Dioden
Werbung
ZHAW School of Engineering Zentrum für Signalverarbeitung und Nachrichtentechnik Dioden Dr. Werner Baumberger 12. Februar 2012 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung .......................................................................................................................................... 2 2 Lernziele ............................................................................................................................................ 2 3 Grundlegende Eigenschaften von Dioden ...................................................................................... 3 4 Bauformen für Leistungs- und Signalverarbeitungsanwendungen............................................. 5 4.1 Das Phänomen der Sperrverzögerung ........................................................................................ 5 4.2 Die pn-Diode .............................................................................................................................. 6 4.3 Die pin-Diode ............................................................................................................................. 7 4.4 Die Schottky-Diode .................................................................................................................... 7 4.5 Weitere Diodentypen .................................................................................................................. 8 4.5.1 Fotodioden und Solarzellen ................................................................................................... 8 4.5.2 Leuchtdioden .......................................................................................................................... 9 4.5.3 Kapazitätsdioden ..................................................................................................................... 9 4.5.4 Z-Dioden ................................................................................................................................. 9 4.6 Zusammenfassung und Beispiele ............................................................................................... 9 5 Gleichrichterschaltungen............................................................................................................... 10 5.1 Leistungsgleichrichter .............................................................................................................. 10 5.2 Signal- und Messgleichrichter .................................................................................................. 12 6 Spannungsstabilisierungs- und Schutzschaltungen .................................................................... 14 6.1 Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden .................................................................................... 14 6.2 Spannungsstabilisierung auf Basis Bandgap-Referenz ............................................................ 14 6.3 Schutzschaltungen .................................................................................................................... 15 7 Musterlösungen zu den Übungen ................................................................................................. 17 Original-URL: http://www.hochfrequenzelektronik.ch/ek1/skript/03-dioden.pdf C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 Seite 1 von 24 EK1 Dioden 1 Einleitung Dioden sind die einfachsten diskreten Halbleiterbauelemente. Sie werden als Gleichrichter und Spannungsreferenzen in Stromversorgungen, für diverse Signalverarbeitungsanwendungen (z. B. Signalpfadschalter) und zu Schutzzwecken (Überspannungsschutz) eingesetzt. Allen Diodenbauformen gemeinsam ist die Eigenschaft, dass sie den Strom nur in einer Richtung leiten. Viele, aber nicht alle Diodenanwendungen nutzen diese Tatsache aus. In dieser Vorlesungsbeilage werden die pn-, die pin- und die Schottky-Diode in Verbindung mit ihren typischen Anwendungen aus der Leistungselektronik und der Signalverarbeitung behandelt. ZDioden werden in ihrer Anwendung als Schutzelemente besprochen. Sonderbauformen können darüber hinaus als Detektoren für Licht unterschiedlicher Wellenlängen (Fotodioden) resp. zur Energieerzeugung (Solarzellen) eingesetzt werden. Dioden aus anderen Halbelitermaterialien als Silizium können Licht erzeugen (LED's). Weiter kann die sperrspannungsabhängige Kapazität einer Diode ausgenutzt werden (Varicap- oder Kapazitätsdioden). Alle diese Sonderbauformen werden hier nur der Vollstädigkeit halber erwähnt. Sie werden teils in anderen Kursen ausführicher behandelt. 2 Lernziele Die Studierenden können ohne Konsultation der Unterlagen die Diodentypen pn-, pin- und Schottky-Dioden beschreiben und kennen deren Unterschiede bezüglich Eigenschaften und Anwendung. Sie sind in der Lage, einen Leistungsgleichrichter für Netzfrequenz zu dimensionieren, d.h. auf Grund der geforderten Ausgangsgleichspannung und des Ausgangsstroms, der maximal erlaubten Welligkeit sowie der approximativen Diodeneigenschaften die erforderliche Eingangswechselspannung (Effektivwert) und den Glättungskondensator zu dimensionieren. Weiter kennen sie die Bedeutung der Begriffe Durchbruchspannung, Temperaturkoeffizient und Sperrverzögerung. Last but not least können sie mit Hilfe der Unterlagen und den Datenblättern von Diodenherstellern entscheiden, ob ein Typ für eine bestimmte Anwendung geeignet ist und sie verstehen die Bedeutung der in den Datenblättern spezifizierten Kenn- und Grenzwerte. Zur Vertiefung des Stoffes sind im Text in loser Folge theoretische (rechnerische) Aufgaben eingestreut. Sie können während des Unterrichts oder im Selbststudium gelöst werden. Die Musterlösungen sind im Anhang. Ferner finden sich Vorschläge zu praktischen Aufgaben, die während des Unterrichts bearbeitet werden können. C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 2 (24) EK1 Dioden 3 Grundlegende Eigenschaften von Dioden Die grundlegende Eigenschaft einer Diode ist ihre Fähigkeit, als Stromventil zu wirken, d. h. einen Strom in Richtung des Pfeils ihres Schaltsymbols (s. Fig. 1) zu leiten, einen Strom in Gegenrichtung jedoch zu verhindern. Fig. 1 Symbol einer Diode nach IEC Allerdings ist es nicht so, dass eine reale Diode abrupt zu leiten beginnt, wenn Ud > 0 V ist, d.h. die Diode in Flussrichtung vorgespannt ist. Ebensowenig ist ihre Leitfähigkeit in Sperrrichtung (Ud < 0 V) null. Vielmehr wird das Stromspannungsverhalten von Dioden im Bereich mässig hoher Ströme (deutlich unter dem vom Hersteller spezifizierten Maximalwert) und kleiner Sperrspannungen durch eine Exponentialkennlinie charakterisiert: mUUd I d I s e T 1 (1) In dieser Formel ist Is der sog. Sättigungssperrstrom. Er heisst so, weil für Ud << 0 gerade Id Is; es ist also jener Strom, der bei deutlich negativer Diodenspannung fliesst. Der Sättigungssperrstrom Is ist stark temperaturabhängig. UT ist die Thermospannung. Sie ist proportional zur absoluten Temperatur (also in Kelvin) und beträgt bei Raumtemperatur ca. 26 mV. m ist ein Korrekturfaktor (zuweilen auch "Idealitätsfaktor" oder "Emissionsfaktor" genannt) und liegt zwischen 1 und 2. Übung 1: Zeichnen Sie die Kennlinie einer Diode mit Is = 1 nA und m = 1.5 im Bereich UD = -1 .. +1 V, und zwar einmal im linearen Massstab und einmal im halblogarithmischen Massstab (UD linear, ID logarithmisch). Messtechnisch ergibt sich ein Bild wie in der Fig. 2: Im Durchlassbereich (Ud > 0, in der Fig. 2 grün) scheint die Diode bei einer Spannung von rund 0.6 .. 0.8 V abrupt zu leiten zu beginnen. Dieser Wert ist charakteristisch für pn- und pin-Dioden auf Siliziumbasis und wird oft auch "Flussspannung" genannt. Sie ergibt sich aus Gleichung (1) und hat wegen der Temperaturabhängigkeit von UT und Is einen ausgeprägten Temperaturgang: Die Flussspannung einer Diode nimmt bei konstantem Strom um ca. 2 mV/K Temperaturerhöhung ab (also höhere Temperatur = geringere Flussspannung). Im Sperrbereich (blau in Fig. 2) ist der Sperrstrom bei kleinen Sperrspannungen zunächst konstant und nimmt dann mit steigender Sperrspannung zu. Dieser Anstieg ist in Gleichung (1) nicht modelliert. Für das Temperaturverhalten des Sperrstromes realer Dioden gilt: Der Sperrstrom einer Diode verdoppelt sich pro 10C Temperaturzunahme. C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 3 (24) EK1 Dioden Im Durchbruchbereich (rot in Fig. 2) nimmt der Sperrstrom dann markant zu, es findet eine lawinenartige Vermehrung der Ladungsträger statt. Auch dieses Verhalten wird von Gleichung (1) nicht wiedergegeben, was aber kein grosser Mangel ist, denn ein Betrieb in diesem Bereich ist ohnehin zu vermeiden: Ein Betrieb im Durchbruchbereich Ud < UBR bedeutet meistens die Zerstörung der Diode. Von allgemeinem Interesse ist hier lediglich die minimale vom Hersteller garantierte Durchbruchspannung UBRmin (in der Regel als positiver Wert angegeben), die man in jedem Datenblatt findet. Fig. 2 Durchlass-, Sperr- und Durchbruchsverhalten einer typischen Si-pn-Diode (beachte die verschiedenen Stromund Spannungsmassstäbe; Quelle: de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Kennlinie_Diode_1N914.svg abgerufen am 10.1.2013) Übung 2: Studieren Sie die Datenblätter der Dioden 1N4148 und 1N4004 und geben Sie die maximale Sperrspannung an, mit der die beiden Dioden noch sicher betrieben werden dürfen. Ebenfalls nicht in Gleichung (1) modelliert ist der Seriewiderstand (der ohmsche Widerstand des Halbleiters und dessen Zuleitungen) von Dioden sowie deren Sperrschichtkapazität. Während die Sperrschichtkapazität nur bei sehr hohen Frequenzen eine Rolle spielt, bewirkt der Seriewiderstand eine starke Zunahme der Flussspannung bei hohen Strömen. Ein Ersatzschaltbild einer realen Diode zeigt Fig. 3. Hier entspricht das Symbol D der idealen Diode gemäss Gleichung (1). Fig. 3 Ersatzschaltbild einer realen Diode mit intrinsicher Diode D (beschrieben durch Gleichung (1)), Seriewiderstand RB und Sperrschichtkapazität CJ C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 4 (24) EK1 Dioden Übung 3: Finden Sie im Datenblatt der 1N4148 Hinweise auf das Vorhandensein des Seriewiderstandes RB und schätzen Sie dessen Wert ab. Übung 4: Wie gross ist die Sperrschichtkapazität der Dioden 1N4148 und 1N4004? Beachten Sie auch, unter welchen Bedingungen der angegebene Wert gilt und ob es sich um einen typischen Wert handelt (Durchschnittswert) oder um einen vom Hersteller garantierten Maximal- oder Minimalwert! 4 Bauformen für Leistungs- und Signalverarbeitungsanwendungen 4.1 Das Phänomen der Sperrverzögerung Um die Bedeutung der Unterschiede zwischen den verschiedenen zu behandelnden Diodentypen zu erfassen, müssen wir uns vorgängig mit dem Phänomen der Sperrverzögerung vertraut machen. Dafür wird die Messschaltung gemäss Fig. 4 verwendet, wobei der Funktionsgenerator eine Rechteckspannung u0(t) von 50 kHz und 10 Vpp erzeugt (Leerlaufspannung). Wir messen mit einem Oszilloskop die Spannung u2(t). Da die gemessene Spannung über einem Widerstand RL abfällt, ist sie proportional zum Strom durch diesen Widerstand und somit auch zum Diodenstrom id(t). Fig. 4 Anordnung zur Messung der Sperrverzögerung Das Messresultat zeigt Fig. 5. Erwartungsgemäss überträgt die Diode die positive Halbwelle des Funktionsgenerators mit einem Spannungsverlust, der der Flussspannung der Diode entspricht. Zu Beginn der negativen Halbwelle bleibt die Diode jedoch weiterhin sehr gut leitend, um nach rund 2 s kontinuierlich in den sperrenden Zustand überzugehen. C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 5 (24) EK1 Dioden Fig. 5 Gemessene Spannung u2(t) mit u0(t) 50 kHz und 10 Vpp (Zeitachse 2 s/Div., Spannung 1 V/Div.) Die hier beobachtete Sperrverzögerung (reverse recovery time, oft abgekürzt als trr) ist charakteristisch für pin-Dioden, wie die SM4007 (eine Variante der 1N4007 für Oberflächenmontage) eine ist. Die Ursache dafür ist folgende: Während des Vorwartsbetriebs (Ud, Id > 0) fliessen Elektronen von der n-dotierten Seite ins p-Gebiet und Löcher von der p-dotierten Seite ins n-Gebiet. In beiden Halbleitermaterialien befinden sich so, während die Diode Strom führt, neben den vom jeweiligen Material generierten Ladungsträgern (sog. Majoritätsträger) auch Ladungsträger vom anderen Typ (sog. Minoritätsträger). Wird der Stromfluss umgekehrt, müssen zuerst diese Minoritätsträger abfliessen, bevor sich eine Sperrschicht aufbauen kann (s. hierzu Skript über Halbleiter Abschnitt 2.3). Übung 5: Berechnen und zeichnen Sie auf Grund der Messung von Fig. 5 die Flussspannung der Diode im Flussbetrieb sowie im ersten Moment des Sperrbetriebs. Sie dürfen dabei annehmen, dass Ri und RL exakt 50 sind und die Leerlaufspannung des Funktionsgenerators exakt 10 Vpp ist. Da die pin-Diode ein besonders grosses Reservoir für Minoritätsträger aufweist, zeigt sie eine sehr ausgeprägte Sperrverzögerung. Aber auch pn-Dioden haben eine Sperrverzögerung, nicht jedoch Schottky-Dioden. Es ist also Zeit, sich mit den verschiedenen Bauformen zu befassen. 4.2 Die pn-Diode Die pn-Diode ist die einfachste Diodenbauform, ihr Aufbau entspricht im Wesentlichen dem im Skript über Halbleiter vorgestellten pn-Übergang. Fig. 6 zeigt den Aufbau sowie das Symbol und das Aussehen einer typischen pn-Diode. Bei praktisch allen Dioden trägt die Kathodenseite eine Markierung, oft ein Ring. C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 6 (24) EK1 Dioden Fig. 6 Aufbau, Schaltschema und typische Ansicht einer realen pn-Diode mit Polung für Flussrichtung Für eine gute Leitfähigkeit der pn-Diode im Flussbetrieb müssen die p- und n-Seiten hochdotiert sein. Dies bedeutet, dass die Sperrschicht im Sperrbetrieb nicht sehr tief ins Halbleitermaterial hineinwächst und somit keine hohe Spannungsfestigkeit realisiert werden kann, d.h. die Durchbruchspannung ist selten höher als 150 V. Wegen der starken Dotierung rekombinieren Minoritätsträger rasch, d.h. die pn-Diode hat eine relativ kurze Sperrverzögerung (Bereich 1 .. 100 ns). 4.3 Die pin-Diode Die pin-Diode löst gegenüber der pn-Diode das Problem der niedrigen Durchbruchspannung durch Einfügen einer i-Zone zwischen die p- und die n-Seite. i steht hier für intrinsisch und meint undotiert (oder schwach dotiert). Damit wird die Sperrschicht (= Zone ohne bewegliche Ladungsträger) bei Anlegen einer Sperrspannung sehr breit und es kann eine hohe Spannungsfestigkeit erzielt werden. Den Aufbau zeigt Fig. 7 (beim Symbol und beim Aussehen unterscheiden sich pin- nicht von pn-Dioden). Fig. 7 Aufbau, Schaltschema und typische Ansicht einer realen pin-Diode mit Polung für Flussrichtung Mit pin-Dioden können garantierte Durchbruchspannungen bis gut 1 kV realisiert werden. Der Preis hierfür ist die hohe Sperrverzögerung (Bereich 0.5 .. 5 s). 4.4 Die Schottky-Diode Die Schottky-Diode weist einen grundlegend anderen Aufbau als pn- und pin-Diode auf, indem sie nur aus einer Sorte Halbleitermaterial und einem Metall aufgebaut ist. Den Aufbau zeigt Fig. 8 (Schottky-Dioden für Leistungsanwendungen unterscheiden sich äusserlich häufig nicht von pnoder pin-Dioden). C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 7 (24) EK1 Dioden Fig. 8 Aufbau, Schaltschema und Ansicht einer typischen realen Kleinsignal-Schottky-Diode Bei geeigneter Wahl des Metalls und geeigneter Dotierung des Halbleiters (meistens n-dotiert) resultiert ebenfalls ein Diodenverhalten, welches mit Gleichung (1) beschrieben werden kann, allerdings mit einem sehr viel höheren Sättigungssperrstrom Is. Dies hat für die Praxis mehrere wichtige Konsequenzen: Die Flussspannung, bei der die Diode stark zu leiten beginnt, ist typischerweise zwischen 0.3 und 0.5 V gegenüber 0.6 bis 0.8 V bei pn-Dioden (jeweils bei Raumtemperatur). Dies hat gewichtige Vorteile bei Leistungsanwendungen, wie wir noch sehen werden. Der Sperrstrom ist sehr viel höher als bei pn-Dioden, bei Kleinsignaldioden und Raumtemperatur typischerweise im A-Bereich (gegenüber nA bei pn- und pin-Dioden), bei LeistungsSchottky-Dioden auch bis in den mA-Bereich. Darüber hinaus weisen Schottky-Dioden nur geringe Durchbruchspannungen auf. Leistungstypen, die auf besonders niedrige Flussspannung optimiert sind, vertragen laut Herstellerspezifikation oft nicht mehr als 20 .. 40 V Sperrspannung, Kleinsignaltypen für Hochfrequenzanwendungen manchmal nur 4 V. Übung 6: Studieren Sie das Datenblatt der Diodenfamilie 1N5817, 1N5818 und 1N5819. Die drei Typen unterscheiden sich hauptsächlich in den zulässigen Sperrspannungen. Welche Unterschiede weisen sie sonst noch auf? Da bei Schottky-Dioden nur Elektronen an der Leitung beteiligt sind und somit keine Minoritätsträger injiziert werden, weisen Schottky-Dioden keine Sperrverzögerung auf. 4.5 Weitere Diodentypen 4.5.1 Fotodioden und Solarzellen Hier sind die Fotodioden und Solarzellen zu erwähnen. Im Grunde handelt es sich um pn- oder pinDioden, die so aufgebaut sind, dass Licht in die Sperrschicht resp. die i-Zone fallen kann. Solarzellen sind besonders grossflächige Fotodioden, die für die Energieerzeugung optimiert sind. Der Wirkungsmechanismus einer Fotodiode beruht darauf, dass ein Photon in der Sperrschicht oder i-Zone ein Elektronen-Lochpaar generiert. Da für diesen Vorgang eine bestimmte Mindestenergie notwendig ist, muss das Licht genügend kurzwellig sein. Si-Fotodioden eignen sich für sichtbares Licht und nahes Infrarot bis ca. 1000 nm Wellenlänge, für längerwelliges Infrarot bis ca. 1.7 m eignet sich Germanium. Fotodioden arbeiten im Sperrbereich, also bei Ud < 0 V und Id < 0 mA (und somit passiv, d.h. nicht energieerzeugend), der Flussbereich mit Ud > 0 V (vgl. Fig. 1) hat keine praktische Bedeutung. Solarzellen arbeiten dagegen bei Ud > 0 V, da man mit ihnen ja Energie erzeugen will. C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 8 (24) EK1 Dioden 4.5.2 Leuchtdioden LED's (light emitting diodes) arbeiten dagegen im Flussbereich. Es handelt sich ebenfalls um pnDioden. Die Erzeugung von Photonen basiert auf der Rekombination von Elektronen und Löchern, wobei die Wellenlänge von der freigesetzten Energie pro Rekombinationsvorgang abhängt. Deshalb werden für verschiedene Farben auch verschiedene Halbleitermaterialien benötigt. 4.5.3 Kapazitätsdioden Kapazitätsdioden (auch Varicap-Dioden oder Varaktoren genannt) sind pn-Dioden, die im Sperrbereich betrieben werden. Durch Variieren der Sperrspannung wird die Breite der Sperrschicht und damit der Abstand der beiden leitenden Zonen voneinander verändert. Sie verhalten sich also wie Plattenkondensatoren mit variablem Plattenabstand. Jede pn-Diode zeigt dieses Verhalten (in geringerem Masse auch pin- und Schottkydioden), Kapazitätsdioden sind auf grossen Einstellbereich der Kapazität und geringen Seriewiderstand optimiert. Kapazitätsdioden werden in der Hochfrequenztechnik für abstimmbare Oszillatoren und Filter verwendet. Der Flussbereich mit Ud > 0 V hat keine Bedeutung. 4.5.4 Z-Dioden Z-Dioden sind Dioden, die für den Betrieb im Durchbruchgebiet vorgesehen sind (bei anderen Dioden ist dies nicht vorgesehen und führt oft zur Zerstörung der Diode). Sie wurden früher ausgiebig zu Spannungsstabilisierungszwecken verwendet und sind heute noch mit auf 5% genau spezifizierten Durchbruchspannungen zwischen ca. 3 und 75 V erhältlich. Heute werden Z-Dioden v.a. für Schutzzwecke (Überspannungsschutz) eingesetzt (s. hierzu Abschnitt 6.3). Für die Spannungsstabilisierung wurden sie von den genaueren und temperaturunabhängigen Bandgap-Referenzen weitestgehend verdrängt. Von ihnen wird im Kapitel über Spannungsstabilisierung noch kurz die Rede sein. Es handelt sich dabei nicht um Dioden, sondern um eine elektronische Schaltung mit mehreren pn-Dioden und einem Regler. 4.6 Zusammenfassung und Beispiele In der folgenden Tabelle (Tab. 1) sind die Kenn- und Grenzdaten je eines Vertreters von pn-, pinund Schottky-Dioden aufgeführt. Es wird zwischen Kenndaten (= Betriebsdaten, electrical characteristics) und Grenzdaten (= maximal zulässige Werte zur Vermeidung von Beschädigung und Zerstörung, maximum ratings) unterschieden. Bei den Kenndaten ist zu unterscheiden, ob es sich um vom Hersteller garantierte (worst case, „minimal“, „maximal“) Werte oder bloss Durchschnittswerte handelt (typical) und ob sie für Raumtemperatur oder einen bestimmten Temperaturbereich gelten. Typ 1N4148 1N4007 1N5819 ASMT-JL31 Tab. 1 Kenndaten UF / V pn-Diode Kleinsignalschaltdiode 1.0 @ 0.1 A pin-Diode Gleichrichter (Netz) 1.1 @ 1.0 A Schottky-D. Gleichrichter (SMPS) 0.4 @ 1.0 A InGaN-pn-D. LED blau 3.2 @ 0.35 A Art Anwendung trr / ns 4.0 2000 ? Grenzdaten IS / A UBR / V IAV / A 0.1 75 0.15 0.05 1000 1.0 20 40 1.0 ? 0 0.7 IP / A 2 30 25 2.4 Kenn- und Grenzdaten je einer typischen pn-, pin- und Schottky-Diode sowie einer blauen LED auf Basis Indium-Gallium-Nitrid; Symbole s. Text; SMPS = switch mode power supply (Schaltnetzteil) Die Bedeutung der Abkürzungen für die Kennwerte ist wie folgt (jeweils typische Werte bei Raumtemperatur): C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 9 (24) EK1 Dioden UF = Flussspannung; trr = Sperrverzögerung; IS = Sperrstrom; Und für die der Grenzwerte: UBR = maximale zulässige Sperrspannung; IAV = maximal zulässiger Dauerstrom; IP = maximal zulässiger nicht-repetitiver Spitzenstrom (in Datenblättern oft auch IFSM) 5 Gleichrichterschaltungen 5.1 Leistungsgleichrichter Um aus netzfrequenter Wechselspannung (50 Hz) Gleichspannung zu produzieren, benötigt man im einfachsten Fall einen Netztransformator zur Anpassung des Spannungsniveaus, einen Gleichrichter und einen Kondensator zu Glättung der gleichgerichteten Spannung. Die einfachstmögliche Schaltung zeigt Fig. 9. Es handelt sich um einen sog. Einweggleichrichter. Die Diode leitet nur bei positiven Halbwellen der Sekundärspannung des Netztransformators und auch dann nur, wenn die Momentanspannung um die Flussspannung der Diode grösser ist als die Momentanspannung über dem Kondensator. Fig. 9 Schaltschema des Einweggleichrichters mit Netztransformator und Last RL Eine Ersatzschaltung für die Analyse der Schaltung ist in Fig. 10 gezeigt. Hier repräsentiert die ideale Spannungsquelle UE die auf der Sekundärseite des Transformators anliegende Leerlaufspannung, während in Ri alle Seriewiderstände zusammengefasst sind. Fig. 10 Ersatzschaltung der Schaltung von Fig. 9, mit UE = sekundäre Leerlaufspannung des Transformators, Ri = Summe aller Seriewiderstände von Transformator, Diode und Netzinnenwiderstand Fig. 11 zeigt eine Computersimulation der Schaltung nach Fig. 10 mit UE = 10 Vp, Ri = 1.5 , C = 1000 F und RL = 50 . Man erkennt leicht, dass die Diode nur leitet, wenn UE > UA (genauer: um die Flussspannung grösser, also UE > UA + UF ). Die Diode lädt also den Glättungskondensator C pulsweise nach, während er von der Last kontinuierlich entladen wird. Es entsteht eine Restwelligkeit von rund 2 Vpp mit einer Frequenz von 50 Hz und Sägezahnform bei einer durchschnittlichen Ausgangsspannung von rund 7.2 V. C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 10 (24) EK1 Dioden Fig. 11 Simulation der Schaltung nach Fig. 10, Details s. Text Laborübung 1: Bauen Sie einen Einweggleichrichter mit Netztransformator im Labor auf. Der Kondensator soll 1000 F sein, die Last 50 . Für die Diode nehmen Sie 1N4007. Verwenden Sie die 10 V-Wicklung des Netztransformators und beobachten Sie die Spannung an der Last R L. Stimmt die Welligkeit der Ausgangsspannung mit der Simulation von Fig. 11 überein? Versuchen Sie auch, den Diodenstrom zu messen. Hier müssen Sie einen Trick anwenden, da Ihr Oszilloskop Ströme nicht direkt messen kann. So einfache Netzteile werden allerdings kaum mehr gebaut. Ihr Hauptnachteil ist neben der Welligkeit, welche für manche Anwendungen unakzeptabel ist, die Tatsache, dass die Stromaufnahme aus dem Netz pulsförmig ist und dass nur eine Halbwelle genutzt wird, was zu einer Belastung des Netzes mit Oberwellen und zu erhöhten Leistungsverlusten in Seriewiderständen führt, u.a. im Transformator selbst und in der Diode. Ein etwas besseres Verhalten zeigen Gleichrichter, welche beide Netzhalbwellen nutzen. Die Fig. 12 zeigt zwei Beispiele. Bei beiden Schaltungen ist die Restwelligkeit bei gleicher Kondensatorgrösse geringer, da die Nachladung nun mit der doppelten Frequenz erfolgt. Die Stromaufnahme ist jedoch noch immer pulsweise, wenn auch mit etwas geringerem Spitzenwert. Die Mittelpunktschaltung benötigt einen Transformator mit einem sekundärseitigen Mittenabgriff, während die Brückenschaltung mehr Dioden benötigt. Fig. 12 Schaltschema der Vollweggleichrichter in Mittelpunkt- (links) und Brückenschaltung (rechts) C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 11 (24) EK1 Dioden Laborübung 2: Bauen Sie die beiden Gleichrichterschaltungen nach Fig. 12 nacheinander auf und vergleichen Sie jede mit der einfachen Schaltung nach Fig. 9 bezüglich Welligkeit und Mittelwert der Ausgangsspannung sowie Maximalstrom durch die Diode(n). Bemerkung zu Laborübung 2: Ein wesentlicher Teil des Leistungsverlustes entsteht in den Gleichrichterdioden wegen ihrer unvermeidlichen Flussspannung, und zwar besonders beim Brückengleichrichter, da hier immer zwei Dioden in Serie im Strompfad liegen, und besonders bei niedrigen Ausgangsspannungen. Im letzten Fall hilft der Einsatz von Schottky-Dioden. Überprüfen Sie die Wirkung, wenn Sie bei Ihrem Brückengleichrichter die 1N4007 durch 1N5819 ersetzen. Eine Näherungsformel zur Dimensionierung des Kondensators lässt sich aus den Formeln für die Ladung eines Kondensators (Q = U C) und der Ladung eines während einer bestimmten Zeit fliessenden Stromes (Q = t I) herleiten: CI U (2) Dabei ist I der Laststrom, U die maximal zulässige Restwelligkeit der Ausgangsspannung und die Zeit, während der der Kondensator sich entlädt; geht man davon aus, dass die Ladephase sehr viel kürzer als die Entladephase ist, entspricht gerade der Netzperiode für die Einwegschaltung von Fig. 9 resp. der halben Netzperiode für die Schaltungen der Fig. 12, also 20 resp. 10 ms im 50 Hz-Netz. Bemerkung zu Netzgleichrichtern im Allgemeinen: Wegen der nicht-sinusförmigen Stromaufnahme sind alle hier besprochenen Gleichrichtertypen für Neuentwicklungen und grössere Leistungen nicht mehr erlaubt. Man benötigt PFC-Schaltungen, die eine näherungsweise sinusförmige Stromaufnahme aus dem Netz sicherstellen (PFC = power factor correction). 5.2 Signal- und Messgleichrichter Die in Abschnitt 5.1 beschriebenen Gleichrichterschaltungen könnten grundsätzlichauch dazu benutzt werden, eine beliebige Wechselspannung zu messen (Messung des Scheitelwertes Up). Allerdings verursachen die Flussspannungen der Dioden, die ja nur näherungsweise konstant sind, einen Messfehler, der um so mehr ins Gewicht fällt, je kleiner die zu messende Spannung ist. Die tatsächlichen Flussspannungen, also der Spannungsabfall in Flussrichtung, ist nicht nur strom- und temperaturabhängig (s. Abschnitt 3), sondern er weist auch eine Exemplarstreuung auf, d.h. unterschiedliche Diodenexemplare vom selben Typ weisen voneinander abweichende Flussspannungen auf. Übung 7: Studieren Sie das Datenblatt der 1N4148 und quantifizieren Sie die zu erwartende Streuung. Um wieviele mV streut die Flussspannung bei einem gegebenen Strom und konstanter Temperatur über viele Exemplare? Eine Gleichrichterschaltung, bei welcher die Flussspannung der Gleichrichterdioden keine Rolle mehr spielt, zeigt Fig. 13. Sie erzeugt im Messwerk einen Strom im(t), der proportional zum Betrag der Eingangsspannung ue(t) ist, d.h. es gilt: im t u e t R (3) Im Schema nicht gezeigt sind die Speisungen für den Operationsverstärker. Da er sowohl positive wie negative ue verarbeiten muss, benötigt er eine bipolare Speisung. C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 12 (24) EK1 Dioden Fig. 13 Messgleichrichterschaltung für erdfreie Messwerke Übung 8: Zeichnen Sie den Verlauf der Spannungen ua(t), uN(t) und des Stromes im(t) während einer Periode für eine sinusförmige Eingangsspannung ue(t) von 300 mV Amplitude und 50 Hz. Die Flussspannungen der Dioden sollen 0.6 V sein, der Widerstand R = 1 k. Die Schaltung von Fig. 13 hat den Nachteil, dass das Resultat, also der Strom durch das Messwerk, nicht erdfrei ist. Oft wünscht man sich als Resultat eine massebezogene Spannung. Dies leistet der Messgleichrichter nach Fig. 14 (auch Signalgleichrichter genannt). Die Beziehung zwischen Einund Ausgangsspannung (ohne Kondensator C) ist: u 2 t u1 t (4) Fig. 14 Signalgleichrichter mit massebezogener Ausgangsspannung Übung 9: Analysieren Sie die Schaltung nach Fig. 14 ohne Kondensator C und erklären Sie in einigen kurzen Sätzen deren Funktion. Die Operationsverstärker seien ideal. Tipp: Nehmen Sie zu diesem Zweck an, die Eingangsspannung sei +1 V und ermitteln Sie die Spannungen um und ua, die sich einstellen müssen, damit die Differenzspannung an jedem OP-Eingang null wird (die invertierenen Eingänge sind virtuelle Massepunkte). Anschliessend wiederholen Sie den Gedankengang mit u1 = -1 V. Das Ausgangssignal dieser Schaltung könnte direkt vom AD-Wandler eines Mikro-Controllers digitalisiert werden, je nach Frequenzbereich des Eingangssignals benötigt man noch ein Anti-AliasingFilter. Oft reicht auch eine einfache Mittelwertbildung wie sie in Fig. 14 mit dem Kondensator C realisiert wird. Auch diese Schaltung benötigt wegen des bipolaren Eingangssignals eine bipolare Speisung. Diese könnte durch eine Ladungspumpe auf einfache Weise bereitgestellt werden (z. B. ICL7660 von Intersil oder, moderner, MAX1852 von Maxim). C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 13 (24) EK1 Dioden 6 Spannungsstabilisierungs- und Schutzschaltungen 6.1 Spannungsstabilisierung mit Z-Dioden Der traditionelle Weg, um zu einer stabilen Spannung zu kommen, verwendet Z-Dioden, also Dioden mit kontrolliertem Durchbruchverhalten. Die einfachstmögliche Schaltung zeigt Fig. 15. Damit UA konstant und gleich der Durchbruchspannung der Z-Diode bleibt, muss RV so dimensioniert werden, damit IZ nie null wird. Fig. 15 Einfache Spannungsstabilisierung mit Z-Diode So einfach diese Schaltung ist, so zahlreich sind ihre Nachteile: Die spezifizierte Durchbruchspannung weist üblicherweise eine Toleranz von ±5% (ExemplarStreuung) auf. Die Durchbruchspannung der Z-Diode ist nicht völlig unabhängig vom Strom IZ, d.h. die Diode weist einen Seriewiderstand auf. UA ist also in einem gewissen Ausmass abhängig vom Laststrom IL. Die Durchbruchspannung der Z-Diode ist temperaturabhängig, wobei der Betrag und das Vorzeichen des Temperaturkoeffinzienten von der Durchbruchspannung abhängt. Nur Z-Dioden mit einer Durchbruchspannung um ca. 5 V haben einen Temperaturkoeffizienten nahe null. Da das Phänomen der Spannungskonstanthaltung auf einem Durchbruchseffekt basiert, ist der stabilisierten Gleichspannung ein erhebliches Rauschen überlagert. Die Schaltung benötigt einen Ruhestrom, dessen Höhe vom Eingangsspannungs- und vom Laststrombereich abhängt: Je variabler diese beiden Grössen sind, umso grösser ist der erforderliche Ruhestrom. Übung 10: Dimensionieren Sie in der Schaltung von Fig. 15 RV so, dass für einen Eingangsspannungsbereich UE = 10 .. 20 V und einen Laststrombereich IL = 0 .. 20 mA der Strom durch die ZDiode IZ 5 mA in keinem Fall unterschreitet. Die stabilisierte Ausgangsspannung soll 3.3 V betragen, d. h. die Zener-Spannung der Diode ist 3.3 V. 6.2 Spannungsstabilisierung auf Basis Bandgap-Referenz Moderne Spannungsstabilisierungsschaltungen basieren alle auf der sog. Bandgap-Referenz. Hierbei handelt es sich um eine vergleichsweise komplexe Schaltung, welche eine temperaturunabhängige, stabile Spannung von 1.2 V erzeugt. Wer sich für die Details interessiert, möge Wikipedia konsultieren: http://de.wikipedia.org/wiki/Bandgap-Referenz Mit Hilfe eines Reglers und eines Spannungsteilers lässt sich im Prinzip jede gewünschte Ausgangsspannung an die Bandgap-Spannung von 1.2 V "anbinden". C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 14 (24) EK1 Dioden Neben einzelnen Bandgap-Referenzen (Beispiel: LM185-1.2 von Texas Instruments), die sich im Prinzip wie Z-Dioden einsetzen lassen, sind v.a. integrierte Spannungsregler mit eingebautem Regler und Leistungstransistor in grosser Auswahl als integrierte Schaltungen erhältlich. Das Blockschaltbild eines typischen Vertreters zeigt Fig. 16. Man erkennt die im IC integrierte Bandgap-Referenz, den Regler (ein Operationsverstärker), den Leistungstransistor (hier ein pnpBipolartransistor) sowie den Spannungsteiler. Beim hier gezeigten Exemplar handelt es sich um einen Festspannungsregler (engl. fixed), da der Spannungsteiler integriert ist. Bei den einstellbaren Spannungsreglern (engl. adjustable) muss der Spannungsteiler, bestehend aus zwei Widerständen, extern hinzugefügt werden, so dass bei Erreichen der Wunschspannung am Teilerausgang 1.2 V resultieren. Fig. 16 Blockschaltbild eines Festspannungsreglers auf Basis Bandgap-Referenz (LP2950 von Texas Instruments) Ältere integrierte Spannungsregler benötigen eine Eingangsspannung, die mindestens 1.5, oft bis 3 V höher ist als die gewünschte stabilisierte Ausgangsspannung. Zeitgenössische Ausführungen kommen mit wenigen 100 mV Mehrspannung aus, diese werden allgemein LDO's genannt (für engl. low drop out, also geringer Spannungsabfall). Viele moderne integrierte Spannungsregler enthalten noch weitere Funktionen wie z. B. eine Möglichkeit zur Abschaltung (enable-Eingang) und Schutzschaltungen gegen Überstrom (Strombegrenzung) und Übertemperatur. Einige Exemplare können sich auch selbst gegen eingangsseitige Überspannung und Falschpolung schützen. Allerdings verträgt die grosse Mehrheit von Spannungsreglern wie auch die meisten anderen integrierten Schaltungen solch grobe Behandlungen nicht, weshalb dieses Problem gesondert betrachtet werden muss. 6.3 Schutzschaltungen Der Schutz gegen Überspannung und Falschpolung ist heute die Hauptaufgabe von Z-Dioden. Die unter verschiedenen Handelsnamen (wie Transil, Transorb usw.) und unter der generischen Bezeichnung TVS (für engl. transient-voltage-suppressor) angebotenen Schutzelemente sind im Grunde Z-Dioden, die für die Aufgabe als Schutzelement (und nicht als Spannungsstabilisator) optimiert sind und entsprechend spezifiziert werden. Fig. 17 zeigt die verschiedenen Möglichkeiten des Schutzes. Während die Anwendung einer einzelnen pn- oder Schottky-Diode (Fig. 17 oben) lediglich gegen Falschpolung schützt und gegenüber den übrigen Varianten keinen Vorteil besitzt, wirkt eine unidirektionale TVS (also eine einzelne ZDiode) gegen Falschpolung und einseitige Überspannung (Fig. 17 Mitte). Diese Schutzvariante eignet sich für DC-Speisungs- und unipolare Signaleingänge (TTL-Logik, Sensorsignal mit Spei- C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 15 (24) EK1 Dioden sung usw.). Diese Art von Schutz wird von Halbleiterherstellern oft auch direkt in ihre ICs und FETs integriert. Die Variante mit bidirektionaler TVS (Fig. 17 unten) eignet sich für AC-Speisungs- und ACSignaleingänge. Eine bidirektionale TVS besteht aus zwei gegenpolig in Serie geschalteten ZDioden in einem Gehäuse. Fig. 17 Schutz gegen Falschpolung mit einfacher Diode (oben), gegen Falschpolung und Überspannung einseitig (Mitte) und gegen Überspannung bipolar (unten), jeweils mit TVS Fig. 18 zeigt einen Datenblattauszug eines HF-FET von NXP (ehemals Philips): An jedem der beiden empfindlichen Gates sitzt ein Paar antiserieller Z-Dioden gegen Source, d.h. die Gates können gegenüber Source sowohl positiv wie negativ ausgesteuert werden. Fig. 18 Datenblattauszug des n-Kanal-Dual Gate-MOSFET BF991 von NXP TVS auf der Basis von Z-Dioden sind für Arbeitsspannungen von ca. 5 bis 200 V und sowohl als bedrahtete Bauteile wie auch für Oberflächenmontage (SMT = surface mount technology) erhätlich. C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 16 (24) EK1 Dioden Sie wirken schneller als Varistoren (spannungsabhängige Widerstände) und Funkenstrecken, welche ebenfalls als Überspannungsschutzelemente v. a. für höhere Arbeitsspannungen verwendet werden. Einen Datenblattauszug für eine TVS-Familie von STM zeigt Fig. 19. Gegenüber Z-Dioden für Spannungsstabilisierungsanwendungen, für die neben der Durchbruchspannung statische Maximalwerte spezifiziert sind, werden für TVS Spitzenleistung und Spitzenstrom spezifizert, die das Bauteil ohne Schaden zu nehmen absorbieren kann. Charakteristisch für diese Klasse von Bauteilen ist auch die Garantie, dass die TVS bei Zerstörung durch Überlastung in einen Zustand permanenten Kurzschlusses übergehen. Es werden Teile für unidirektionale (eine Diode pro Gehäuse) sowie bidirektionale Anwendung (zwei antiserielle Dioden pro Gehäuse) angeboten. Viele Hersteller spezifizieren auch die Kapazität der Bauteile, was für Signaleingänge jenseits von Gleichspannung und Netzfrequenz von Bedeutung ist. Fig. 19 Datenblattauszug der TVS-Familie SMCJ von STM 7 Musterlösungen zu den Übungen Übung 1 Die halblogarithmische Darstellung ist in Fig. 20 wiedergegeben. Im Durchlassbereich (schwarze Stromskala) entspricht der Verlauf exakt einer Geraden, ausser unter ca. 0.1 V (dies ist die Wirkung des -1 in der Formel). Im Sperrbereich (rote Stromskala) ist der Sperrstrom unter etwa -0.1 V konstant und entspricht gerade -Is. C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 17 (24) EK1 Dioden Fig. 20 Berechneter Diodenstrom für Is = 1 nA, m = 1.5 bei 300 K Bei einer realen Diode würde sich im Durchlassbereich der Seriewiderstand (Bahnwiderstand) durch ein Abknicken der Durchlassgeraden oberhalb ca. 10 mA .. 1 A bemerkbar machen. Eine mögliche lineare Darstellung zeigt Fig. 21. Hier muss man sich für den Strombereich entscheiden, den man darstellen will, hier ist der Bereich 0 .. 10 mA gewählt, entsprechend einer Kleinsignaldiode. Der Ud-Bereich für diesen Strombereich ist 0.40 .. 0.63 V, in diesem Bereich findet also sozusagen der Kennlinienknick statt. C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 18 (24) EK1 Dioden Fig. 21 Diodenstrom der Diode von Fig. 20, jedoch lineare Darstellung Übung 2 Die relevanten Werte findet man in beiden Datenblättern jeweils in der Tabelle mit den Grenzwerten ("Absolute Maximum Ratings"), die für die beiden Dioden in Fig. 22 resp. Fig. 23 wiedergegeben sind. Fig. 22 Auszug aus dem 1N4148-Datenblatt: Grenzwerte (Vishay, Rev. 1.3 vom 29.10.2010) C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 19 (24) EK1 Dioden Fig. 23 Auszug aus dem 1N400x-Datenblatt: Grenzwerte Bei der 1N4148 beträgt die maximale dauernd anliegende Sperrspannung 75 V, bei der 1N4004 ist sie 400 V. Übung 3 Einen klaren Hinweis gibt Figur 2 im Datenblatt der 1N4148. Ohne den Seriewiderstand RB würde man Geraden sehen (s. auch die Lösung zu Übung 1), das Abknicken der Kurven bei hohen Strömen stammt von RB. Verlängert man die geraden Abschnitte der beiden gezeigten Kurven, die den zu erwartenden Streuungsbereich darstellen und misst man die Abweichung der Flussspannung vom idealen Wert bei einem hohen Strom,erhält man eine Schätzung für RB. Die wurde in Fig. 24 bei 0.6 und 0.4 V getan. Man erhält RB = 0.7 .. 1.3 . Fig. 24 Figur 2 aus dem 1N4148-Datenblatt mit idealisierten IF(VF)-Kurven (Vishay, Rev. 1.3 vom 29.10.2010) Übung 4 Das Datenblatt der 1N4148 gibt nur eine Garantie für den Maximalwert bei 0 V Sperrspannung an der Diode (4 pF, s. Fig. 25). C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 20 (24) EK1 Dioden Fig. 25 Kennwerte der 1N4148 (Datenblatt von Vishay, Rev. 1.3 vom 29.10.2010) Das Datenblatt der 1N400x-Familie gibt dagegen einen typischen (im Schnitt zu erwartenden) Wert an, dies bei einer Sperrspannung von 4 V (8 pF, s. Fig. 26). Die Figur 5 im selben Datenblatt zeigt darüber hinaus den typischen Wert für Sperrspannungen zwischen 0.1 und 100 V. Fig. 26 Kennwerte der 1N400x-Familie (Vishay, Rev. vom 02.04.2008) Die Werte der beiden Dioden lassen sich also nicht direkt vergleichen! Übung 5 Man liest aus Fig. 5 folgende Spannungen über dem Lastwiderstand RL ab: UA = 2.1 V (momentane Quellenspannung am Generator u0A = +5.0 V, Diode leitet regulär), UB = -2.75 V (momentane Quellenspannung am Generator u0B = -5.0 V, Diode leitet wegen Sperrverzögerung; s. Fig. 27). Da durch den Generator derselbe Strom fliesst wie durch RL und dessen Innenwiderstand Ri = RL ist, fällt über Ri noch einmal dieselbe Spannung ab. Somit bleibt für die Flussspannung in den beiden Zuständen folgendes übrig: U FF U 0 A 2 U A 5.0 V - 4.2 V = 0.8 V U Frr U 0 B 2 U B -5.0 V + 5.5 V = 0.5 V C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 21 (24) EK1 Dioden Fig. 27 Messung von Fig. 5 mit eingetragenen Spannungen Übung 6 Die drei Dioden dieser Familie unterscheiden sich offenbar durch ihre maximalen Sperrspannungen (20, 30 und 40 V für die 1N5817, 5818 und 5819). Höhre Sperrspannung hat aber offenbar ihren Preis, und diesen findet man in der Tabell mit den Kenndaten: Je höher die erlaubte Sperrspannung, um so höher ist auch die Flussspannung bei gegebenem Strom, nämlich max. 0.45, 0.55 und 0.6 V bei 1.0 A und 25 C, wie der Datenblattauszug der Fig. 28 zeigt. Fig. 28 Kenndaten der Schottky-Diodenfamilie 1N5817, 5818, 5819 (Vishay, Rev. vom 02.05.2006) Übung 7 Hier verwendet man die Figur 2 aus dem 1N4148-Datenblatt (s. Fig. 24 weiter oben), in der die Streuungsgrenzen der Diodenkennlinien eingezeichnet sind. Bei einem Strom von 1 mA streut laut dieser Grafik die Flussspannung um etwa 40 mV. Übung 8 Die Fig. 29 zeigt die zu erwartenden Verläufe der Spannungen und Ströme, wenn der Operationsverstärker genügend ideal ist. Da die Schaltung gegengekoppelt ist, hält der Operationsverstärker die Differenzspannung zwischen seinen Eingängen auf 0, d. h. uN(t) = ue(t). Zu diesem Zweck muss ein Strom durch R fliessen, der nur vom OP-Ausgang kommen kann und wegen der Polung der Dioden durch das Messwerk "mA" fliessen muss. Die beiden je Halbwelle in Serie liegenden Dioden behindern diesen Stromfluss zunächst wegen ihrer Flussspannung, der Operationsverstärker kompensiert diesen Spannungsabfall jedoch, in dem er rasch die Ausgangsspannung ua erhöht, bis der notwendige Strom durch R fliesst. C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 22 (24) EK1 Dioden Fig. 29 Spannungs- und Stromverläufe am Messgleichrichter gem. Fig. 13 mit 300 mV Eingangsamplitude Übung 9 Ausgangspunkt der Analyse ist die Tatsache, dass die Spannung über den OP-Eingängen auf 0 V gehalten wird und dass kein Strom in die Eingänge hinein- oder aus ihnen heraus fliesst. Ferner gilt die Knotenregel: Die Summe der Ströme, die in einen Knoten hineinfliesst, ist gleich der Summe der Ströme, die aus ihm herausfliesst. Die Spannungen und Ströme in der Schaltung mit +1.0 V am Eingang sind in der Fig. 30 gezeigt (R = 1 k). A1 hält seine Eingangsdifferenzspannung via Diode D1 auf null. Damit wird um = -1.0 V und es fliesst ein Strom von 2 mA durch R/2. D2 bleibt gesperrt. Fig. 30 Spannungen und Ströme im Signalgleichrichter nach Fig. 14 mit +1.0 V am Eingang und R = 1 k Die Situation für u1 = -1.0 V zeigt Fig. 31. Jetzt wird der Eingang von A1 via D2 auf null gehalten, D1 sperrt. um bleibt damit auf 0 V und R/2 stromlos. In beiden Fällen wird der invertierende Eingang von A2 via dessen Gegenkopplungswiderstand auf null gehalten, und zwar jeweils mit einer Ausgangsspannung von +1.0 V. C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 23 (24) EK1 Dioden Fig. 31 Wie Fig. 30, aber mit -1.0 V am Eingang Übung 10 Der minimale Diodenstrom fliesst bei minimaler Eingangsspannung (10 V) und maximalem Laststrom (20 mA). Durch den Vorwiderstand fliesst die Summe von Dioden- (minimal 5 mA) und Laststrom (genau 20 mA), also minimal 25 mA. Aus Effizienzgründen verwendet man sinnvollerweise den Minimalwert dieses Stromes für die Berechnung des Vorwiderstandes. Somit gilt für dessen Wert (UZ = Z-Diodenspannung): RV U ein ,min U Z I D ,min I L ,max 6.7V 268 25mA C:\Daten\My_Documents\Kurse\EK1\Dioden\Originale\Dioden 20130212.doc, 13.02.2013 24 (24)
