Dioden steuern die Stromrichtung
Die Diode ist ein Bauelement, welches üblicherweise aus einem Halbleitermaterial wie Silizium oder einem Halbleiter-Metall-Übergang besteht. Es funktioniert wie ein Ventil, das für elektrischen Strom in eine Richtung leitend, in Gegenrichtung jedoch isolierend wirkt. Daraus ergeben sich vielfältige Einsatzmöglichkeiten, beispielsweise als Schutz empfindlicher Bauelemente vor Überspannung, zur Gleichrichtung von Wechselstrom in Gleichstrom oder als Konstantstrom- beziehungsweise Konstantspannungsquelle. Darüber hinaus werden auch unterschiedliche Effekte genutzt, die in den verschieden dotierten Halbleiterschichten auftreten, wie der Zener-Effekt oder der Photoeffekt.
Aufbau und wichtige Kenngrößen
Dioden besitzen einen Plus- und einen Minuspol, auch Kathode und Anode genannt. Da die Stromflussrichtung von der Beschaltung dieser beiden Anschlüsse abhängig ist, ist die Diode auf der Kathodenseite gekennzeichnet, entweder durch ein kürzeres Beinchen, einem Ring oder einem Farbpunkt. Je nach Polung der anliegenden Spannung kann die Diode gezielt in Durchlass- oder in Sperrrichtung betrieben werden.
Dioden werden über Strom-Spannungs-Kennlinien charakterisiert. In diesen werden die drei Bereiche dargestellt, in denen die Diode betrieben werden kann: Der Durchlass-, der Sperr- und der Durchbruchbereich. Aus diesem Diagramm lassen außerdem alle wichtigen Größen ablesen. Darunter zählen die Schleusenspannung, die beschreibt, ab welcher Spannung ein nennenswerter Strom in Durchlassrichtung fließt und die Durchbruchspannung (maximal zulässige Sperrspannung), bei deren Überschreitung der Strom in Sperrrichtung stark ansteigt, was üblicherweise mit der Zerstörung der Diode einhergeht. Weitere wichtige Kenngrößen sind der Arbeitspunkt, bei dem beispielsweise eine Leuchtdiode betrieben wird und die Zenerspannung bei Zenerdioden.
Da Dioden einen ohmschen Widerstand besitzen, kann es während des Betriebs zu einer Erwärmung kommen. Dies sollte bei der Planung und Auslegung unbedingt beachtet werden, um eine negative Beeinflussung oder Zerstörung der Schaltung zu vermeiden. Gegebenenfalls muss eine Kühleinrichtung vorgesehen werden, da die Umgebungs- und Betriebstemperatur starken Einfluss auf die Funktion einer Diode hat. Diese Abhängigkeit wird ebenfalls in den Strom-Spannungs-Kennlinien dokumentiert.
Kennzeichnung von Dioden
In Europa werden Dioden nach der Pro-Electron-Norm mit einer Kombination aus zwei bis drei Buchstaben, gefolgt von einer zwei- bis dreistelligen Zahl codiert. Der erste Buchstabe gibt das Material an, beispielsweise B“für Silizium. Die zweite Zahl steht für die Hauptfunktion und die dritte gibt einen Hinweis auf den kommerziellen Einsatz. Die Ziffern stehen für die Registrierungsnummer.
Optional kann diese Kennzeichnung, ähnlich wie bei Widerständen, durch eine Kombination aus Farbringen ersetzt werden.
Diodentypen und ihre typischen Anwendungen
Leuchtdioden
Die
Leuchtdiode (LED = light-emitting diode) ist die aus dem Alltag bekannteste Anwendung. Hier wird der sogenannte Photoeffekt ausgenutzt. Dabei wird in der Halbleiterschicht bei einem Durchgang der Elektronen Licht erzeugt, welches eine ganz spezielle, von der Diode abhängige, Wellenlänge besitzt. Diese kann vom Infrarotbereich über sichtbares Licht bis zur UV-Strahlung reichen. Zum Einsatz kommt diese Diodenart einerseits als Lichtquelle für Anzeigen oder zur Beleuchtung, andererseits als Lichtschranke, wobei üblicherweise Infrarotlicht verwendet wird. Die Vorteile einer Beleuchtung mit LEDs sind der extrem niedrige Stromverbrauch und die lange Lebensdauer.
Photodioden
Photodioden kehren dieses Prinzip um und erzeugen unter Lichteinstrahlung einen Stromfluss. Verwendet wird dieses Prinzip zur optischen Datenübertragung, als Empfänger bei Lichtschranken, oder als Sensoren in Digitalkameras. Wie bei der LED gibt es einen bestimmten Wellenlängenbereich, für den die Diode ausgelegt ist.
Laserdioden
Laserdioden nutzen ebenfalls den Photoeffekt, senden jedoch durch ihre spezielle Bauform Laserstrahlung aus. Der Vorteil liegt in der platzsparenden Bauweise und der kostengünstigen Herstellung im Vergleich zu anderen Lasern. Zum Einsatz kommen sie in Laserpointern, als sogenannte Pumplaser für stärkere Laser oder in Blu-ray-, CD- und DVD-Laufwerken.
Zenerdioden, Avalanchediode
Zenerdioden werden für die Spannungsstabilisierung eingesetzt und üblicherweise in Sperrrichtung betrieben. Im Gegensatz zu anderen Dioden fließt auch ein Strom in Sperrrichtung, abhängig von der Richtung und der Stärke der anliegenden Spannung. Unter Ausnutzung dieses Zener-Effekts halten sie selbst stark schwankende Eingangsspannungen auf einem relativ stabilen Niveau und können damit besonders empfindliche Bauteile mit einer konstanten Spannung versorgen oder in der Mess- und Regelungstechnik für ein konstantes Sollwertsignal sorgen. Auch die Avalanchediode arbeitet nach diesem Prinzip.
Schottky-Dioden
Schottky-Dioden besitzen im Unterschied zu anderen Dioden einen Metall-Halbleiter-Übergang. Dadurch verhalten sie sich unter bestimmten Bedingungen wie ohmsche Widerstände und zeichnen sich durch eine geringe Durchlassspannung, hohe Strombelastbarkeit und schnelles Schalten aus. Dies führt dazu, dass sie vor allem in der Leistungselektronik zum Abbau von Spannungsspitzen (Freilaufdiode), in Gleichrichterschaltungen und in der Mikrowellentechnik eingesetzt werden.
Tunneldioden
Tunneldioden, auch Esaki-Dioden genannt, werden im Hochfrequenzbereich verwendet. Sie besitzen keine Sperrwirkung und haben eine charakteristische Strom-Spannung-Kennlinie mit dem sogenannten Tunnelbereich. Sie können als extrem schnelle Schalter bis in den Gigahertzbereich verwendet werden und finden so Verwendung in Oszillatoren und Verstärkerstufen.
Weitere wichtige Typen sind die Ceradioden, die aus Keramik bestehen und auch in höheren Temperaturbereichen eine sehr gute Spannungsfestigkeit besitzen, sowie die PIN-Dioden, die als Gleichrichter- oder Freilaufdiode in der Leistungselektronik eingesetzt werden.
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