Kennlinien
Ein Praktiker muss mit den Kennlinien von Bauelementen umgehen können.
Für dieses Praktikum ist es hilfreich, Dioden zu kennen, wie sie in Dioden vorgestellt werden.
Kennlinien sind die grafische Darstellung einer Eigenschaft eines Bauelements. Manchmal werden sie auch als Kurve bezeichnet.
Kennlinie einer Diode
Wir wissen, dass Dioden eine Flussspannung haben. Für eine 1N4001 haben wir z.B. eine Flussspannung von 1 V angenommen.
Wenn wir jedoch genauer messen, stellen wir fest, dass dieser Wert oft nicht stimmt. Insbesondere hängt die Flussspannung vom Strom durch die Diode ab.
Die Kennlinie in Bild 1 zeigt, bei welcher Flussspannung welcher Strom fließt. Oder wie hoch die Flussspannung bei welchem Strom ist.
Auf der waagerechten Achse ist die Flussspannung eingetragen. Auf der vertikalen Achse der Strom.
Zur Auswertung der Kennlinie genügt es, zwei Linien einzutragen:
Meistens wollen wir wissen, wie hoch die Flussspannung der 1N4001 bei einem bestimmten Strom, z.B. 1A, ist. Wie in Bild 2 tragen wir bei 1,0A eine waagerechte Linie ein. Dort, wo diese die Kennlinie kreuzt, ziehen wir eine vertikale Linie nach unten. Dort können wir ablesen, wie hoch die Flussspannung ist: 0,95V. Dieser Wert ist geschätzt, weil die Zahlen auf der waagerechten Achse nur ungenau sind.
Komplexe Kennlinien
In Bild 3 zeigt drei Kennlinien der Diode 1N4148. Die Hilfslinien erleichtern uns, die Flussspannung für einen bestimmten Strom abzulesen.
Die Kennlinie (2) ist die typische Kennlinie einer 1N4148. Aufgrund von Exemplarstreuungen kann die Kennlinie aber auch (3) entsprechen. Wenn die 1N4148 heiß ist (175°C), gilt die Kennlinie (1).
Wir lesen ab:
- Bei 200mA beträgt die Flussspannung normalerweise 1,02V (2).
- Es kann aber auch vorkommen, dass sie bei 200mA 1,43V beträgt (3).
- Wenn die 1N4148 175°C heiß ist, beträgt die Flussspannung 0,95V (1).
Die zweite Stelle nach dem Komma ist geschätzt.
Die wichtigste Aussage ist, dass die Flussspannung einer 1N4148 nur sehr ungenau angegeben werden kann.
Aus diesem Grund nehmen wir für die Flussspannung einer 1N4148 einfach 1V an.
Die Darstellung in Bild 3, erlaubt es nicht, die Flussspannung für kleine Ströme um 1mA zu bestimmen. Wir können nur grob abschätzen, dass sie etwa 0,6V beträgt.
In Bild 4 ist der Strom nicht in gleichmäßig (linear), sondern gespreizt (logarithmisch) dargestellt. Damit können wir auch die Flussspannung bei 1mA ablesen, nämlich 0,6V. Bei 200mA können wir der Kennlinie entnehmen, dass eine Flussspannung von 0,9V abfällt.
Kennlinien von LED
Häufig werden auch die Kennlinien verschiedener Bauelemente gemeinsam dargestellt.
Kennlinie von Widerständen
Betrachten wir die Kennlinien von Widerständen:
Widerstands-Kennlinien sind langweilig. Es sind Geraden, die beim Strom 0 immer die Spannung 0 haben.
In Bild 5 zeigt die Kennlinien von drei Widerständen. Die rote Kennlinie gehört zu einem Widerstand, der kleiner als ist der blaue oder grüne ist.
- Die Kennlinie eines kleinen Widerstands verläuft steil und
- die eines großen Widerstands flach.
Kennlinie eines Widerstands zeichnen
- Wir legen die Spannung und den Strom fest, die uns interessieren.
Meistens haben wir eine maximale Spannung Umax und einen Widerstand R. Dann ist der maximale Strom Imax = Umax / R.
- Wir berechnen den Strom I durch den Widerstand R bei einer Spannung U mit I = U / R
Am besten nehmen wir die maximale Spannung Umax und den schon bekannten Strom Imax.
- Wir tragen einen Punkt an der Stelle U und I ein (bzw. Umax und Imax).
- Wir ziehen eine Gerade von diesem Punkt durch den Nullpunkt (0V und 0A).
Bild 6 zeigt die Kennlinie der gleichen Widerstände. Die horizontale und vertikale Achse wurde allerdings vertauscht.
Bei Widerstands-Kennlinien mit vertauschten Achsen
- verläuft die Kennlinie eines kleinen Widerstands flach und
- die eines großen steil.
Kennlinien mit negativen Werten
Negative Spannungen an Widerständen treten auf, wenn die Polarität der Spannung am Widerstand vertauscht wird, d.h. wenn die Anschlüsse des Widerstands vertauscht werden.
Wie wir wissen, hat dies keine besonderen Auswirkungen auf den Widerstand. Die Spannung liegt in entgegengesetzter Richtung an und der Strom fließt in die andere Richtung. Also negativ. Genau das zeigt die Kennlinie in Bild 7.
Die negative Spannung liegt links,
Der negative Strom unten.
Ein Widerstand wird immer noch durch eine Gerade beschrieben.
Bei negativer Spannung fließt ein negativer Strom:
Die Kurve verläuft links unten.
Kennlinie einer Diode mit negativen Werten
Eine Diode sperrt beim Vertauschen der Polarität. Bei negativer Spannung fließt kein Strom. Das zeigt Bild 8.
Regeln
Eine Kennlinie stellt eine Eigenschaft eines Bauelements grafisch dar.
Eine Kennlinie wird in einem Feld mit
- einem Wert auf einer waagerechten Achse und
- einem anderen auf der vertikalen Achse dargestellt.
- Die Werte der Achsen werden auf den Achsen aufgetragen.
- Die Kennlinie ist die Kurve in dem Feld.
- Es können auch mehrere Kennlinien in einem Bild dargestellt werden.
- Bild 1, Bild 3 und Bild 5
Es gibt Kennlinien mit negativen Bereichen.
- Der negative Bereich der waagerechten Achse liegt links,
- der negative Bereich der vertikalen Achse unten.
- Bild 7 und Bild 8
Kennlinien werden von den Herstellern der Bauelemente in verschiedenen Darstellungen bereitgestellt.
- Die waagerechte und vertikale Achsen können vertauscht sein.
- Die Achsen können lineare oder logarithmische Skalen haben.
- Auch negative Bereiche können dargestellt werden.
Kennlinien können verwendet werden, um das Verhalten einer Schaltung zu bestimmen. Wir werden uns damit im Praktikum Arbeiten mit Kennlinien beschäftigen.