Grundlagen 6: Was ist eine Diode?

Wir betrachten in diesem Artikel:

	Standard-Dioden
	Leuchtdioden (LED)
	Schottky-Dioden
	Zener-Dioden
	Foto-Dioden

Alle diese Bauteile haben eins gemeinsam: sie sind 'Halbleiter'. Diese leiten nicht so gut wie 'Leiter' (Kupfer, Silber, Lötzinn usw.), aber wesentlich besser als 'Nichtleiter' (Porzellan, Kunststoffe usw.). Zudem leiten die Dioden den Strom in eine Richtung wesentlich besser als in die andere. Man spricht auch von 'Flußrichtung' und 'Sperrrichtung' (wobei allgemein angenommen wird, daß Strom von '+' nach '-' fließt).
In Flußrichtung leiten die Dioden auch nicht sofort bei kleinsten Spannungen, sondern brauchen immer eine kleine Spannung (Flußspannung), ehe sie 'loslegen'. Diese liegt bei den meisten Dioden und Gleichrichtern bei 0,7 Volt, bei Leuchtdioden zwischen 1,5 und 2,5 Volt, je nach deren Farbe. Bei der Wasserleitung wäre der Vergleich ein federbelastetes Rückschlagventil, das einen bestimmten kleinen Druck 'verbraucht', um die Kraft der Feder zu überwinden. Erst dann kann Wasser fließen.
Es also ist nicht egal, wie herum man die Dioden anschließt; sie leiten ja nur in einer Richtung, und zwar von der Anode (A) zur Kathode (K). Die normalen Dioden tragen auf dem runden Körper einen Ring, der die Kathode kennzeichnet. Die LEDs haben an der Anode das längere Beinchen. Das Schaltzeichen der Dioden zeigt eine Art Pfeil von der Anode zur Kathode.
Dioden haben als Kennwerte einen maximalen Flußstrom und eine maximale Sperrspannung. Wird einer der Werte überschritten, wird die Diode zerstört.
Im Bild links sind drei Dioden dargestellt. Links eine 1N4148, die mit 200 mA belastet werden darf, daneben eine 1N4001 (1 A) und rechts eine 1N5401 (3 A). Bemerkenswert sind die recht dicken Anschlußdrähte bei den rechten beiden. Sie bestehen aus reinem Kupfer und dienen der Wärmeabfuhr. Wenn die 1N5401 mit 3 Ampere belastet wird, steigt ihre Flußspannung auf knapp 1 Volt an. Damit entstehen in ihr ca. 3 Watt Wärme, die durch dicke Drähte abgeführt werden müssen. Die Wärme-Berechnung erfolgt genau wie beim Widerstand: P = U × I.
LEDs haben lt. Datenblatt eine Sperrspannung von nur 5 Volt. Das ist zu beachten, wenn man sie testen will und kennt die Lage von Anode und Kathode nicht. Viele halten auch höhere Sperrspannungen aus, aber darauf verlassen darf man sich auf keinen Fall!

Was fängt man nun damit an?
Der 'erste' Anwendungszweck ist sicherlich die Gleichrichter-Funktion. Aus der Wechselspannung, die der Netztransformator liefert, soll eine Gleichspannung erzeugt werden. Wir weisen, wie so oft schon, darauf hin, daß die Netzspannung keine Spielwiese ist, sondern daß Fehler, die in diesem Bereich beim Basteln gemacht werden, tödlich sein können. Wir schlagen daher vor, als Netztransformator einen Modellbahn-Transformator, der einen Wechselspannungs-Ausgang hat, zu benutzen. An den Klemmen A, B erscheint eine Spannung von ca. 14 Volt (oder ähnlich, je nachdem, was auf dem Schild am Trafo angegeben ist). Diese Spannung ist der Effektivwert, nachzulesen bei Was ist elektrische Spannung. Der gestrichelt gezeichnete Widerstand soll einen Verbraucher darstellen, der praktisch immer vorhanden ist, und sei es nur das Meßgerät, mit dem gerade die Spannung gemessen wird.
Der Spannungsverlauf an den Klemmen A,B ist sinusförmig, wie schon in den Bildern bei der Betrachtung der elektrischen Spannung beschrieben. Solange die Spannung positiv ist, fließt ein Strom durch die Diode und den gestrichelten Widerstand. Das bedeutet aber, daß an der Kathode der Diode der Pluspol der Gleichspannung liegt. Und - an ihr fallen ca. 0,7 Volt (ihre Flußspannung) ab. Um diesen Wert ist die Spannung am Widerstand kleiner.
Diese Schaltung nennt man 'Einweg-Gleichrichter', weil nur die positive Halbwelle der Wechselspannung durchgelassen wird und zur 'Arbeit' herangezogen wird; der 'zweite Weg', die negative Halbwelle, wird gesperrt und tut also nichts. Nachteilig ist dabei, daß eine große spannungsfreie Lücke zwischen den einzelnen Spannungsspitzen klafft. Diese Schaltung wird gern als 'Langsamfahrgang' für Rangierlokomotiven benutzt.
 
Brückengleichrichter:
Im Bild rechts ist nur die Sekundär-Wicklung des Transformators gezeigt.
Mit einer solchen Schaltung wird Folgendes erreicht: bei positiver Spannung an der Wicklung fließt der Strom durch die Diode oben rechts nach '+', weiter durch den Widerstand und dann durch die Diode unten links zum Trafo zurück. Bei negativer Spannung fließt der Strom durch die Diode unten rechts nach '+', weiter durch den Widerstand und dann durch die Diode oben links zum Trafo zurück. Da hier jede Halbwelle ausgenutzt wird, spricht man auch von 'Zweiweg- oder Vollweg-Gleichrichtung'.
Der Spannungsverlauf am Widerstand sieht aus wie rechts abgebildet. Die Lücken in der Einweg-Gleichrichtung (s. oben) sind hier geschlossen. Da hier immer 2 Dioden in Reihe geschaltet sind, fallen auch 2-mal ihre Flußspannungen ab.

Eine kleine Eselsbrücke zum Zeichnen der Brücke:
Sie besteht aus 2 Pfaden zu je 2 Dioden
Alle 4 Dioden zeigen in dieselbe Richtung: dort ist +
Am anderen Ende der beiden Ketten ist -
Zwischen den beiden Dioden einer Kette wird die Wechselspannung eingespeist.

Logik-Schaltungen
Mit Dioden kann man auch einfache logische (d.h. organisatorische) Aufgaben lösen.
Beispiel: eine ganz einfache Weichenstraßensteuerung.
Zunächst wird wohl versucht werden, die nebenstehende Verdrahtung anzuschließen. Aber das geht so nicht, weil die Weiche w2 sich nicht mehr stellen läßt. Die beiden rot markierten Drähte verbinden die beiden Antriebsspulen von w2; und somit werden sie immer zugleich zu stellen versucht.
Abhilfe schafft hier das Einfügen von zwei Dioden. Allerdings kann die Steuerung nur noch mit Gleichspannung betrieben werden. Die Dioden lassen jede das Stellen von w1l zu, aber nicht mehr das Stellen der 'anderen' Spule von w2. Bitte einmal den Stromverlauf von + nach - verfolgen.
Natürlich kann man das Problem auch mit einem Hilfsrelais lösen. Dies wird aber vergleichsweise teuer (1,55 € für das Relais anstelle von 0,08 € für beide Dioden). Und es wird wesentlich mehr Platz verbraucht, von der zusätzlichen Verdrahtung ganz zu schweigen! Da hier durch Induktivitäten fließende Ströme abgeschaltet werden, lesen Sie bitte auch den Beitrag über Freilaufdioden.

Was für Dioden nehmen?
Wir empfehlen für die bisher dargestellten Schaltungen Dioden vom Typ 1N4001 (bis 1N4007). Sie sind spannungsfest bis 50 Volt (4001; 4007: bis 1000 V) und vertragen Ströme bis 1 Ampere. Sie kosten pro Stück nur wenige Cent. Die kleinere 1N4148 sperrt bis 75 Volt (max. 200mA) und ist die preiswerteste aller Dioden. Sie wird praktisch überall und milliardenfach eingesetzt.

Eine Freilaufdiode ist kein besonderer Dioden-Typ. Sie ist eine Diode mit einer speziellen Aufgabe.
Zweck und Beispiel s. unter Induktivitäten.
 
Was ist eine Foto-Diode?
Dieser Typ ist lichtempfindlich. Wird die Diode in Sperr-Richtung betrieben, entsteht ein geringer Stromfluß bei Lichteinfall. Ohne von außen angelegte Spannung kann die Diode auch als Spannungsquelle benutzt werden. Die erreichbare Spannung bewegt sich allerdings maximal im mV-Bereich. Eingesetzt werden diese Dioden zur Erkennung von Licht, aber auch als Empfänger von Steuerungen per Licht (auch Infrarot). Es gibt auch Foto-Transistoren. Diese haben den Vorteil, daß sie wesentlich höhere Stromänderungen bei Lichteinfall erzeugen. Jedoch sind sie um den Faktor 1000 träger in ihren Reaktionen.
Daher konnten wir bei unserer Infrarot-Steuerung keine Fototransistoren einsetzen.
 
Was ist eine Schottky-Diode?
Dieser Dioden-Typ wird anders hergestellt und hat abweichende typische Kennwerte. So ist die Flußspannung wesentlich geringer. Bei kleinsten zu verarbeitenden Spannungen entsteht so weniger Verlust. Bei hohen Strömen wird weniger Wärme erzeugt, so daß die Bauform kleiner ausfällt. Die Sperrspannung ist typischerweise geringer als bei Standard-Dioden. Rein äußerlich sind sie nicht von normalen Dioden zu unterscheiden; nur die aufgedruckte Bezeichnung gibt Aufschluß. Der Preis ist deutlich höher als bei vergleichbaren Standard-Typen. Der Sperrstrom (also der Strom in Sperr-Richtung) ist wesentlich höher als bei normalen Dioden. Er kann bei manchen Schaltungen nicht zu Null "geschätzt" werden. Und - er ist sehr stark temperaturabhängig. Dies alles gilt es zu beachten, also: Datenblatt lesen!
Wir wollen das an der Schaltung rechts deutlich machen: Die Schottky-Diode wird ganz offensichtlich in Sperr-Richtung betrieben. Und doch erscheint eine meßbare Spannung am Widerstand!
Der große Vorteil von Schottky-Dioden ist ihre Geschwindigkeit. Bei höheren Frequenzen, wie sie bei der Modellbahn z.B. in Digital-Systemen vorkommen, haben sie unschlagbare Vorteile.
 
Was ist eine Zener-Diode?
Dieser Typ wird neuerdings als Z-Diode bezeichnet. Er wird grundsätzlich in Sperr-Richtung betrieben. Bei einer bestimmten Spannung (Zener-Spannung) beginnt die Diode zu leiten. Je nach Fertigung liegt dieser Wert zwischen 2,4 und 33 Volt. Man kann hiermit z.B. einfache Spannungs-Stabilisierungs-Schaltungen aufbauen. Die Prinzip-Schaltung ist im Bild rechts erkenntlich: Eine Spannung, die auf der linken Seite angeschlossen wird, treibt einen Strom durch Widerstand und Z-Diode. An dieser kann man eine einigermaßen konstante Spannung messen. Steigt die Eingangsspannung, so erhöht sich auch die Zener-Spannung, aber nur ganz leicht. Zieht man Strom aus der rechten Seite der Schaltung, "klaut" man ihn gewissermaßen der Z-Diode, und deren Spannung sinkt (nur ganz leicht). Zur Funktion braucht die Z-Diode aber immer einen gewissen Strom, ansonsten kann sie ihre Funktion in der Schaltung nicht erfüllen. Das bedeutet aber auch, daß der Ruhestrom (also: der Strom ohne Last) durch die Z-Diode etwas größer sein muß als der maximale Strom, der entnommen werden soll. Daraus errechnet sich der Vorwiderstand (R = U / I) und die maximale Erwärmung (P = U × I) der Diode. Sie sehen, da sind enge Grenzen gesetzt.

Wie hoch diese Spannungsänderung ist, kann man aus dem Datenblatt erkennen. Dort gibt es eine Angabe über den differentiellen Widerstand. Er beträgt nur wenige Ohm, ist aber nicht Null.
Dies haben wir im Bild rechts (Ersatzschaltbild einer Z-Diode) dargestellt. Dort ist R_i der differentielle Widerstand und U die Nenn-Spannung der Z-Diode. Erhöht sich der Strom durch die Diode, steigt auch der Wert der Zenerspanung an den Anschlüssen (im Bild: k für Kathode und a für Anode). Durch den Stromfluß durch die Diode ensteht am Widerstand eine Spannung (U = R × I), die zu der Z-Spannung (U) hinzuaddiert werden muß. Leider ist dieser Widerstand nicht konstant, sondern stromabhängig. Bei Z-Dioden um 6 Volt ist er am kleinsten.
 
Leuchtdioden (LED)
LEDs werden immer in Flußrichtung betrieben. Sie setzen einen Teil der Energie, die sie verbrauchen, in Licht um. Je nach verwendeten Materialien leuchten sie in allen möglichen Farben. Zum Betrieb brauchen sie unbedingt einen Widerstand, der den Strom auf maximal 20 mA begrenzt. Man erhält sie in allen nur erdenklichen Abmessungen, von 1×0,5 mm (SMD 0402) bis über 10 mm Durchmesser. Es gibt sie auch in rechteckiger Form oder mit mehreren Anschlußdrähten, um wahlweise verschiedene Farben darstellen zu können. Und - es gibt auch LEDs mit niedrigem Strom (englisch: low-current), die schon bei 2 mA ihre volle Leuchtkraft besitzen. Und hier noch ein Tip&Trick: Rechts sehen Sie sehr stark vergrößert das 'Innenleben' einer LED, von der Seite her fotografiert. Das Licht strahlt also nach oben. Die Anschluß-Beinchen sind unten gerade noch zu erkennen. Innen sehen Sie ein kleines 'Töpfchen', das an das linke Beinchen angeschlossen ist und als Reflektor dient. Dies ist immer (jedenfalls zu weit über 99 %) der Kathodenanschluß. Vom anderen Anschlußpin führt ein feines Drähtchen im Bogen in das 'Töpfchen' hinein. Dies ist der Anodenanschluß des Halbleiterelements, das, hier nicht sichtbar, tief im Reflektor untergebracht ist.

Kennlinien
Wer Dioden nur als Gleichrichter verwenden will, den interessieren nur die Sperrspannung und der Durchlaß-Strom.
Die meisten Anwendungen beruhen aber auf genauen Werten: bei wieviel Strom habe ich den und den Spannungsverlust?
Als Beispiel sollen die Belegtmelder des MEC dienen. Bei denen werden 3-Ampere-Dioden mit Strömen ab 100 µA betrieben. Der Spannungsabfall dient zum Betrieb eines Optokopplers. In unserer Schaltung spricht dieser schon bei 15 µA an. Beide werden also weit unterhalb der Daten, die aus den Datenblättern ersichtlich sind, betrieben.
Im Bild rechts haben wir, nur zur Information, Kennlinien einiger Dioden dargestellt. Dabei sind klar 3 Bereiche feststellbar: links die Schottky-Dioden, in der Mitte die "normalen" Silizium-Dioden und rechts eine Z-Diode, die in Durchlaßrichtung betrieben wird.

Zu guter Letzt noch ein paar Exoten zum Vergleich: eine LED, ein Spannungsnormal (das ist eine exakt arbeitende Quasi-Zener-Diode) und eine normale Z-Diode. Am Spannungsnormal sieht man die wirklich exakt eingehaltene Spannung bei unterschiedlichsten Strömen. Rechts die Z-Diode: man sieht, nicht sehr berauschend. Da ist die LED mit ihrer relativ steilen Kennlinie wesentlich besser. Man sollte also tatsächlich auch eine LED als einfachen Spannungsstabilisator gegenüber einer Z-Diode in Betracht ziehen. In der Steilheit ihrer Kennlinie wird sie nur durch das Spannungsnormal übertroffen!
Aber: natürlich gibt es auch ICs als Spannungsregler! Aber die sind hier nicht das Thema.

Für weitere Fragen stehen gern zur Verfügung:
- der MEC; Besichtigung und Fachsimpelei z.B. an unseren "Club-Abenden"
- der Autor: Hans Peter Kastner

Version vom: 12.12.2022; erstellt am: 15.04.2005
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