypass-Diode besteht darin, die Solarzellen vor diesem Hot-Spot-Erwärmungsproblem zu schützen.

Dioden als Schutz gegen Überspannung in einem Solar-Paneel.

Dioden schützen Solarpaneele.

Die obige Abbildung zeigt den Anschluss von Bypass-Dioden in Solarzellen. Diese Dioden sind parallel zu den Solarzellen geschaltet. Dadurch wird die Spannung über der schlechten Solarzelle begrenzt und der Strom von guten Solarzellen zum externen Stromkreis ermöglicht. Auf diese Weise wird das Überhitzungsproblem reduziert, indem der Stromfluss durch die schlechte Solarzelle begrenzt wird.

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Carsten Hack ist begeisterter Hobby-Bastler auf vielen Gebieten und Autor von e-hack.de. Seine Erfahrung und Expertise schreibt er in informativen Beschreibungen verschiedener elektrischer Bauteile nieder und gibt Tipps zu allen Fragen der Beleuchtung und LED-Leuchtmitteln.

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