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Diodenanwendungen

Bild 1: Einfache Halbwellengleichrichtung mit positiver Ausgangsspannung.

Einfache Halbwellengleichrichtung mit positiver Ausgangsspannung.

Bild 1: Einfache Halbwellengleichrichtung mit positiver Ausgangsspannung.

Bisher wurde die Halbleiterdiode nur als Gleichrichter betrachtet, jedoch sind sehr viel mehr Anwendungsmöglichkeiten bekannt. Unterschiedliche Arten von Halbleiterbasismaterial, verschiedene Atome als Störstellen und abweichende Herstellungstechnologien haben eine Vielzahl von möglichen Diodenanwendungen hervorgebracht. Beispiele dafür sind:

und viele andere.

Bild 2: Einfache Halbwellengleichrichtung mit negativer Ausgangsspannung.

Einfache Halbwellengleichrichtung mit negativer Ausgangsspannung.

Bild 2: Einfache Halbwellengleichrichtung mit negativer Ausgangsspannung.

Netzspannungsgleichrichter

Eine der Hauptanwendungen des PN- Überganges ist die Gleichrichterdiode. Der einfache PN- Übergang ist durch seine unterschiedlichen Innenwiderstände abhängig von der Polung der Spannung für diese Anwendung prädestiniert. Eingesetzt als Gleichrichter in einem Wechselstromkreis wird die Diode durch den Wechselstrom in schneller Folge abwechselnd in Durchlass- und Sperrrichtung betrieben. Da ein Stromfluss jedoch nur in Durchlassrichtung zustande kommen kann, wird der Wechselstrom gleichgerichtet. Die einfachste Gleichrichterschaltung besteht aus der Wechselstromquelle, einer Halbleiterdiode und einem Lastwiderstand, wie Bild 1 und 2 zeigt.

Der Transformator T1 in der Schaltung arbeitet als Wechselstromquelle und transformiert die Netzeingangsspannung auf einen (hier) Niedervoltwert. Die Diode D1 stellt die Gleichrichtung sicher und der Lastwiderstand erfüllt zwei Aufgaben, er begrenzt den Stromfluss durch die Diode und über den Stromfluss durch den Lastwiderstand ist die gleichgerichtete Spannung verfügbar.

Dabei kann dieser Lastwiderstand unterschiedlich realisiert werden. Last kann schließlich jedes Bauteil sein, über welches ein Strom fließt. Wenn hier also von einem Lastwiderstand gesprochen wird, so kann das sowohl ein ohmscher Widerstand, als auch eine mehr oder weniger komplizierte elektronische Schaltung sein.

Im Bild 1 liegt am oberen Ende der Sekundärwicklung des Transformators zum Zeitpunkt der positiven Halbwelle eine positive Spannung bezogen zum Massepotential an. Unter dieser Bedingung ist die Diode in Durchlassrichtung gepolt, ihre Raumladungszone ist somit sehr dünn und ihr Innenwiderstand ist gering. Somit fließt ein Strom durch Diode, Lastwiderstand und Transformatorwicklung. Die Spannung über dem Lastwiderstand wird hier als Ausgangsspannung bereitgestellt.

Wenn jedoch die negative Halbwelle der Wechselspannung anliegt, dann liegt am oberen Ende der Sekundärwicklung des Transformators eine negative Spannung bezogen zum Massepotential an und die Diode befindet sich in Sperrrichtung. Die Raumladungszone der Diode ist somit sehr dick, ihr Innenwiderstand ist sehr groß und es kann durch Diode, Lastwiderstand und Transformatorwicklung nur ein vernachlässigbar kleiner Sperrstrom fließen: praktisch liegt am Lastwiderstand keine Spannung an. Es wird also nur die positive Halbwelle durchgelassen. Mit den stilisierten Diagrammen in der Schaltung wird das „abschneiden” der negativen Halbwelle symbolisiert. Am Ausgang der Schaltung liegt also eine pulsierende Gleichspannung an. Wenn die Eingangswechselspannung z.B. 50 Hz beträgt, dann besteht diese pulsierende Gleichspannung aus 50 Halbwellen (Impulsen) pro Sekunde.

Wenn die Diode wie im Bild 2 gezeigt anders herum eingebaut wird, dann läuft der eben geschilderte Vorgang mit umgekehrtem Vorzeichen ab und es liegt eine negative Ausgangsspannung an. Weil durch diese Schaltung immer nur entweder die positiven oder negativen Halbwellen durchgelassen wird, wird diese Schaltung auch Halbwellengleichrichter genannt.

Zweiweggleichrichtung

Bild 3: Schaltung einer Zweiweggleichrichtung.

Schaltung einer Zweiweggleichrichtung.

Bild 3: Schaltung einer Zweiweggleichrichtung.

Bei der Zweieggleichrichtung wird die negative Halbwelle aus Bild 1 nicht einfach gesperrt, sondern „nach oben geklappt“, also die Stromrichtung wird durch das Diodenquartett umgekehrt. Damit wird die Welligkeit der Gleichspannung verringert und die nachfolgende Siebung durch den Ladekondensator CL wird effektiver. Es könte also auch ein kleinerer Kondensator eingesetzt werden.