A1 Schaltungen mit Dioden

Thema

Die Diode ist das einfachste Halbleiterbauelement: Sie lässt Strom in eine Richtung ungehindert fließen und blockiert ihn in der entgegengesetzten Richtung praktisch, bis eine Durchbruchspannung erreicht ist. Derselbe Übergang zwischen zwei Bereichen unterschiedlicher Dotierung, der bereits im Halbleiterphysikmodell beschrieben wurde, erzeugt eine Strom-Spannungs-Kennlinie, die nicht wie die eines Widerstands linear, sondern exponentiell verläuft: Unterhalb einer Durchlassspannung in der Größenordnung von wenigen Zehntel Volt in Silizium leitet sie kaum, oberhalb dieser Schwelle steigt der Strom sehr schnell an.

Diese Eigenschaft macht die Diode zum zentralen Bauteil jedes Gleichrichters, der Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umwandelt: Ein Vollweggleichrichter erzeugt ein pulsierendes Signal, das sich mit der doppelten Frequenz des ursprünglichen Netzstroms wiederholt. Dieses Signal wird durch einen Kondensator geglättet – hier kommt die bereits im Modell der reaktiven Bauelemente beschriebene Speicherkapazität wieder ins Spiel –, dessen Größe die Restwelligkeit am Ausgang bestimmt: Je größer der Kondensator, desto geringer die Restwelligkeit.

Die Zenerdiode ist ein Spezialfall, der für einen stabilen Betrieb im Sperrbereich ausgelegt ist und innerhalb eines bestimmten Strombereichs eine nahezu konstante Spannung an ihren Anschlüssen aufrechterhält: Sie ist der einfachste Spannungsregler. LEDs sind Dioden, die Rekombinationsenergie nicht als Wärme, sondern als Licht abgeben; die Farbe dieses Lichts hängt direkt von der Bandlücke des Materials ab, die durch das Halbleiterphysikmodell bestimmt wird. Schottky-Dioden mit einem geringeren Spannungsabfall in Durchlassrichtung und einer deutlich schnelleren Ansprechzeit als herkömmliche Dioden werden typischerweise in Verpolungsschutzschaltungen oder zum Schutz vor Spannungsspitzen eingesetzt.

Dieses Modul, das mit einem Übergang beginnt, der Strom nur in eine Richtung durchlässt, zeigt abschließend, dass diese grundlegende Asymmetrie – leitend in der einen, sperrend in der anderen Richtung – je nach Implementierung die Grundlage für vier so unterschiedliche Bauelemente wie Gleichrichter, Regler, Lichtquelle und Verpolungsschutz bildet.

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