Dioden sind eines der am häufigsten verwendeten Halbleiterbauelemente, die heute in elektronischen Geräten verwendet werden.
Sie gehören auch zu den am meisten missverstandenen.
Schließlich werden Dioden oft als „Einweggatter“ oder „Steal Gates“ bezeichnet, wenn es um ihre Funktionsweise geht.
Wenn eine Diode von der Außenspannung getrennt wird, werden Elektronen darin eingeschlossen und können nicht wieder entweichen.
Als solches fängt dies den Strom ein, der durch diesen bestimmten Teil des Schaltkreises fließt, ohne dass es einen Ausweg gibt, außer durch den gegenüberliegenden Anschluss oder den Rückweg (daher umgeht der Name den Namen).
Wenn Dioden jedoch in Verbindung mit Elektronik erwähnt werden, können sie verwirrend sein.
Dies liegt daran, dass viele Leute sie für lineare Geräte halten – obwohl sie tatsächlich ein nichtlineares Verhalten besitzen, das sie viel vielseitiger macht als nur einen einfachen Ein-/Ausschalter.
Ähnlich wie ein Musikinstrument über das Spielen von Noten hinaus mehrere Verwendungszwecke hat, dient eine Diode vielen Zwecken, die über das bloße Ein- und Ausschalten von elektrischem Strom hinausgehen.
Werfen wir einen Blick auf die Funktionsweise von Dioden, damit Sie verstehen, wie sie verwendet werden können und welche einzigartigen Eigenschaften sie besitzen, die sie zu so nützlichen Teilen elektronischer Schaltungen machen.
Was ist eine Diode?
Dioden sind elektrische Einweg-Shunts.
Eine Diode ist ein elektronisch gesteuerter Wechselschalter, der Strom nur unter bestimmten Bedingungen in eine Richtung fließen lässt.
Wenn Strom nur in einer Richtung durch eine Diode fließt, sind ihre beiden Halbleiter-„Finger“ miteinander verbunden.
Bei Stromfluss in die andere Richtung sind die beiden Finger voneinander isoliert und es fließt kein Strom.
Dioden bestehen aus zwei halbleitenden Materialien, die normalerweise „sandwichartig“ angeordnet sind, um zu verhindern, dass Elektronen in beide Richtungen fließen.
Eine kleine Strommenge kann unter bestimmten Bedingungen ihre überschüssige Energie als Wärme abführen, sodass Elektronen in einer Richtung durch die Diode fließen können – selbst wenn die Spannung an der Diode viel höher ist als die an der anderen Seite anliegende Spannung.
Da der aktive Bereich der Diode Elektronen nur in eine Richtung fließen lässt, während der äußere Bereich sie daran hindert, zurückzufließen, wird er als elektrischer Einweg-Shunt bezeichnet.
Dioden haben positive und negative Anschlüsse
Die beiden Enden einer Diode sind mit + und – gekennzeichnet, um anzuzeigen, dass sie keine interne Polarität hat.
Wenn eine Spannung an die Enden einer Diode angelegt wird, wird dies als Kurzschluss- oder „negativer“ Test bezeichnet.
Dioden sind nicht wie normale polarisierte elektrische Leitungen polarisiert – die Enden werden nur zum Testen verwendet und die Mitte der Diode ist neutral („keine Polarität“) und mit Schaltungselementen verbunden.
In der Elektronik ist der Pluspol einer Diode normalerweise die Anode und der Minuspol die Kathode.
Die Konvention ist jedoch nicht in Stein gemeißelt.
In einigen Schaltungen ist der Minuspol die Kathode und der Pluspol die Anode.
Zum Beispiel in einem LED-Schaltung, der Minuspol ist die Kathode, aber in einer Batterieschaltung ist der Minuspol die Anode.
Es gibt viele Arten von Dioden
Es gibt viele verschiedene Arten von Dioden für den Einsatz in der Elektronik.
Die meisten Dioden sind Halbleiterdioden, aber es gibt auch Gleichrichter, Fotodioden und Transistoren, die wie Dioden funktionieren.
Die Auswahl des richtigen Diodentyps für eine bestimmte Schaltung ist wichtig, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen.
Einige wichtige Diodentypen sind: – Schnelle Gleichrichter: Diese Dioden leiten Strom sehr schnell, was Hochfrequenzanwendungen ermöglicht.
– Standard-Gleichrichter: Diese Dioden leiten den Strom langsamer, was Niederfrequenzanwendungen ermöglicht.
– Schottky-Barrierengleichrichter: Diese Dioden haben eine eingebaute Schottky-Diode, die verhindert, dass sie rückwärts leiten.
– Fotodioden: Diese Geräte wandeln Licht in Strom um, was sie für Sensoranwendungen nützlich macht.
Dioden haben unterschiedliche Spannungsschwellen, Eigenschaften und Durchbruchspannungen
Obwohl Dioden elektrische Einweg-Shunts bleiben, haben sie typischerweise eine sehr hohe Durchbruchspannung (größer als 1 Megavolt) und eine Durchbruchspannungsschwelle (verringerte Spannung, die zum Starten des Durchbruchs erforderlich ist), wodurch sie für bestimmte Arten von Anwendungen geeignet sind.
Diese Schwellenparameter hängen von der Art der verwendeten Diode ab und können geändert werden, um verschiedene Arten von Dioden zu erzeugen.
Beispielsweise hat eine schnelle Gleichrichterdiode eine Durchbruchspannungsschwelle von etwa 0.3 Volt.
Das heißt, wenn die Spannung an der Diode weniger als 0.3 Volt beträgt, leitet die Diode nicht und die Schaltung bleibt in ihrem ursprünglichen Zustand.
Wenn die Schaltung versucht, mehr Strom zu ziehen und die Spannung über der Schaltung erhöht wird, wird die Durchbruchspannungsschwelle der Diode erreicht und die Diode beginnt, Strom in die entgegengesetzte Richtung zu leiten.
Dioden können in linearen oder nichtlinearen Anwendungen verwendet werden
Ein einzigartiges Merkmal von Dioden ist, dass sie in linearen oder nichtlinearen Anwendungen verwendet werden können.
Beim Einsatz in linearen Anwendungen dient die Diode als Schalter.
Mit anderen Worten, es leitet Strom in Abhängigkeit von der an die Schaltung angelegten Spannung in eine Richtung.
Wenn eine Spannung über einen Stromkreis angelegt wird, beginnen die Elektronen durch die Diode zu fließen und der Stromkreis wird mit Strom versorgt.
Die Diode kann man sich als „Einwegschalter“ vorstellen.
Wenn die Schaltung mit Strom versorgt wird, leitet die Diode Strom und schaltet die Schaltung ein.
Wenn keine Spannung an den Stromkreis angelegt wird, leitet die Diode nicht und der Stromkreis wird ausgeschaltet.
In nichtlinearen Anwendungen wird die Diode verwendet, um die Amplitude oder Stärke eines Signals zu verstärken oder zu erhöhen.
Wenn beispielsweise eine Schaltung ein Niederfrequenzsignal verwendet, um etwas zu steuern (z. B. einen Motor ein- oder auszuschalten), kann die Schaltung selbst durch das Signal ausgeschaltet werden.
Wenn das Signal jedoch hoch genug ist (wie ein Telefonwählton oder Musik von einem Radiosender), kann die Diode verwendet werden, um die Schaltung zu verstärken und einzuschalten, sodass sie durch das höherfrequente Signal gesteuert werden kann.
Wie funktionieren Hochspannungsdioden?
Wenn eine hohe Spannung über a angelegt wird Diode, es beginnt zu leiten.
Da die Spannung jedoch zu hoch ist, können die in der Diode eingeschlossenen Elektronen ihre Energie nicht in ausreichender Menge freisetzen, um sich aus ihrer Begrenzung zu befreien.
Infolgedessen leitet die Diode ein wenig, aber nicht genug, um die Schaltung mit Strom zu versorgen.
Wenn eine niedrige Spannung an die Gates eines Paars von Transistoren angelegt wird, die die Spannung steuern, die über eine Schaltung (als Leiterschaltung bezeichnet) angelegt wird, wird das Signal ungeregelt durchgelassen.
Wenn jedoch an der Leiterschaltung zu wenig Spannung anliegt und die Dioden nicht genügend Strom leiten, wird das Signal nicht durchgelassen und die Schaltung wird ausgeschaltet.
Dies kann verwendet werden, um einfache Schaltkreise mit Strom zu versorgen, und kann für Sortierer, Computer und Timer nützlich sein.
So berechnen Sie die Spannungsschwelle für eine Diode
Angenommen, Sie schließen eine Diode an eine 12-Volt-Stromquelle an und möchten wissen, ob sie bei einer niedrigen Spannung leitet (Strom liefert).
Die Gleichung zur Berechnung der Durchbruchspannung (VOM) eines Halbleiterbauelements lautet wie folgt: In dieser Gleichung ist „VOH“ die Spannung über dem Bauelement, wenn es durchbricht, „VOHSC“ ist die Schwellenspannung der Diode, wenn sie leitet. „I“ ist der Strom durch die Diode, „E“ ist die Spannung des elektrischen Feldes über der Diode und „n“ ist die Anzahl der Elektronen in der Diode.
Um die Spannungsschwelle der Diode zu bestimmen, müssen Sie die Durchbruchspannung der Diode kennen.
Sie können diesen Wert finden, indem Sie die obige Gleichung verwenden.
Die Durchbruchspannung einer typischen Silizium-Diode mit pn-Übergang beträgt 1.5 Volt.
Dies bedeutet, dass, wenn die Spannung an der Diode 1.5 Volt beträgt, die Diode durchbricht und beginnt, Strom zu leiten.