Sehr ausführlich wurden die Grundlagen von Halbleitern selbst, von der Diode und dem Transistor bereits in den Kapiteln E12 und E13 im Lehrgang zur Klasse E besprochen. Deshalb erfolgen hier häufig nur Zusammenfassungen und Hinweise zu den Prüfungsaufgaben.

Inhaltsübersicht

• Halbleiter-Diode
• Kennlinien
• Die Schottky-Diode
• Die Kapazitätsdiode
• Die Z-Diode
• Spannungsbegrenzung
• Fotodiode, Solarzelle
• Die Leuchtdiode (LED)
• Anwendungen der Diode
• Einweggleichrichtung
• Die Brückengleichrichterschaltung
• Siebung
• Gleichspannungsrückgewinnung

Die Halbleiter-Diode

Es soll hier im Folgenden der Versuch gemacht werden, nur kurz das Wichtigste über Halbleiter, über die Diode, über den Transistor und den Feldeffekt-Transistor immer im Hinblick auf die Prüfungsfragen zusammenzufassen. Wer darüber hinaus mehr wissen möchte, sollte noch einmal im Amateurfunklehrgang für die Klasse E die Lektionen 12 und 13 nachlesen.

Der PN-übergang

Man unterscheidet in der Elektronik Leiter, Nichtleiter und Halbleiter. Halbleiter sind solche Werkstoffe, die für die Herstellung elektronischer Bauelemente verwendet werden. Sie bestehen im Wesentlichen aus vierwertigen Grundstoffen (meist Silizium) mit einer Dotierung durch fünfwertige (N-Leiter) oder dreiwertige Zusatzstoffe (P-Leiter).

Je nach Menge dieser Zusatzstoffe haben diese neuen Werkstoffe erstens die Eigenschaft, bei sehr niedrigen Temperaturen fast nicht zu leiten. Mit zunehmender Temperatur wird die Leitfähigkeit größer. Zweitens – und das ist das Interessante – ergeben sich ganz neue Eigenschaften, wenn man diese beiden unterschiedlich dotierten Halbleiterwerkstoffe miteinander kombiniert.

Die Kombination mit zwei Schichten führt zum PN-übergang (Bild 5-1) und stellt als Anwendung die Diode (Bild 5-2) dar. Die Diode leitet den Strom, wenn die P-Seite an den Pluspol und die N-Seite in Richtung Minuspol in einen Stromkreis eingefügt wird (Bild 5-3).

Eine Diode leitet, wenn die Spitze des Diodenschaltsymbols in Stromrichtung zeigt. In umgekehrter Richtung fließt praktisch kein Strom. Die Diode hat einen fast unendlich hohen Widerstand.

ehemalige Prüfungsfrage

ehemalige Prüfungsfrage

ehemalige Prüfungsfrage

ehemalige Prüfungsfrage

ehemalige Prüfungsfrage

Zusammenfassung aus Klasse E: Wird ein Halbleiterstoff von der einen Seite P-dotiert und von der anderen Seite N-dotiert, werden in der Mitte (übergangszone) die überschüssigen Elektronen mit den Löchern rekombinieren und dadurch als bewegliche Ladungsträger verschwinden. Es bildet sich eine Zone mit unbeweglichen Ladungsträgern, die so genannte Sperrschicht.

ehemalige Prüfungsfrage

TB111  Das folgende Bild zeigt den prinzipiellen Aufbau einer Halbleiterdiode. Wie entsteht die Sperrschicht?
	An der Grenzschicht wandern Elektronen aus dem P-Teil in den N-Teil. Dadurch wird auf der P-Seite der Elektronenüberschuss teilweise abgebaut, auf der N-Seite der Elektronenmangel teilweise neutralisiert. Es bildet sich auf beiden Seiten der Grenzfläche eine isolierende Schicht.
	An der Grenzschicht wandern Elektronen aus dem N-Teil in den P-Teil. Dadurch wird auf der N-Seite der Elektronenüberschuss teilweise abgebaut, auf der P-Seite der Elektronenmangel teilweise neutralisiert. Es bildet sich auf beiden Seiten der Grenzfläche eine isolierende Schicht.
	An der Grenzschicht wandern Atome aus der Grenzschicht in den N- und P-Teil. Dadurch wird auf beiden Seiten der Atommangel abgebaut. Es bildet sich auf der P-Seite eine leitende Schicht.
	An der Grenzschicht wandern Atome aus dem N-Teil in den P-Teil. Dadurch wird auf der N-Seite der Atommangel abgebaut, auf der P-Seite der Atommangel vergrößert. Es bildet sich auf der N-Seite eine leitende Schicht.

Zusammenfassung aus Klasse E: Legt man an die P-Schicht den negativen Pol und an die N-Schicht den positiven Pol einer Spannungsquelle, werden die Ladungsträger nach außen gezogen, denn entgegengesetzte Ladungen ziehen sich an. Dadurch verbreitert sich die Sperrschicht.

ehemalige Prüfungsfrage

TB112  In einer Halbleiterdiode erweitert sich die Verarmungszone
	wenn man an die Katode (P-Gebiet) eine positive und an die Anode (N-Gebiet) eine negative Spannung anlegt.
	wenn man an die Katode (N-Gebiet) eine positive und an die Anode (P-Gebiet) eine negative Spannung anlegt.
	wenn man an die Katode (P-Gebiet) eine negative und an die Anode (N-Gebiet) eine positive Spannung anlegt.
	wenn man an die Katode (N-Gebiet) eine negative und an die Anode (P-Gebiet) eine positive Spannung anlegt.

Siehe Text oberhalb!

Potenziale

ehemalige Prüfungsfrage

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ehemalige Prüfungsfrage

TC508  Die Auswahlantworten enthalten Siliziumdioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
	0,6 V  1,3 V
	-1,4 V  -0,7 V
	5,0 V  4,3 V
	3,4 V  3,4 V

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ehemalige Prüfungsfrage

TC507  Die Auswahlantworten enthalten Silizium-Dioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
	1,6 V  0,9 V
	-3,7 V  -3,0 V
	3,3 V  4,0 V
	-0,4 V  0,3 V

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ehemalige Prüfungsfrage

TC509  Die Auswahlantworten enthalten Silizium-Dioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
	-0,6 V  -1,3 V
	-1,3 V  -2,0 V
	4,3 V  5,0 V
	4,1 V  3,4 V

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TC510  Die Auswahlantworten enthalten Silizium-Dioden mit unterschiedlichen Arbeitspunkten. Bei welcher Antwort befindet sich die Diode in leitendem Zustand?
	5,4 V  4,7 V
	-3,0 V  -3,7 V
	15 V  18 V
	3,9 V  3,2 V

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Kennlinien

Das Verhalten einer Diode stellt man in Form von Kennlinien dar. Diese Kennlinien zeigen die Abhängigkeit des Stromes von der Spannung. In Bild 5-4 sind die typischen Kennlinien einer Germaniumdiode (1) und einer Siliziumdiode (2) dargestellt.

Diese Kennlinien kann man folgendermaßen interpretieren. Legt man nach Schaltung 5-3 eine Spannung in Durchlassrichtung an, so wird bei einer sehr niedrigen Spannung zunächst kein Strom fließen. Erhöht man die Spannung langsam, wird bei einer Germaniumdiode ab zirka 0,2 Volt der Strom anfangen zu fließen, bei der Siliziumdiode beginnt der Stromfluss erst bei zirka 0,65 Volt. Die Kennlinie der Siliziumdiode ist steiler.

Die Spannung, bei der dieser Stromfluss (I_F) in Flussrichtung (U_F) beginnt, heißt Schwellspannung. Die Spannung, die bei einem bestimmten Strom an der Diode anliegt (Arbeitspunkt), heißt Durchlassspannung. Sie beträgt bei Siliziumdioden zirka 0,7 Volt, bei Germaniumdioden zirka 0,3 Volt. Die Durchlassspannung ist temperaturabhängig. Bei steigender Temperatur wird diese Durchlassspannung geringer. Erwärmt sich nämlich die Verarmungszone im Halbleiter, werden dort zusätzliche Elektronen frei. Die Schwellspannung sinkt dadurch. Man sagt, der Halbleiter hat einen negativen Temperaturkoeffizienten.

ehemalige Prüfungsfrage

ehemalige Prüfungsfrage

TC512  Welche der folgenden Kennlinien ist typisch für eine Germaniumdiode?
	Kennlinie 1
	Kennlinie 2
	Kennlinie 3
	Kennlinie 4

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Die Schottky-Diode

Eine für Hochfrequenz und damit für den Amateurfunk sehr gut geeignete Diode ist die Schottky-Diode. Sie ist anders aufgebaut als die normale Germanium- oder Siliziumdiode. Sie besteht nämlich aus einer Metallschicht und einer N-leitenden Siliziumschicht.

Die Elektronen aus der N-Schicht wandern zur Metallschicht. Dadurch verarmt die N-Schicht an Elektronen und die positiven Löcher bleiben in der Überzahl. Dadurch wird die N-dotierte Siliziumschicht zum P-Leiter. Weil Elektronen leichter aus N-Silizium in die Metallschicht gelangen als umgekehrt, entsteht in der Silizium-Schicht ein an Elektronen verarmter Bereich, die so genannte Schottky-Sperrschicht. In dieser Raumladungszone (Sperrschicht) entsteht ein elektrisches Feld. Ab einem bestimmten Zustand ist das elektrische Feld so groß, dass keine Elektronen mehr wandern.

Schließt man den Pluspol einer Spannungsquelle an N-Silizium und den Minuspol an die Metallschicht, wird die Raumladungszone größer. Die Diode sperrt.

Schaltet man die Schottky-Diode in Durchlassrichtung, wird die Raumladungszone freigeräumt. Die Elektronen fließen von der N-Schicht in die Metallschicht.

Dieses Schalten vom Durchlasszustand in den Sperrzustand bzw. umgekehrt erfolgt sehr schnell. Die Schottky-Diode ist bis zu Frequenzen von 50 GHz einsetzbar. Ein weiterer Vorteil ist die sehr geringe Duchlassspannung von zirka 0,25 Volt. Sie eignet sich deshalb als Hochfrequenz-Schaltdiode.

ehemalige Prüfungsfrage

TC511  In welcher Zeile sind die Diodentypen der entsprechenden Kennlinie richtig zugeordnet?
	1: Schottkydiode, 2: Germaniumdiode, 3: Siliziumdiode
	1: Schottkydiode, 2: Siliziumdiode, 3: Germaniumdiode
	1: Germaniumdiode, 2: Schottkydiode, 3: Siliziumdiode
	1: Siliziumdiode, 3: Germaniumdiode, 3: Schottkydiode

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ehemalige Prüfungsfrage

TC513  In welcher Zeile sind die Diodentypen der entsprechenden Kennlinie richtig zugeordnet?
	Kennlinie 1: Siliziumdiode Kennlinie 2: Germaniumdiode Kennlinie 3: Schottkydiode Kennlinie 4: Leuchtdiode
	Kennlinie 1: Schottkydiode Kennlinie 2: Germaniumdiode Kennlinie 3: Siliziumdiode Kennlinie 4: Leuchtdiode
	Kennlinie 1: Schottkydiode Kennlinie 2: Siliziumdiode Kennlinie 3: Germaniumdiode Kennlinie 4: Leuchtdiode
	Kennlinie 1: Germaniumdiode Kennlinie 2: Leuchtdiode Kennlinie 3: Siliziumdiode Kennlinie 4: Schottkydiode

Kommentar: Diese 4 Kennlinien sollten Sie sich gut merken. Es sind typische Werte.

ehemalige Prüfungsfrage

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Die Kapazitätsdiode

Solange bei einer Diode die Schwellspannung nicht überschritten wird, besteht zwischen dem N-leitenden und dem P-leitenden Material eine Sperrschicht. Diese Sperrschicht kann man als Dielektrikum (Isolierschicht) eines Kondensators auffassen; die leitfähigen Gebiete bilden die Elektroden eines Kondensators.

Diese so genannte Sperrschichtkapazität jeden PN-übergangs ist abhängig von der angelegten Spannung. Kennen Sie noch die Formel zur Berechnung der Kapazität aus den geometrischen Abmessungen eines Kondensators (siehe Formelsammlung!)?

Für die Kapazität eines PN-übergangs ist A die Querschnittsfläche der Sperrschicht und \( {l} \) die Sperrschichtdicke. Vergrößert man die Sperrspannung an einer Diode, wird die Sperrschicht größer. Wenn \( {l} \) aber größer wird, verringert sich nach oben stehender Formel die Kapazität C. Die Sperrschichtkapazität ist umgekehrt proportional zu der angelegten Sperrspannung.

Eine Kapazitätsdiode (auch Kapazitätsvariationsdiode, Varicap oder Varaktor genannt) ist also ein in Sperrrichtung betriebener PN-Übergang, dessen Kapazität durch eine Gleichspannung veränderbar ist. Das Schaltsymbol (Bild 5-7) ist das Symbol einer Diode mit einem daneben gezeichneten Kondensator.

ehemalige Prüfungsfrage

Kommentar: Siehe Kennlinie Bild 5-7!

ehemalige Prüfungsfrage

Kapazitätsdioden werden im Amateurfunk zur Schwingkreisabstimmung in Empfängern und Sendern und zur Frequenzmodulation von FM-Sendern eingesetzt (Bild 5-8).

Die mit dem Potentiometer P eingestellte Gleichspannung bestimmt die Kapazität C_D der Diode und damit die Frequenz. Je höher die Sperrspannung ist, desto kleiner ist die Kapazität und desto höher ist die Frequenz. Der Widerstand R soll verhindern, dass die HF-Spannung durch das Potentiometer teilweise kurzgeschlossen wird. Ein Wert für R von etwa 100 kΩ ist üblich.

ehemalige Prüfungsfrage

TC520  Wie verändert sich die Frequenz des Schwingkreises der Schaltung mit Kapazitätsdiode, wenn das Potentiometer P mehr in Richtung X gedreht wird?
	Die Frequenz des Schwingkreises steigt.
	Die Frequenz des Schwingkreises sinkt.
	Die Frequenz des Schwingkreises ändert sich nicht.
	Die Diode sperrt und der Schwingkreis wird unterbrochen.

Die Z-Diode

Jede Diode verträgt in Sperrrichtung nur eine von der Bauart abhängige Maximalspannung, bis auch Strom in umgekehrter Richtung fließt. Diese Sperrspannungen liegen meistens bei über 1000 V. Oberhalb dieser maximalen Sperrspannung ist die Diode gefährdet. Sie "bricht durch" und verursacht dann meistens einen Kurzschluss, weil die Sperrschicht komplett mit Elektronen überschwemmt wird.

Spezielle Dioden werden so hergestellt, dass der Durchbruch bereits bei sehr geringen Spannungen zwischen 3 und 100 V erfolgt. Weil beim Durchbruch der Strom stark ansteigt aber die Spannung über der Diode konstant bleibt, kann man diesen Effekt nutzen, um damit Spannungen zu stabilisieren. Man nennt diese Dioden Z-Dioden oder auch Zenerdioden. Damit der Strom nicht zu groß wird, muss man einen Strombegrenzungswiderstand in Reihe schalten.

Merken Sie sich bitte: Eine Z-Diode wird im Durchbruchsbereich (elektronisch Sperrrichtung) mit Vorwiderstand betrieben.

Die Berechnung dieses Vorwiderstandes soll im Folgenden anhand von Prüfungsfragen gezeigt werden.
Dabei unterscheidet man zwei Fälle: Z-Diode unbelastet (A) und belastet (B).

ehemalige Prüfungsfrage

TC514  In welcher der folgenden Schaltungen ist die Z-Diode zur Spannungsstabilisierung richtig eingesetzt?
	x

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ehemalige Prüfungsfrage

TC515  In welcher der folgenden Schaltungen ist die Z-Diode zur Spannungsstabilisierung richtig eingesetzt?

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ehemalige Prüfungsfrage

ehemalige Prüfungsfrage

TC516  Eine unbelastete Z-Diode soll eine 12-V-Betriebsspannung auf 5 V stabilisieren. Dabei soll ein Strom von 25 mA durch die Z-Diode fließen. Berechnen Sie den Vorwiderstand.
	280 Ω / 300 mW.
	480 Ω / 300 mW.
	200 Ω / 175 mW.
	280 Ω / 175 mW.

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ehemalige Prüfungsfrage

TC517  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. Berechnen Sie den notwendigen Vorwiderstand.
	188 Ω.
	202 Ω.
	235 Ω.
	364 Ω.

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Die Fotodiode

Ein PN-übergang hat, in Sperrrichtung geschaltet, einen sehr kleinen Sperrstrom. Lässt man auf die Sperrschicht Licht einwirken, werden zusätzliche Ladungsträgerpaare gebildet. Dadurch steigt der Sperrstrom an. Das ist die Fotodiode.

Schaltet man die Fotodiode mit einem Vorwiderstand als Spannungsteiler (Bild 5-10 rechts), so wird der Sperrstrom I_P von der Beleuchtungsstärke abhängig. Die Spannung an der Fotodiode ändert sich. Damit kann mit einem Transistor als Verstärker ein Schalter (Relais) betätigt werden.

ehemalige Prüfungsfrage

Fotoelement

Wird eine Fotodiode ohne Hilfsspannung betrieben, so kann man an ihren Klemmen bei Belastung mit einem Widerstand einen Strom abnehmen und damit einen Verstärker steuern. Die Fotodiode arbeitet dann als Fotoelement. Das Schaltzeichen ist eine Spannungsquelle, auf die zwei Pfeile zu zeigen (Bild 5-11).

Die Solarzelle

Eine besondere Fotodiodenart sind die so genannten Solarzellen. Es sind großflächige PN-übergänge, die Spannungen bis etwa 600 mV und Ströme von einigen hundert Milliampere abgeben können. Zu Batterien zusammengeschaltet heißen sie auch Sonnenbatterien oder Sonnenkollektoren. Sie liefern zum Beispiel die Energie für Sender und Empfänger in Satelliten oder für den Portabelbetrieb (Bild 5-12).

Bei Sonnenkollektoren für den Einsatz bei Portabelbetrieb zum Laden von 12-V-Akkumulatoren werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet, so dass man eine Leerlaufspannung von ungefähr 18 Volt bekommt. Mehrere solcher Reihen werden wiederum parallel geschaltet, um einen möglichst großen Strom zu erhalten.

ehemalige Prüfungsfrage

TB201  Ein Sonnenkollektor besteht aus vier parallel geschalteten Reihen von je 30 Solarzellen mit je Zelle 0,6 V Leerlaufspannung und 1 A Kurzschlussstrom. Welche Leerlaufspannung und welchen Kurzschlussstrom liefert der Kollektor?
	Leerlaufspannung:  2,4 V,  Kurzschlussstrom: 4 A
	Leerlaufspannung: 2,4 V,  Kurzschlussstrom: 30 A
	Leerlaufspannung: 18 V,  Kurzschlussstrom: 4 A
	Leerlaufspannung: 18 V,  Kurzschlussstrom: 30 A

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Die Leuchtdiode (LED)

Die Umkehrung der Fotodiode ist der Effekt bei der Leuchtdiode (LED = light emitting diode = Licht aussendende Diode). Bei der Rekombination der Ladungsträgerpaare innerhalb der Sperrzone einer in Durchlassrichtung geschalteten Diode wird Energie frei. Normalerweise wird diese Energie in Form von Wärme abgegeben. Bei einer bestimmten Dotierung wird diese Energie in Form von Licht frei.

ehemalige Prüfungsfrage

TC519  Folgende Schaltung einer Leuchtdiode wird an einer Betriebsspannung von 5,5 V betrieben. Der Strom durch die Leuchtdiode soll 25 mA betragen, wobei die Flussspannung 1,75 V beträgt.
Der notwendige Vorwiderstand muss folgende Werte haben.
	220 Ohm / 0,25 Watt
	150 Ohm / 0,1 Watt
	70 Ohm / 0,1 Watt
	290 Ohm / 0,25 Watt

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Hier nochmals die

ehemalige Prüfungsfrage

TC513  In welcher Zeile sind die Diodentypen der entsprechenden Kennlinie richtig zugeordnet?
	Kennlinie 1: Schottkydiode Kennlinie 2: Germaniumdiode Kennlinie 3: Siliziumdiode Kennlinie 4: Leuchtdiode
	Kennlinie 1: Siliziumdiode Kennlinie 2: Germaniumdiode Kennlinie 3: Schottkydiode Kennlinie 4: Leuchtdiode
	Kennlinie 1: Schottkydiode Kennlinie 2: Siliziumdiode Kennlinie 3: Germaniumdiode Kennlinie 4: Leuchtdiode
	Kennlinie 1: Germaniumdiode Kennlinie 2: Leuchtdiode Kennlinie 3: Siliziumdiode Kennlinie 4: Schottkydiode

Optokoppler

Die hohe Grenzfrequenz der Leuchtdioden erlaubt die Übertragung von optischen Signalen bis zu Frequenzen von zirka 10 MHz. LEDs dienen als Sender in so genannten optischen Koppelelementen (Optokoppler). Hierbei werden elektrische Signale in optische umgewandelt und von einer Fotodiode oder einem Fototransistor wieder in elektrische zurückverwandelt (Bild 5-14). Ein Optokoppler wird gern zur Ankopplung von Modemsignalen an den Modulator verwendet, um Brummeinflüsse der Netzteile (so genannte Erdschleifen) zu verhindern.

ehemalige Prüfungsfrage

Anwendungen der Diode

Spannungsbegrenzung

Falls jemand meint: "Hier fehlen die Lötpunkte in der Zeichnung." Falsch! Diese müssen nach Norm nicht mehr gezeichnet werden, wenn eine Leitung stumpf auf einer anderen endet.

Eine Anwendung der Diode ist die Spannungsbegrenzung. Diese funktioniert folgendermaßen. Das Bauelement Diode wird in Durchlassrichtung mit einem Widerstand in Reihe geschaltet (Bild 5-15). An den Eingang dieser Reihenschaltung legt man die Spannung, die einen bestimmten Wert nicht überschreiten soll. Solange die Diode wegen zu niedriger Spannung noch nicht leitet, ist die Spannung vor und hinter dem Widerstand gleich. Sobald die Diode anfängt zu leiten, fließt Strom und am Vorwiderstand fällt eine entsprechende Spannung ab. An der Diode steigt die Spannung nicht weiter als die Durchlassspannung von zirka 0,7 V. Weil in diesem Fall zwei Dioden antiparallel geschaltet sind, werden sowohl die positiven Spitzen als als auch die negativen Spitzen auf 0,7 V begrenzt. In der folgenden Prüfungsaufgabe wird das Prinzip sichtbar.

ehemalige Prüfungsfrage

TC525  Das folgende Signal wird als U1 an den Eingang der Schaltung mit Siliziumdioden gelegt.

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ehemalige Prüfungsfrage

TC526  Das folgende Signal wird als U1 an den Eingang der Schaltung mit Germaniumdioden gelegt.

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Diode zur Entkopplung

ehemalige Prüfungsfrage

TC527  In der folgenden Schaltung werden 3 Siliziumdioden zur Entkop­plung dreier Stromversorgungen eingesetzt. Der Sonnenkollektor liefert derzeit U1 = 18 V. Der Akkumulator hat U2 = 13,9 V. Das Netzteil ist auf U3 = 13,5 V eingestellt. In welcher Zeile ist der derzeitige Zustand der 3 Dioden richtig beschrieben?
	D1 leitet. D2 leitet. D3 leitet.
	D1 leitet. D2 leitet. D3 leitet nicht.
	D1 leitet. D2 leitet nicht. D3 leitet nicht.
	D1 leitet nicht. D2 leitet. D3 leitet.

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Einweggleichrichtung

Die typische Eigenschaft der Halbleiterdioden in einer Stromrichtung zu sperren und in der anderen zu leiten, wird in der Technik mannigfaltig angewendet. Die wichtigste Anwendung ist die Gleichrichtung von Wechselspannungen.

Schaltet man einen Lastwiderstand über eine in Reihe geschaltete Diode an eine Wechselspannungsquelle, leitet die Diode den Strom nur, wenn die Anode positiver ist als die Katode (Bild 5-16a: positive Halbwelle der Wechselspannung wird durchgelassen). In der anderen Halbwelle sperrt die Diode. Durch den Lastwiderstand R_L fließt ein pulsförmiger Strom immer in der gleichen Richtung. Man sagt, der Strom ist "gleichgerichtet" worden. Da nur eine Halbwelle der sinusförmigen Wechselspannung ausgenutzt wird, nennt man diese Schaltung Einweggleichrichterschaltung.

Schaltet man einen genügend großen Kondensator parallel zum Lastwiderstand (Bild 5-16 b), wird sich dieser in der einen Halbwelle schnell über die Diode aufladen und in der anderen Halbwelle (Sperrzeit der Diode) langsam über den Widerstand entladen. Die Gleichspannung am Lastwiderstand wird dadurch viel gleichmäßiger.

ehemalige Prüfungsfrage

TD311 ;Welchen Verlauf hat die Spannung U?

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Übungsaufgabe

ÜB05-1 Vom Transformator wird sekundärseitig eine Spannung von 100 Volt geliefert. Welche Spannung liegt bei Einweggleichrichtung maximal am Ladekondensator?

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Welche Spannung muss die Diode in der Sperrphase aushalten können? überlegen Sie mit: Die Spannung an der Anode der Diode ändert sich ständig zwischen den beiden Scheitelwerten +141 Volt und -141 Volt vom Transformator her. An der Katode bleibt der Kondensator auf maximal +141 Volt aufgeladen. Die höchste Sperrspannung wird also beim negativem Scheitelwert erreicht. Die Differenz der Spannungen von der Katode (+141 V) zur Anode (-141 V) beträgt also 282 Volt. Allgemein berechnet man die Sperrspannung der Diode mit \[ U_{sp} = 2 \cdot \hat{u} = 2 \cdot \sqrt{2} \cdot U_{\textit{eff}} \]

ehemalige Prüfungsfrage

TD314  Bei einem Transformationsverhältnis von 8:1 sollte die Spannungsfestigkeit der Diode (max. Spannung plus 10% Sicherheitsaufschlag) dieser Schaltung nicht weniger als folgenden Wert betragen.
	32 V
	90 V
	143 V
	63 V

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ehemalige Prüfungsfrage

TD313  Bei einem Transformationsverhältnis von 5:1 sollte die Spannungsfestigkeit der Diode (max. Spannung plus 10 % Sicherheitsaufschlag) in dieser Schaltung nicht weniger als
	72 Volt betragen.
	143 Volt betragen.
	90 Volt betragen.
	51 Volt betragen.

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Wenn bei Gleichrichtern für Hochspannung die Sperrspannung einer Diode nicht ausreicht, kann man mehrere Dioden in Reihe schalten. Weil die Sperrwiderstände der Dioden sehr unterschiedlich sein können, schaltet man zu jeder Diode einen hochohmigen Widerstand parallel.

ehemalige Prüfungsfrage

Mittelpunkt-Zweiweggleichrichtung

Bei der Einweggleichrichtung wird eine Halbwelle der Wechselspannung unterdrückt. Um diese zweite Halbwelle auch auszunutzen, kann bei Verwendung eines Transformators mit zwei gleichen Wicklungen (oder Mittelanzapfung) eine Zweiweggleichrichtung angeschlossen werden.

Wirkungsweise der Schaltung: Liegt zum Beispiel der Pluspol der Wechselspannung am Punkt A gegen 0 (dann ist B negativ gegen 0), fließt ein Strom von A über die Diode D1, den Lastwiderstand RL nach 0. (Tragen Sie mit Farbstift entsprechende Strompfeile im Bild 5-18 a ein). Die Diode D2 ist gesperrt (Minus an der Anode). In der nächsten Halbwelle ist die Polarität vertauscht. Der Strom fließt von B über D2 und RL nach 0. Diode D1 ist gesperrt. (Tragen Sie mit andersfarbigem Stift entsprechende Pfeile ein.)

In beiden Halbwellen fließt also der Strom von C nach D in der gleichen Richtung durch den Lastwiderstand. Am Lastwiderstand liegt eine entsprechende (pulsierende) Gleichspannung.

Durch Anschluss eines Ladekondensators an die Klemmen C und D kann diese pulsierende Gleichspannung wie bei der Einweggleichrichterschaltung weiter verbessert werden. Die Größe der Gleichspannung am Ladekondensator berechnet man wie bei der Einwegschaltung. Als Spannung muss hier der Effektivwert einer Wicklung eingesetzt werden. Auch die Sperrspannungen der Dioden bleiben gleich. Es handelt sich hier praktisch um zwei abwechselnd arbeitende Einweggleichrichter. Diese Zweiweggleichrichtung wird auch Vollweggleichrichtung genannt.

ehemalige Prüfungsfrage

TD315  Welche Gleichrichterschaltung erzeugt eine Vollweg-Gleichrichtung mit der angezeigten Polarität?

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Durch Umpolung der Dioden kann eine gegenüber dem Mittelpunkt negative Spannung erzeugt werden.

ehemalige Prüfungsfrage

TD301  Welche Form hat die Ausgangsspannung der dargestellten Schaltung?

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Die Brücken-Gleichrichterschaltung

Transformatoren mit Mittelanzapfung gibt es heutzutage kaum noch. Mit folgender Schaltung kann man ebenfalls eine Doppelweggleichrichtung erreichen.

Die Wirkungsweise: Liegt auf der Sekundärseite des Transformators zum Beispiel am Punkt A positive Spannung gegen Punkt B, fließt der Strom von A über Diode D3, Punkt C, RL, Punkt D, Diode D2 zum Punkt B. Tragen Sie entsprechende Strompfeile ein. Ist in der nächsten Halbwelle Plus an B und Minus an A, fließt der Strom von B über D4 nach C, über RL nach D, über D1 nach A. Tragen Sie wieder entsprechende Pfeile ein. Sie sehen: Durch den Lastwiderstand RL fließt immer der Strom in der gleichen Richtung (Gleichrichtung). Am Lastwiderstand liegt eine entsprechende Gleichspannung (Bild 5-19 b).

ehemalige Prüfungsfrage

TD309  Welche der folgenden Auswahlantworten enthält die richtige Diodenanordnung und Polarität eines Brückengleichrichters?

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Auch bei dieser Schaltung lässt sich durch Parallelschalten eines Ladekondensators zum Lastwiderstand eine weitere Verbesserung der Gleichspannung erreichen. Die Berechnung der maximalen Gleichspannung am Ladekondensator erfolgt wie bei der Einwegschaltung.

Die Sperrspannung der Dioden braucht nur halb so groß zu sein wie bei der Einwegschaltung, da immer zwei Dioden in Reihe geschaltet sind. Allerdings müssen die Sperrwiderstände beider Dioden genau gleich groß sein; sonst verteilt sich die Sperrspannung ungleich auf beide Dioden.

Im Handel sind Brückengleichrichter erhältlich, bei denen die vier genau gleichen Dioden bereits in einem Gehäuse untergebracht sind. Ein solcher Brückengleichrichter trägt zum Beispiel folgende Kennzeichnung: B40C1000. Diese Kennzeichnung bedeutet, dass der Gleichrichter in Brückenschaltung aufgebaut ist (Buchstabe B), dass er maximal 40 Volt effektive Transformatorspannung gleichrichten kann und mit einer Stromstärke von 1000 mA gleich 1 A Gleichstrom bei Belastung mit einem Kondensator (Buchstabe C) zu Glättung betrieben werden kann.

Die Siebung

Hinweis: Dieses Thema gehört eigentlich nicht zur "Diode", sondern eher zum Kapitel 4 "Schwingkreis/Filter", wird aber in dieser Form immer bei den Gleichrichterschaltungen angewendet und wird deshalb hier eingeschoben.

Die der Gleichspannung überlagerte Restwechselspannung am Ladekondensator nennt man Brummspannung. Die Amplitude dieser Brummspannung nennt man Restwelligkeit. Sie wird manchmal als Prozentzahl der Gleichspannung oder als absoluter Spitze-Spitze-Wert angegeben. Im Diagramm zur Prüfungsaufgabe TB201 ist diese Brummspannung gezeichnet.

Diese Brummspannung kommt dadurch zustande, dass der Kondensator immer dann geladen wird, wenn die Transformatorspannung mehr als 0,7 Volt über der Kondensatorspannung liegt, und immer dann entladen wird, wenn die Transformatorwechselspannung kleiner wird als die augenblickliche Kondensatorspannung. Bei jeder Halbwelle wird also geladen und wieder etwas entladen.

Bei der Doppelweggleichrichtung sind doppelt so viele gleichgerichtete Halbwellen vorhanden, wie die Perioden der Wechselspannung. Die Brummspannung hat also bei Doppelweggleichrichtung eine doppelt so hohe Frequenz wie die Frequenz der Transformatorwechselspannung.

ehemalige Prüfungsfrage

TD320  Im folgenden Bild ist die Spannung am Ausgang einer Stromversorgung dargestellt.
Die Restwelligkeit und die Brummfrequenz betragen
	3 VSS, 50 Hz.
	3 VSS, 100 Hz.
	13,5 + 1,5 V, 50 Hz.
	13,5 + 1,5 V, 100 Hz.

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

ehemalige Prüfungsfrage

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Die Überlagerte Restwechselspannung (Brummspannung) kann durch frequenzabhängige RC- oder LC-Glieder oder elektronische Schaltungen verringert werden. Bei der LC-Siebung wird eine Spule in Serie und danach ein Kondensator parallel zum Ausgang geschaltet. Die Spule wird bei Wechselspannung wie ein großer Widerstand und der Kondensator wie ein geringer Widerstand. Gleichspannung geht kaum verloren, weil diese Netzdrosseln mit dickem Kupferdraht gewickelt werden. Die RC-Siebung wirkt ähnlich, allerdings fällt eine Gleichspannung am Widerstand ab. Sie eignet sich für geringe Ströme.

Die folgende Prüfungsfrage wird hier eingefügt, weil man an der Schaltung die LC-Siebschaltung (L - C_S) sehr schön erkennen kann. Die Berechnung hat aber damit nichts zu tun.

ehemalige Prüfungsfrage

TD305  Wie groß ist die Spannung am Siebkondensator CS im Leerlauf, wenn die primäre Trafospannung 230 Volt und das Windungsverhältnis 8:1 beträgt?
Die Spannung beträgt etwa
	20,3 Volt.
	28,8 Volt.
	40,7 Volt.
	57,5 Volt.

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Spannungsstabilisierungsschaltungen mit einer schnellen Regelung können ebenfalls Restwelligkeiten ausregeln. Sie finden eine solche Schaltung in der Prüfungsfrage TD306, die später behandelt wird.

Gleichspannungsrückgewinnung

Bei Wechselspannungen in der Nachrichtentechnik möchte man gelegentlich aus dem Signal eine Gleichspannung gewinnen, aber die Wechselspannung als Signal erhalten. Dazu dient folgende "Clamp"-Schaltung, die wie eine Einweggleichrichterschaltung aussieht.

Wirkungsweise der Schaltung: Die Diode wirkt tatsächlich wie eine Gleichrichterschaltung, die den Kondensator auf der rechten Seite positiv auflädt, wenn A positiv gegenüber B ist. Die linke Seite ist dann gleichstrommäßig über den Transformator mit Masse verbunden.

Die Eingangswechselspannung geht von der Nulllinie sowohl nach Plus (nach oben) als auch nach Minus, also unter die Nulllinie nach unten. Nehmen wir mal an, die Wechselspannung vom Trafo hat ±10 Volt, also zirka 7 Volt effektiv. Die Wechselspannung vom Trafo lädt den Kondensator auf der rechten Seite auf +10 Volt auf. Kommt  auf der  linken  Seite die  +10 Volt,

ergeben sich am Punkt B (Bild 5-21) +20 V. Kommt auf der linken Seite die -10 Volt, geht die Spannung auf Null. Es entsteht also eine Ausgangsspannung (Bild 5-22) von +20 V bis 0 Volt mit einem Mittelwert von +10 V (so genannte Klemmspannung).

ehemalige Prüfungsfrage

TD302  Welche Ausgangsspannung wird erzeugt, wenn an die dargestellte Schaltung eine Wechselspannung angelegt wird?

Kommentar: Sie erkennen die Schaltung sicher aufgrund der Erläuterungen zu Bild 5-22.

ehemalige Prüfungsfrage

TD303  Kann für den Kondensator der nachfolgenden Schaltung ein Elektrolytkondensator verwendet werden?
	Nein, da der Kondensator von Wechselstrom durchflossen wird.
	Nein, da dies auf Grund der technischen Vorschriften nicht zulässig ist.
	Ja, wenn der Minuspol des Elektrolytkondensators auf der Seite der Diode liegt.
	Ja, wenn der Pluspol des Elektrolytkondensators auf der Seite der Diode liegt.

Lösungsweg (hier klicken zum Anzeigen):

Viel Erfolg beim Lehrgang wünscht Ihnen Eckart Moltrecht DJ4UF!

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Letzte Bearbeitung: 16.06.2017 DJ4UF, 25.06.2023 DH8GHH
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