Dioden

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

• Was ist mit der mittleren Schaltung? Welche LEDs leuchten? Welche LEDs leuchten, wenn wir die Stromversorgung umdrehen?

• Was ist mit der unteren Schaltung. Welche LEDs leuchten? Welche LEDs leuchten, wenn die Stromversorgung umgedreht wird?

• Bei der mittleren Schaltung leuchtet nie eine LED.

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

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

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

Damit können wir die Schaltung von Bild 2 auf dem Steckboard aufbauen. Die Diode kann durch einen Draht mit der LED1 verbunden werden. Sie liegt dann parallel zu LED1. Solange die Diode nicht angeschlossen ist, leuchten beide LEDs. Wird die Diode angeschlossen, erlischt LED1 und LED2 wird heller. Offensichtlich schließt die Diode die LED1 kurz und lässt einen größeren Strom fließen. Wenn wir auch die Diode kurzschließen, haben wir eine Schaltung mit nur einer LED. In diesem Fall leuchtet LED2 noch heller. Es fließt ein noch größerer 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 mit einer elektrischen Größe ausdrücken: der Flussspannung.

Die Flussspannung einer (roten) LED beträgt 1,8V, die einer Silizium-Diode 0,6V bis 1V.

Zwei Eigenschaften von Dioden kennen wir bereits:

• Sie lassen den Strom nur in eine Richtung fließen. Das ist die wichtigste Eigenschaft.

• In Durchlassrichtung lassen sie Strom fließen, in Sperrrichtung nicht.

• An ihnen fällt eine Flussspannung ab, wenn sie leitend sind,.

• Die Flussspannung einer Silizium-Diode beträgt 0,6V und bei 1V bei maximaler Belastung.

• Die Flussspannung einer Schottky-Diode liegt zwischen 0,3V und 0,6V.

• Die Flussspannung ist abhängig vom Strom, der durch die Diode fließt.

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.

• Sperrrichtung fließt ein kleiner Sperrstrom durch die Diode.

• Der Sperrstrom einer Schottky-Diode ist höher als der einer Silizium-Diode.

Die folgende Tabelle zeigt die Eigenschaften einiger Dioden.

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	1N5817	0,55V	20V	1A

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.

Die Daten einiger Dioden sind in Bauelemente: Dioden zusammengefasst.

Für unsere ersten Schaltungen werden wir die 1N4004 die 1N4148 verwenden.

Die 1N4148 wird im Glasgehäuse geliefert:

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

Die Diode D1 blockiert eine verpolte Spannungsversorgung. Dann leuchtet die rote LED. Die grüne LED zeigt die richtige Polung an. 1N4004 kann bis zu 1A verwendet werden. An ihr fällt eine Spannung von 0,6V bis 1,0V ab, die dann am Ausgang nicht mehr zur Verfügung steht.

Eine Schottky-Diode hat einen geringeren Spannungsabfall.

• Die Schaltung mit der 1N4001 ist für maximal 1A geeignet.

• Die maximale Spannung beträgt 20V oder R₁ muss erhöht werden.

• Mit der Schottky-Diode 1N5817 sind bis zu 1A möglich, aber maximal 20V.

Die Schaltung in Bild 8 schließt einfach die Stromversorgung kurz, wenn sie falsch gepolt ist. Eine Sicherung sollte in jedem Fall eingebaut werden. Sie brennt bei Verpolung durch und schützt das Netzgerät vor Beschädigung. 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 hohe Ströme durch die Diode, die diese beschädigen können. Es treten auch hohe Flussspannungen über 1V auf. Die zu schützenden Schaltung wird damit kurzzeitig mit einer negativen Versorgungsspannung von 1 V beaufschlagt. Eine negative Spannung über 0,6V kann empfindliche ICs bereits schädigen. Durch eine Schottky-Diode kann das verhindert werden.

Die 1N4007 kann zwar mit 1A belastet werden. Eine Schmelzsicherung löst aber erst bei mehr als dem doppelten Nennstrom aus, in unseren Fall erst bei mehr als 1A. Wenn Akkus als Stromquelle dienen, sollte eine superflinke Sicherung verwendet werden.

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

• Die Sicherung F1 kann entfallen, wenn ein elektronisches Netzgerät einen maximalen Strom von 1A gewährleistet.

• Bei Batterien oder Netzgeräten ohne elektronische Sicherung muss die Sicherung bereits weit unterhalb des maximal zulässigen Diodenstroms auslösen.

• Für noch höhere Ströme ist eine sehr leistungsstarke Diode und in den meisten Fällen eine superflinke Sicherung nötig.

• Die maximale Spannung ist 20V oder R₁ und R₂ müssen erhöht werden.