Unterrichts- und Lernmaterial für Mikrocontroller
Unterrichts- und Lernmaterial fürMikrocontroller

1 - Theorie

Eine Halbleiterdiode besteht aus einem n- und einem p-dotierten Material (meistens Silizium), das den Strom nur in einer Richtung leitet. Die Berührungsstelle beider Materialien bestimmt das Verhalten der Diode. Im unbeschalteten Zustand bildet sich dort durch Diffusion von Ladungsträgern eine Verarmungszone freier Ladungsträger aus; dieser Bereich wird auch Sperrzone oder Raumladungszone genannt.

Abbildung 1 - Aufbau einer np-dotierten Diode

Das elektrische Feld E, das sich in der Raumladungszone aufbaut, erzeugt einen Driftstrom, der dem Diffusionsstrom zwischen dem n- und p-Material entgegenwirkt. Es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein.

Mit dem Anlegen einer äußeren Spannung ändert sich das Verhalten. Es gibt zwei Möglichkeiten der Beschaltung:

  • das n-dotierte Material wird mit dem Pluspol, das p-dotierte mit dem Minuspol einer Energiequelle verbunden.
  • das n-dotierte Material wird mit dem Minuspol, das p-dotierte mit dem Pluspol einer Energiequelle verbunden.

Im ersten Fall wird sich die Verarmungszone vergrößern, da die freien Ladungsträger vom Pluspol und die Defektelektronen vom Minuspol der Energiequelle angezogen werden. Mit jeder Änderung der Spannungsgröße werden sich Diffusions- und Driftstrom verändern und nach einer gewissen Zeit wieder einen Gleichgewichtszustand herstellen. Der Driftstrom nimmt zu. Ein nennenswerter Diffusionsstrom durch den np-Halbleiter findet nicht statt; dies ist der sogenannte Sperrfall.

Abbildung 2 - Verarmungszone im Sperrfall

Im zweiten Fall drängen freie Ladungsträger in die Verarmungszone, die verkleinert wird; der Diffusionsstrom nimmt kräftig zu. Wir sprechen vom sogenannten Durchlassfall.

Abbildung 3 - Verarmungszone im Durchlassfall

Schaltzeichen Diode

2 - Aufnahme einer Kennlinie

Für den Aufbau elektronischer Schaltungen ist die Kenntnis der Daten und Kennlinien der verwendeten Halbleiter notwendig. Diese Informationen erhält man aus dem Internet über die Datenblätter der Hersteller, vorausgesetzt, man kennt die Typbezeichnung des Bauteils. Ist dies nicht der Fall, muss eine Kennlinie aufgenommen werden, um das elektrische Verhalten in einer Schaltung einschätzen zu können.

Aufnahme einer Diodenkennlinie
Material
  • 1x  Steckbrett
  • 1x  Arduino UNO
  • 1x  INA219 Current Sensor - alternativ kann auch mit einem Spannungs- und einem Strommessgerät gearbeitet werden
  • 1x  Potenziometer, 10kOhm
  • 1x  Widerstand, 220 Ohm
  • 1x  Si-Diode;  z. B. 1N4143
  • 1x  Ge-Diode; z. B. AA118
  • 8x  Steckdraht
Aufgaben
  • Baue die Schaltung nach vorliegender Schaltskizze auf dem Steckbrett auf und verbinde sie mit dem Arduino UNO Board.
  • Verbinde das Mikrocontroller-Board über das USB-Kabel mit einem PC. Starte die erste Messreihe mit der Si-Diode. In einer zweiten Messreihe tausche die Si-Diode gegen eine Ge-Diode aus. Achte auf die Polung.
  • Gib das Programm Dioden_Kennlinie.ino in den Arduino Editor ein und speichere es ab.
  • Starte das Programm.
  • Drehe den Mittelabgriff des Potenziometers in die Position, bei der im seriellen Monitor ein Stromfluss von 0 mA angezeigt wird. Erhöhe in 0,1 V Schritten die Spannung und lies jeweils die Stromstärke ab. Trage die Werte in eine Wertetabelle ein.
  • Erstelle einen Graphen zu den Messwerten (Rechtsachse UDiode, Hochachse: IDiode)

Schaltungsaufbau

Abbildung 4 - Schaltungsaufbau mit dem INA219 Sensor.

Das Programm Dioden_Kennlinie.ino

Abbildung 5 - Das Programm Dioden_Kennlinie mit dem INA219 Current Sensor

Die Messungen mit dem INA219-Modul ergeben für eine Si-Diode vom Typ 1N4143 und eine Ge-Diode vom Typ AA118 die unten dargestellten Kennlinien. Die Kennlinie der Ge-Diode ist in blauer Farbe wiedergegeben. Ausgewertet und graphisch dargestellt wurden die Daten mit Hilfe des Programms Excel.

Abbildung 6 - Kennlinien einer Si- und einer Ge-Diode.

3 - Der Einweg-Gleichrichter

Dioden werden u.a. in Netzteilen verwendet um Wechselstrom in Gleichstrom zu wandeln. Schaltet man im Sekundärkreis eines Transformators eine Diode in Reihe zu einem Widerstand, der stellvertretend steht für eine Last, dann lässt die Diode von der Wechselspannung nur eine Halbwelle durch. Wir werden nicht mit 230V Netzspannung arbeiten (Lebensgefahr).

 

Die in dieser Übung benutzte Schaltung ist fest verdrahtet auf einer Platine mit einem Nf-Übertrager 1:1 mit 2-Kammer Wicklung und einem Frequenzbereich von 50Hz bis 10kHz, die einzelnen Bauteile lassen sich aber auch auf einem Steckbrett aufbauen. Auf der Primärseite des Übertragers wird ein Frequenzgenerator angeschlossen. Damit ähnelt das Schaltbild sehr stark einer Einweg-Gleichrichterschaltung im Wechselstromkreis.

Einweggleichrichter
Material
  • 1x  Nf-Übertrager 1:1
  • 1x  Si-Diode
  • 1x  Widerstand, 1kOhm
  • 1x  Funktionsgenerator
  • 1x  USB-Oszilloskop
Aufgabe
  • Baue die Schaltung nach Abb. 7b auf und schließe das USB-Oszilloskop am PC an.
  • Starte das Programm PicoScope6 und schalte den Funktionsgenerator ein. Wähle eine Frequenz von 1kHz.
  • Überzeuge dich, dass nur eine Halbwelle der Sinuswelle übertragen wird.

Die Schaltung

Abbildung 7a - Die Schaltungsplatine mit Nf-Übertrager, Si-Diode und Widerstand
Abbildung 7b - Schaltskizze Einweg-Gleichrichter

Wie arbeitet die Schaltung?

Zur Erklärung teilen wir die Wechselspannung in die positive und negative Halbwelle auf. In der nachfolgenden Zeichnung wird die positive Halbwelle (rot) mit einem + Zeichen und die negative Halbwelle (grün) mit einem - Zeichen symbolisiert.

Betrachtung für die positive Halbwelle

Die Anode ist positiv vorgespannt gegenüber der Kathode; damit arbeitet sie in Durchlassrichtung. Ab einer Schwellspannung von ca. 0,7 Volt fließt ein nennenswerter Strom durch die Diode und den Widerstand und ruft dort einen entsprechenden Spannungsabfall hervor.

Betrachtung für die negative Halbwelle

Die Anode ist negativ vorgespannt gegenüber der Kathode, die damit in Sperrrichtung betrieben wird. Es fließt kein nennenswerter Strom mit der Folge, dass der Spannungsabfall über dem Widerstand gegen Null geht.

Oszillogramm für den Durchlassfall

Abbildung 9 - Einweggleichrichtung einer Wechselspannung (aufgenommen mit PicoScope 2205A MSO)

4 - Brückengleichrichter

Bei der Brückengleichrichterschaltung werden jeweils zwei in Reihe liegende Dioden parallel geschaltet. Die Wechselspannung wird zwischen den in Reihe liegenden Dioden eingespeist. Das Prinzip zeigt Abb. 10.

Brückengleichrichter
Material
  • 1x  Nf-Übertrager 1:1
  • 4x  Si-Diode
  • 1x  Widerstand, 1kOhm
  • 1x  Funktionsgenerator
  • 1x  USB-Oszilloskop
Aufgabe
  • Baue die Schaltung nach Abb. 10 auf und schließe das USB-Oszilloskop am PC an.
  • Starte das Programm PicoScope6 und schalte den Funktionsgenerator ein. Wähle eine Frequenz von 1kHz.
  • Überzeuge dich, dass jede Halbwelle der Sinuswelle übertragen wird.

Die Schaltung

Abbildung 10 - Graetz-Schaltung

In dieser Übung arbeiten wir wieder mit einem Übertrager, der stellvertretend für einen Netztrafo steht. Das fertig aufgebaute Modul zeigt Abb. 11.

Abbildung 11 - Modul zur Vierweg-Gleichrichterschaltung

Wie arbeitet die Schaltung?

Bei der Betrachtung geht man wieder von der positiven und negativen Halbwelle der Wechselspannung aus. Die nachfolgenden beiden Abbildungen zeigen den Stromverlauf durch die Dioden während der positiven und während der negativen Halbwelle. Der Strom durch den Lastwiderstand ändert seine Richtung dabei nicht; es liegt ein Gleichstrom vor.

Abbildung 12 - Stromfluss durch die Graetz-Schaltung während einer positiven und negativen Halbwelle. Die Stromrichtung im Lastwiderstand ändert sich nicht.

Oszillogramm für eine Graetz-Schaltung

Abbildung 13 - Doppelweg-Gleichrichtung einer Sinusspannung. Aufgenommen mit einem PicoScope 2205A MSO

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Kommentare

  • olaf (Sonntag, 10. Dezember 2017 08:35)

    wow...die mit Abstand beste Site, die ich bisher zu diesem Thema gesehen habe :-))
    Vielen Dank dafür. Hilft super beim Erklären!!

  • David Eisenblätter (Sonntag, 11. Februar 2018 13:38)

    Sehr schön erklärt, und zufällig heute, wo ich nochmal nach einer detailierten Gedankenstütze diesbezüglich gesucht habe!

    Vielen vielen Dank!

    David.

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