Ideale Diode

Wie wir bereits aus dem Praktikum Dioden wissen, lässt eine Diode in Sperrrichtung keinen Strom durch. In Durchlassrichtung lässt sie Strom ungehindert fließen.

Reale Dioden haben jedoch in Durchlassrichtung einen Spannungsabfall, die Flussspannung. Außerdem haben sie eine maximal zulässige Sperrspannung:

Häufig werden Dioden weit unter ihrem maximal zulässigen Strom betrieben (z.B. mit 1mA). In diesem Fall kann für eine Silizium-Diode eine Flussspannung von 0,6V und für eine Schottky-Diode von 0,3V angenommen werden. Eine Silizium-Diode hat auch bei sehr kleinen Strömen (unter 1µA) eine Flussspannung um 0,6V. Bei einer Schottky-Diode liegt die Flussspannung bei sehr kleinen Strömen (unter 1 µA) nahe 0,0 V.

Insbesondere bei keinen Betriebsspannungen stört die Flussspannung der Dioden. Sie verursacht relativ hohe Verluste, die zudem noch über Kühlmaßnahmen abgeführt werden müssen.

Ideal wäre eine Diode, mit einer Flussspannung von 0V, auf jeden Fall aber weniger als die 1,0V einer Silizium-Diode bzw. 0,55V einer Schottky-Diode.

Wir haben bereits eine "Diode" mit niedriger Flussspannung kennengelernt. Im Praktikum Komplementäre Transistoren haben wir uns mit einem Verpolungsschutz beschäftigt:

Im Prinzip handelt es sich um eine Diode mit einem parallelen MOSFET. Die Diode ist die im MOSFET enthaltene Body-Diode.

Wird am Eingang eine Spannung angelegt, fließt über die Body-Diode ein Strom in den Lastwiderstand R_L. An R_L fällt dann eine Spannung ab, die annähernd der Eingangsspannung entspricht. Annähernd deshalb, weil an der Body-Diode 0,6V abfallen. Die Ausgangsspannung ist die Gate-Source-Spannung U_gs des P-MOSFET. U_gs = -U_a. Wenn die Gate-Source-Schwellenspannung des MOSFET überschritten wird, leitet der MOSFET und schließt die Diode kurz. Dadurch wird der Spannungsabfall an der "Diode" viel kleiner. Die Spannung beträgt etwa 50mV statt über 600mV bei einer Silizium-Diode.

Deshalb wird diese Schaltung als "Ideale Diode" bezeichnet.

Bei einer negativen Eingangsspannung sperrt einerseits die Body-Diode, andererseits wird der P-MOSFET durch eine positive Gate-Source-Spannung gesperrt: Die "Diode" sperrt.

Leider ist diese "Diode" alles andere als ideal.

In Bild 2 wird die " Ideale Diode " in Sperrrichtung betrieben. Der MOSFET ist gegenüber Bild 1 gedreht und Eingang und Ausgang sind vertauscht:

U_out in Bild 1 ist U_ein in Bild 2 und U_in ist U_aus.

Die Body-Diode sperrt, wenn U_ein positiv ist. Ist U_ein größer als die Gate-Source-Schwellenspannung des MOSFET, schaltet dieser ein. Es fließt ein Strom von +U_ein über R_L nach -U_ein (Bild 2) also von +U_out über R_L nach -U_out (Bild 1).

• Dieser Strom fließt in Sperrrichtung unserer "Idealen Diode".

Unsere "Ideale Diode" ist keineswegs ideal:

• Wenn die Spannung U_aus über der Gate-Source-Schwellenspannung des MOSFET liegt, sperrt die "Ideale Diode" nicht.

Der Verpolungsschutz in Bild 1 funktioniert trotzdem, da wir keine Spannungsquelle am Ausgang U_out haben.

Wir müssen unsere Schaltung so ergänzen, dass dann, wenn die Drain-Source-Spannung negativ ist, der MOSFET nicht eingeschaltet wird.

In Bild 3 haben wir unsere nicht ganz ideale Diode mit einem Stromspiegel aus dem Praktikum Kleine Spannungen mit dem Stromspiegel messen kombiniert. Außerdem haben wir die NPN-Transistoren durch PNP-Transistoren ersetzt.

Um die Schaltung zu verstehen, ersetzen wir den MOSFET durch einen Widerstand R_m.

Wir können die Gleichungen(2) aus dem Praktikum Kleine Spannungen mit dem Stromspiegel messen übernehmen. Die Messspannung U_m muss wegen des umgekehrten Spannungspfeils (PNP) negativ eingesetzt werden.

Iout = Iin *  exp( -Um / Ut )
Iout = Iin *  exp( -Um / 26mV )

Gleichungen (2)

Im Folgenden erscheinen die negativen Vorzeichen, weil wir PNP-Transistoren und einen P-MOSFET haben.

1.

Bei einer Messspannung U_m = 0V sind die Ströme I_out und I_in gleich. (Die rote Linie kreuzt die grüne 1).

2.

Der Ausgangsstrom I_out steigt exponentiell an, wenn die Messspannung Um negativ ist.

3.

Bei positiver Messspannung U_m, fällt der Ausgangsstrom exponentiell ab.

4.

Die Messspannung U_m liegt im mV-Bereich.

5.

Die Spannung an R₂ ist proportional zum Ausgangsstrom des Stromspiegels.

6.

Wenn die Messspannung Um=0V ist, ist die Kollektor-Emitter-Spannung -U_ce des Transistors Q3 gleich der von Q2 also bei 0,6V.

7.

Bei einer negativen Messspannung ist die Kollektor-Emitter-Spannung -U_ce des Transistors Q3 noch kleiner

8.

Die Kollektor-Emitter-Spannung -U_ce des Transistors Q3 steigt mit positiver Messspannung Um exponentiell.

9.

In der Schaltung mit der idealen Diode (Bild 3) entspricht die Gate-Source-Spannung -U_gs des MOSFET der Kollektor-Emitter-Spannung -U_ce von Q3.

10.

Die Messspannung U_m entspricht der Drain-Source-Spannung -U_ds des MOSFET.

11.

Bei -U_ds von 0V oder negativer -U_ds (die Eingangsspannung ist kleiner als die Ausgangsspannung) ist der der MOSFET ausgeschaltet ( -U_ce = -U_gs ≤ 0,6V ).

12.

Der MOSFET hat z.B. eine Gate-Source-Schwellenspannung von -U_gsth von etwa 4V.

13.

Damit -U_ce 4V beträgt, muss der Strom I_out auf etwa 0,2 * I_in gefallen sein. Das bedeutet, dass der MOSFET ab -Um = -U_ds = 40mV leitend wird.

14.

Wenn die Eingangsspannung größer als die Ausgangsspannung ist, ist der MOSFET zwar eingeschaltet, aber es ist ein geringer Spannungsabfall in der Größenordnung von 50mV erforderlich.