DARC-Online-Lehrgang Technik Klasse A Kapitel 5: Die Diode und ihre Anwendungen

Kapitel 5: Die Diode und ihre Anwendungen

Sehr ausführlich wurden die Grundlagen von Halbleitern selbst, von der Diode und dem Transistor bereits in den Kapiteln E12 und E13 im Lehrgang zur Klasse E besprochen. Deshalb erfolgen hier häufig nur Zusammenfassungen und Hinweise zu den Prüfungsaufgaben.

Die Halbleiter-Diode

Es soll hier im Folgenden der Versuch gemacht werden, nur kurz das Wichtigste über Halbleiter, über die Diode, über den Transistor und den Feldeffekt-Transistor immer im Hinblick auf die Prüfungsfragen zusammenzufassen. Wer darüber hinaus mehr wissen möchte, sollte noch einmal im Amateurfunklehrgang für die Klasse E die Lektionen 12 und 13 nachlesen.

Der PN-übergang

Zeichnung: Eckart .Moltrecht — Bild 5-1: In Sperrrichtung geschalteter PN-übergang

Man unterscheidet in der Elektronik Leiter, Nichtleiter und Halbleiter. Halbleiter sind solche Werkstoffe, die für die Herstellung elektronischer Bauelemente verwendet werden. Sie bestehen im Wesentlichen aus vierwertigen Grundstoffen (meist Silizium) mit einer Dotierung durch fünfwertige (N-Leiter) oder dreiwertige Zusatzstoffe (P-Leiter).

Je nach Menge dieser Zusatzstoffe haben diese neuen Werkstoffe erstens die Eigenschaft, bei sehr niedrigen Temperaturen fast nicht zu leiten. Mit zunehmender Temperatur wird die Leitfähigkeit größer. Zweitens – und das ist das Interessante – ergeben sich ganz neue Eigenschaften, wenn man diese beiden unterschiedlich dotierten Halbleiterwerkstoffe miteinander kombiniert.

Die Kombination mit zwei Schichten führt zum PN-übergang (Bild 5-1) und stellt als Anwendung die Diode (Bild 5-2) dar. Die Diode leitet den Strom, wenn die P-Seite an den Pluspol und die N-Seite in Richtung Minuspol in einen Stromkreis eingefügt wird (Bild 5-3).

Eine Diode leitet, wenn die Spitze des Diodenschaltsymbols in Stromrichtung zeigt. In umgekehrter Richtung fließt praktisch kein Strom. Die Diode hat einen fast unendlich hohen Widerstand.

Prüfungsfrage

TB106 Was versteht man unter Halbleitermaterialien?
	Einige Stoffe (z.B. Silizium, Germanium) sind in reinem Zustand bei Zimmertemperatur gute Leiter. Durch geringfügige Zusätze von geeigneten anderen Stoffen oder bei hohen Temperaturen nimmt jedoch ihre Leitfähigkeit ab.
	Einige Stoffe (z.B. Silizium, Germanium) sind in reinem Zustand bei Zimmertemperatur gute Isolatoren. Durch geringfügige Zusätze von geeigneten anderen Stoffen oder bei hohen Temperaturen werden sie jedoch zu Leitern.
	Einige Stoffe wie z.B. Indium oder Magnesium sind in reinem Zustand gute Isolatoren. Durch geringfügige Zusätze von Silizium, Germanium oder geeigneten anderen Stoffen werden sie jedoch zu Leitern.
	Einige Stoffe (z.B. Silizium, Germanium) sind in trockenem Zustand gute Elektrolyten. Durch geringfügige Zusätze von Wismut oder Tellur kann man daraus entweder N-leitendes- oder P-leitendes Material für Anoden bzw. Katoden von Halbleiterbauelementen herstellen.

Prüfungsfrage

TB107 P-leitendes Halbleitermaterial ist gekennzeichnet durch
	das Fehlen von Dotierungsatomen.
	bewegliche Elektronenlücken.
	das Fehlen von Atomen im Gitter des Halbleiterkristalls.
	Überschuss an freien Elektronen.

Prüfungsfrage

TB109 N-leitendes Halbleitermaterial ist gekennzeichnet durch
	das Vorhandensein frei beweglicher Elektronen.
	das Fehlen von Dotierungsatomen.
	das Fehlen von Atomen im Gitter des Halbleiterkristalls.
	das Vorhandensein beweglicher Elektronenlücken.

Prüfungsfrage

TB108 Was versteht man unter Dotierung zu P-leitendem Halbleitermaterial bei Halbleiterwerkstoffen?
	Zugabe von fünfwertigen Stoffen zum vierwertigen Halbleitergrundstoff
	Zugabe von dreiwertigen Stoffen zum vierwertigen Halbleitergrundstoff
	Zugabe von Germaniumatomen zum Siliziumgrundwerkstoff
	Zugabe von Siliziumatomen zum Germaniumgrundwerkstoff

Prüfungsfrage

TB110 Was versteht man unter Dotierung zu N-leitendem Halbleitermaterial bei Halbleiterwerkstoffen?
	Zugabe von dreiwertigen Stoffen zum vierwertigen Halbleitergrundstoff
	Zugabe von fünfwertigen Stoffen zum vierwertigen Halbleitergrundstoff
	Zugabe von Germaniumatomen zum Siliziumgrundwerkstoff
	Zugabe von Siliziumatomen zum Germaniumgrundwerkstoff

Zusammenfassung aus Klasse E: Wird ein Halbleiterstoff von der einen Seite P-dotiert und von der anderen Seite N-dotiert, werden in der Mitte (übergangszone) die überschüssigen Elektronen mit den Löchern rekombinieren und dadurch als bewegliche Ladungsträger verschwinden. Es bildet sich eine Zone mit unbeweglichen Ladungsträgern, die so genannte Sperrschicht.

Prüfungsfrage

TB111 Das folgende Bild zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Halbleiterdiode. Wie entsteht die Sperrschicht?

	An der Grenzschicht wandern Elektronen aus dem P-Teil in den N-Teil. Dadurch wird auf der P-Seite der Elektronenüberschuss teilweise abgebaut, auf der N-Seite der Elektronenmangel teilweise neutralisiert. Es bildet sich auf beiden Seiten der Grenzfläche eine isolierende Schicht.
	An der Grenzschicht wandern Elektronen aus dem N-Teil in den P-Teil. Dadurch wird auf der N-Seite der Elektronenüberschuss teilweise abgebaut, auf der P-Seite der Elektronenmangel teilweise neutralisiert. Es bildet sich auf beiden Seiten der Grenzfläche eine isolierende Schicht.
	An der Grenzschicht wandern Atome aus der Grenzschicht in den N- und P-Teil. Dadurch wird auf beiden Seiten der Atommangel abgebaut. Es bildet sich auf der P-Seite eine leitende Schicht.
	An der Grenzschicht wandern Atome aus dem N-Teil in den P-Teil. Dadurch wird auf der N-Seite der Atommangel abgebaut, auf der P-Seite der Atommangel vergrößert. Es bildet sich auf der N-Seite eine leitende Schicht.

Zusammenfassung aus Klasse E: Legt man an die P-Schicht den negativen Pol und an die N-Schicht den positiven Pol einer Spannungsquelle, werden die Ladungsträger nach außen gezogen, denn entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an. Dadurch verbreitert sich die Sperrschicht.

Prüfungsfrage

TB112 In einer Halbleiterdiode erweitert sich die Verarmungszone

	wenn man an die Katode (P-Gebiet) eine positive und an die Anode (N-Gebiet) eine negative Spannung anlegt.
	wenn man an die Katode (N-Gebiet) eine positive und an die Anode (P-Gebiet) eine negative Spannung anlegt.
	wenn man an die Katode (P-Gebiet) eine negative und an die Anode (N-Gebiet) eine positive Spannung anlegt.
	wenn man an die Katode (N-Gebiet) eine negative und an die Anode (P-Gebiet) eine positive Spannung anlegt.

Siehe Text oberhalb!

Potenziale

Prüfungsfrage

TC506 Bei welcher Bedingung wird eine Siliziumiode leitend?
	An der Anode liegen 5,0 Volt, an der Katode 5,1 Volt an.
	An der Anode liegen 5,7 Volt, an der Katode 5,0 Volt an.
	An der Anode liegen 5,7 Volt, an der Katode 6,4 Volt an.
	An der Anode liegen 5,0 Volt, an der Katode 5,7 Volt an.

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Bei welcher Diode ist an der Anode die Spannung um 0,7 V positiver?

Prüfungsfrage

TC508 Die Auswahlantworten enthalten Siliziumdioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
	0,6 V 1,3 V
	-1,4 V -0,7 V
	5,0 V 4,3 V
	3,4 V 3,4 V

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Bei dieser Aufgabe und auch bei der nächsten zu bearbeitenden Aufgabe TC507 müssen Sie sich zuerst die Richtung der Diode betrachten und dann schauen, dass in Flussrichtung an der Anode eine um 0,6 bis 0,8 Volt positivere Spannung anliegt.

Prüfungsfrage

TC507 Die Auswahlantworten enthalten Silizium-Dioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
	1,6 V 0,9 V
	-3,7 V -3,0 V
	3,3 V 4,0 V
	-0,4 V 0,3 V

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Bei welcher Diode ist an der Anode die Spannung um 0,7 V positiver?

Prüfungsfrage

TC509 Die Auswahlantworten enthalten Silizium-Dioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
	-0,6 V -1,3 V
	-1,3 V -2,0 V
	4,3 V 5,0 V
	4,1 V 3,4 V

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

-1,3 V ist um 0,7 V positiver als -2,0 V

Prüfungsfrage

TC510 Die Auswahlantworten enthalten Silizium-Dioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
	5,4 V 4,7 V
	-3,0 V -3,7 V
	15 V 18 V
	3,9 V 3,2 V

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

-3,0 V ist um 0,7 V positiver als -3,7 V

Kennlinien

Das Verhalten einer Diode stellt man in Form von Kennlinien dar. Diese Kennlinien zeigen die Abhängigkeit des Stromes von der Spannung. In Bild 5-4 sind die typischen Kennlinien einer Germaniumdiode (1) und einer Siliziumdiode (2) dargestellt.

Diese Kennlinien kann man folgendermaßen interpretieren. Legt man nach Schaltung 5-3 eine Spannung in Durchlassrichtung an, so wird bei einer sehr niedrigen Spannung zunächst kein Strom fließen. Erhöht man die Spannung langsam, wird bei einer Germaniumdiode ab zirka 0,2 Volt der Strom anfangen zu fließen, bei der Siliziumdiode beginnt der Stromfluss erst bei zirka 0,65 Volt. Die Kennlinie der Siliziumdiode ist steiler.

Die Spannung, bei der dieser Stromfluss (I_F) in Flussrichtung (U_F) beginnt, heißt Schwellspannung. Die Spannung, die bei einem bestimmten Strom an der Diode anliegt (Arbeitspunkt), heißt Durchlassspannung. Sie beträgt bei Siliziumdioden zirka 0,7 Volt, bei Germaniumdioden zirka 0,3 Volt. Die Durchlassspannung ist temperaturabhängig. Bei steigender Temperatur wird diese Durchlassspannung geringer. Erwärmt sich nämlich die Verarmungszone im Halbleiter, werden dort zusätzliche Elektronen frei. Die Schwellspannung sinkt dadurch. Man sagt, der Halbleiter hat einen negativen Temperaturkoeffizienten.

Prüfungsfrage

TC504 Welche typischen Schwellspannungen haben Germanium- und Siliziumdioden? Sie liegen
	bei Germanium zwischen 0,5 und 0,8 Volt, bei Silizium zwischen 0,2 und 0,4 Volt.
	bei Germanium zwischen 0,2 und 0,4 Volt, bei Silizium zwischen 0,5 und 0,8 Volt.
	bei Germanium bei etwa 0,7 Volt, bei Silizium bei etwa 0,3 Volt.
	bei allen Dioden bei etwa 0,7 Volt.

Prüfungsfrage

TC512 Welche der folgenden Kennlinien ist typisch für eine Germaniumdiode?

	Kennlinie 1
	Kennlinie 2
	Kennlinie 3
	Kennlinie 4

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Die Schleusenspannung bei Germanium beträgt zirka 0,3 V.

Prüfungsfrage

TC505 Wie ändert sich die Durchlassspannung einer Diode mit der Temperatur?
	Die Spannung hängt allein vom Durchlassstrom ab.
	Die Spannung sinkt bei steigender Temperatur.
	Die Spannung hängt nur vom Trägermaterial ab (Germanium/Silizium).
	Die Spannung steigt bei wachsender Temperatur.

Die Schottky-Diode

Eine für Hochfrequenz und damit für den Amateurfunk sehr gut geeignete Diode ist die Schottky-Diode. Sie ist anders aufgebaut als die normale Germanium- oder Siliziumdiode. Sie besteht nämlich aus einer Metallschicht und einer N-leitenden Siliziumschicht.

Die Elektronen aus der N-Schicht wandern zur Metallschicht. Dadurch verarmt die N-Schicht an Elektronen und die positiven Löcher bleiben in der Überzahl. Dadurch wird die N-dotierte Siliziumschicht zum P-Leiter. Weil Elektronen leichter aus N-Silizium in die Metallschicht gelangen als umgekehrt, entsteht in der Silizium-Schicht ein an Elektronen verarmter Bereich, die so genannte Schottky-Sperrschicht. In dieser Raumladungszone (Sperrschicht) entsteht ein elektrisches Feld. Ab einem bestimmten Zustand ist das elektrische Feld so groß, dass keine Elektronen mehr wandern.

Schließt man den Pluspol einer Spannungsquelle an N-Silizium und den Minuspol an die Metallschicht, wird die Raumladungszone größer. Die Diode sperrt.

Schaltet man die Schottky-Diode in Durchlassrichtung, wird die Raumladungszone freigeräumt. Die Elektronen fließen von der N-Schicht in die Metallschicht.

Dieses Schalten vom Durchlasszustand in den Sperrzustand bzw. umgekehrt erfolgt sehr schnell. Die Schottky-Diode ist bis zu Frequenzen von 50 GHz einsetzbar. Ein weiterer Vorteil ist die sehr geringe Duchlassspannung von zirka 0,25 Volt. Sie eignet sich deshalb als Hochfrequenz-Schaltdiode.

Prüfungsfrage

TC511 In welcher Zeile sind die Diodentypen der entsprechenden Kennlinie richtig zugeordnet?

	1: Schottkydiode, 2: Germaniumdiode, 3: Siliziumdiode
	1: Schottkydiode, 2: Siliziumdiode, 3: Germaniumdiode
	1: Germaniumdiode, 2: Schottkydiode, 3: Siliziumdiode
	1: Siliziumdiode, 3: Germaniumdiode, 3: Schottkydiode

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Man erkennt die Kennlinie der Schottkydiode an der niedrigen Flussspannung von nur 0,25 V und dem steilen Anstieg.

Prüfungsfrage

TC513 In welcher Zeile sind die Diodentypen der entsprechenden Kennlinie richtig zugeordnet?

	Kennlinie 1: Siliziumdiode Kennlinie 2: Germaniumdiode Kennlinie 3: Schottkydiode Kennlinie 4: Leuchtdiode
	Kennlinie 1: Schottkydiode Kennlinie 2: Germaniumdiode Kennlinie 3: Siliziumdiode Kennlinie 4: Leuchtdiode
	Kennlinie 1: Schottkydiode Kennlinie 2: Siliziumdiode Kennlinie 3: Germaniumdiode Kennlinie 4: Leuchtdiode
	Kennlinie 1: Germaniumdiode Kennlinie 2: Leuchtdiode Kennlinie 3: Siliziumdiode Kennlinie 4: Schottkydiode

Kommentar: Diese 4 Kennlinien sollten Sie sich gut merken. Es sind typische Werte.

Prüfungsfrage

TC522 Welches sind die Haupteigenschaften einer Schottkydiode?
	Sehr niedrige Durchlassspannung und sehr niedrige Schaltfrequenz.
	Sehr niedrige Durchlassspannung und sehr hohe Schaltfrequenz.
	Sehr hohe Durchlassspannung und sehr hohe Schaltfrequenz.
	Sehr hohe Durchlassspannung und sehr niedrige Schaltfrequenz.

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Gute Werte sind hohe Frequenz und wenig Spannung.

Die Kapazitätsdiode

Solange bei einer Diode die Schwellspannung nicht überschritten wird, besteht zwischen dem N-leitenden und dem P-leitenden Material eine Sperrschicht. Diese Sperrschicht kann man als Dielektrikum (Isolierschicht) eines Kondensators auffassen; die leitfähigen Gebiete bilden die Elektroden eines Kondensators.

Diese so genannte Sperrschichtkapazität jeden PN-übergangs ist abhängig von der angelegten Spannung. Kennen Sie noch die Formel zur Berechnung der Kapazität aus den geometrischen Abmessungen eines Kondensators (siehe Formelsammlung!)?

\[ \boxed{ C = \frac{\varepsilon_0 \cdot \varepsilon_r \cdot A}{l} } \]

Für die Kapazität eines PN-übergangs ist A die Querschnittsfläche der Sperrschicht und \( {l} \) die Sperrschichtdicke. Vergrößert man die Sperrspannung an einer Diode, wird die Sperrschicht größer. Wenn \( {l} \) aber größer wird, verringert sich nach oben stehender Formel die Kapazität C. Die Sperrschichtkapazität ist umgekehrt proportional zu der angelegten Sperrspannung.

Eine Kapazitätsdiode (auch Kapazitätsvariationsdiode, Varicap oder Varaktor genannt) ist also ein in Sperrrichtung betriebener PN-Übergang, dessen Kapazität durch eine Gleichspannung veränderbar ist. Das Schaltsymbol (Bild 5-7) ist das Symbol einer Diode mit einem daneben gezeichneten Kondensator.

Prüfungsfrage

TC521 Wie verhält sich die Kapazität einer Kapazitätsdiode (Varicap)?
	Sie erhöht sich mit zunehmender Durchlassspannung.
	Sie nimmt mit zunehmender Sperrspannung zu.
	Sie erhöht sich mit zunehmendem Durchlassstrom.
	Sie nimmt mit abnehmender Sperrspannung zu.

Kommentar: Siehe Kennlinie Bild 5-7!

Prüfungsfrage

TC503 Eine in Sperrrichtung betriebene Diode hat
	eine hohe Kapazität.
	einen hohen Widerstand.
	eine geringe Impedanz.
	eine hohe Induktivität.

Kapazitätsdioden werden im Amateurfunk zur Schwingkreisabstimmung in Empfängern und Sendern und zur Frequenzmodulation von FM-Sendern eingesetzt (Bild 5-8).

Die mit dem Potentiometer P eingestellte Gleichspannung bestimmt die Kapazität C_D der Diode und damit die Frequenz. Je höher die Sperrspannung ist, desto kleiner ist die Kapazität und desto höher ist die Frequenz. Der Widerstand R soll verhindern, dass die HF-Spannung durch das Potentiometer teilweise kurzgeschlossen wird. Ein Wert für R von etwa 100 kΩ ist üblich.

Prüfungsfrage

TC520 Wie verändert sich die Frequenz des Schwingkreises der Schaltung mit Kapazitätsdiode, wenn das Potentiometer P mehr in Richtung X gedreht wird?

	Die Frequenz des Schwingkreises steigt.
	Die Frequenz des Schwingkreises sinkt.
	Die Frequenz des Schwingkreises ändert sich nicht.
	Die Diode sperrt und der Schwingkreis wird unterbrochen.

Die Z-Diode

Jede Diode verträgt in Sperrrichtung nur eine von der Bauart abhängige Maximalspannung, bis auch Strom in umgekehrter Richtung fließt. Diese Sperrspannungen liegen meistens bei über 1000 V. Oberhalb dieser maximalen Sperrspannung ist die Diode gefährdet. Sie "bricht durch" und verursacht dann meistens einen Kurzschluss, weil die Sperrschicht komplett mit Elektronen überschwemmt wird.

Spezielle Dioden werden so hergestellt, dass der Durchbruch bereits bei sehr geringen Spannungen zwischen 3 und 100 V erfolgt. Weil beim Durchbruch der Strom stark ansteigt aber die Spannung über der Diode konstant bleibt, kann man diesen Effekt nutzen, um damit Spannungen zu stabilisieren. Man nennt diese Dioden Z-Dioden oder auch Zenerdioden. Damit der Strom nicht zu groß wird, muss man einen Strombegrenzungswiderstand in Reihe schalten.

Merken Sie sich bitte: Eine Z-Diode wird im Durchbruchsbereich (elektronisch Sperrrichtung) mit Vorwiderstand betrieben.

Die Berechnung dieses Vorwiderstandes soll im Folgenden anhand von Prüfungsfragen gezeigt werden.
Dabei unterscheidet man zwei Fälle: Z-Diode unbelastet (A) und belastet (B).

Prüfungsfrage

TC514 In welcher der folgenden Schaltungen ist die Z-Diode zur Spannungsstabilisierung richtig eingesetzt?


	x

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Da die Z-Diode im Durchbruchsbereich betrieben wird, muss die "Pfeilrichtung" der Diode von Minus nach Plus sein.

Prüfungsfrage

TC515 In welcher der folgenden Schaltungen ist die Z-Diode zur Spannungsstabilisierung richtig eingesetzt?

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Da die Z-Diode im Durchbruchsbereich betrieben wird, muss die "Pfeilrichtung" der Diode von Minus nach Plus sein.

Prüfungsfrage

TD308 Für welchen Zweck werden Z-Dioden primär eingesetzt?
	Zur Signalbegrenzung
	Zur Gleichrichtung in Messgeräten
	Zur Spannungsstabilisierung
	Zur elektronischen Umschaltung

Prüfungsfrage

TC516 Eine unbelastete Z-Diode soll eine 12-V-Betriebsspannung auf 5 V stabilisieren. Dabei soll ein Strom von 25 mA durch die Z-Diode fließen. Berechnen Sie den Vorwiderstand.

	280 Ω / 300 mW.
	480 Ω / 300 mW.
	200 Ω / 175 mW.
	280 Ω / 175 mW.

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Widerstand ist Spannung am Widerstand (U_v) geteilt durch den Strom durch den Widerstand (I_v). Der Strom ist im unbelasteten Fall gleich dem Z-Dioden-Strom I_z. Der Spannungsabfall beträgt 7 V und der Strom 25 mA.
\[ \begin{align} R_V &= \frac{U_V}{I_V} = \frac{U_1 - U_Z}{I_Z} \\ \\ R_V &= \frac{12 \ \text{V} - 5 \ \text{V}}{25 \ \text{mA}} = \frac{7 \ \text{V}}{25 \ \text{mA}} = 280 \ \Omega \\ \\ P_V &= U_V \cdot I_V = 7 \ \text{V} \cdot 25 \ \text{mA} = 175 \ \text{mW}\end{align} \]

Prüfungsfrage

TC517 Folgende Schaltung einer Stabilisierungsschaltung mit Z-Diode ist gegeben. Der Strom durch die Z-Diode soll 25 mA betragen und der Laststrom ist 20 mA. Berechnen Sie den notwendigen Vorwiderstand.

	188 Ω.
	202 Ω.
	235 Ω.
	364 Ω.

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Widerstand ist Spannung am Widerstand (U_v) geteilt durch den Strom durch den Widerstand (I_v). Der Strom ist im belasteten Fall gleich dem Z-Dioden-Strom I_z plus dem Laststrom I_L. Der Spannungsabfall beträgt 9,1 V und der Strom 25 mA + 20 mA = 45 mA.
\[ \begin{align} R_V &= \frac{U_V}{I_V} = \frac{U_1 - U_Z}{I_Z + I_L} \\ \\ R_V &= \frac{13{,}8 \ \text{V} - 4{,}7 \ \text{V}}{25 \ \text{mA} + 20 \ \text{mA}} = \frac{9{,}1 \ \text{V}}{45 \ \text{mA}} = 202 \ \Omega \end{align} \]

Die Fotodiode

Ein PN-übergang hat, in Sperrrichtung geschaltet, einen sehr kleinen Sperrstrom. Lässt man auf die Sperrschicht Licht einwirken, werden zusätzliche Ladungsträgerpaare gebildet. Dadurch steigt der Sperrstrom an. Das ist die Fotodiode.

Schaltet man die Fotodiode mit einem Vorwiderstand als Spannungsteiler (Bild 5-10 rechts), so wird der Sperrstrom I_P von der Beleuchtungsstärke abhängig. Die Spannung an der Fotodiode ändert sich. Damit kann mit einem Transistor als Verstärker ein Schalter (Relais) betätigt werden.

Prüfungsfrage

TC524 Die Hauptfunktion einer Fotodiode ist
	die Abgabe von Licht zur Signalanzeige.
	die Entkopplung zweier Wechselstromkreise.
	die Gewinnung von Wechselstrom aus Licht.
	die Umwandlung von Licht in elektrischen Strom.

Fotoelement

Wird eine Fotodiode ohne Hilfsspannung betrieben, so kann man an ihren Klemmen bei Belastung mit einem Widerstand einen Strom abnehmen und damit einen Verstärker steuern. Die Fotodiode arbeitet dann als Fotoelement. Das Schaltzeichen ist eine Spannungsquelle, auf die zwei Pfeile zu zeigen (Bild 5-11).

Die Solarzelle

Foto: Eckart .Moltrecht — Bild 5-12: 50-W-Sonnenkollektor für Portabelbetrieb

Eine besondere Fotodiodenart sind die so genannten Solarzellen. Es sind großflächige PN-übergänge, die Spannungen bis etwa 600 mV und Ströme von einigen hundert Milliampere abgeben können. Zu Batterien zusammengeschaltet heißen sie auch Sonnenbatterien oder Sonnenkollektoren. Sie liefern zum Beispiel die Energie für Sender und Empfänger in Satelliten oder für den Portabelbetrieb (Bild 5-12).

Bei Sonnenkollektoren für den Einsatz bei Portabelbetrieb zum Laden von 12-V-Akkumulatoren werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet, so dass man eine Leerlaufspannung von ungefähr 18 Volt bekommt. Mehrere solcher Reihen werden wiederum parallel geschaltet, um einen möglichst großen Strom zu erhalten.

Prüfungsfrage

TB201 Ein Sonnenkollektor besteht aus vier parallel geschalteten Reihen von je 30 Solarzellen mit je Zelle 0,6 V Leerlaufspannung und 1 A Kurzschlussstrom. Welche Leerlaufspannung und welchen Kurzschlussstrom liefert der Kollektor?

	Leerlaufspannung: 2,4 V, Kurzschlussstrom: 4 A
	Leerlaufspannung: 2,4 V, Kurzschlussstrom: 30 A
	Leerlaufspannung: 18 V, Kurzschlussstrom: 4 A
	Leerlaufspannung: 18 V, Kurzschlussstrom: 30 A

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Durch Reihenschaltung addieren sich die Spannungen und durch die Parallelschaltung addieren sich die Ströme.
\[ \begin{align} U_0 &= 30 \cdot 0{,}6 \ \text{V} = \mathbf{18 \ V} \\ \\ I_k &= 4 \cdot 1 \ \text{A} = \mathbf{4 \ A} \end{align} \]

Die Leuchtdiode (LED)

Die Umkehrung der Fotodiode ist der Effekt bei der Leuchtdiode (LED = light emitting diode = Licht aussendende Diode). Bei der Rekombination der Ladungsträgerpaare innerhalb der Sperrzone einer in Durchlassrichtung geschalteten Diode wird Energie frei. Normalerweise wird diese Energie in Form von Wärme abgegeben. Bei einer bestimmten Dotierung wird diese Energie in Form von Licht frei.

Prüfungsfrage

TC519 Folgende Schaltung einer Leuchtdiode wird an einer Betriebsspannung von 5,5 V betrieben. Der Strom durch die Leuchtdiode soll 25 mA betragen, wobei die Flussspannung 1,75 V beträgt.
Der notwendige Vorwiderstand muss folgende Werte haben.
	220 Ohm / 0,25 Watt
	150 Ohm / 0,1 Watt
	70 Ohm / 0,1 Watt
	290 Ohm / 0,25 Watt

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

\[ \begin{align} R_V &= \frac{U_1 - U_F}{I_F} \\ \\ R_V &= \frac{5{,}5 \ \text{V} -1{,}75 \ \text{V}}{25 \ \text{mA}} = \frac{3{,}75 \ \text{V}}{25 \ \text{mA}} = 150 \ \Omega \\ \\ P_V &= U_V \cdot I_V = 3{,}75 \ \text{V} \cdot 25 \ \text{mA} = \mathbf{93{,}8 \ mW} \end{align} \] 0,1 W als Belastbarkeit reicht also.

Hier nochmals die

Prüfungsfrage

TC513 In welcher Zeile sind die Diodentypen der entsprechenden Kennlinie richtig zugeordnet?

	Kennlinie 1: Schottkydiode Kennlinie 2: Germaniumdiode Kennlinie 3: Siliziumdiode Kennlinie 4: Leuchtdiode
	Kennlinie 1: Siliziumdiode Kennlinie 2: Germaniumdiode Kennlinie 3: Schottkydiode Kennlinie 4: Leuchtdiode
	Kennlinie 1: Schottkydiode Kennlinie 2: Siliziumdiode Kennlinie 3: Germaniumdiode Kennlinie 4: Leuchtdiode
	Kennlinie 1: Germaniumdiode Kennlinie 2: Leuchtdiode Kennlinie 3: Siliziumdiode Kennlinie 4: Schottkydiode

Optokoppler

Die hohe Grenzfrequenz der Leuchtdioden erlaubt die Übertragung von optischen Signalen bis zu Frequenzen von zirka 10 MHz. LEDs dienen als Sender in so genannten optischen Koppelelementen (Optokoppler). Hierbei werden elektrische Signale in optische umgewandelt und von einer Fotodiode oder einem Fototransistor wieder in elektrische zurückverwandelt (Bild 5-14). Ein Optokoppler wird gern zur Ankopplung von Modemsignalen an den Modulator verwendet, um Brummeinflüsse der Netzteile (so genannte Erdschleifen) zu verhindern.

Prüfungsfrage

TC523 Die Hauptfunktion eines Optokopplers ist
	die Erzeugung von Gleichstrom durch Licht.
	die Erzeugung von Wechselstrom durch Licht.
	die Abgabe von Licht zur Signalanzeige.
	die Entkopplung zweier Stromkreise.

Anwendungen der Diode

Spannungsbegrenzung

Falls jemand meint: "Hier fehlen die Lötpunkte in der Zeichnung." Falsch! Diese müssen nach Norm nicht mehr gezeichnet werden, wenn eine Leitung stumpf auf einer anderen endet.

Eine Anwendung der Diode ist die Spannungsbegrenzung. Diese funktioniert folgendermaßen. Das Bauelement Diode wird in Durchlassrichtung mit einem Widerstand in Reihe geschaltet (Bild 5-15). An den Eingang dieser Reihenschaltung legt man die Spannung, die einen bestimmten Wert nicht überschreiten soll. Solange die Diode wegen zu niedriger Spannung noch nicht leitet, ist die Spannung vor und hinter dem Widerstand gleich. Sobald die Diode anfängt zu leiten, fließt Strom und am Vorwiderstand fällt eine entsprechende Spannung ab. An der Diode steigt die Spannung nicht weiter als die Durchlassspannung von zirka 0,7 V. Weil in diesem Fall zwei Dioden antiparallel geschaltet sind, werden sowohl die positiven Spitzen als als auch die negativen Spitzen auf 0,7 V begrenzt. In der folgenden Prüfungsaufgabe wird das Prinzip sichtbar.

Prüfungsfrage

TC525 Das folgende Signal wird als U₁ an den Eingang der Schaltung mit Siliziumdioden gelegt.

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Beachten Sie den Maßstab! Der Spannungswert 1 V ist eingezeichnet. Die Flussspannung von Siliziumdioden beträgt 0,7 V. Tragen Sie bei plus und bei minus 0,7 V entsprechende Linien ein. Alles, was darüber liegt, wird abgeschnitten, denn jeweils eine Diode ist immer in Durchlassrichtung geschaltet.

Prüfungsfrage

TC526 Das folgende Signal wird als U₁ an den Eingang der Schaltung mit Germaniumdioden gelegt.

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Bei Germaniumdioden können Sie bei geringen Strömen mit 0,3 V Flussspannung rechnen. Zeichnen Sie wiederum bei plus/minus 0,3 Volt waagerechte Linien ein. Dann können Sie erkennen, wie das Signal nunmehr begrenzt wird.

Diode zur Entkopplung

Prüfungsfrage

TC527 In der folgenden Schaltung werden 3 Siliziumdioden zur Entkopplung dreier Stromversorgungen eingesetzt. Der Sonnenkollektor liefert derzeit U₁ = 18 V. Der Akkumulator hat U₂ = 13,9 V. Das Netzteil ist auf U₃ = 13,5 V eingestellt. In welcher Zeile ist der derzeitige Zustand der 3 Dioden richtig beschrieben?

	D₁ leitet. D₂ leitet. D₃ leitet.
	D₁ leitet. D₂ leitet. D₃ leitet nicht.
	D₁ leitet. D₂ leitet nicht. D₃ leitet nicht.
	D₁ leitet nicht. D₂ leitet. D₃ leitet.

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Weil U₁ mit 18 Volt viel größer ist als U₂ mit 13,9 Volt, leitet D₁ und lädt den Akku weiter auf. Wenn U₂ also 13,9 Volt beträgt und über eine Diode ein Widerstand nach Null geht, fließt durch D₂ Strom, solange nicht vom Netzteil eine höhere Spannung als 13,9 Volt minus 0,7 Volt anliegt. Damit ist also die Spannung rechts von D₂ bzw. am Lastwiderstand 13,2 Volt. U₃ müsste auch mindestens 13,9 Volt sein, wenn D₃ leiten könnte. D₃ leitet also nicht.

Einweggleichrichtung

Die typische Eigenschaft der Halbleiterdioden in einer Stromrichtung zu sperren und in der anderen zu leiten, wird in der Technik mannigfaltig angewendet. Die wichtigste Anwendung ist die Gleichrichtung von Wechselspannungen.

Schaltet man einen Lastwiderstand über eine in Reihe geschaltete Diode an eine Wechselspannungsquelle, leitet die Diode den Strom nur, wenn die Anode positiver ist als die Katode (Bild 5-16a: positive Halbwelle der Wechselspannung wird durchgelassen). In der anderen Halbwelle sperrt die Diode. Durch den Lastwiderstand R_L fließt ein pulsförmiger Strom immer in der gleichen Richtung. Man sagt, der Strom ist "gleichgerichtet" worden. Da nur eine Halbwelle der sinusförmigen Wechselspannung ausgenutzt wird, nennt man diese Schaltung Einweggleichrichterschaltung.

Schaltet man einen genügend großen Kondensator parallel zum Lastwiderstand (Bild 5-16 b), wird sich dieser in der einen Halbwelle schnell über die Diode aufladen und in der anderen Halbwelle (Sperrzeit der Diode) langsam über den Widerstand entladen. Die Gleichspannung am Lastwiderstand wird dadurch viel gleichmäßiger.

Prüfungsfrage

TD311 ;Welchen Verlauf hat die Spannung U?

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Am Eingang liegt die sinusförmige Netzwechselspannung. Sie wird als Lösung A angegeben. Es ist aber nach der Ausgangsspannung gefragt. Lösung B zeigt die Ausgangsspannung bei Doppelweggleichrichtung, die weiter unten noch besprochen wird. Lösung C ist richtig, nur wenn noch ein Kondensator am Ausgang angeschlossen wäre, sieht die Ausgangsspannung so aus wie in Lösung D.

Wie man aus Bild 5-16 b erkennt, lädt sich der Kondensator C_L (Ladekondensator) maximal auf die Spitzenspannung der anliegenden Wechselspannung auf. Die maximale Gleichspannung am Ladekondensator berechnet man zu \[ U_{CL} = \hat{u} = \sqrt{2} \cdot U_{\textit{eff}} \]

Übungsaufgabe

ÜB05-1 Vom Transformator wird sekundärseitig eine Spannung von 100 Volt geliefert. Welche Spannung liegt bei Einweggleichrichtung maximal am Ladekondensator?

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

U_CL= 1,414 · 100 V = 141,4 V

Welche Spannung muss die Diode in der Sperrphase aushalten können? überlegen Sie mit: Die Spannung an der Anode der Diode ändert sich ständig zwischen den beiden Scheitelwerten +141 Volt und -141 Volt vom Transformator her. An der Katode bleibt der Kondensator auf maximal +141 Volt aufgeladen. Die höchste Sperrspannung wird also beim negativem Scheitelwert erreicht. Die Differenz der Spannungen von der Katode (+141 V) zur Anode (-141 V) beträgt also 282 Volt. Allgemein berechnet man die Sperrspannung der Diode mit \[ U_{sp} = 2 \cdot \hat{u} = 2 \cdot \sqrt{2} \cdot U_{\textit{eff}} \]

Prüfungsfrage

TD314 Bei einem Transformationsverhältnis von 8:1 sollte die Spannungsfestigkeit der Diode (max. Spannung plus 10% Sicherheitsaufschlag) dieser Schaltung nicht weniger als folgenden Wert betragen.

	32 V
	90 V
	143 V
	63 V

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Zunächst wird die Gleichspannung am Kondensator ausgerechnet. Die effektive Wechselspannung auf der Sekundärseite des Transformators beträgt ein Achtel von 230 V, also 28,75 Volt. \[ U_{CL} = \sqrt{2} \cdot U_{\textit{eff}} = 1{,}414 \cdot 28{,}75 \ \text{V} = 40{,}65 \ \text{V} \] Die maximale Sperrspannung an der Diode hat den doppelten Wert dieser Spannung, also 81,3 V. Mit 10% Sicherheitsaufschlag ergibt sich 89,4 Volt. Als ganze Zahl nimmt man den nächsthöheren Wert, denn 89 V wären zu wenig.

Prüfungsfrage

TD313 Bei einem Transformationsverhältnis von 5:1 sollte die Spannungsfestigkeit der Diode (max. Spannung plus 10 % Sicherheitsaufschlag) in dieser Schaltung nicht weniger als

	72 Volt betragen.
	143 Volt betragen.
	90 Volt betragen.
	51 Volt betragen.

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Lösungsweg wie bei TD314. Achtung: Teilen Sie die 230 V nur durch 5!

Wenn bei Gleichrichtern für Hochspannung die Sperrspannung einer Diode nicht ausreicht, kann man mehrere Dioden in Reihe schalten. Weil die Sperrwiderstände der Dioden sehr unterschiedlich sein können, schaltet man zu jeder Diode einen hochohmigen Widerstand parallel.

Prüfungsfrage

TD307 Eine Hochspannungs-Stromversorgung ist mit mehreren in Reihe geschalteten Gleichrichterdioden ausgestattet. Welches Bauelement sollte zu jeder Diode wie zugeschaltet sein?
	Parallelgeschaltete Spule
	Parallelgeschaltete zweite Diode
	In Reihe geschalteter Widerstand
	Parallelgeschalteter Widerstand

Mittelpunkt-Zweiweggleichrichtung

Bei der Einweggleichrichtung wird eine Halbwelle der Wechselspannung unterdrückt. Um diese zweite Halbwelle auch auszunutzen, kann bei Verwendung eines Transformators mit zwei gleichen Wicklungen (oder Mittelanzapfung) eine Zweiweggleichrichtung angeschlossen werden.

Wirkungsweise der Schaltung: Liegt zum Beispiel der Pluspol der Wechselspannung am Punkt A gegen 0 (dann ist B negativ gegen 0), fließt ein Strom von A über die Diode D1, den Lastwiderstand RL nach 0. (Tragen Sie mit Farbstift entsprechende Strompfeile im Bild 5-18 a ein). Die Diode D2 ist gesperrt (Minus an der Anode). In der nächsten Halbwelle ist die Polarität vertauscht. Der Strom fließt von B über D2 und RL nach 0. Diode D1 ist gesperrt. (Tragen Sie mit andersfarbigem Stift entsprechende Pfeile ein.)

In beiden Halbwellen fließt also der Strom von C nach D in der gleichen Richtung durch den Lastwiderstand. Am Lastwiderstand liegt eine entsprechende (pulsierende) Gleichspannung.

Durch Anschluss eines Ladekondensators an die Klemmen C und D kann diese pulsierende Gleichspannung wie bei der Einweggleichrichterschaltung weiter verbessert werden. Die Größe der Gleichspannung am Ladekondensator berechnet man wie bei der Einwegschaltung. Als Spannung muss hier der Effektivwert einer Wicklung eingesetzt werden. Auch die Sperrspannungen der Dioden bleiben gleich. Es handelt sich hier praktisch um zwei abwechselnd arbeitende Einweggleichrichter. Diese Zweiweggleichrichtung wird auch Vollweggleichrichtung genannt.

Prüfungsfrage

TD315 Welche Gleichrichterschaltung erzeugt eine Vollweg-Gleichrichtung mit der angezeigten Polarität?

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Beide Dioden müssen in Richtung Plus zeigen.

Durch Umpolung der Dioden kann eine gegenüber dem Mittelpunkt negative Spannung erzeugt werden.

Prüfungsfrage

TD301 Welche Form hat die Ausgangsspannung der dargestellten Schaltung?

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Die Dioden zeigen nach links. Nur die negativen Halbwellen werden durchgelassen.

Die Brücken-Gleichrichterschaltung

Transformatoren mit Mittelanzapfung gibt es heutzutage kaum noch. Mit folgender Schaltung kann man ebenfalls eine Doppelweggleichrichtung erreichen.

Die Wirkungsweise: Liegt auf der Sekundärseite des Transformators zum Beispiel am Punkt A positive Spannung gegen Punkt B, fließt der Strom von A über Diode D3, Punkt C, RL, Punkt D, Diode D2 zum Punkt B. Tragen Sie entsprechende Strompfeile ein. Ist in der nächsten Halbwelle Plus an B und Minus an A, fließt der Strom von B über D4 nach C, über RL nach D, über D1 nach A. Tragen Sie wieder entsprechende Pfeile ein. Sie sehen: Durch den Lastwiderstand RL fließt immer der Strom in der gleichen Richtung (Gleichrichtung). Am Lastwiderstand liegt eine entsprechende Gleichspannung (Bild 5-19 b).

Prüfungsfrage

TD309 Welche der folgenden Auswahlantworten enthält die richtige Diodenanordnung und Polarität eines Brückengleichrichters?

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Schauen Sie (von weitem :-), ob alle 4 Dioden irgendwie in eine Richtung zeigen. Dies ist dann der Plus-Ausgang. Dazwischen müssen dann die Wechselstromeingänge liegen. In der Schaltung A z.B. zeigen alle Dioden nach oben. Also muss oben Plus sein (richtig). Unten ist dann Minus und dazwischen die Wechselstromanschlüsse.

Auch bei dieser Schaltung lässt sich durch Parallelschalten eines Ladekondensators zum Lastwiderstand eine weitere Verbesserung der Gleichspannung erreichen. Die Berechnung der maximalen Gleichspannung am Ladekondensator erfolgt wie bei der Einwegschaltung.

Die Sperrspannung der Dioden braucht nur halb so groß zu sein wie bei der Einwegschaltung, da immer zwei Dioden in Reihe geschaltet sind. Allerdings müssen die Sperrwiderstände beider Dioden genau gleich groß sein; sonst verteilt sich die Sperrspannung ungleich auf beide Dioden.

Im Handel sind Brückengleichrichter erhältlich, bei denen die vier genau gleichen Dioden bereits in einem Gehäuse untergebracht sind. Ein solcher Brückengleichrichter trägt zum Beispiel folgende Kennzeichnung: B40C1000. Diese Kennzeichnung bedeutet, dass der Gleichrichter in Brückenschaltung aufgebaut ist (Buchstabe B), dass er maximal 40 Volt effektive Transformatorspannung gleichrichten kann und mit einer Stromstärke von 1000 mA gleich 1 A Gleichstrom bei Belastung mit einem Kondensator (Buchstabe C) zu Glättung betrieben werden kann.

Die Siebung

Hinweis: Dieses Thema gehört eigentlich nicht zur "Diode", sondern eher zum Kapitel 4 "Schwingkreis/Filter", wird aber in dieser Form immer bei den Gleichrichterschaltungen angewendet und wird deshalb hier eingeschoben.

Die der Gleichspannung überlagerte Restwechselspannung am Ladekondensator nennt man Brummspannung. Die Amplitude dieser Brummspannung nennt man Restwelligkeit. Sie wird manchmal als Prozentzahl der Gleichspannung oder als absoluter Spitze-Spitze-Wert angegeben. Im Diagramm zur Prüfungsaufgabe TB201 ist diese Brummspannung gezeichnet.

Diese Brummspannung kommt dadurch zustande, dass der Kondensator immer dann geladen wird, wenn die Transformatorspannung mehr als 0,7 Volt über der Kondensatorspannung liegt, und immer dann entladen wird, wenn die Transformatorwechselspannung kleiner wird als die augenblickliche Kondensatorspannung. Bei jeder Halbwelle wird also geladen und wieder etwas entladen.

Bei der Doppelweggleichrichtung sind doppelt so viele gleichgerichtete Halbwellen vorhanden, wie die Perioden der Wechselspannung. Die Brummspannung hat also bei Doppelweggleichrichtung eine doppelt so hohe Frequenz wie die Frequenz der Transformatorwechselspannung.

Prüfungsfrage

TD320 Im folgenden Bild ist die Spannung am Ausgang einer Stromversorgung dargestellt.
Die Restwelligkeit und die Brummfrequenz betragen
	3 V_SS, 50 Hz.
	3 V_SS, 100 Hz.
	13,5 + 1,5 V, 50 Hz.
	13,5 + 1,5 V, 100 Hz.

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Die Periodendauer ist 10 ms, umgerechnet f = 100 Hz für die so genannte Brummfrequenz. Die Welligkeit ist der Wechselspannungsanteil ohne Gleichspannungsberücksichtigung, also 1 Einheit oder 3 Volt Spitze-Spitze.

Prüfungsfrage

TD321 Welche Grundfrequenz hat die Ausgangsspannung eines Vollweggleichrichters, der an eine 50-Hz-Versorgung angeschlossen ist?
	25 Hz
	50 Hz
	100 Hz
	200 Hz

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Die überlagerte Restwechselspannung hat bei Doppelweggleichrichtung eine doppelt so hohe Frequenz wie die Frequenz der Transformatorwechselspannung.

Die Überlagerte Restwechselspannung (Brummspannung) kann durch frequenzabhängige RC- oder LC-Glieder oder elektronische Schaltungen verringert werden. Bei der LC-Siebung wird eine Spule in Serie und danach ein Kondensator parallel zum Ausgang geschaltet. Die Spule wird bei Wechselspannung wie ein großer Widerstand und der Kondensator wie ein geringer Widerstand. Gleichspannung geht kaum verloren, weil diese Netzdrosseln mit dickem Kupferdraht gewickelt werden. Die RC-Siebung wirkt ähnlich, allerdings fällt eine Gleichspannung am Widerstand ab. Sie eignet sich für geringe Ströme.

Die folgende Prüfungsfrage wird hier eingefügt, weil man an der Schaltung die LC-Siebschaltung (L - C_S) sehr schön erkennen kann. Die Berechnung hat aber damit nichts zu tun.

Prüfungsfrage

TD305 Wie groß ist die Spannung am Siebkondensator C_S im Leerlauf, wenn die primäre Trafospannung 230 Volt und das Windungsverhältnis 8:1 beträgt?
Die Spannung beträgt etwa
	20,3 Volt.
	28,8 Volt.
	40,7 Volt.
	57,5 Volt.

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Im Leerlauf (R ist vernachlässigbar groß, denn er dient nur als Entladewiderstand nach der Abschaltung) kann man den Gleichspannungsabfall an der Spule vernachlässigen. Sie können also einfach die Spannung am Ladekondensator berechnen. Es ist wieder der Spitzenwert der Wechselspannung auf der Sekundärseite. Also 230 V geteilt durch 8 mal Wurzel 2. Rechnen Sie!

Spannungsstabilisierungsschaltungen mit einer schnellen Regelung können ebenfalls Restwelligkeiten ausregeln. Sie finden eine solche Schaltung in der Prüfungsfrage TD306, die später behandelt wird.

Gleichspannungsrückgewinnung

Bei Wechselspannungen in der Nachrichtentechnik möchte man gelegentlich aus dem Signal eine Gleichspannung gewinnen, aber die Wechselspannung als Signal erhalten. Dazu dient folgende "Clamp"-Schaltung, die wie eine Einweggleichrichterschaltung aussieht.

Wirkungsweise der Schaltung: Die Diode wirkt tatsächlich wie eine Gleichrichterschaltung, die den Kondensator auf der rechten Seite positiv auflädt, wenn A positiv gegenüber B ist. Die linke Seite ist dann gleichstrommäßig über den Transformator mit Masse verbunden.

Die Eingangswechselspannung geht von der Nulllinie sowohl nach Plus (nach oben) als auch nach Minus, also unter die Nulllinie nach unten. Nehmen wir mal an, die Wechselspannung vom Trafo hat ±10 Volt, also zirka 7 Volt effektiv. Die Wechselspannung vom Trafo lädt den Kondensator auf der rechten Seite auf +10 Volt auf. Kommt auf der linken Seite die +10 Volt,

ergeben sich am Punkt B (Bild 5-21) +20 V. Kommt auf der linken Seite die -10 Volt, geht die Spannung auf Null. Es entsteht also eine Ausgangsspannung (Bild 5-22) von +20 V bis 0 Volt mit einem Mittelwert von +10 V (so genannte Klemmspannung).

Prüfungsfrage

TD302 Welche Ausgangsspannung wird erzeugt, wenn an die dargestellte Schaltung eine Wechselspannung angelegt wird?

Kommentar: Sie erkennen die Schaltung sicher aufgrund der Erläuterungen zu Bild 5-22.

Prüfungsfrage

TD303 Kann für den Kondensator der nachfolgenden Schaltung ein Elektrolytkondensator verwendet werden?

	Nein, da der Kondensator von Wechselstrom durchflossen wird.
	Nein, da dies auf Grund der technischen Vorschriften nicht zulässig ist.
	Ja, wenn der Minuspol des Elektrolytkondensators auf der Seite der Diode liegt.
	Ja, wenn der Pluspol des Elektrolytkondensators auf der Seite der Diode liegt.

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Als Kondensator ist in dieser Schaltung durchaus ein Elektrolytkondensator geeignet, denn auf der rechten Seite (Bild 5-21, Punkt B) ist die Spannung immer positiv. Elektrolytkondensatoren vertragen keine Polaritätswechsel.

Viel Erfolg beim Lehrgang wünscht Ihnen Eckart Moltrecht DJ4UF!

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	Dieser DARC-Online-Lehrgang wurde mit freundlicher Genehmigung des Autors Eckart K. W. Moltrecht aus seinen Büchern "Amateurfunk-Lehrgang für das Amateurfunkzeugnis" aus dem VTH-Verlag (möglicherweise einer älteren Auflage!) für das Internet umgewandelt. Das Copyright liegt beim Autor und beim Verlag. Mehr über den Autor!
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Letzte Bearbeitung: 16.06.2017 DJ4UF, 25.06.2023 DH8GHH
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