Dioden Arten und ihre verschiedenen Verwendungsweisen

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Verschiedene Dioden Arten sind in der Elektrotechnik bekannt und werden in unterschiedlichen Schaltungen verwendet. Dioden stabilisieren Schaltungen und schützen vor Überspannungen.

Dioden Arten: Verschiedene Arten und Anwendungsmöglichkeiten

Die einzelnen Dioden Arten kommen für unterschiedliche Anwendungszwecke zum Einsatz. Es handelt sich dabei um Bauteile, die aus der Elektrotechnik und aus den diversen Schaltungen nicht mehr wegzudenken sind. Das Besondere ist, dass die sogenannte Halbleiterdiode den Strom nur in eine Richtung durchlässt. In die andere Richtung hingegen wird er blockiert, was in Fachkreisen auch als Isolation bezeichnet wird. Dioden, die in Durchlassrichtung betrieben werden, weisen eine Schwellenspannung auf.

Wird von Dioden gesprochen, so muss klar sein, dass es verschiedene Typen von Dioden gibt und nicht die eine, die alles kann und in jedem Fall eingesetzt wird. Sie sind unverzichtbar, wenn in Schaltungen der Strom in eine Richtung blockiert werden soll oder wenn es darum geht, eine Spannung zu begrenzen. Letzteres verhindert, dass eine Überspannung entsteht, durch die ein elektrisches Gerät zerstört wird. Außerdem werden Dioden eingesetzt, wenn eine vorliegende Wechselspannung in eine Gleichspannung umgewandelt werden soll.

Es entsteht eine Gleichrichtung, die Halbleiterdiode wird in dem Fall auch als Gleichrichter bezeichnet. Außerdem ist es möglich, mithilfe der Halbleiterdioden eine Spannungsquelle zu bauen, an der die immer gleiche Spannung abgegriffen wird. Solche Spannungsquellen werden auch als Konstantspannungsquellen betitelt.

Diodenarten erklärt: WTF sind LED, Schottky-, Zener-, Z-Dioden?

Verschiedene Dioden Arten und ihre Verwendung

Die folgende Übersicht gibt einen Einblick in die Welt der Dioden Arten und zeigt ihre typische Verwendung:

Gleichrichterdiode

Gleichrichterdioden kommen am häufigsten vor und sind meist gemeint, wenn schlichtweg von „Dioden“ die Rede ist.

Hierbei gibt es zwei Arten:

  • Zum einen die Ausführung für die Netzfrequenz, wobei die Dioden langsam arbeiten.
  • Zum anderen die „Ultra fast Dioden“, die besonders schnell arbeiten und für Schaltnetzteile geeignet sind.

Die Tempobezeichnung steht bei Dioden Arten für den Übergang von einem leitenden Zustand in den Sperrzustand (leitende Spannung in Sperrspannung).

Bei langsamen Dioden ist es nach dem Umschalten in die Sperrspannung möglich, dass noch für wenige Mikrosekunden Strom fließt. Die Umkehrrichtung hingegen unterscheidet sich bei den Dioden Arten nicht: Von der Sperrspannung in die leitende Spannung arbeiten alle Dioden gleich schnell.

Nach der Randschichttheorie von Schottky aus dem Jahr 1938 gibt es bei den Dioden Arten einen n-dotierten Siliziumkristall und eine Elektrode aus Metall.

/ Nach der Randschichttheorie von Schottky aus dem Jahr 1938 gibt es bei den Dioden Arten einen n-dotierten Siliziumkristall und eine Elektrode aus Metall.(#01)

Schottky Diode

Nach der Randschichttheorie von Schottky aus dem Jahr 1938 gibt es bei den Dioden Arten einen n-dotierten Siliziumkristall und eine Elektrode aus Metall. Die Bildung der Sperrschicht erfolgt nach Schottky zwischen diesen beiden Teilen. Wichtig zu wissen ist dabei, dass es eine Kniespannung gibt, die gegenüber Silizium sehr niedrig ist, außerdem ist der Kennlinienknick sowohl in die Sperr- als auch in die Durchlassrichtung sehr scharf.

Dazu kommen eine niedrige Sperrspannung, ein geringes Rauschen und hohe Sperrströme. Außerdem sind die Schaltzeiten extrem schnell. Letztere sowie die geringe Durchlassspannung sind der Grund dafür, warum die Schottky Diode vor allem in Schaltnetzteilen Verwendung findet.

Lawinen-Gleichrichterdiode

Die Lawinen-Gleichrichterdiode ist eine Siliziumdiode, die ein kontrolliertes Durchbruchverhalten besitzt. Sie wird bei einer Durchbruchspannung mit sogenannten „nichtperiodischen Verlustleistungsimpulsen“ zerstört, was den größten Unterschied zu normalen Dioden ausmacht.

Video: Diode / Gleichrichterdiode – Funktion (Animation)

Selengleichrichterdiode

Diese Dioden Arten sind längst veraltet und werden heute nicht mehr angewendet. Sie sind deutlich größer als normale Halbleiterdioden und weisen hohe Sperr- und Durchlassverluste auf. Sie bringen aber einen großen Vorteil mit: Diese Dioden Arten besitzen eine hohe Überlastbarkeit und einen hervorragenden Überlastschutz und erreichen Stromstärken von bis zu 150 mA/cm² sowie bis zu 45 Volt Sperrspannung.

Zenerdiode

Für die verschiedenen Dioden Arten ist die Durchlassrichtung des Stroms relevant. Die Zenerdioden sind dabei für den Betrieb in Sperrrichtung ausgelegt und weisen eine sehr steile Diodenkennlinie auf, die sogar gegenüber verschiedenen Temperaturen stabil ist. Diese Dioden werden eingesetzt, um eine gewünschte Spannungsstabilisierung zu erreichen.

Supressordiode

Diese sind besondere Zenerdioden und werden verwendet, wenn Schaltungen vor Überspannung zu schützen sind. Sie vertragen hohe Ströme, sofern diese nur kurzzeitig fließen. Sie haben allerdings deutlich größere Toleranzen als andere Dioden Arten und sowohl Temperaturabhängigkeit als auch Diffusionskapazität weisen einen weniger scharfen Knick in der Diodenkennlinie auf. Die Supressordiode kann auch als biopolare Variante verwendet werden.

Video: Supressordiode

Lumineszenzdiode

Diese Dioden Arten sind als Leuchtdioden weithin bekannt und sicherlich auch schon einmal Laien zu Ohren gekommen. Dahinter verbirgt sich eine Diode, bei der Energie frei wird: Diese Energie wird als Licht wahrgenommen. Sie entsteht beim Passieren des pn-Übergangs, denn dabei wird ein Teil der Energie in der für Licht üblichen Wellenlänge frei. Leuchtdioden weisen eine Vorwärtsspannung auf, die umso größer ist, je mehr Energie die beteiligten Photonen aussenden.

Die Vorwärtsspannung ist für Infrarotdioden am kleinsten, sie steigt von Rot bis zu Ultraviolett beständig an. Die auch als LEDs bekannten Dioden sind sehr empfindlich gegen Überspannungen und falsche Polung, denn die Sperrspannungen sind bei Lumineszenzdioden sehr gering. LEDs sind gegen längere Wellenlängen bzw. Licht dieser Wellenlängen unempfindlich, daher können sie nicht vollends als Fotodioden eingesetzt werden.

Fotodiode

Die Fotodiode kann zu einer Stromquelle werden, wenn die Photonen, die auf die pn-Schicht auftreffen, eine bestimmte Frequenz aufweisen. Sie treffen hier auf Ladungsträger, was die Spannung verursacht.

PIN-Dioden

Die p- sowie die n-Schicht der PIN-Dioden ist nur schwach dotiert und wird auch als intrinsische Schicht bezeichnet. Die Diffusionskapazität ist damit sehr gering, dafür weisen die Dioden eine hohe Spannungsfestigkeit auf. Die Ladungsträgerlebensdauer ist hoch, weshalb PIN-Dioden vor allem als Schalter eingesetzt werden. Sie kommen ab einer Frequenz von ungefähr 1 MHz zur Anwendung.

Kapazitätsdioden weisen eine genau definierte Kapazität auf und sind abhängig von den jeweiligen Spannungen.

Kapazitätsdioden weisen eine genau definierte Kapazität auf und sind abhängig von den jeweiligen Spannungen.(#02)

Tunneldiode

Liegt nur eine kleine Flussspannung an, so kommt es bei der Tunneldiode bereits zum Stromfluss. Grund dafür ist die hohe Dotierung der Schichten der Halbleiter. Der Effekt verschwindet in dem Maße, in dem die Flussspannung steigt, die Diodenkennlinie fällt immer weiter. Sie nimmt aber die gewohnte Form an, wenn größere Spannungen anliegen. Daraus ergibt sich, dass eine Tunneldiode ein örtlich begrenztes Maximum für die Leitfähigkeit hat. Bestimmte Spannungen weisen einen differenziellen, negativen Widerstand auf.

Backward-Diode

Die Backward-Diode wird grob den Tunneldioden zugeordnet, Experten sagen auch, dass es sich um einen Spezialfall handelt. Der Grund: Bei dieser Diode gibt es kein Maximum der Leitfähigkeit in Flussrichtung oder in Sperrrichtung. Diese Dioden werden eingesetzt, um Spannungen im Millivoltbereich gleichrichten zu können, wobei die Durchlassrichtung gesperrt und in Sperrrichtung umgeleitet wird.

Kapazitätsdiode

Die anliegenden Spannungen sind immer verantwortlich dafür, wie hoch die Kapazität der Dioden Arten in Sperrrichtung ist. Liegt die Spannung in Sperrrichtung an, wird die Verarmungsschicht am pn-Übergang verbreitert, die Kapazität der Diode wird kleiner. Kapazitätsdioden weisen eine genau definierte Kapazität auf und sind abhängig von den jeweiligen Spannungen. Sie werden vor allem in Radioempfängern eingesetzt sowie in Oszillatoren, die über Spannungen gesteuert werden.

Laserdioden sind mit LEDs zu vergleichen, sind nur besonders hochwertig.

Laserdioden sind mit LEDs zu vergleichen, sind nur besonders hochwertig. (#03)

Laserdioden

Laserdioden sind mit LEDs zu vergleichen, sind nur besonders hochwertig. Sie verhalten sich auch wie normale LEDs, sofern nur niedrige Ströme anliegen. Erhöht sich aber die Schwellstromstärke, wird auch die Effizienz der Diode größer und es entsteht ein farbiges Licht, das fast ideal monochromatisch ist. Bei einer Laserdiode tritt das Lichtbündel an zwei Seiten, die sich gegenüberliegen, aus. Das Licht der einen Seite wird aufgefangen, was mithilfe der Fotodiode geschieht.

Laserdioden zeigen sich in der Praxis als extrem empfindlich und reagieren stark auf zu hohe Ströme und elektrostatische Ladungen. Laserdioden produzieren ein sehr intensives und dichtes Licht, das dem Auge schadet, daher ist die Arbeit mit diesen Dioden Arten nur unter Einhaltung spezieller Schutzvorschriften möglich.

Röhrendiode

Die Röhrendiode gilt als älteste Diode überhaupt und arbeitet mit zwei Elektroden. Kathode und Anode bilden die Elektronenröhre. Glüh-, Foto- und Feldemissionen sorgen dafür, dass an der Kathode Elektronen austreten. Diese werden durch die Anode von der Kathode abgesaugt und es kann ein Strom fließen. Bei einer negativen Anode aber fließt kein Strom, da durch diese keine Elektroden emittiert werden können. Die Kathoden sind meist mit einem Material überzogen, das eine niedrige Austrittsenergie aufweist.

Die Diode kann zu einer Stromquelle werden, wenn Ladungsträger bei Beleuchtung der Kathode gebildet werden, was durch den sogenannten äußeren Fotoeffekt möglich ist.

Diese Übersicht bietet einen kleinen Einblick in Dioden und ihre Verwendung, wobei festzuhalten ist, dass der häufigste Verwendungszweck der Diode darin besteht, dass teure Schaltungen geschützt werden. Diese sind unter anderem in Controllerboards verbaut, wo die Gefahr einer Verpolung besteht. Die integrierten Dioden schützen davor.


Bildnacheis:©Shutterstock-Titelbild: Taras Verkhovynets  -#01:  Benson HE_-#02: JodGy-#03: Peter Sobolev

About Author

Marius Beilhammer, Jahrgang 1969, studierte Journalismus in Bamberg. Er schreibt bereits viele Jahre für technische Fachmagazine, außerdem als freier Autor zu verschiedensten Markt- und Businessthemen. Als fränkische Frohnatur findet er bei seiner Arbeit stets die Balance zwischen Leichtigkeit und umfassendem Know-how durch seine ausgeprägte Affinität zur Technik.

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