Ideale Diode

Hier wird ein MOSFET verwendet. Er ist empfindlich gegen elektrostatische Entladung.

Bitte Vorsicht elektrostatische Entladung beachten.

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:

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
Schottkydiode	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 Siliziumdiode eine Flussspannung von 0,6V und für eine Schottkydiode von 0,3V angenommen werden. Eine Siliziumdiode hat auch bei sehr kleinen Strömen (unter 1µA) eine Flussspannung um 0,6V. Bei einer Schottkydiode 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 zusätzlich durch Kühlmaßnahmen abgeführt werden müssen.

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

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

Bild 1: Verpolungsschutz mit zwei LEDs und P-MOSFET

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 Siliziumdiode.

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.

Bild 2: Eine Spannung am Ausgang des Verpolungsschutz

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.

Für Fortgeschrittene

Am Ausgang des Verpolungsschutzes in Bild 2 können sich Kondensatoren befinden, die noch eine Restspannung haben und den MOSFET einschalten.

Wenn sich am Ausgang in Bild 2 ein Akku befindet, ist die Situation noch problematischer, da der Akku Strom in die Ladeschaltung am Eingang liefern kann.

Verbesserung der Idealen Diode

Dieser Teil des Praktikums ist nur für Fortgeschrittene gedacht.

Für Einsteiger sind die Regeln am Schluss interessant.

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

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.

Bild 4: Widlar-Stromspiegel mit PNP-Transistoren

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.

I_out = I_in *  exp( -U_m / U_t )
I_out = I_in *  exp( -U_m / 26mV )

Gleichungen (2)

Bild 5: Ströme im Stromspiegel mit Eingangsspannung

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 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.

Fazit

Die Ideale Diode sperrt bei negativer Spannung.

In Durchlassrichtung fällt an ihr eine Spannung von etwa 50mV ab. Diese Spannung kann wegen des Einschaltwiderstands R_dson des MOSFET höher sein.

Maximale Sperrspannung

Die maximale Sperrspannung der Idealen Diode ist begrenzt. Sie hängt von der maximal zulässigen Sperrspannung des Transistors Q2 ab.

Wenn wir eine Ausgangsspannung haben, aber die Eingangsspannung 0V oder sogar negativ ist, wird die Basis-Emitter-Strecke von Q2 in Sperrrichtung betrieben. Die maximal zulässige Sperrspannung moderner Transistoren beträgt U_beo=-5V. Wird diese Spannung überschritten, wird die Basis-Emitter-Strecke von Q2 leitend. Es fließt ein Strom von U+out über den Emitter zur Basis von Q3, über die Basis zum Emitter von Q2 und über die Eingangs-Stromquelle nach U-. Der Strom wird nur durch die Ausgangs-Stromquelle und die Eingangs-Stromquelle begrenzt. Der Transistor Q2 wird dabei mit ziemlicher Sicherheit zerstört.

Hätten wir jedoch Transistoren mit höherer U_beo, dann hätte damit unsere Ideale Diode eine höhere Sperrspannung. Der alte MPS400A mit U_beo=-25V ist geeignet, aber schwer zu bekommen. Der CMPT404A im SOT-Gehäuse ist ein verfügbarer Ersatz.

Mit Standardtransistoren können wir unseren Stromspiegel nur für Spannungen bis 5V verwenden.

Wenn wir den MOSFET IRLML6402 verwenden, können wir unseren Stromspiegel nur bis 12V verwenden, auch wenn wir spezielle Transistoren einsetzen.

Nicht identische Transistoren

Selbst bei Verwendung von Doppeltransistoren, wie z.B. BCV62 kann nicht davon ausgegangen werden, dass die Transistoren völlig identisch sind. Die Basis-Emitter-Spannung der Transistoren kann ohne Weiteres um 10 mV voneinander abweichen.

Wenn die Basis-Emitter-Spannungen der Transistoren stark voneinander abweichen,

kann der MOSFET schon bei einer negativen Messspannung von wenigen mV leitend werden.

Das ist sehr unangenehm, da die Ideale Diode dann bei kleinen Sperrspannungen bis zu 50mV in Sperrrichtung leitet.

Regeln

Diode mit parallelem MOSFET (Bild 1)

Ein MOSFET kann unter bestimmten Umständen die Durchlassspannung einer Diode wesentlich verringern.

Er kann als einfacher Verpolungsschutz eingesetzt werden.

Er darf nicht als Gleichrichter mit einem Kondensator am Ausgang verwendet werden.

Er darf nicht als Gleichrichter zum Laden von Akkumulatoren verwendet werden.

Er darf nicht zur Entkopplung beim Laden von Akkumulatoren aus zwei Spannungsquellen verwendet werden.

Ideale Diode mit Stromspiegel (Bild 3)

Sie hat eine niedrige Durchlassspannung von etwa 50mV.

Sie kann zur Entkopplung von zwei Spannungsquellen verwendet werden.

Die Transistoren müssen gepaart sein. Wenn die Basis-Emitter-Spannungen der beiden Transistoren voneinander abweichen, kann es vorkommen, dass

die Durchlassspannung der Idealen Diode höher ist und

die Ideale Diode bei geringen Spannungen in Sperrrichtung leitet.

Sie kann nur bei Spannungen bis 5V und nur mit Spezialtransistoren bis zu 12V verwendet werden.

Für Spannungen über 6V ist eine kräftige Schottkydiode besser geeignet.