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Praktische Elektronik


Wir lernen, wie Dioden wirken und in Schaltungen verwendet werden.


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Analogtechnik

Dioden

Inhalt

Grundschaltungen


Dioden

Wir kennen bereits LEDs und leiten aus ihnen die Eigenschaften von Dioden her.

LED

Betrachten wir noch einmal Schaltungen mit zwei LED.

LED-Polaritaet.png
Bild 1: Schaltungen mit zwei LEDs

In der oberen Schaltung liegen beide LEDs hintereinander in der gewohnten Richtung: Der Pfeil zeigt nach Minus. Die LEDs leuchten beide. Sie leuchten allerdings nur schwach. Wenn wir die Stromquelle anders herum anschließen, werden beide LEDs nicht leuchten.

Was ist mit der mittleren Schaltung? Leuchten die LEDs oder leuchtet eine? Welche LED leuchtet, wenn die Stromversorgung umgedreht wird?

Wie sieht es bei der unteren Schaltung aus. Leuchten die LEDs oder leuchtet eine? Welche LED leuchtet, wenn die Stromversorgung umgedreht wird?

Bei der mittleren Schaltung leuchte nie eine LED.

Bei der unteren leuchtet die LED6, wenn die Stromversorgung so angeschlossen ist wie in der Schaltung. Die LED5 leuchtet bei umgekehrt angeschlossener Stromversorgung.

LEDs lassen offensichtlich nur in einen Richtung Strom fließen, nämlich in Pfeilrichtung. Bauelemente mit zwei Anschlüssen, die nur in eine Richtung leitend sind, werden als Dioden bezeichnet.

LED ist die Abkürzung für Light-Emitting-Diode - Licht emittierende Diode. Ein LED ist eine Diode mit der zusätzlichen Eigenschaft, Licht abzugeben.

Diode

Eine Diode ist ein Bauelement, das die Eigenschaft hat, Strom nur in eine Richtung fließen zu lassen.

Wir sagen: Sie leitet in eine Richtung und sperrt in die andere.

Diode-und-LED.png
Bild 2: Diode und LED

Das Symbol einer Diode entspricht dem einer LED ohne die Lichtwellen. Die Schaltung in Bild 2 zeigt, was der Unterschied zwischen einer Diode und einer LED ist. Die Diode D1 kann parallel zu der LED1 geschaltet werden.

Wenn wir diese Schaltung aufbauen wollen, müssen wir zunächst einen Typ der Diode auswählen. In der Schaltung ist die 1N4004 angegeben. Wir könnten auch die 1N4001 oder 1N4007 nehmen. Eine 1N4148 wäre eine Alternative. Offensichtlich gibt es eine Ganze Reihe von Dioden. Wir gehen darauf später ein und nehmen hier eine der 1N4001 bis 1N4007.

DO41.png
Bild 3: Bauform einer Diode 1N400x

Eine Diode hat ein axiales Gehäuse. Der weiße Ring ist die Kathode, d.h. die Pfeilspitze des Symbols.

Damit können wir die Schaltung von Bild 2 auf dem Steckbrett aufbauen. Die Diode kann über einen Draht mit der LED1 verbunden werden. Sie liegt dann parallel zur LED1. Solange die Diode nicht angeschlossen ist, leuchten beide LEDs. Wird die Diode angeschlossen, erlischt die LED1 und die LED2 wird heller. Offen sichtlich schließt die Diode die LED1 kurz und lässt einen größeren Strom fließen. Wenn wir die Diode auch noch kurzschließen, haben wir eine Schaltung mit nur einer LED. In diesem Fall wird die LED2 noch heller. Es fließt ein noch höherer Strom.

Wir halten fest:

  • eine LED leitet in Durchlassrichtung
  • eine Diode leitet in Durchlassrichtung besser als eine LED
  • eine unmittelbare Verbindung leitet besser als eine Diode

Wir können das an einer elektrischen Größe festmachen: der Flussspannung.

Die Flussspannung einer (roten) LED ist 1,8V, die einer Diode vom Typ 1N4007 0,6V.

Schottky-Diode

Wir haben bisher von Dioden gesprochen. Damit sind meistens die (normalen) Silizium-Dioden gemeint.

Moderne Elektronik verwendet eine weitere Art von Dioden: Schottky-Dioden

Schottky-Diode_Symbol.png
Bild 4: Symbol einer Schottky-Diode

Im Prinzip unterscheidet sich eine Schottky-Diode nicht von einer Diode oder einer LED: Sie lässt Strom nur in eine Richtung fließen. Allerdings hat sie eine geringere Flussspannung von 0,3 V.

Eigenschaften von Dioden

Zwei Eigenschaften von Dioden kennen wir bereits:

  • Sie lassen Strom nur in eine Richtung fließen. Diese ist die wichtigste Eigenschaft.
  • Sie lassen in Durchlassrichtung Strom fließen in Sperrrichtung nicht.
  • An ihnen fällt, wenn sie leiten, eine Flussspannung ab.

Eine weitere Eigenschaft müssen wir unbedingt beachten.

  • Dioden dürfen in Sperrrichtung nur mit einer maximalen Spannung belastet werden.
  • Wird die maximale Spannung überschritten können sie zerstört werden.

Wie wir von LEDs wissen, darf durch Dioden nur ein begrenzter Strom fließen.

  • Dioden dürfen nur mit einem maximalen Strom belastet werden.
  • Wird der maximale Strom überschritten, können Dioden zerstört werden.

In der folgenden Tabelle sind die Eigenschaften einiger Dioden aufgeführt.

Typ Bezeichnung Flussspannung maximale Sperrspannung maximaler Strom
rote LED 3mm 1,8V 5V 20mA
Diode 1N4001 1,0V 50V 1A
Diode 1N4004 1,0V 400V 1A
Diode 1N4007 1,0V 1000V 1A
Diode 1N4148 1,0V 100V 200mA
Schottky-Diode 1N5818 0,55V 21V 1A

Oft werden Dioden weit unterhalb ihres maximal zulässigen Stroms (z.B. mit 1mA) betrieben. Dann können wir für eine Diode eine Flussspannung von 0,6V und für eine Schottky-Diode 0,3V annehmen. Eine normale Diode hat auch bei sehr kleinen Strömen (unter 1µA) eine Flussspannung um 0,6V. Bei einer Schottky-Diode ist bei sehr kleinen Strömen (unter 1µA) die Flussspannung nahe 0,0V.

Für unsere ersten Schaltungen werden wir mit der 1N4004 und der 1N4148 auskommen.

Die 1N4148 wird in einem Glasgehäuse geliefert:

DO35.png
Bild 5: Glasgehäuse einer 1N4148

Auch hier ist die Kathode (Pfeilspitze) mit einem Ring gekennzeichnet.

OR-Gatter mit Dioden

Wir können mit Dioden ein Gatter bauen.

Aus dem Praktikum Alles NAND, ODER? kennen wir bereits die logische ODER-Funktion mit der Wahrheitstabelle:

K L OR
0 0 0
0 1 1
1 0 1
1 1 1

Tabelle 1: OR

Die Schaltung ist relativ einfach:

Diode-OR.png
Bild: OR-Gatter aus Dioden

Wenn einer der beiden Taster betätigt wird, leuchtet die jeweilige LED und auch LDE3, weil Strom über eine Diode fließt. Die Dioden sind wichtig, weil sonst beispielsweise beim Betätigen des Tasters T1 auch die LED2 leuchten würde. Die Diode D2 sperrt dann und verhindert dieses.

Das eigentliche OR-Gatter besteht nur aus den beiden Dioden D1 und D2 sowie dem Widerstand R3.

Wenn wir auf diese Weise ein einfaches OR-Gatter an Logik-IC anschließen wollen, ist die Entkopplung durch Dioden sehr wichtig, weil sich die Ausgänge sonst beeinflussen.

Der Widerstand R3 ist wichtig, weil sonst bei offenen Schaltern der Logikpegel des Ausgangs nicht definiert ist. Wenn CMOS-Gatter an den Ausgang angeschlossen werden, ist R3 unverzichtbar. R3 dagegen kann entfallen, wenn andere (Widerstands-) Lasten nach 0V liegen.

Bei TTL kann mit R3 keine logische 0 erzeugt werden.

Regeln

  • Ein einfaches OR-Gatter kann mit Dioden und einem Widerstand aufgebaut werden.
  • Pro Eingang ist eine Diode notwendig.
  • Der Widerstand am Ausgang gewährleistet den Pegel 0, wenn alle Eingänge auf 0 liegen.
  • Das OR-Gatter kann mit Dioden kann nicht bei TTL eingesetzt werden.

Verpolungsschutz

Wenn wir eine Schaltung an eine externe Stromquelle insbesondere eine Batterie anschließen, kann es leicht zu einer Verpolung kommen. Dem können wir durch den Einbau einer Diode vorbeugen. Eine Anzeige der Verpolung wäre auch ganz hilfreich.

Verpolungsschutz.png
Bild 7: Verpolungsschutz mit Diode und zwei LEDs

Die Diode D2 blockiert falsch gepolte Versorgung. Dann leuchtet die rote LED. Die grüne zeigt die korrekte Polung an. 1N4004 kann bis zu 1A eingesetzt werden. An ihr fällt eine Spannung von 0,6V bis 1,0V ab, die dann am Ausgang nicht mehr zur Verfügung stehen. Eine Schottky-Diode würde einen geringeren Spannungsabfall erzeugen.

  • Die Schaltung mit der 1N4001 ist für maximal 1A geeignet.
  • Die maximale Spannung ist 20V oder R1 muss erhöht werden.
Verpolungsschutz-Kurzschluss.png
Bild 8: Verpolungsschutz mit kurzschließender Diode

Diese Schaltung schließt einfach die Versorgung kurz, wenn sie falsch gepolt ist. Eine Sicherung sollte in jedem Fall eingebaut werden. Bei einer Verpolung brennt sie durch und schützt das Netzgerät vor Schäden. Der Spannungsabfall an der Sicherung ist geringer als an der Diode in Bild 8.

Diese Schaltung sieht einfach und aus, hat es aber in sich.

Beim Kurzschluss fließen bis zum Auslösen der Sicherung sehr große Ströme durch die Diode, die die Diode beschädigen können. Es treten auch hohe Flussspannungen über 1V auf. Der zu schützenden Schaltung wird damit kurzzeitig eine negative Versorgungsspannung von 1V zugemutet. Durch eine negative Spannung über 0,6V können empfindliche ICs bereits beschädigen. Durch eine Schottky-Diode kann das vermieden werden.

Die 1N4007 kann zwar mit 1A belastet werden. Eine Schmelzsicherung löst dagegen erst bei über dem doppelten des Nennstroms, in unseren Fall erst über 1A aus. Wenn ein Akku als Stromquelle dient, sollte eine superflinke Sicherung eingesetzt werden.

Die rote LED2, die eine Verpolung anzeigt, muss durch die Diode D2 geschützt werden, weil an LED2 in Sperrrichtung sonst die volle Betriebsspannung abfallen würde. Eine LED darf jedoch nicht mit mehr als 5V in Sperrrichtung betrieben werden.

  • Die Sicherung F1 kann entfallen, wenn durch ein elektronisches Netzgerät ein maximaler Strom von 1A garantiert wird.
  • Für Batterien oder Netzgerät ohne elektronische Sicherung muss die Sicherung bereits weit unterhalb des maximal zulässigen Stroms der Diode auslösen.
  • Für noch höhere Ströme ist eine sehr kräftige Diode und in den meisten Fällen eine superflinke Sicherung nötig.
  • Die maximale Spannung ist 20V oder R1 und R2 müssen erhöht werden.
Attention ?

Warum müssen die LEDs in Bild 7 nicht mit einer Diode gegen zu hohe Sperrspannung geschützt werden?

Besserer Verpolungsschutz

Einen nicht kurzschließenden Verpolungsschutz mit sehr geringem Spannungsabfall wird mit einem MOS-FET aufgebaut.

Er wird im Praktikum Komplementäre Transistoren vorgestellt.

Regeln

  • Dioden lassen Strom nur in Pfeilrichtung fließen.
  • Sie lassen in Durchlassrichtung Strom fließen in Sperrrichtung nicht.
  • Dioden haben eine Flussspannung, wenn sie leiten.
  • Dioden haben Grenzwerte, die nicht überschritten werden dürfen
  • der maximal zulässige Strom
  • die maximal zulässige Sperrspannung
  • Es gibt verschiedene Typen von Dioden
  • normale (Silizium-) Dioden
  • Schottky-Dioden
  • LED
  • Dioden können als Verpolungsschutz verwendet werden.
  • Bei einer Diode im Stromzweig fällt eine Spannung von 0,6V bis 1V ab.
    0,4V bis 0,55V bei einer Schottkydiode.
  • Bei einer kurzschließenden Diode muss eine Sicherung im Stromzweig liegen
    und es können negative Spannung über 1V entstehen
    bei einer Schottkydiode unter 0,6V.