Menü verbergen


Druckansicht


An Umfrage teilnehmen




Zu meinem Solarprojekt
Zurückblättern Letzte Änderungen Liste der Seiten Stammtisch Archiv Menü EIN / AUS



1.2.3 Die Diode - Z-Diode

Erstellt ab 2007


Die einfachen Eigenschaften einer Diode sind leicht zu verstehen. Eine Diode ist ein „Stromventil“, welches den Strom nur in einer Richtung hindurchfließen lässt. Eine Diode besteht aus einer Anode und einer Kathode. In der Grafik ist das Schaltzeichen zu sehen.


Wenn man plus an die Anode (den Pfeil) und minus an die Kathode (den Balken) anschließt, so fließt ein Strom durch die Diode, man sagt, die Diode ist in Durchlassrichtung geschaltet.

Polt man die Spannung um und schließt plus an die Kathode und minus an die Anode an, so lässt die Diode keinen Strom durchfließen. Mann sagt dann, die Diode ist in Sperrrichtung geschaltet.

Dioden können natürlich auch nur bestimme Ströme und Spannungen verkraften, deshalb gibt es sie auch in verschiedenen Größen zu kaufen. Man muss sich vorher überlegen, wie viel Strom durch die Diode hindurchfließen wird und und welche Spannung sie sperren soll. Danach sollte man dann die Diode auswählen. Die Spannung, an der die Diode in Sperrrichtung betrieben werden kann, darf nicht beliebig hoch werden, sonst „schlägt“ die Diode durch und es würde auch in Sperr-Richtung ein Strom fließen, was die ganze Schaltung zerstören könnte. Also muss man bei der Auswahl der Diode auch noch die zulässige Sperrspannung berücksichtigen, damit die Diode nicht kaputtgeht.

Es gibt aber auch Dioden, die noch zusätzlich weitere Eigenschaften haben. Da wäre z.B. die „berühmte“ LED. Die Abkürzung LED kommt aus dem Englischen und heißt „light emitting diode“, was soviel wie „Licht aussendende Diode” bedeutet. Diese Dioden leuchten, wenn man sie in Durchlassrichtung betreibt.

Dazu ein einfacher Versuch, der die Eigenschaften der Dioden verdeutlicht:

Baue folgende Schaltung als Brettschaltung auf:





Wie du siehst, leuchtet die LED. Das funktioniert, weil die Diode D1 in Durchlassrichtung geschaltet ist und den Strom durchfließen lässt.










Nun pole die Diode D1 um:






Jetzt leuchtet die LED nicht mehr, weil die Diode D1 in Sperr-Richtung geschaltet ist und den Strom nicht hindurchfließen lässt.

Das Gleiche passiert, wenn du die LED „verkehrt herum" einbaust. Auch dann leuchtet die LED nicht, weil diese dann in Sperr-Richtung geschaltet ist und den Strom nicht fließen lässt.













Dieses Beispiel zeigt recht große Dioden für viel Strom. Die Kathode (der "Balken" am Schaltzeichen) ist hier mit einem weißen Ring gekennzeichnet.











Weiterhin gibt es aber noch zahlreiche andere Spezialdioden, wie z.B. Laserdioden, Infrarotdioden, Fotodioden oder auch Z-Dioden. Sie alle haben jeweils ganz spezifische Funktionen und Eigenschaften.

Eine typische Anwendung von normalen Dioden ist die Gleichrichtung von Wechselspannung in einem Netzteil. Dort macht man aus der ständig Plus und Minus wechselnden Spannung (z.B aus dem Stromnetz) eine Gleichspannung, wie sie etwa in Batterien vorkommt, die immer in die gleiche Richtung zeigt. Auch für Logikschaltungen in der Digitaltechnik eignen sich die Dioden sehr gut. An einer normalen Silizium-Diode fallen 0,7 Volt ab, wenn man sie in Durchlassrichtung betreibt. Das muss man dann in seinen Schaltungen berücksichtigen. 


Achtung:



Schließe bei der Bastelei die Dioden nie direkt ohne Verbraucher an die Batterien an, weil sonst in Durchlassrichtung ein Kurzschluss entsteht, der die Batterien oder die Dioden zerstören könnte.


Beim Einkauf der Diode 1N4001 kannst Du ruhig gleich mehrere davon bestellen, denn diese Sorte wird sehr oft in der Hobbyelektronik verwendet und ist recht robust. Außerdem werden die Dioden pro Stück oftmals erheblich billiger, wenn man gleich mehrere davon bestellt.

Du kannst auch in dem Beispiel oben die LED gegen ein Fahrradlämpchen austauschen, wenn Du keine LED zur Verfügung hast. Der Versuch klappt dann genau so gut. Dazu muss auch der Widerstand weggelassen werden. Als Diode dafür eignet sich die Diode 1N4001.

Du kannst auch eine Diode aus einem alten Radio oder einem alten Kassettenrecorder auslöten. Das übt sehr gut das Löten und du musst dort auch erst einmal die Dioden finden. Überhaupt kann man sehr viele Sachen aus alten Geräten auslöten und sie dann für die eigene Bastelei wiederverwerten.

Du wirst sehen: wenn sich das „Ausschlachten” der Geräte erst einmal im Familien- und Freundeskreis herumgesprochen hat, wirst du viele alte Geräte geschenkt bekommen und du kannst diese dann nach brauchbaren Teilen durchsuchen.

Ergänzung vom 28.01.2017:

Die Z-Diode (Zener-Diode) ist genau wie die normale Diode ein Stromventil. Anders als die normale Diode lässt die Z-Diode aber  ab einer gewissen Spannung den Strom auch in Sperr-Richtung fließen. Dieser Stromfluss geschieht sehr plötzlich und beginnt sehr genau bei der Zener-Spannung der Diode.

Also wird eine Z-Diode für gewöhnlich in Sperr-Richtung betrieben, um diesen besonderen Effekt auszunutzen.

Ich habe hier einmal eine Versuchsanordnung aufgemalt, die veranschaulichen soll, wie die Zenerdiode leitend wird:



Wir bauen also die obige Schaltung auf und stellen das Poti auf den unteren Anschlag 1. Das bedeutet, dass die Z-Diode mit der minimalen Spannung, nämlich mit null Volt beaufschlagt wird. Nun klemmen wir das Voltmeter an und drehen das Poti langsam auf den Anschlag 2, was maximale Versorgungsspannung U_b = 12 Volt bedeutet.

Am voltmeter können wir sehen, dass es bei 4,7 Volt stehen bleibt und nicht mehr höher ausschlägt, obwohl wir U_b bis auf 12 Volt erhöhen. Wenn wir gleichzeitig ein Amperemeter mit der Z-Diode in Reihe schalten, so werden wir sehen, dass dort ab 4,7 Volt ein Strom fließt, der immer höher wird, je höher wir die spannung U_b einstellen.

Die Z-Diode wirkt ab ihrer Z-Spannung also so ungefähr wie ein  Kurzschluss und der Z-Strom I_z muss deshalb auch stets mit einem Vorwiderstand (hier: R1) begrenzt werden.

Man sagt dann auch, dass die Z-Diode Spannungen stabilisieren kann. Hier kommt am Spannungsmessgerät nämlich immer sehr genau 4,7 Volt heraus, egal ob am Potiabgriff 12 Volt oder z.B. nur 9 Volt eingestellt sind.  Somit stabilisiert die Z-Diode in diesem Beispiel die Spannung U_z.

 Ergänzung vom 31-01-2017:

Die Zenerdiode (auch Z-Diode genannt) wird in Sperr-Richtung bereiben. DAs Interessante dabei ist, dass sie bei einer genauen Spannung, der Z-Spannung schlagartig durchschaltet, bzw. die Sperrschicht wird schlagartig durchschlagen, wenn die Z-Spannung überschritten wird.

Hier einmal ein ganz einfaches Beispiel, wie man eine Z-Diode betreiben könnte:

 Wir sehen hier eine Gleichspannungsquelle mit 8 Volt und die daran angeschlossene Z-Diode mit ihrer 4,7 Volt Z-Spannung. Es beginnt der Strom Iz zu fließen, denn 8 Volt sind ja bekanntlich höher als 4,7 volt. Die Sperrschicht der Diode bricht also durch. Am Widerstand von 1 k Ohm fallen 8 - 4,7 Volt ab, also 3,3 Volt.

U = R * I ==> I = U / R ==> I = 3,3V / 1000 Ohm ==> 0,0033 A

Es fließen also so um die 3 mA. Diese 3 mA fließen aber auch durch die Diode und müssen bei deren Leistungsbemessund berücksichtigt werden.

P = U * I ==> P = 4,7V * 0,0033A ==>  0,01551 Watt

Also ensteht in dieser Schaltung in der Diode eine Verlustleistung von etwa 16 mW.

Darauf müssen wir achten und die Diode entsprechend dimensionieren, wenn wir sie einsetzen wollen.

Nehmen wir mal an, wir wollten eine LED (Verbraucher) an dieser Diode betreiben und diese LED soll immer eine konstante Spannung bekommen.

Dazu stecken wir uns einmal folgende Schaltung:


Wenn Du jetzt die Spannung am Labornetzgerät langsam hoch drehst, wirst Du feststellen, dass die LED irgendwann nicht mehr heller wird. Die Z-Diode stabilisiert die Spannung also auf 4,7 Volt. Du kannst auch zusätzlich ein Multimeter anschließen und den vorgang wiederholen:



Dann wirst Du sehen, dass die Anzeige bei etwa 4,7 Volt "stehen bleibt".

Der Strom, wird in diesem Beispiel ab 4,7 Volt an der LED durch die Z-Diode "vorbeigeleitet" und der Vorwiderstand R1 verandelt die Überschüssigen Volts in Abwärme. An R1 fällt die Spannung ab, die über die 4,7 Volt hinaus gehen.

Ich wünsche stets gute Kennlinien,

 

 


Springe zur Startseite --- Nach oben zum Seitenanfang






Hinweis nach EU-Richtlinie: Diese Seiten verwenden Cookies für den Surfgenuss.