Was ist eine Diode (kurz erklären) , im Stromkreislauf geht Strom doch auch in eine Richtung?
Kurz
6 Antworten
Eine Diode ist ein Sogenanntes Halbleiterbauelement welcher den fließenden Strom grob gesagt nur in eine Richtung durchlässt und in Sperrrichtung sperrt sie, das heißt in Sperrichtung fließt kein Strom.
Wird die Diode in Sperrrichtung geschaltet fließt kein Strom und die gesamte angelegte Spannung U liegt an der Diode an. In dem Moment ist der Widerstand der Diode somit extrem hoch. Das geht allerdings nicht mit jeder Spannung, denn wird eine Spannung in Sperrrichtung angelegt die größer ist als die Diode haben kann wird die Diode sozusagen durchschlagen.
Wird die Diode in Durchlasrichtung geschaltet ist der Widerstand sehr klein und es kann ein Strom gemäß I=U/R fließen. Zu beachten ist dabei die Sperrspannung die überwunden werden muss, damit die Diode leiten kann. Die Sperrspannung der Diode hängt vom Material ab aus dem sie hergestellt wurde. Bei Silizium beträgt sie 0,7V bei Germanium 0,3V bei Selen 0,6V und bei Kupferoxydul 0,2V.
Gerade wenn es um eine Stabile Spannungsversorgung geht ist dies wichtig zu beachten, da z.b. bei einer angelegten Spannung von 12V eine Spannung von 0,7V (Silizium) an der Diode abfällt. Über einen Widerstand der in Reihe zur Diode geschaltet ist, würde demnach maximal eine Spannung von 11,3V abfallen. Wird der Widerstand höher würde die Spannung am Widerstand mehr und mehr zusammen brechen. Auch das Verhalten von Dioden unterscheidet sich je nach Material Siehe Kennlinie:
Wir sehen in der Kennlinie ein unterschiedliches Verhalten von Germanium und Silizium. ab rund 0,3V wird Germanium leitend, doch es fließt nur ein bestimmter Strom, In dem Moment wird also nur der Widerstand kleiner weshalb der Strom begrenzt bei 0,3V fließt. Bei einer höheren Stromstärke muss an der Diode eine höhere Spannung abfallen. Silizium hingegen wird zwar erst ab rund 0,7V leitend aber dafür ist hier die Kurve wesentlich steiler und es fällt auch bei höheren Stromstärken nahezu Konstant eine Spannung von 0,7V an der Diode ab.
Das geht jedoch nicht mit beliebig hohen Stromstärken, den je höher der Strom, desto mehr Verlustleistung haben wir an der Diode die die Diode in form von Wärme abgibt. Somit besitzt die Diode einen bestimmten Bereich an dem die Diode zerstört wird, einen sogenannten "Ptot" bereich. Je nachdem welche Leistung benötigt wird muss die Diode entsprechend Dimensioniert werden.
Eine LED funktioniert nach einem ähnlichen Prinzip nur das es sich hier um eine Licht emittierende Diode handelt also eine Diode welches Lichtpakete aussendet sobald sie von Strom durchflossen wird.
Der Aufbau einer Diode ist für viele nicht ganz ersichtlich daher versuche ich es so verständlich wie möglich zu erklären:
Eine Siliziumdiode z.b. besteht wie der Name schon sagt aus Silizium und ein Silizium Atom besitzt 4 Elektronen auf der Außen schale. Nun wird die eine Hälfte der Anode mit Bohratomen verunreinigt man spricht von dotieren. Bohr hat nun die Eigenschaft, dass es 3 Elektronen besitzt doch ein Elektron zu wenig hat. Der Grund warum das so ist ist zunächst einmal egal wir nehmen einfach erst einmal hin, dass es so ist für das Verständnis. Also Das Bohr Atom hat also ein Elektron zu wenig.
Dadurch, dass nun Elektronen vom Bohr Atom angezogen werden um das Elektronenloch zu schließen (also die Stelle an dem das besagte Elektron fehlt) entsteht eine p-dotierte Schicht mit einem Elektronenmangel.
Die Kathode wird nun mit Phosphor verunreinigt. Das Phosphor Atom hat exakt die entgegengesetzte Eigenschaft wie das Bohr Atom, das Atom hat also ein Elektron zu viel also es entsteht eine Schicht mit ein Elektronenüberschuss eine n-dotierten Schicht. Auch hier ist zunächst für das Verständnis egal warum das so ist wir nehmen einfach hin, dass es so ist, das Material bringt diese Eigenschaft nun einmal mit.
Mir persönlich viel es in Elektrotechnik sehr schwer mich auf den Gedanken einzulassen, dass es nun einmal so ist wie es ist. Das ist genau das was ich als besonders schwierig empfunden hatte. Warum also das eine Atom diese Eigenschaft mitbringt und das andere Atom diese Eigenschaft mitbringt erfordert wider eine lange Erklärung und würde einfach zu viel werden um einfach nur die Diode zu erklären :D
bringt man die n-dotierte und p-dotierte Schicht zusammen wandern die Elektronen der n-dotierten Schicht also die Schicht mit den Phosphor Atomen mit den Elektronenüberschuss in Richtung zur p-dotierten Schicht mit den Bohratomen also mit den Elektronenmangel um das besagte Elektronenloch zu schließen.
Das Elektronenloch hingegen wandert in Richtung zur n-dotierten Schicht und in der Mitte trifft das Elektron dann sozusagen auf das Elektronenloch. Nun entsteht auf der Grenze der N und P Schicht ein elektrisches Feld dessen - Pol auf der n Seite liegt und dessen + Pol auf der p Seite, denn dadurch, dass das Elektron zur n dotierten Schicht gezogen wurde entsteht nun an der Grenze eine Schicht mit einen Elektronenüberschuss und an der Grenze zur P Schicht also beim Phosphor Atom fehlt nun ein Elektron weshalb diese Schicht positiv geladen ist. Ich weiß auch das ist nicht unbedingt leicht zu verdauen. Bei Schwierigkeiten diesen "Diffusionsvorgang" zu verstehen kann ich dieses Video über die Diode vom simpleclub sehr empfehlen :)
https://www.youtube.com/watch?v=MSncOmacDJ0
Das Elektron welches zur Grenze gewandert ist wird nun vom e-Feld zur n-dotierten Schicht zurück gezogen und das Elektronenloch wird zur p-dotierten Schicht zurück gezogen so entsteht die besagte Diffusionsspannung von 0,7V die überwunden werden muss, damit die Diode leiten kann.
Wird nun eine Spannung in Durchlassrichtung angelegt dann würde bei der Technischen Stromrichtung der +Pol an die Anode gelegt und der -Pol an die Kathode. Wir erinnern uns, die Anode ist die Seite mit den Bohratomen und die Kathode die Seite mit den Phosphoratomen.
Die Elektronen fließen nun in der Technischenstromrichtung von + nach - dadurch entsteht ein äußeres elektrisches Feld, welches dem inneren entgegen wirkt. Somit hat die Kraft welches das Elektron wieder zu den Phosphoratomen zurück zieht "leichter" das Elektron an besagter Stelle zurück zu ziehen weshalb das elektrische innere Feld damit beginnt sich langsam bei steigendem äußeren elektrischen Feld aufzuheben. ab 0,7V (Silizium) währe das innere elektrische Feld vollständig aufgehoben und ab hier beginnt der Widerstand der Diode drastisch zu sinken. Die Diode ist nun elektrisch leitend.
Legt man eine Spannung in Sperrichtung also bei der technischen Stromrichtung + an die Kathode und - an die Anode werden die Elektronen weiter zur Grenzschicht gedrückt und die damit auch die Elektronenlöcher weiter zur Grenzschicht gedrückt und das innere elektrische Feld wird zusätzlich um das äußere e-Feld verstärkt. Es fließt somit kein Strom.
Eine Diode wird daher in der Elektrotechnik als eine Art Ventil für den elektrischen Strom genutzt. Anwendung finden Dioden vor allem beim Gleichrichten von Wechselspannungen. Eine Einfache Diode reicht zum Gleichrichten im Prinzip schon aus, doch dann wird bei der Wechselspannung nur die positive Halbwelle durchgelassen. Um Positive wie auch die negative Halbwelle hindurch zu lassen wird eine Brückenschaltung aus 4 Dioden aufgebaut:
Diode als Gleichrichter:
Vollweggleichrichter:
Eine Diode ist wie ein Rückschlagventil, Passage in eine Richtugn funktioniert, in die andere nicht (*). Einem Leiter hingegen ist es egal, in welche Richtung der Strom fließen möchte, das geht immer.
Wenn ich also die Pole bei der Spannungsquelle tausche und einen einfachen Kreis aus Leiter und Birnchen habe, leuchtet sie immernoch, ist eine Diode vorhanden und wird diese nicht umgedreht, leuchtet das Birnchen nicht mehr, weil die DIode 'sperrt'.
(*) Das ist eine vereinfachte Beschreibung, die davon ausgeht, daß die Diode wie vorgesehen betrieben wird. Die Wahrheit ist wie so oft bei elektronischen Bauteilen im Detail komplizierter.
Kurz:
- Lässt den Strom nur in eine Richtung durch
- Wird sie richtig rum (in Flussrichtung) im Stromkreis eingebaut, kann ein Strom fließen
- Wird sie anders herum eingebaut, fließt kein Strom
- Bei Wechselstrom wechselt die Richtung. Mit einer Diode kann man aus Wechselstrom Gleichstrom machen...
Eine Diode lässt Strom nur in eine Richtung durch. Wenn du bei Gleichspannung eine Diode falsch herum in den Stromkreis hängst kann daher kein Strom fließen. Bei Wechselspannung lässt sie nur eine Halbwelle durch.