E l e k t r o n i k I

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1 Fachhochschule Südwestfalen Hochschule für Technik und Wirtschaft E l e k t r o n i k I Dr.-Ing. Arno Soennecken EEX European Energy Exchange AG Neumarkt Leipzig im WS 2002/03 Elektronik I Mob.: (+49)173/ Fax: (+49)341/ arno.soennecken@eex.de

2 2. Dioden Eine Diode ist ein Bauelement mit zwei Anschlüssen und einem stromrichtungsabhängigen Widerstand (pn-übergang) I F Durchlaßrichtung: U B + r F < R L -I F (Strom in Durchlaßrichtung) wird weitestgehend von U B /R L bestimmt - Diodenwiderstand in Durchlaßrichtung klein I R << Sperrichtung: U B + r R >> R L - Umkehrung der Spannungspolarität; Widerstand der Diode sehr groß - vernachlässigbarer Sperrstrom Folie 2 (WS 2002/03)

3 Ventilwirkung der Diode: Gleichrichtung von Wechselspannungen 2.1 Charakteristika einer Diode Sperrspannung bzw. Durchbruchspannung; Durchlaßspannung als Funktion des Durchlaßstroms; Schleusenspannung & Diffusionsspannung; Durchlaßstrom; Belastbarkeit; Strom in Sperrichtung; Sperrschichtkapazität; Duchlaßwiderstand; differentielle Widerstand Si: U S 0,7 V; Ge: U S 0,5 V Folie 3 (WS 2002/03)

4 Zur Schaltungsdimesnionierung ist häufig der Durchlaßwiderstand relevant: Durchlaßwiderstand: r F = U F I F Differentielle Durchlaßwiderstand (bei kleinen Signalen relevant) r F = U F I F Folie 4 (WS 2002/03)

5 2.2 Spannungs- & Stromaufteilung in Stromkreisen mit Dioden Reihenschaltung von Diode & Lastwiderstand In grober Näherung kann die Spannungsaufteilung bei kleinen Spannungen mit dem differentiellen Widerstand und der Schleusenspannung berechnet werden Grafische Lösung, wenn U B U F (Vernachlässigung des Durchlaßwiderstandes) Reihenschaltung von in Reihe geschalteten Dioden & Lastwiderstand Durchlaßspannungen bzw. Schleusenspannungen addieren sich Zweck: - Erhöhung der zulässigen Betriebsspannung in Sperrichtung - Erzeugung von Vergleichsspannungen (U ref ) für Stromquellenschaltungen mit Transistoren Reihenschaltung von in Reihe geschalteten Dioden & Lastwiderstand Durchlaßströme addieren sich Zweck: - Erhöhung des möglichen Betriebsstromes Folie 5 (WS 2002/03)

6 r F aus Grafik (besser Diodenkennlinie) r F = U F I F... = 0,12 Ω = 0,1 V 0,85 A =... I F = U B - U S r F + R L = 1,5 V - 0,7 V (0,12 + 2,5)Ω = 0,8 2,62 A 0,31 A Folie 6 (WS 2002/03)

7 Folie 7 (WS 2002/03)

8 Folie 8 (WS 2002/03)

9 Bei Schaltungsbeispiel würde der 2x Nennstrom zur Überlastung von D1 führen Bei diskreten Schaltungen: Dioden mit nahezu gleichen Durchlaßkennlinien! Sperrschichtkapazität und Diffusionskapazität beeinflußen das dynamische Verhalten von Dioden Belastbarkeit und thermisches Verhalten P V = P th = t j - t A R th (t j : Sperrschichttemperatur; t A : Umgebungstemperatur; R th : therm. Gesamtwiderstand) Folie 9 (WS 2002/03)

10 Beispiel: Angabe der Sperrschichttemp. v. 398 K; therm. Widerstand des Bauelementes inkl. Kühlkörper v. 0,84 K/W; Umgebungstemp. v. 328 K P V = P th = 398 K K 0,84 K/W = 83,3 W 2.3 Z-Diode Z- oder Zener-Diode: - betriebsmäßiger Einsatz im Sperrbereich unter Ausnutzung der Durchbruchspannung - Beachtung der zulässigen Ströme in Durchlaß- & Sperrrichtung - je nach Dotierung der Grenzschicht ist Durchbruchspannung U BR nahezu beliebig justierbar - Z-Dioden im Bereich (5-10) V (aber auch bis 100 V) Ausnutzung des Zenereffektes (Feldstärke > V/cm): Ladungsträger können das verbotene Band überspringen und stehen als quasi freie Ladungsträger im Leitungsband zur Verfügung (Stromfluß); bei weiterer Spannungserhöhung setzt schließlich Lawineneffekt ein Folie 10 (WS 2002/03)

11 Z-Diode mit Durchbruchspannungen bis 5 V (Zenerbereich): kleiner negativer Temperaturkoeffizient der Durchbruchspannung; Z-Diode mit Durchbruchspannungen über 6 V (Spannungsdurchbrüche bedingt durch Lawineneffekt): zunehmend posit. Temperaturkoeffizient der Durchbruchspannung Anwendungen von Z-Dioden: (1) Stabilisierung von Spannungen: U B = U Z + I Z ( r Z + R V ) I Z = U B - U Z r Z + R = 12 V - 8 V 20 ma V 2 Ω Ω je kleiner r z, desto besser Stabilisierung (s. nachfolgende Grafik) Folie 11 (WS 2002/03)

12 (2) Schwellwertbildung mit zwei Z-Dioden... erst bei Spannungen größer U Z erhält Verstärker Spannung (3) Meßbereichsunterdrückung Voltmeter hat Meßbereich von V, Ladezustand einer Batterie (nicht interessanter Bereich zw V wird unterdrückt), erst ab 10 V Spannungsausschlag Folie 12 (WS 2002/03)

13 (4) Z-Diode zum Schutz eines Meßwertes 2.4 Tunnel-Diode... Dioden mit unterschiedlich stark dotiertem pn-übergang Tunneleffekt (s.abb ) Schichten beiderseits der Grenzschicht so stark dotiert, daß sich Ladungsträger wie in Metallen verhalten steiler Bereich der Kennlinie (bis A) Folie 13 (WS 2002/03)

14 Begrenzung der Ladungsträger aus beiden dünnen, hochdotierten Schichten führt bei weiteren Spannungserhöhung zu kleineren Strömen (Bereich A-E) Schließlich Kennlinie einer üblich dotierten Diode (exponentieller Verlauf) Gütemaß von Tunneldioden: I 1 I 2 ( ) Fallender Kennlinienbereich: Erzeugung von Schwingungen sehr hoher Frequenzen (einige GHz); Signalspannungen U e verursachen Parallelverschiebungen der Widerstandsgeraden Modulation 2.5 Backward-Diode... Tunneldiode, deren pn-übergang schwächer dotiert ist Vermeidung des typischen Höckers, Eigenschaften im Spannungsnulldurchgang bleiben erhalten Folie 14 (WS 2002/03)

15 Einsatz der Backward-Diode in Sperrichtung; Durchlaßrichtung des pn-übergangs wird zum Sperren der Signalspannung genutzt Gleichrichter kleinster hochfrequenter Signalspannungen (Ausnutzung der großen Steilheit im Nulldurchgang) Folie 15 (WS 2002/03)

16 2.5 Gunn-Diode... ist Diode, die auf dem sog. Gunn-Effekt beruht. Herstellung aus Gallium-Arsenid Erzeugung von Mikrowellen! Wirkungsweise: bei einer bestimmten Spannung zw. Kathode und Anode Ausbildung einer eng begrenzten Zone sehr hoher Feldstärke in der Kathodengrenzschicht - Domäne diese Domäne wandert mit konst. v (10 8 mm/s) zur Anode Stromstoß (L bestimmt die Frequenz) Betriebsspannungen (7-20) V: Impulsströme zw. ( ) ma Einsatz in Radargeräten Folie 16 (WS 2002/03)

17 2.6 Impatt-Diode Impact Avalanche Transit Time Diode (Lawine-Laufzeit-Diode) aus GaAs & Si Diode wird in Sperrichtung betrieben; Betriebspunkt nahe der Durchbruchspannung, so daß Signalspannung jeweils Durchbruch hervorruft; freie Ladungsträger werden beschleunigt Lawineneffekt derart generierte Ladungsträger benötigen gewisse Zeit zum Durchlaufen der I-Zone. bei richtiger Schaltungsdimens.m. Impatt-Diode: selbsttätige Schwingungserzeugung Einsatz in Radargeräten Folie 17 (WS 2002/03)