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1 Dioden - Anwendungen vereinfachte Diodenkennlinie Für die meisten Anwendungen von Dioden ist die exakte Berechnung des Diodenstroms nach der Shockley-Gleichung nicht erforderlich. In diesen Fällen kann die Diodenkennliniennlinie oberhalb von U F durch eine Gerade mit der Steigung R D ersetzt werden, die bei U F die U AK - Achse schneidet. Die Gleichung für eine vereinfachte Diodenkennlinie lautet : ü Dabei ist der differentielle Widerstand, d.h. die Steigung der Geraden für : Fig.1: vereinfachte Diodenkennlinie für eine Si-Diode Diode als Ventil, stark vereinfachte Diodenkannlinie In diesem Fall nutzt man die Eigenschaft einer Diode aus, nur ein einer Richtung Strom durchfließen zu lassen. Für solche Anwendungen reicht es aus, zu wissen, ob eine Diode leitet oder sperrt. Hier setzt man, damit ist die Kennlinie eine Parallele zur - Achse, die bei die Spannungsachse schneidet. Betrieb in Durchlaßrichtung In Durchlaßrichtung müssen Dioden immer mit einem Vorwiderstand zur Strombegrenzung betrieben werden. Damit ergibt sich das Problem, den Arbeitspunkt (AP) einer Diode im I. Quadrant des Kennlinienfeldes zu ermitteln.

2 Fig.2: Diode mit Vorwiderstand Zur Ermittelung des AP muß die Widerstandsgerade von R v in das Kennlinienfeld eingezeichent werden. Dazu werden zwei Fälle betrachtet: Kurzschlußfall: die Diode wird durch einen Kurzschluß ersetzt, U AK = 0V, I AK = U B /R V. Dieser Strom legt den Schnittpunkt der Widerstandsgeraden mit der I AK - Achse fest. Leerlauffall: die Diode wird durch eine Unterbrechung ersetzt, I AK = 0A, U AK = U B. Diese Spannung legt den Schnittpunkt der Widerstandsgeraden mit der U AK - Achse fest. Nun ergibt sich der Arbeitspunkt als Schnittpunkt der Widerstandsgeraden mit der Diodenkennlinie. Genügt eine vereinfachte Diodenkennlinie und ist der differentielle Widerstand bekannt, können Spannungen und Ströme am Schnittpunkt berechnet werden: = ( ) = =

3 Fig. 3: vereinfachte Diodenkennlinie mit Vorwiderstandsgerade für R V = 30Ω Die vereinfachte Diodenkennlinie ist z.b. sinnvoll, wenn Dioden zur Stabilisierung von Spannungen verwendet werden. Anwendungen für die stark vereinfachte Diodenkennlinie mit R D = 0ΩΩ : Einweg- und Zweiweg-Gleichrichter: Fig. 4: Einweggleichrichter mit Glättungskondensator Da beim Einweggleichrichter eine Halbwelle der Wechselspannung durch die Diode kurzgeschlossen wird, wird auch nur etwa die Hälfte der Leistung des Wechselstroms in Gleichspannungsleistung istung umgesetzt. Um die negative Halbwelle ebenfalls gleichzurichten ist ein Zweiweg-Brückengleichrichter erforderlich:

4 Fig. 5: Brückengleichrichter Die Funktionsweise der Gleichrichtung läßt sich verstehen, wenn betrachtet, in welchem Fall Dioden im Leitenden oder Sperrenden Zustand sind: 1. Fall U 2 : positive Halbwelle (Pfeile bezeichnete die Stromrichtung im Gleichrichter) 2. Fall U 2 : negative Halbwelle In beiden Fällen fließt der Strom durch den Lastwiderstand in der gleichen Richtung, nur unterschiedliche Diodenpaare sind leitend. Anwendungen von Zener-Dioden Zenerdioden werden entweder als zur Spannungs-Stabilisierung oder zur Spannungsbegrenzung eingesetzt. Im ersten Fall wird die vereinfachte, im zweiten Fall die stark vereinfachte Diodenkennlinie für Sperr- und Durchlaßbereich angewendet.

5 Eine typische Stabilisierungsschaltung ist nachfolgend abgebildet: Die Z-Diode mit, wird in Sperrichtung betrieben und hält die Spannung an R a konstant, solange R a groß gegenüber dem differentiellen Widerstand der Diode im Sperrichtung ist. Der Arbeitspunkt kann bei bekanntem differentiellen Widerstand und bekanntem R a mit der gleichen Methode wie bei der Si-Diode in Durchlaßrichtung über den Schnittpunkt von Diodenkannlinie und Widerstandsgerade ermittelt werden. Spannungsbegrenzungen sollen häufig symmetrisch wirken, d.h. man will erreichen, daß für eine Spannung U e gilt:, wenn " # die Grenzspannung ist. Hierzu sind zwei in Reihe geschaltete Z-Dioden erforderlich, bei denen die Zenerspannungen so gewählt sein müssen, daß sich die gewünscht Grenzspannung = $ % ergibt. Photodioden Für Photodioden werde, je nach Anwendungsbereich, unterschiedliche Halbleiter verwendet. Die Ursache hierfür sind die verschiedenen spektralen Empfindlichkeiten der halbleitenden Kristalle. Die spektrale Empfindlichkeit ist ein Maß für die Stärke des erzeugten Photostroms bei gegebener Strahlungsleistung. Spektrale Empfindlichkeit als Funktion der Wellenlänge Eine Photodiode stellt eine Stromquelle dar, deren Strom über viele Zehnerpotenzen linear mit der Strahlungsleistung zunimmt. Da der Photostrom in Sperrichtung fließt, verschiebt sich die Kennlinie einer Photodiode mit zunehmender Lichtintensität in den Sperrbereich:

6 Photodioden-Kennlinie Zwei Betriebsarten sind bei Photdioden-Anwendungen üblich: Elementbetrieb im IV. Quadranten (Messung von Kurzschlußstrom (R = 0), Leerlaufspannung ( R = ) oder Lastwiderstand R) Diodenbetrieb im III. Quadranten (Mit von außen angelegter Sperrspannung und Lastwiderstand R, eingezeichet: U = -5V, R = 10kΩ). Da die typischen Photodiodenströme sehr klein sind, ist in der Regel eine Verstärkung des Photodiodenstroms erforderlich.

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