Diode
Halbleiterdioden
Die Diode ist das einfachste Halbleiterbauelement. Sie besteht aus einem pn-Übergang und lässt Strom nur in eine Richtung fließen.
Grundlagen der Diode
Aufbau und Funktion
Eine Diode hat zwei Anschlüsse:
- Anode (A) - positiver Anschluss (p-Seite)
- Kathode (K) - n-Seite des pn-Übergangs, oft mit Ring markiert
Durchlassrichtung
Anode positiver als Kathode
→ Diode leitet
→ niedriger Widerstand
Sperrrichtung
Kathode positiver als Anode
→ Diode sperrt
→ hoher Widerstand
Frage EC501 fragt nach dem Verhalten in Sperrrichtung: Eine in Sperrrichtung betriebene Diode hat einen hohen Widerstand.
💡 Hintergrund: Auch in Sperrrichtung fließt ein sehr kleiner Sperrstrom (µA-Bereich). Für die Prüfung reicht: "hoher Widerstand".
Anwendung: Gleichrichtung
Frage EC502: Wofür werden Dioden verwendet? Die wichtigste Anwendung ist die Gleichrichtung von Wechselspannung - sie wandeln Wechselstrom in Gleichstrom um (z.B. in Netzteilen).
Schwellspannung verschiedener Dioden
Frage EC503 fragt nach den typischen Schwellspannungen:
| Diodentyp | Schwellspannung |
|---|---|
| Schottkydiode | 0,15 - 0,3 V |
| Germaniumdiode | 0,2 - 0,4 V |
| Siliziumdiode | 0,6 - 0,8 V |
| Leuchtdiode (LED) | 1,4 - 3,5 V (je nach Farbe) |
Merkhilfe EC503: Germanium vor Silizium - wie im Periodensystem! Ge hat die niedrigere Schwellspannung (0,2-0,4 V), Si die höhere (0,6-0,8 V).
Schottkydiode
Frage EC504: Die Schottkydiode hat besondere Eigenschaften:
Eigenschaften der Schottkydiode:
- Sehr niedrige Durchlassspannung (0,15-0,3 V)
- Sehr schnelles Schaltverhalten
Kennlinien erkennen
Fragen EC505-EC508 zeigen Diodenkennlinien. So erkennst du die Diodentypen:
| Kennlinie | Diodentyp | Erkennungsmerkmal |
|---|---|---|
| 1 (links) | Schottkydiode | Beginnt am frühesten zu leiten (~0,2 V) |
| 2 | Germaniumdiode | Leitet ab ~0,3 V |
| 3 | Siliziumdiode | Leitet ab ~0,6-0,7 V |
| 4 (rechts) | Leuchtdiode | Höchste Schwellspannung (~1,5-2 V) |
Merke: Je weiter links die Kennlinie startet, desto niedriger die Schwellspannung. Reihenfolge: Schottky → Germanium → Silizium → LED
Wann leitet eine Diode?
Fragen EC509-EC513 fragen, wann eine Siliziumdiode leitend ist.
Regel: Eine Siliziumdiode leitet, wenn die Spannung an der Anode ca. 0,6-0,7 V höher ist als an der Kathode (temperatur- und stromabhängig).
Frage EC513 als Beispiel:
Leitet ✓
Anode: 5,7 V
Kathode: 5,0 V
Differenz: 0,7 V ≥ Schwelle
Sperrt ✗
Anode: 5,0 V
Kathode: 5,7 V
Kathode positiver = Sperrrichtung
So löst du EC509-EC512:
- Finde Anode (Dreieckspitze) und Kathode (Strich)
- Bestimme die Spannungen an beiden Anschlüssen
- Rechne: $U_A - U_K \geq 0{,}7\,\text{V}$ → Diode leitet
Leuchtdioden (LED)
Frage EC514: Eine LED-Schaltung dient als Leuchtanzeige.
Vorwiderstand berechnen
Fragen EC515 und EC516 erfordern die Berechnung des Vorwiderstands für eine LED.
Formel für den Vorwiderstand:
$\displaystyle R_V = \frac{U_{ges} - U_F}{I_F}$
$U_{ges}$ = Betriebsspannung
$U_F$ = Durchlassspannung der LED
$I_F$ = gewünschter Durchlassstrom
Rechnung EC515:
Gegeben: $U_{ges} = 5{,}0\,\text{V}$, $U_F = 1{,}4\,\text{V}$, $I_F = 20\,\text{mA}$
$\displaystyle R_V = \frac{5{,}0\,\text{V} - 1{,}4\,\text{V}}{20\,\text{mA}} = \frac{3{,}6\,\text{V}}{0{,}02\,\text{A}} = 180\,\Omega$
Rechnung EC516:
Gegeben: $U_{ges} = 5{,}5\,\text{V}$, $U_F = 1{,}75\,\text{V}$, $I_F = 25\,\text{mA}$
$\displaystyle R_V = \frac{5{,}5\,\text{V} - 1{,}75\,\text{V}}{25\,\text{mA}} = \frac{3{,}75\,\text{V}}{0{,}025\,\text{A}} = 150\,\Omega$
Verlustleistung: $P = U_R \cdot I = 3{,}75\,\text{V} \cdot 25\,\text{mA} = 0{,}094\,\text{W} \approx 0{,}1\,\text{W}$
Z-Diode (Zenerdiode)
Die Z-Diode wird zur Spannungsstabilisierung verwendet (Frage EC518).
Schaltzeichen
Frage EC517:
So erkennst du die Z-Diode: Im Fragenkatalog der Bundesnetzagentur hat der Kathodenstrich an einem Ende einen kurzen Knick. Die normale Diode (Frage NC401) hat dort einen geraden Strich, bei der Leuchtdiode kommen zwei nach außen gerichtete Pfeile hinzu.
Das Schaltzeichen der Z-Diode wird je nach Norm und Quelle leicht unterschiedlich gezeichnet. Für die Prüfung zählt die Darstellung im BNetzA-Fragenkatalog.
Funktionsweise
Fragen EC519 und EC520: Die Z-Diode wird in Sperrrichtung betrieben! Bei Erreichen der Zenerspannung wird sie leitend und hält die Spannung konstant.
Richtige Beschaltung (EC520):
- Z-Diode in Sperrrichtung (Kathode zur positiven Spannung)
- Vorwiderstand zwischen Eingang und Z-Diode
- Last parallel zur Z-Diode
Vorwiderstand für Z-Diode berechnen
Fragen EC521 und EC522 erfordern die Berechnung des Vorwiderstands.
Formel:
$\displaystyle R_V = \frac{U_{ein} - U_Z}{I_{ges}}$
$U_{ein}$ = Eingangsspannung
$U_Z$ = Zenerspannung (Ausgangsspannung)
$I_{ges}$ = Gesamtstrom (Z-Diode + Last)
Rechnung EC521 (ohne Last):
Gegeben: $U_{ein} = 13{,}8\,\text{V}$, $U_Z = 5\,\text{V}$, $I_Z = 30\,\text{mA}$
$\displaystyle R_V = \frac{13{,}8\,\text{V} - 5\,\text{V}}{30\,\text{mA}} = \frac{8{,}8\,\text{V}}{0{,}03\,\text{A}} \approx 293\,\Omega$
Rechnung EC522 (mit Last):
Gegeben: $U_{ein} = 13{,}8\,\text{V}$, $U_Z = 4{,}7\,\text{V}$, $I_Z = 25\,\text{mA}$, $I_{Last} = 20\,\text{mA}$
$I_{ges} = I_Z + I_{Last} = 25\,\text{mA} + 20\,\text{mA} = 45\,\text{mA}$
$\displaystyle R_V = \frac{13{,}8\,\text{V} - 4{,}7\,\text{V}}{45\,\text{mA}} = \frac{9{,}1\,\text{V}}{0{,}045\,\text{A}} \approx 202\,\Omega$
Zusammenfassung für die Prüfung
| Frage | Thema | Antwort |
|---|---|---|
| EC501 | Sperrrichtung | Hoher Widerstand |
| EC502 | Anwendung | Gleichrichtung von Wechselspannung |
| EC503 | Schwellspannungen | Ge: 0,2-0,4 V, Si: 0,6-0,8 V |
| EC504 | Schottkydiode | Niedrige Spannung, hohe Frequenz |
| EC505-508 | Kennlinien | Schottky→Ge→Si→LED (links→rechts) |
| EC509-513 | Diode leitend? | $U_A - U_K \geq 0{,}7\,\text{V}$ |
| EC514 | LED-Schaltung | Leuchtanzeige |
| EC515 | LED-Vorwiderstand | 180 Ω |
| EC516 | LED-Vorwiderstand + Leistung | 150 Ω / 0,1 W |
| EC517 | Z-Dioden-Symbol | Strich mit abgewinkelten Enden |
| EC518 | Z-Dioden-Einsatz | Spannungsstabilisierung |
| EC519 | Stabilisierungsschaltung | Spannungsstabilisierung |
| EC520 | Richtige Beschaltung | Z-Diode in Sperrrichtung |
| EC521 | Z-Diode Vorwiderstand | ca. 293 Ω |
| EC522 | Z-Diode mit Last | ca. 202 Ω |
Wissenskontrolle
Eine in Sperrrichtung betriebene Diode zeichnet sich insbesondere aus durch ...
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Wofür können Halbleiterdioden beispielsweise verwendet werden?
Welche typischen Schwellspannungen haben Germanium- und Siliziumdioden? Sie liegen bei ...
Welches sind die Haupteigenschaften einer Schottkydiode?
Welche Diode wird durch Kennlinie 1 charakterisiert?
Welche Diode wird durch Kennlinie 2 charakterisiert?
Welche Diode wird durch Kennlinie 3 charakterisiert?
Welche Diode wird durch Kennlinie 4 charakterisiert?
Die Auswahlantworten enthalten Siliziumdioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
Die Auswahlantworten enthalten Siliziumdioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
Die Auswahlantworten enthalten Siliziumdioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
Die Auswahlantworten enthalten Siliziumdioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
Bei welcher Bedingung wird eine Siliziumdiode leitend?
Wozu dient die folgende Schaltung?
Eine Leuchtdiode mit einer Durchlassspannung von 1,4 V und einem Durchlassstrom von 20 mA soll an eine Spannungsquelle von 5,0 V angeschlossen werden. Berechnen Sie den Vorwiderstand. Die Größe des benötigten Vorwiderstandes beträgt ...
Folgende Schaltung einer Leuchtdiode wird an einer Betriebsspannung von 5,5 V betrieben. Der Strom durch die Leuchtdiode soll 25 mA betragen, wobei die Durchlassspannung 1,75 V beträgt. Der notwendige Vorwiderstand muss folgende Werte haben:
Welches Bauteil wird durch das Schaltzeichen symbolisiert?
Für welchen Zweck werden Z-Dioden primär eingesetzt?
Wozu dient folgende Schaltung?
In welcher der folgenden Schaltungen ist die Z-Diode zur Spannungsstabilisierung richtig eingesetzt?
Eine unbelastete Z-Diode soll eine 13,8 V Betriebsspannung auf 5 V stabilisieren. Dabei soll ein Strom von 30 mA durch die Z-Diode fließen. Der Ausgang der Schaltung soll nicht belastet werden. Berechnen Sie den Wert des Vorwiderstands.
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. Der Wert des notwendigen Vorwiderstandes beträgt ...
