Elektrisches-Verhalten-der-Diode

Modellierung

Eine Diode wird im Schaltbild mit folgendem Symbol modelliert:

Die Anschlüsse der Diode werden als Anode und Kathode bezeichnet. Die Kathode ist negativ (neKATiv). Strom kann nur von Anode zur Kathode fließen. Die negative Kathode ist auf einer realen Diode als weißer umlaufender Strich gekennzeichnet.

Kennlinie

Alle Dioden weisen ähnliche Kennlinien auf. Die Werte in den Kennlinien variieren aber von Typ zu Typ. Eine Beispiel-Diode weist folgende Kennlinie zwischen Spannung und Strom auf:

Unterhalb der Spannung 0,5V fließt kein Strom durch die Diode. Bei höherer Spannung steigt der Strom steil an. Wenn wir z. B. eine Spannung von 0,72V an die Diode mit der Kennlinie anlegen, fließt ein Strom von ca. 40mA. Ist die Spannung negativ, fließt auch kein Strom.

In der unteren Abbildung sehen Sie, dass die reale Kennlinie (blau) durch eine Näherung zur Berechnung (rot) angenähert werden kann. Damit linearisieren wir die nichtlineare Kennlinie des realen Bauteils. Durch diese Näherung wird die Berechnung des Stroms bei gegebener Spannung vereinfacht.

Die Spannung, an der die rote Gerade die x-Achse schneidet, wird als „Flussspannung“ UF bezeichnet. Die Flussspannung ist die Mindestspannung, ab der die Diode Strom leitet. In der Wassermodell-Analogie entspricht diese Spannung dem Mindestdruck des Wassers, bei dem das Ventil öffnet.

Wir führen einen „Diodenwiderstand“ ein, der der Steigung der roten Geraden entspricht. Die Diode weist rechnerisch einen Widerstand auf, der aus dem Quotienten von Spannung und Strom berechnet wird. Dafür betrachten wir den Spannungsbereich zwischen 0,65V und 0,72V genauer im Zoom. Beachten Sie, dass wir die Näherung mit der Linearisierung betrachten.

Bitte beachten Sie, dass hier beispielhafte Zahlenwerte verwendet werden, die von Diode zu Diode abweichen. Die Flussspannung liegt – je nach Diode – zwischen 0,3V und 1,5V. Der Diodenwiderstand kann deutlich kleiner oder größer als 1 Ohm sein.

Der Kehrwert des Diodenwiderstands entspricht im Wassermodell dem Durchmesser der Öffnung, die das Ventil verdeckt. Je größer der Durchmesser ist, desto größer ist der Diodenleitwert als Kehrwert des Diodenwiderstands. Wenn der Druck steigt und die Kugel weiter von der Öffnung entfernt wird, fließt mehr Wasser. Dieser Effekt ist umso stärker, je größer die Öffnung ist, die die Kugel freigibt.

Das Verhalten der Diode wird für zwei Bereiche folgendermaßen angenähert:

Der Diodenwiderstand gibt an, ob die Diode als Schalter offen oder geschlossen ist. So lange die Spannung kleiner als die Flussspannung ist, beträgt der Strom I = 0A. Der Diodenwiderstand ist in Bereich 1 unendlich hoch. Legen wir eine negative Spannung an die Diode an, fließt ebenfalls kein Strom.

Ist die Spannung größer als die Flussspannung, ist die Diode als Schalter geschlossen. In Bereich 2 ist der Schalterwiderstand der Diode sehr gering. Je steiler die Kennlinie ist, desto geringer ist der Diodenwiderstand.

Ideale Diode

In vielen Fällen vernachlässigen wir den Diodenwiderstand, weil er klein ist gegenüber anderen Größen in einer Schaltung. Dann fließt der maximale Strom, sobald die Flussspannung angelegt wird. Wir sprechen dann von einer idealen Diode. Diese weist einen Diodenwiderstand von 0 Ω auf.

Maximale Sperrspannung

Wie alle realen Bauelemente weisen auch die Parameter einer Diode Grenzwerte auf, oberhalb derer die Diode zerstört wird. Die maximale Spannung in Sperrrichtung ist ein wichtiger Design-Parameter. In einem E-Bike mit 48V Batteriespannung sollte die maximale Sperrspannung der eingesetzten Dioden mehr als 48V betragen, damit sie unter keinen Umständen zerstört werden können.

Wenn eine Spannung in Sperrrichtung angelegt wird, die größer als die maximale Sperrspannung wird, dann wird die Diode leitend. Sie leitet den Strom dann in die falsche Richtung, also von Anode in Richtung Kathode. Sie leitet in der Richtung, in der die Spannung anliegt. Die Kennlinie einer realen Diode sieht also folgendermaßen aus:

Die maximale Sperrspannung kann sehr hohe Werte bis mehrere 1000V erreichen.

Anwendung in einer Schaltung

Eine Diode ist ein nichtlineares Bauelemen. Ihre Kennlinie ist nicht proportional. Dennoch ist die Berechnung von Spannung und Strom in vielen Schaltungen einfach. Wenn der Strom durch die Diode von der Schaltung vorgegeben wird, dann fällt an der Diode etwa die Flussspannung ab. Wir rechnen in der Praxis selten mit dem Diodenwiderstand, so genau brauchen wir die Diodenspannung üblicherweise nicht zu berechnen.

Soll die Diode Strom leiten, legen wir eine Spannung etwas höher als die Flussspannung an. Der Strom wird dann normalerweise nicht durch den exakten Spannungswert eingestellt, sondern vom Rest der Schaltung begrenzt. Betrachten wir dazu ein Beispiel:

Der Diodenstrom wird üblicherweise über die anderen Bauelemente in der Schaltung vorgegeben, nicht über die Diodenspannung. Wenn die Diode leitet, berücksichtigen wir die Flussspannung in den Maschen, um den Strom zu berechnen. In Leistungselektronik-Schaltungen mit mehreren 100V Spannung wird oft sogar die Flussspannung vernachlässigt. Dann wird nur geschaut, ob die Diode leitet oder sperrt.

Wäre der Widerstand in der Schaltung oben kleiner, würde mehr Strom fließen. Der Widerstandswert steht im Nenner der Stromgleichung. Der Strom ist nur wenig von der Diodenspannung abhängig, die oft klein gegenüber der Versorgungsspannung ist. Er wird vorwiegend vom Rest der Schaltung bestimmt.

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