Diode

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Die Bezeichnung Diode wurde ursprünglich für Elektronenröhren mit zwei Elektroden verwendet, später für das Halbleiter-Bauteil mit dem selben elektrischen Verhalten. "Di" wegen zwei und "ode" vermutlich wegen Elektrode, auch wenn bei Wikipedia was anderes steht (Es gibt bei den Elektronenröhren z. B. auch Trioden mit drei oder Pentoden mit fünf Elektroden).

Allgemeine Diode

Eine Diode sperrt den Stromfluss in einer Richtung und erlaubt ihn in der anderen. Als diskretes Bauteil besitzen Halbleiterdioden i.d.R. einen aufgedruckten Ring, der die Kathode kennzeichnet. Liegt an diesem Anschluss eine negativere Spannung als an der Anode, ist die Diode in Durchlassrichtung geschaltet, d.h. sobald die Durchlass-Spannung überschritten wird, setzt der Stromfluss ein. Bei der umgekehrten Polarität sperrt die Diode den Stromfluss. Für eine allgemeine Betrachtung geht man von ca. 0,7V Flußspannung aus, dieser Wert kann je nach Diode und Strom zwischen ca. 0,5V-1,5V liegen.

Beim Betrieb von Dioden sind insbesondere drei wichtige Kenngrößen zu beachten:

  • max. Durchlassstrom in Durchlassrichtung,
  • max. Sperrspannung in Sperrrichtung und
  • größte zulässige Verlustleistung aufgrund des Spannungsabfalls in Durchlassrichtung.

Das Überschreiten der zulässigen Grenzwerte führt zur Überlastung der Diode.

Dioden werden in elektronischen Schaltungen sehr häufig und zu ganz unterschiedlichen Zwecken eingesetzt, z. B.

  • zur Gleichrichtung,
  • als Spannungsreferenz (siehe auch Z-Diode),
  • als elektrisch veränderliche Kapazität (Varaktor), oder
  • zum Schutz gegen falsche Polung und Überspannung (Beispiel: Freilaufdiode).

Dioden mit der letzteren Funktion sind heute auch oft in ICs wie Mikrocontrollern integriert und helfen, die Ein- und Ausgangs-Pins dieser teilweise sehr teuren Bauelemente vor moderater Fehlbehandlung und elektrischen Entladungen (ESD) zu schützen.

Fast alle Dioden werden heutzutage (2023) aus Silizium hergestellt. In den Anfangsjahren der Halbleitertechnik (bis ca. 1970) war es meist Germanium. Dieses wird heute aber nur noch in Sonderanwendungen benutzt, weil Siliziumdioden deutlich bessere Eigenschaften besitzen. LEDs und spezielle HF-Dioden benutzen andere Halbleitermaterialien als verschiedene Legierung von Gallium, Arsen, Indium, Aluminium und Phosphor.

In der Leistungselektronik kommen heute auch Dioden aus SiliziumKarbid (SiC) oder GalliumArsenid (GaN) zum Einsatz.

Eine Sonderform der Dioden sind LEDs, die elektrisch zwar auch Diodenverhalten besitzen, deren eigentlicher Zweck aber die Erzeugung von Licht ist.

Schaltplansymbole der Diodentypen

Schottky-Diode

An Stelle eines PN-Übergangs wird die Sperrwirkung durch einen Metall-Halbleiter Übergang erreicht.

Vorteile

  • Kleinere Flußspannung von ca. 0,3V
  • Kein Reverse Recovery Vorgang beim Umschalten von Leitzustand in Sperrzustand
  • Höhere Schaltgeschwindigkeit

Nachteil

  • Deutlich höhere Leckströme, vor allem bei höheren Temperaturen
  • Nur für kleine Sperrspannungen verfügbar (ca. 200V)

Z-Diode

Dieses auch Zener-Diode genannte Bauteil ist eine spezielle Variante der Halbleiter-Diode, die produktionstechnisch so ausgelegt ist, dass sie nach Überschreiten der Durchbruchspannung unbeschadet einen bestimmten Strom in Sperrrichtung aushalten kann.

Halbleiter haben grundsätzlich die Eigenschaft, ab einer bestimmten Schwellspannung einen Stromfluss zu ermöglichen, was auch bei Z-Dioden der Fall ist. Sie sind damit wie normale Siliziumdioden verwendbar. In Sperrichtung können sie aber nicht so hohe negative Spannungen sperren (→ Durchbruch- oder Sperrspannung), besitzen dafür aber eine besonders scharf definierte Durchbruchspannung, die einen abrupten Stromfluss ermöglicht. Dieser Effekt wird nach dem Entdecker Zener-Effekt genannt und ist bis ca. 5 V dominierend. Danach überwiegt der Lawineneffekt. Beide sind ähnlich. Z-Dioden unterhalb ca. 6,5V haben eine eher weiche Kennlinie, der Knick ist schwächer ausgebildet. Diese Effekte treten auch bei Leuchtdioden und Diodenstrecken in Transistoren auf, sind dort aber nicht der angestrebte Arbeitspunkt, da dies zur Zerstörung der Bauteile führt.

Die Durchbruchspannung – auch Z-Spannung genannt – kann zur Spannungsstabilisierung verwendet werden und ist bei diesem Diodentyp der normale Arbeitspunkt. Als Spannungsreferenz sind Band-Gap-Referenzen einer Z-Diode wegen ihrer Temperatur-Drift von 20mV/K vorzuziehen. Z-Dioden werden neben der Anwendung zur Spannungsstabilisierung auch gerne als Spannungsbegrenzer in einem Pegelwandler eingesetzt. Beispiel: RS232-Pegel => TTL-Pegel (+-15V => 5.6V/-0.6V), das sind zwar die Maximalwerte von typischen Logik-Eingängen, funktioniert aber meist tadellos. Z-Dioden müssen immer mit einer Strombegrenzung betrieben werden, praktisch ist das meist ein Vorwiderstand.

Die Spannung von Z-Dioden unterhalb von 5V ist stark vom Strom abhängig und die Nennspannung wird je nach Typ bei unterschiedlichem Strom spezifiziert, so dass bei verschiedenen 3,3V Typen in gleicher Schaltung recht verschiedene Spannungen auftreten können.

Suppressordiode

Auch TVS-Diode genannt (Transient Voltage Suppressor, TVS). Dabei handelt es sich um spezielle Z-Dioden, welche durch ihre Konstruktion in der Lage sind, sehr hohe Pulsleistungen für kurze Zeit auszuhalten, je nach Typ zwischen 100-5000W. Sie werden als Schutzbauelemente gegen Überspannungen an Stromversorgungsleitungen oder Signalleitungen verwendet. Nachteilig ist die teilweise hohe Kapazität dieser Dioden, welche bei niedrigen Spannungen mehrere Nanofarad betragen kann. Allerdings gibt es mehr und mehr Typen, welche trotz hoher Pulsbelastbarkeit eine sehr geringe Kapazität haben und damit direkt zum Schutz von hochfrequenten Signalleitungen genutzt werden können.

Avalanchediode

Avalanchedioden bzw. avalanchetaugliche sind praktisch wie Z-Dioden. Durch diese Eigenschaft kann man Dioden ohne zusätzliche Symmetrierungsmaßnahmen in Reihe schalten. Dioden mit weniger Sperrstrom werden dabei mit etwas mehr Sperrspannung belastet und zwar so weit, dass der einsetzende Avalanchestrom genau dem Sperrstrom der anderen Dioden entspricht.

Kapazitätsdiode

Diese Diode kann durch Anlegen einer Gleichspannung in Sperrrichtung ihre Sperrschichtkapazität deutlich verändern. Diese Eigenschaft haben alle Dioden. Allerdings ist der Effekt bei den speziellen Kapazitätsdioden größer und genau definiert. Hauptanwendung sind verstimmbare Schwingkreise in analogen Funkgeräten aller Art (Radios, Fernseher, Handfunkgerät etc.)

DIAC

Auch Triggerdiode genannt. Diese Diode ist zunächst hochohmig und sperrt den Stromfluß. Beim Überschreiten der Zündspannung bricht die Flußspannung der Diode auf einen Wert von ca. 10-20V zusammen. Hauptanwendung dieser Diode sind Zündschaltungen für Thyristoren oder TRIACs für Leistungssteller am Wechselspannungsnetz. Ihre Kennlinie ist in beiden Richtungen symmetrisch.

Siehe auch

Weblinks

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