Anode. mit I S = Sperrsättigungsstrom

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1 4 Die Diode 4.1 Allgemeines Ein Halbleiterkristall aus p-zone, n-zone und dazwischen liegendem pn-übergang, mit äußeren Anschlüssen und einem geeigneten Gehäuse versehen, ergibt ein wichtiges elektronisches Bauelement die Diode. Wie in den Abschnitten und beschrieben, unterscheidet man beim Anlegen einer äußeren Spannung an die Diode die Sperrpolung und die Flusspolung. - Bei Sperrpolung sperrt die Diode. Es fließt lediglich ein kleiner Sperrsättigungsstrom. - Bei Flusspolung leitet die Diode. Bereits bei kleinen Spannungen tritt ein mit der Spannung exponentiell ansteigender Durchlassstrom auf. Die Diode kann demzufolge als elektronisches Ventil eingesetzt werden (Stromfluss nur in einer Richtung möglich). Dieser Ventilcharakter kommt im Schaltzeichen der Diode zum Ausdruck. Schaltzeichen der Diode Abbildung 4-1 Allgemeines Schaltzeichen der Diode Anode Katode Der p-seitige Anschluss der Diode wird Anode, der n-seitige Anschluss Katode genannt. Die Diode lässt Strom (konventionelle Stromrichtung) in Richtung der im Schaltzeichen integrierten Pfeilspitze zu (von Anode zu Katode). Kennlinie Der Gesamtstrom durch den idealen pn-übergang beträgt: = (e T S 1) mit S = Sperrsättigungsstrom n der Gleichung ist die an die Diode angelegte äußere Spannung einzusetzen. Hierbei ist eine Flussspannung positiv ( = F > 0), eine Sperrspannung negativ ( = R < 0) einzusetzen. Reale Dioden zeigen Abweichungen von dieser dealkennlinie. m Durchlassbereich lässt sich dies mit einem Korrekturfaktor m im Exponenten der Gleichung annähern. m Durchlassbereich mit F >> T kann außerdem die 1 in der Gleichung gegenüber dem Exponenzialglied vernachlässigt werden. Für die Durchlasskennlinie gilt dann: F F = m T e mit m = S Abbildung 4-2 Kennlinie der Diode ( für kleine und mittlere Ströme) deale Diode Reale Diode Durchlassbetrieb Sperrbetrieb S 49

2 Bei großen Durchlassströmen wirken sich zusätzlich zum eigentlichen pn-übergang die Bahnwiderstände des Halbleiterkristalls aus. Dies führt dazu, dass sich die Dioden-Durchlass- Kennlinie bei großen Strömen einer Gerade annähert. Abbildung 4-3 Diodenkennlinie bei großen Durchlassströmen e-funktion Gerade Der Sperrstrom einer realen Diode ist wegen Oberflächeneffekten immer größer als S. Belastungsgrenzen Der nutzbare Kennlinienbereich der Diode wird im Durchlassbereich begrenzt durch die maximal zulässige statische Verlustleistung P tot. m Sperrbereich tritt bei Überschreiten eines typabhängigen Wertes der Sperrspannung ein starker Sperrstromanstieg auf. Bei den Z-Dioden (siehe Abschnitt 4.5) kann dieser Durchbruch bis zu einer maximalen Sperrverlustleistung technisch genutzt werden (reversibler 1. Durchbruch). Bei Überschreitung der maximalen Sperrverlustleistung und bei anderen Dioden besteht die Gefahr des thermischen Durchbruchs (siehe Abbildung 4-4, 2. Durchbruch) mit Zerstörung der Diode. Aus diesem Grunde darf eine maximale Sperrspannung BR bzw. bei Z-Dioden die maximal zulässige Sperrverlustleistung nicht überschritten werden. Abbildung 4-4 Belastungsgrenzen der Diode BR P tot 2.Durchbruch Dynamisch sind kurzzeitig höhere Belastungen zulässig. Die entsprechenden Grenzdaten finden sich im Datenblatt. Gleichstromwiderstand Abbildung 4-5 Gleichstromwiderstand der Diode AP R F AP AP Wird die Diode in einem Arbeitspunkt AP betrieben, so fließt der Strom AP und der Spannungsabfall beträgt AP. 50

3 Der Widerstand AP R F = ist der Gleichstromwiderstand der Diode. AP Der Gleichstromwiderstand ist eine reine Rechengröße und besitzt keine große Bedeutung. Es wird empfohlen, auf seine Verwendung zu verzichten. Wechselstromwiderstand - Differentieller Widerstand Tritt im Arbeitspunkt AP eine kleine Spannungsänderung auf, so führt dies zu einer Stromänderung. Das Verhältnis r f = für 0 ist der differentielle Widerstand im Arbeitspunkt. Der differentielle Widerstand r f ist ein Maß für die Steigung der Tangente an die Diodenkennlinie im Arbeitspunkt. Abbildung 4-6 Tangente an die Kennlinie AP Der differentielle Widerstand ist z.b. bedeutsam für kleine Wechselsignale, die im Arbeitspunkt überlagert werden. Differentieller Widerstand r f = Wechselstromwiderstand der Diode Zur Vereinfachung der Behandlung von Dioden bei Schaltungsberechnungen wird die Diodenkennlinie häufig stückweise linearisiert. Hierzu wird der exponentiell ansteigende Kennlinienteil durch eine Gerade (Tangente oder Sekante im Arbeitsbereich) ersetzt. Der Schnittpunkt dieser Geraden mit der Spannungsachse wird Schwellspannung F0 (in anderer Literatur oft auch S ) genannt. Die Größen F0 und r f charakterisieren diese lineare Kennliniennäherung. (Weitere nformationen zu linearen Kennliniennäherungen finden sich im Anhang A, Abschnitt A.3.3) Abbildung 4-7 Lineare Kennliniennäherung r f r f Tangenten- Näherung Sekanten- Näherung F0 F0 51

4 4.2 niversal- und Richtdiode niversal- oder Richtdioden werden vorwiegend zur Gleichrichtung eingesetzt, z.b. als - Spannungsbegrenzer, - Netzgleichrichter, - Demodulator, - Signaldioden, sowie in - Spannungsvervielfachern usw. Es gibt zahllose für unterschiedliche Anforderungen ausgelegte Typen und Bauformen. Anwendungen der niversaldiode als Netzgleichrichter und Spannungsvervielfacher werden in den Abschnitten 6 bis 8 behandelt. Die Tabelle 4-1 zeigt ausgewählte Daten einer Diode für kleine Ströme (Signaldiode), einer Kleinleistungsdiode und einer schnellen Leistungsdiode. Tabelle 4-1 Daten verschiedener niversal- und Gleichrichtdioden Typ 1 N 4148 MR 501, MR 502, N 3913 Anwendung Signaldiode Kleinleistungsdiode Grenzwerte fast recovery Leistungsdiode periodische Spitzensperrspannung (peak repetitive reverse voltage) Strommittelwert (average rectified forward current) Einmaliger Spitzenstoßstrom (surge forward current) RRM 100 V 100 V, 200 V, V 400 V 0M 150 ma 3 A 30 A FSM 500 ma 100 A 300 A Typische Kennwerte (bei 25 C) Sperrstrom (leakage current / reverse current) Sperrschichtkapazität ( R = 1V) (junction capacitance) Sperrerholzeit (reverse recovery time) R 25 na 100 na 10 µa C 4 pf 40 pf 90 pf t rr 4 ns 5 µs 150 ns Wärmewiderstand (1) (thermal resistance) R th 350 K/W 28 K/W 1,2 K/W (innerer R th) Bauform Glasgehäuse, axiale Anschlussdrähte Plastikgehäuse, axiale Anschlussdrähte Metallgehäuse mit Schraubanschluss (1) Der Wärmewiderstand wird in Abschnitt Fehler! Verweisquelle konnte nicht gefunden werden. behandelt 52

5 4.3 Hochsperrende Leistungsdioden Für die Gleichrichtung sehr großer elektrischer Leistungen müssen Dioden mit hoher Sperrfähigkeit und niedrigem Durchlasswiderstand eingesetzt werden. Diese Anforderungen widersprechen sich jedoch: - Hohe Sperrfähigkeit erfordert eine große Sperrschichtweite, d.h. niedrige Dotierungen, - ein niedriger Durchlasswiderstand erfordert geringe Bahnwiderstände, d.h. hohe Dotierung. m beide Forderungen in einem Bauteil zu erfüllen, wird zwischen hochdotierte p- und n- Zonen eine dünne niedrig oder nicht dotierte Zwischenschicht eingefügt. pin-struktur psn-strukturen Abbildung 4-8 pin- und psn-dioden p + i n + p + p n + (i = intrinsic = nicht dotiert; s = soft = schwach dotiert) p + n n + Diese Zwischenschicht nimmt einerseits hohe Sperrspannungen auf und wird andererseits im Durchlassbetrieb mit Ladungsträgern derart überschwemmt, dass sie (bei nicht zu hohen Frequenzen) keinen Beitrag zum Durchlasswiderstand leistet. Durch solche Strukturen und weitere konstruktive Maßnahmen lassen sich Leistungsdioden für Durchlassströme bis zu mehreren 10 ka und Sperrspannungen von einigen 1000 V herstellen. Tabelle 4-2 Grenzwerte Daten der Hochleistungsdiode 5SDD 33L5000 (ABB Semiconductors) Periodische Spitzensperrspannung (50 Hz) RRM 4000 V Einmalige Spitzensperrspannung (< 5 ms) RSM 5200 V Strommittelwert (50 Hz) FAVM 3300 A Stromeffektivwert (50 Hz) FRMS 5180 A Einmaliger Spitzenstoßstrom FSM A (10 ms) A (1 ms) Typische Kennwerte Schwellspannung F0 1,0 V Differentieller Widerstand r f 0,13 mω Durchlassspannung bei F = 5000 A F < 1,68 V Sperrstrom (bei ϑ j = 150 C; R = 4000V) RRM < 400 ma Max. zulässige Sperrschichttemperatur ϑ Jmax 150 C Wärmewiderstand (junction to case) Wärmewiderstand (case to heat sink) - einseitig gekühlt - beidseitig gekühlt - einseitig gekühlt - beidseitig gekühlt R th/j-g R th/g-k p + p n n + Bauform: Scheibendiode 120 mm Dicke 27 mm 16 K/kW 8 K/kW 6 K/kW 3 K/kW 53

6 4.4 Schaltdioden Für Schaltanwendungen werden Dioden mit speziellen dynamischen und statischen Eigenschaften benötigt. Je nach Einsatzfall sind gefordert: - hohe Sperrfestigkeit, niedrige Durchlassspannung, - sehr kleine Sperrverzögerungszeit, - sanftes Abklingen des Rückstromes, - abruptes Abreißen des Rückstromes, - kleine Rückstromspitze usw.. Den unterschiedlichen Anforderungen entsprechend existiert ein breites Angebot von Schaltdioden mit z.t. sehr speziellen Eigenschaften: - schnellschaltende Dioden mit kurzer Speicher- und Abfallzeit (z.b. mit Golddotierung zur Verkürzung der Ladungsträger-Lebensdauer), - Ladungsspeicherdioden, Step-Recovery- oder Snapp-off-Dioden mit extrem kurzer Abfallzeit, - fast-recovery-dioden (GaAs-Dioden mit natürlicher kleiner Ladungsträger-Lebensdauer), - Schottky-Dioden (siehe Abschnitt 4.9) usw Die Z-Diode Dioden, die für eine technische Nutzung von Zener- bzw. Lawinendurchbruch hergestellt werden, wurden früher unabhängig vom maßgeblichen Wirkungsprinzip Zener-Dioden genannt. Heute gilt die Bezeichnung Z-Diode. Für Z-Dioden wird folgendes Schaltzeichen verwendet: Abbildung 4-9 Schaltzeichen der Z-Diode Anode Katode Die Sperrkennlinie der Z-Diode hat prinzipiell folgendes Aussehen: Abbildung 4-10 Sperrkennlinie der Z-Diode z B Z0 A Zmin 0 P tot r z Zmax m Verlauf der Sperrkennlinie lassen sich die Abschnitte Sperrbereich (0 - A), Knickbereich (A - B) und Durchbruchbereich (B - C) unterscheiden. m Durchbruchbereich verläuft die Kennlinie in der Regel sehr steil, annähernd gerade und lässt sich in guter Näherung durch eine lineare Gleichung beschreiben (siehe hierzu Anhang A, Abschnitt A.3.3: Linearisierung von Kennlinien). Einer der wichtigsten Anwendungszwecke der Z-Diode ist die Stabilisierung von Spannungen. Hierzu wird die Diode grundsätzlich im Durchbruchbereich betrieben. Dieser wird nach oben durch die maximal zulässige Verlustleistung P tot (entspricht dem Strom Zmax ) und nach unten durch den Strom Zmin begrenzt. C z 54

7 Der Strom Zmin grenzt den Durchbruchbereich gegenüber dem Knickbereich ab. Wird Zmin unterschritten, so geht die stabilisierende Wirkung der Durchbruchkennlinie verloren. Tabelle 4-3 Daten einiger Z-Dioden-Typenreihen Baureihe BZX55 BZX85 BZV48 ZX Bezeichnung BZX 55 C2V7...BZX55 C110 BZX85 C2V7...BZX85 C110 BZV48 C3V3...BZV48 C200 ZX 3,9... ZX 200 Z-Spannungen (2) Z 2, V 2, V 3, V 3, V Zul. Verlustleistung 0,5 W 1,3 W 5 W 10 W (Kühlblech) Bauform Glasgehäuse, axiale Anschlussdrähte Glasgehäuse, axiale Anschlussdrähte Plastikgehäuse, axiale Anschlussdrähte Z-Dioden mit hohen Durchbruchspannungen (bis in den kv-bereich) werden meist Avalanche-Dioden genannt (avalanche = Lawine (engl.)). Metallgehäuse mit Schraubanschluss 4.6 Kapazitätsdiode Bei den Kapazitätsdioden, auch Varaktordioden genannt, ist die spannungsabhängig veränderbare Sperrschichtkapazität funktionsbestimmend. Die Maximalwerte der Kapazität von Kapazitätsdioden liegen im Bereich pf. Durch geeignete Dotierungsprofile (linear, abrupt, hyperabrupt) lassen sich Sperrschichtkapazitäten realisieren, die durch Spannungsänderungen im Verhältnis 1:3 (bei hyperabrupt bis 1:30) variiert werden können. Für die Sperrschichtkapazität als Funktion der Sperrspannung gilt grundsätzlich die Beziehung: c S = c S0 D D + Je nach Dotierungsprofil ergeben sich andere Werte für den Exponenten n. Abbildung 4-11 Dotierungsprofile von Kapazitätsdioden (einseitig hochdotiert) R abrupter pn-übergang linearer pn-übergang hyperabrupter pn-übergang n n = 1 2 n = 1 3 n = 1, Kapazitätsdioden kommen zum Einsatz als Abstimmdioden (z.b. zur automatischen Scharfabstimmung von Rundfunk- und Fernsehempfängern, AFC), zur Frequenzvervielfachung, in (rauscharmen) parametrischen Verstärkern usw.. (2) Üblich ist eine Staffelung nach der E24-Reihe: 2,7 / 3 / 3,3 / 3,6 / 3,9 / 4,3 / 4,7 / 5,1 / 5,6 / 6,2 / 6,8 / 7,5 / 8,2 / 9,1 / 10 / 11 / 12 / 13 / 15 / 16 / 18 / 20 / 22 / 24 / 27 usw. 55

8 Tabelle 4-4 Daten von Kapazitätsdioden Typ BB112 BB139 BB631 BB709A Kapazität C max bei R = 1 V Kapazität C min 500 pf 50 pf 50 pf 35 pf 20 pf bei R = 9 V 5 pf bei R = 25 V 3,5 pf bei R = 25 V 2,7 pf bei R = 28 V C max / C min ,3 13 Serienwiderstand 0,9 Ω 0,75 Ω Serieninduktivität 1,5 nh 4,5 nh Anwendung KML- Abstimmung KW-Abstimmung Bei Betrieb der Kapazitätsdioden im Sperrbereich ergeben sich hohe Werte der Güte bis in den GHz-Bereich (Q = 1/(ωCR) = ). Abbildung 4-12 Alternative Schaltzeichen der Kapazitätsdiode (a) (veraltet) (b) (neu) 4.7 Tunneldiode Bei der Tunneldiode liegt die Dotierung von n- und p-zonen so hoch (>> cm -3 ), dass Entartung eintritt. Hierbei liegt das Fermi-Niveau nicht mehr innerhalb des verbotenen Bandes, sondern auf der p-seite innerhalb des Valenzbandes, auf der n-seite innerhalb des Leitungsbandes. Bei der Tunneldiode stehen sich daher bereits im spannungslosen Zustand ein Teil des Valenzbandes der p-seite und ein Teil des Leitungsbandes der n-seite gegenüber. Zudem ist die Sperrschichtweite extrem gering. Bereits bei kleinen äußeren Spannungen tunneln Ladungsträger durch die Sperrschicht. Abbildung 4-13 Bändermodell der Tunneldiode Sperrpolung < 0 Zenerstrom ohne Spannung = 0 = 0 Flussfall > 0 überwiegend Esakistrom Flussfall > 0 nur noch Diffusionsstrom W F W F W F W F (a) (b) (c) (d) Bei Sperrpolung (a) tunneln Valenzelektronen vom Valenzband der p-seite ins Leitungsband der n-seite (Zenerstrom). Bereits bei kleinen Sperrspannungen tritt ein kräftiger Stromfluss auf. Die Tunneldiode hat keine Sperrfähigkeit. 56

9 Bei schwacher Flusspolung (c) tunneln Leitungselektronen vom Leitungsband der n-seite ins Valenzband der p-seite (sog. Esaki-Strom). Bereits bei kleinen Flussspannungen tritt ein kräftiger Stromfluss auf. Mit wachsender Flussspannung verringert sich allerdings der Bereich, in dem sich Valenzband und Leitungsband gegenüberstehen; schließlich hört diese Gegenständigkeit ganz auf (d). Demzufolge durchläuft der Esakistrom nach anfänglichem Steigen ein Maximum ( Höckerstrom ) und sinkt dann gegen Null. Dem Esakistrom überlagert ist der normale Durchlassstrom (Diffusionsstrom) der Diode. An den Stromhöcker des Esakistromes schließt sich daher ein Stromminimum ( Talstrom ) und dann die normale Durchlasskennlinie der Diode an. Abbildung 4-14 Kennlinie der Tunneldiode (b) (c) (d) (a) Zwischen Höckerstrom und Talstrom tritt ein Kennlinienabschnitt mit negativem differentiellem Widerstand auf. Dadurch lässt sich die Tunneldiode zur Schwingungserzeugung im Mikrowellenbereich nutzen. Abbildung 4-15 Schaltzeichen der Tunneldiode 4.8 Backward-Diode Eine Sonderform der Tunneldiode ist die Backward-Diode. Durch entsprechende Dotierung befinden sich bei der Backwarddiode die Valenzbandkante des p-gebiets und die Leitbandkante des n-gebiets im spannungslosen Zustand auf gleicher Höhe. Damit tritt bei Sperrpolung sofort Tunnelstrom auf, im Flussbereich jedoch nicht. Die Backwarddiode besitzt daher keinen Stromhöcker im Flussbereich, bei Sperrpolung leitet sie jedoch bereits bei sehr kleinen Spannungen (keine Schwellspannung). Abbildung 4-16 Schaltzeichen und Kennlinie der Backward-Diode Aufgrund dieser Eigenschaften ist die Backward-Diode geeignet zur Gleichrichtung von Wechselspannungen im mv-bereich. Dabei leitet die Backward-Diode in Sperrpolung und sperrt in Flusspolung. 57

10 4.9 Schottky-Diode Die Schottky-Diode beruht nicht auf einem pn-übergang, sondern auf einem Metall- Halbleiter-Übergang (in der Regel n-halbleiter). Auch hier tritt (im Halbleiter) eine Raumladungszone mit Gleichrichter-Eigenschaften auf. (siehe hierzu Abschnitt 3) Abbildung 4-17 Schaltzeichen der Schottky-Diode m Gegensatz zum pn-übergang ist bei Flusspolung praktisch nur eine Majoritätsträgerart (Elektronen des n-leitenden Halbleiters) beteiligt. Langsame Minoritätsträgerprozesse entfallen. Dadurch sind die dynamischen Eigenschaften der Schottky-Diode erheblich besser als bei der pn-diode (z.b. sehr viel kürzere Schaltzeiten). Die Schleusenspannung der Schottky-Diode ist deutlich niedriger als die der pn-diode (z.b. 0,3... 0,4V). Die Kennlinie folgt über mehrere Größenordnungen exakt dem theoretischen Verlauf der e-funktion (sehr viel besser als bei der pn-diode). Andererseits hat die Schottky-Diode auch weniger günstige Eigenschaften als die pn-diode: Der Sperrstrom ist ein Majoritätsträgerstrom, um mehrere Größenordnungen höher und wesentlich stärker von der Sperrspannung abhängig als bei der pn-diode. Die Durchbruchspannung ist erheblich niedriger als bei pn-dioden. Tabelle 4-5 Daten von Schottky-Dioden Typ 1N 5711 BAT 42 1N5819 MBR 1035 Grenzwerte Strommittelwert FAVM 15 ma 100 ma 1 A 10 A Sperrspannung RRM 70 V 30 V 40 V 35 V Typische Kennwerte Durchlassspannung F < 0,41 V bei 1 ma < 0,4 V bei 10 ma Sperrschichtkapazität C 2 pf 5 pf < 0,35 V bei 100 ma Wichtige Anwendungsbereiche der Schottky-Diode sind: - Höchstfrequenz-Diode (Gleichrichtung, Mischung), - Schaltdiode mit extrem kurzer Schaltzeit, - Leistungsgleichrichter für hohe Schaltfrequenzen (z.b. in Schaltnetzteilen), - Klammerdiode für bipolare Schalttransistoren (zur Vermeidung einer starken Übersteuerung), - Schottky-Logik-Schaltkreise, - opto-elektronische Bauteile usw Weitere Diodenformen < 0,57 V bei 10 A Die Liste der heute verfügbaren Dioden ließe sich beliebig weiterführen (laufzeitgesteuerte Bauelemente wie mpatt-, Tunnett-, Baritt- und Qwitt-Dioden, Volumenbarrieren-Dioden, Shockleydioden, Gunndiode usw.). Diese werden hier jedoch nicht behandelt. 58

11 4.11 Übungsaufgaben zu Dioden Aufgabe 4-1: Allgemeine Fragen zu Dioden (a) Warum weicht die Durchlaßkennlinie einer Diode für große Ströme vom exponentiellen Verlauf ab und geht in einen annähernd linearen Verlauf über? (b) Was versteht man unter dem differentiellen Widerstand der Diode? (c) Wozu dient die ntrinsic-zone bei hochsperrenden Leistungsdioden? (d) Wodurch erreicht man kleine Durchlass-Spannungen bei hochsperrenden Leistungsdioden? (e) Was ist eine Avalanche-Diode? (f) Was versteht man unter einem hyperabrupten pn-übergang? Wozu dient er? (g) Wozu verwendet man die Backward-Diode? (h) Welches sind die speziellen Eigenschaften einer Schottky-Diode? Aufgabe 4-2: 60 /ma 50 Grafische Ermittlung des Arbeitspunktes R1 R2 R3 F = 8 V R1 = 100 Ω R2 = 150 Ω R3 = 47 Ω Diode: 1N4148 Ermittle grafisch Durchlass-Strom F und Durchlass-Spannung F der Diode. F 1N /V 10 59

12 Aufgabe 4-3: Überlagerung von Gleich- und Wechselstrom B R 1 R 2 A i F B = 20 V û b = 8 V u b R 3 aktiver Zweipol B u D D passiver Zweipol R 1 = 1,5 kω R 2 = 1,2 kω R 3 = (a) Zeichne und berechne die Ersatzspannungsquelle des aktiven Zweipols Ermittle grafisch mittels Schnittpunktverfahren: (b) den Arbeitspunkt der Diode [ F = f( B ) und F = f( B )] (c) die Größe î f des Wechselstromes durch die Diode (Wechselstromanteil des Diodenstromes) 20 /ma 1N /V 8 Aufgabe 4-4 Kapazitätsdiode Für eine gegebene hyperabrupte Kapazitätsdiode gelte die Beziehung: c 2 D S = cs0 D + mit D = 1V R (a) m welchen Faktor C max /C min unterscheidet sich die Sperrschichtkapazität für die Sperrspannungswerte R = 1 V und R = 9 V? (b) Für welche der beiden Sperrspannungen ergibt sich die größere Kapazität? 60

13 Aufgabe 4-5 Linearisierung der Diodenkennlinie 40 Ermittle aus der nebensteheden Diodenkennlinie die Werte F0 und r f zur Linearisierung der Kennlinie für einen Betrieb mit Strömen a) im Bereich 5 ma F 20 ma b) im Bereich 5 ma F 40 ma F /ma Aufgabe 4-6: Einfache Widerstands-Diodenschaltungen n vielen Fällen kann man die Funktion einer Diode in einer Schaltung ausreichend beurteilen, in dem man die nicht lineare (z.b. exponentielle) Kennlinie einer Diode durch eine lineare Näherung ersetzt. Analysiere mit dieser Vorgehensweise die folgenden Einzelschaltungen und ermittle jeweils die eingezeichneten Spannungen und Ströme. Für eine Diode in Flußpolung soll (als Näherung) gelten F = 0,7 V. Für eine Z-Diode im Durchbruch soll (als Näherung) gelten Z = 8,2 V ,2 0,4 0,6 0,8 1,0 F /V ZD ZD ZD 2 kω ZD ZD ZD V Gnd 61

14 Aufgabe 4-7: Dioden-Logikschaltung Die Eingänge E 1 sowie E 2 der gezeichneten Schaltung können unabhängig voneinander entweder an Masse (0V) oder an B (+5V) angeschlossen werden (4 Kombinationen). Stelle in Tabellenform (Tabelle A) dar, welche Spannung sich bei den vier Eingangssignalkombinationen jeweils am Ausgang gegenüber Masse einstellt (berücksichtige F = 0,7 V für eine leitende Diode). Spannungen zwischen 0V und 1V sollen nun als logisches 0-Signal, Spannungen zwischen 4V und 5V als logisches 1-Signal betrachtet werden. Übertrage damit die Werte für das Ausgangssignal aus Tabelle A als logische Zustände in eine Wahrheitstabelle (Tabelle B). E 1 E 2 B = 5 V R 1 A ± 0 Welche logische Verknüpfung der Eingangssignale führt die Schaltung durch? Aufgabe 4-8 Diodenschaltung S = + 15 V F = 0,7 V 2 Z = 6,8 V 2 kω (a) Gib die Größe der Spannungen (Potentiale) 2 und 3 und der Ströme 1 bis 3 an für folgende Werte von 1 : +15V, +10V, -5V (b) Bei welchem Wert von 1 beginnt die Z-Diode gerade in Flußpolung zu leiten Aufgabe 4-9 Begrenzerschaltung 1 R1 D i out = 0 D = idealer Gleichrichter mit T0 = 0 V und r f = 0 Ω u in = Dreieckspannung mit Û in = (±) 1,5 B u in + B u out Ermittle mit Hilfe der Übertragungskennlinie u out = f(u in ) den Verlauf der Ausgansspannung u out für 2 Perioden der Eingangsspannung u in. 62

15 Aufgabe 4-10 Begrenzerschaltung 2 i out = 0 R1 D D = idealer Gleichrichter mit T0 = 0 V und r f = 0 Ω u in = Sinusspannung mit Û in = 1,5 B u in + B u out Ermittle mit Hilfe der Übertragungskennlinie u out = f(u in ) den Verlauf der Ausgansspannung u out für 2 Perioden der Eingangsspannung u in. Aufgabe 4-11 Clampingschaltung 1 C i out = 0 D = idealer Gleichrichter mit T0 = 0 V und r f = 0 Ω u in = sin(ωt) u in D u out C = Kondensator entladen bei t = 0 (u C (0) = 0) Zeichne den Verlauf der Spannung u out für 2 Perioden der Spannung u in Aufgabe 4-12 Clampingschaltung 2 i out = 0 C D u in + u out B D = idealer Gleichrichter mit T0 = 0 V und r f = 0 Ω u in = (4 B ) sin(ωt) C = Kondensator entladen bei t = 0 (u C (0) = 0) Zeichne den Verlauf der Spannung u out für 2 Perioden der Spannung u in Aufgabe 4-13 Clampingschaltung 3 C i out = 0 D = idealer Gleichrichter mit T0 = 0 V und r f = 0 Ω u in = (4 B ) sin(ωt) D u in + B u out Zeichne den Verlauf der Spannung u out im eingeschwungenen Zustand für 2 Perioden der Spannung u in 63