Dioden
Von der Raumladungszone über die Kennlinie bis zur fertigen Schutzschaltung – dieses Kapitel erklärt, wie eine Diode funktioniert, warum sie sperrt und durchlässt, und wie Sie sie sicher in der Praxis einsetzen.
Kapitel 01
Was ist eine Diode – und warum lässt sie Strom nur in eine Richtung durch?
Eine Diode ist ein elektronisches Bauelement aus Halbleitermaterial, das elektrischen Strom idealerweise nur in einer Richtung passieren lässt. In der anderen Richtung sperrt sie. Dieses Verhalten nennt man Gleichrichtereffekt.
Das Grundprinzip lässt sich gut mit einem Rückschlagventil in der Hydraulik vergleichen: Wasser (= Strom) kann in eine Richtung fließen, der Ventilteller schlägt aber sofort zu, wenn der Druck (= Spannung) von der anderen Seite kommt. Genau so arbeitet eine Diode – nur elektrisch statt mechanisch.
Jede Diode hat zwei Anschlüsse:
- Anode (A) – der Pluspol, auch der p-dotierte Anschluss genannt
- Kathode (K) – der Minuspol, der n-dotierte Anschluss
Liegt die Anode positiver als die Kathode, ist die Diode in Durchlassrichtung (Vorwärtsbetrieb) gepolt – sie leitet. Liegt die Kathode positiver als die Anode, ist sie in Sperrrichtung gepolt – sie sperrt. Man bezeichnet dies als die Polung der Diode.
Das Schaltzeichen der Diode zeigt mit seiner Pfeilspitze immer in Durchlassrichtung – also in die Richtung, in der Strom fließt, wenn die Diode leitet. Der Strich (Kathode) stoppt die Bewegung, das Dreieck (Anode) öffnet die Bahn.
Schaltzeichen und Polung der Diode
Eine Diode ist so in eine Schaltung eingebaut, dass an ihrer Anode 3 V und an ihrer Kathode 5 V anliegen. Was passiert?
Kapitel 02
Wie entsteht der pn-Übergang und was ist die Raumladungszone?
Eine Diode besteht aus einem einzigen Halbleiterkristall, meist Silizium, der in zwei unterschiedlich dotierte Bereiche aufgeteilt ist: den p-Bereich (positiv dotiert, reich an Löchern) und den n-Bereich (negativ dotiert, reich an Elektronen). Die Grenzfläche zwischen diesen beiden Bereichen heißt pn-Übergang.
Was bedeutet Dotierung? Reines Silizium leitet Strom kaum. Durch gezieltes Einbringen von Fremdatomen – dem sogenannten Dotieren – wird die Leitfähigkeit deutlich erhöht. Beim p-dotierten Material werden Atome eingebracht, die einen Elektronenplatz zu wenig haben (z. B. Bor): Es entstehen positive Löcher. Beim n-dotierten Material bringt man Atome ein, die ein Elektron zu viel haben (z. B. Phosphor): Es entstehen freie Elektronen.
Was passiert beim Zusammenbringen? An der Grenzfläche zwischen p- und n-Bereich diffundieren Elektronen aus dem n-Bereich in den p-Bereich – und umgekehrt wandern Löcher in den n-Bereich. Dabei neutralisieren sie sich gegenseitig. Es bleiben ortsfeste Ionen zurück: negative im p-Bereich, positive im n-Bereich. Diese Zone ohne freie Ladungsträger nennt man Raumladungszone (RLZ) oder auch Verarmungszone.
Die Raumladungszone baut ein elektrisches Feld auf, das weitere Diffusion verhindert. Es entsteht eine Spannung, die sogenannte Diffusionsspannung UD. Bei Silizium beträgt diese etwa 0,6–0,7 V, bei Germanium etwa 0,2–0,3 V.
Durchlassrichtung: Legt man eine externe Spannung so an, dass sie der Diffusionsspannung entgegenwirkt (Anode +, Kathode −), wird die Raumladungszone schmaler. Ab etwa 0,6–0,7 V (Silizium) wird die RLZ so weit überwunden, dass Strom fließt.
Sperrrichtung: Legt man die Spannung umgekehrt an, verbreitert sich die RLZ – der Widerstand steigt weiter an, und kein nennenswerter Strom fließt (nur ein sehr kleiner Sperrstrom).
Der pn-Übergang im Überblick
Viele denken, die Diode leite ab 0 V sofort. Das ist falsch. Erst wenn die äußere Spannung die Diffusionsspannung überwindet (ca. 0,7 V bei Silizium), beginnt nennenswerter Stromfluss. Darunter fließt praktisch kein Strom – die Raumladungszone wirkt als Barriere.
Was passiert mit der Raumladungszone, wenn man die Diode in Sperrrichtung betreibt?
Kapitel 03
Was verrät die Diodenkennlinie und wie liest man sie richtig?
Die Kennlinie einer Diode zeigt grafisch, wie der Strom I durch die Diode von der angelegten Spannung U abhängt. Sie ist das wichtigste Werkzeug zum Verstehen des Diodenverhalts und bildet die Grundlage für alle Berechnungen in der Praxis.
Die Kennlinie hat drei charakteristische Bereiche:
- Durchlassbereich (rechts): Ab der Schwellspannung (Schleusenspannung) steigt der Strom exponentiell an. Bereits kleine Spannungsänderungen bewirken große Stromänderungen.
- Sperrbereich (links, kleine Ströme): Bei negativer Spannung fließt nur ein sehr kleiner Sperrstrom IS (Leckstrom), typisch im Nano- bis Mikroampere-Bereich.
- Durchbruchbereich (links, weit links): Wird die Sperrspannung zu groß, bricht die Diode durch – bei normalen Dioden führt das zur Zerstörung.
Die Shockley-Gleichung beschreibt den Verlauf mathematisch präzise:
Shockley-Gleichung (Diodenkennlinie)
- ID
- Diodenstrom in A
- IS
- Sättigungssperrstrom (≈ 10−12 bis 10−6 A, temperaturabhängig)
- UF
- Flussspannung (Anode–Kathode) in V
- n
- Emissionskoeffizient (≈ 1 bis 2, materialabhängig)
- UT
- Temperaturspannung: UT = kB · T / e ≈ 25 mV bei 20 °C
In der Praxis verwendet man oft eine vereinfachte lineare Näherung: Die Diode wird als idealer Schalter mit einem festen Spannungsabfall von ca. 0,7 V (Si) modelliert.
Wichtig: Kein echter Knick! Die Kennlinie hat keinen scharfen Knick bei der Schwellspannung – das ist eine häufige Vereinfachung, die in Lehrbüchern verwendet wird. In Wirklichkeit steigt der Strom von Anfang an exponentiell, wird aber erst ab ca. 0,6–0,7 V (Si) so groß, dass er in der logarithmischen Darstellung auffällt.
Interaktiver Kennlinien-Rechner
Mit steigender Temperatur sinkt die Schwellspannung um ca. 2 mV/K. Bei 100 °C statt 20 °C liegt die Schwellspannung einer Siliziumdiode nur noch bei ca. 0,54 V statt 0,70 V. Bei Leistungsdioden in warmen Schaltschränken muss das unbedingt berücksichtigt werden!
Eine Siliziumdiode hat bei 20 °C eine Schwellspannung von ca. 0,7 V. Was gilt bei 70 °C?
Kapitel 04
Wie unterscheiden sich Silizium-, Germanium- und Schottky-Dioden?
Nicht jede Diode ist gleich. Das verwendete Halbleitermaterial und der innere Aufbau bestimmen maßgeblich die elektrischen Eigenschaften. Für die Praxis sind vor allem drei Typen relevant:
Siliziumdiode (Si) ist der Standardfall. Sie hat eine Schwellspannung von 0,6–0,7 V, einen sehr niedrigen Sperrstrom (Nano-Ampere-Bereich) und ist für Temperaturen bis ca. 150 °C geeignet. Siliziumdioden sind robust, günstig und universell einsetzbar. Typische Anwendungen: Gleichrichtung, Schutzschaltungen, allgemeine Elektronik.
Germaniumdiode (Ge) ist eine ältere Bauform. Die Schwellspannung liegt bei nur 0,2–0,3 V – die Diode leitet also schon bei geringerer Spannung. Allerdings ist der Sperrstrom deutlich höher (Mikroampere-Bereich) und die maximale Betriebstemperatur geringer (ca. 70–85 °C). Germaniumdioden werden heute kaum noch verwendet, sind aber in älteren Geräten anzutreffen und für Detektorschaltungen bei kleinen Signalen noch interessant.
Schottky-Diode ist eine besondere Bauform: Hier entsteht der gleichrichtende Übergang nicht zwischen p- und n-dotiertem Halbleiter, sondern zwischen einem Metall und einem n-Halbleiter (Metall-Halbleiter-Übergang, nach dem Schottky-Effekt benannt). Das hat zwei wichtige Konsequenzen:
- Geringe Schwellspannung: nur 0,2–0,4 V → geringere Verlustleistung
- Sehr schnelles Schaltverhalten: keine Minoritätsträger-Speicherung → geeignet für Hochfrequenz und PWM-Schaltungen
- Nachteil: höherer Sperrstrom (Milliampere-Bereich) als Si-Dioden
| Eigenschaft | Silizium | Germanium | Schottky |
|---|---|---|---|
| Schwellspannung UF | 0,6–0,7 V | 0,2–0,3 V | 0,2–0,4 V |
| Sperrstrom IS | nA-Bereich | µA-Bereich | mA-Bereich |
| Max. Temperatur | ≈ 150 °C | ≈ 70–85 °C | ≈ 125–150 °C |
| Schaltgeschwindigkeit | mittel | mittel | sehr hoch |
| Typische Anwendung | Gleichrichter, Schutz | Detektor, HF-Signal | PWM, Freilauf, SMPS |
In modernen Frequenzumrichtern und Schaltnetzteilen werden fast ausschließlich Schottky-Dioden als Freilaufdioden eingesetzt, weil sie bei den hohen Schaltfrequenzen (oft 4–20 kHz) deutlich geringere Schaltverluste erzeugen als normale Si-Dioden. Bei 50-Hz-Gleichrichtung in Netzteilen reichen dagegen einfache Si-Dioden völlig aus.
Warum sind Schottky-Dioden für PWM-Schaltungen besser geeignet als normale Siliziumdioden?
Kapitel 05
Was kann die Z-Diode, was eine normale Diode nicht kann?
Eine Z-Diode (auch Zenerdiode genannt, obwohl der Begriff genau genommen nur für Dioden unter 5 V korrekt ist) ist eine speziell konstruierte Diode, die gezielt im Durchbruchbereich betrieben wird – also genau dort, wo eine normale Diode zerstört würde.
Wie ist das möglich? Z-Dioden sind so stark dotiert und dimensioniert, dass der Durchbruch kontrolliert und wiederholbar abläuft, ohne das Bauteil zu beschädigen – vorausgesetzt, der Strom wird durch einen Vorwiderstand begrenzt.
Zwei Durchbruchmechanismen:
- Zener-Effekt (bei UZ < 5 V): Das starke elektrische Feld in der sehr dünnen Raumladungszone reißt direkt Elektronen aus den Valenzband-Bindungen heraus (Tunneleffekt). Negativer Temperaturkoeffizient: mit steigender Temperatur sinkt UZ.
- Lawinendurchbruch (bei UZ > 5 V): Freie Ladungsträger werden durch das elektrische Feld so stark beschleunigt, dass sie beim Zusammenstoß mit Gitteratomen weitere Ladungsträger freisetzen (Stoßionisation, Lawineneffekt). Positiver Temperaturkoeffizient: mit steigender Temperatur steigt UZ.
Z-Dioden bei etwa 5–6 V haben nahezu keinen Temperaturkoeffizient – die beiden gegenläufigen Effekte heben sich auf. Das macht sie besonders stabil als Spannungsreferenz.
Wichtige Anwendungen der Z-Diode:
- Spannungsstabilisierung: Die Z-Diode hält die Ausgangsspannung konstant, auch wenn sich die Last ändert.
- Überspannungsschutz: Sie begrenzt Spannungsspitzen auf den Z-Wert und schützt empfindliche Bauelemente.
- Spannungsreferenz: Stabile Referenzspannung für Messschaltungen und Regler.
Z-Diode als Spannungsstabilisierung (Grundschaltung)
Z-Dioden Berechnung
- R_V
- Vorwiderstand in Ω
- U_E
- Eingangsspannung in V
- U_Z
- Zenerspannung (Durchbruchspannung) in V
- I_ges
- Gesamtstrom durch R_V in A
- I_Z
- Strom durch Z-Diode in A
- I_L
- Laststrom in A
- P_Z
- Verlustleistung der Z-Diode in W
Eine Z-Diode darf niemals ohne Vorwiderstand direkt an eine Spannungsquelle angeschlossen werden. Ohne Strombegrenzung fließt ein unkontrolliert hoher Strom, die maximale Verlustleistung Ptot wird überschritten, und die Z-Diode wird sofort zerstört.
Eine Z-Diode mit U_Z = 5,6 V soll aus einer 12-V-Quelle eine stabile Spannung liefern. Der Laststrom beträgt 20 mA, der Mindeststrom durch die Z-Diode soll 5 mA betragen. Wie groß muss der Vorwiderstand mindestens sein?
Kapitel 06
Wozu dienen LEDs, Freilaufdioden und Brückengleichrichter in der Praxis?
Dioden kommen in der Mechatronik in einer Vielzahl von Anwendungen vor. Die drei wichtigsten sind die Leuchtdiode (LED), die Freilaufdiode und der Brückengleichrichter.
Leuchtdiode (LED – Light Emitting Diode)
Eine LED ist eine Diode, die beim Durchfluss von Strom Licht emittiert. Das geschieht, weil die Elektronen beim Überqueren des pn-Übergangs in Durchlassrichtung rekombinieren und dabei Energie in Form von Photonen (Lichtteilchen) abgeben. Die Wellenlänge – also die Farbe – hängt vom verwendeten Halbleitermaterial ab. Infrarote LEDs bestehen oft aus Galliumarsenid (GaAs), sichtbare LEDs aus Galliumphosphid (GaP) oder Galliumnitrid (GaN).
Typische Flussspannungen von LEDs: Rot/Gelb: 1,8–2,2 V, Grün: 2,0–3,5 V, Blau/Weiß: 3,0–3,5 V. LEDs müssen immer mit einem Vorwiderstand betrieben werden, da ihr Widerstand bei zunehmender Spannung stark abnimmt und ohne Begrenzung der Strom schlagartig ansteigt und die LED zerstört.
Freilaufdiode (Flyback Diode)
Wenn ein induktiver Verbraucher (Relaisspule, Elektromagnet, Motorwicklung) abgeschaltet wird, baut sich das Magnetfeld schlagartig ab. Die gespeicherte Energie wird dabei in eine kurzzeitige, sehr hohe Spannungsspitze umgewandelt (selbstinduktive Spannung: U = −L · dI/dt). Diese Spannungsspitze kann Transistoren, Schaltkontakte und andere Bauelemente sofort zerstören.
Eine Freilaufdiode wird antiparallel zum induktiven Verbraucher geschaltet (in Sperrrichtung zur Betriebsspannung). Wird der Strom unterbrochen, bietet die Diode dem induktiven Strom einen Kreisweg – sie wird leitend und begrenzt die Spannungsspitze auf die eigene Durchlassspannung von ca. 0,7 V. Der Energieabbau erfolgt kontrolliert als Wärme.
Brückengleichrichter (Graetz-Schaltung)
Vier Dioden, in Brückenschaltung angeordnet, ermöglichen die Vollweggleichrichtung von Wechselspannung. In jeder Halbwelle leiten jeweils zwei diagonal liegende Dioden und leiten den Strom immer in dieselbe Richtung durch den Verbraucher. Die Ausgangsspannung (Gleichspannung) ist dabei um 2 × 0,7 V = 1,4 V geringer als die Eingangsspannung (wegen des Spannungsabfalls an den beiden leitenden Dioden).
Freilaufdiode – Schutz vor induktiver Spannungsspitze
Nach ÖVE/ÖNORM E 8001 und der Maschinensicherheitsverordnung (MSV) sind Schutzmaßnahmen gegen unzulässige Überspannungen an Schaltelementen vorzusehen. Beim Schalten induktiver Gleichstromlasten (Relais, Schütze, Magnetventile) ist die Freilaufdiode die technisch einfachste und zuverlässigste Schutzmaßnahme. Normhinweis: Austrian Standards Institute (ASI), e-norm.at.
Ein Brückengleichrichter aus Si-Dioden liegt an 12 V Wechselspannung (Effektivwert). Welche Gleichspannung ist am Ausgang zu erwarten?
Kapitel 07
Wie berechnet man den Vorwiderstand und schützt eine Schaltung richtig?
Die häufigste praktische Aufgabe bei der Arbeit mit Dioden ist die Berechnung des Vorwiderstands. Dieser ist notwendig, um den Strom auf einen zulässigen Wert zu begrenzen – bei LEDs und Z-Dioden ist er unbedingt erforderlich.
Vorwiderstand für LED: Die Versorgungsspannung UB teilt sich auf: ein Teil fällt über dem Vorwiderstand RV ab, der Rest über der LED (Flussspannung UF).
Vorwiderstand LED
- R_V
- Vorwiderstand in Ω
- U_B
- Betriebsspannung in V
- U_F
- Flussspannung der LED in V (typisch 1,8–3,5 V je nach Farbe)
- I_F
- Betriebsstrom der LED in A (typisch 5–20 mA für Standard-LEDs)
Verlustleistung des Widerstands: PRV = IF² · RV = (UB − UF) · IF
Der Widerstand muss für diese Verlustleistung ausgelegt sein – in der Praxis wird der nächsthöhere Normwert gewählt (z. B. 0,25 W oder 0,5 W).
LED-Vorwiderstand Rechner
Der berechnete Vorwiderstand ist fast nie ein Normwert. In der Praxis wird der nächsthöhere Normwert der E12- oder E24-Reihe gewählt – damit ist der Strom etwas kleiner als berechnet, die Belastung der LED sicher innerhalb der Grenzen. Nie den nächst-kleineren Wert nehmen, da sonst der Strom zu hoch wird.
Eine rote LED (U_F = 2,0 V, I_F = 20 mA) soll an 24 V betrieben werden. Welchen Vorwiderstand braucht man?
Rechenaufgaben
Beispiel 01
Eine grüne LED (UF = 2,2 V, IF = 15 mA) soll an einer 9-V-Spannungsquelle betrieben werden. Wie groß ist der benötigte Vorwiderstand, und welche Verlustleistung fällt an ihm an?
Beispiel 02
Eine Z-Diode mit UZ = 8,2 V und max. Verlustleistung Pmax = 500 mW soll eine Last von 50 Ω stabilisieren. Die Eingangsspannung beträgt 15 V. Wie groß muss der Vorwiderstand mindestens sein, damit die Z-Diode nicht überlastet wird?
Aufgabe 01 · Leicht
Eine Si-Diode wird mit 0,7 V Flussspannung betrieben. Der Sperrstrom beträgt IS = 1 nA. Wie groß ist der Diodenstrom ID (vereinfacht: ID ≈ IS · eU/(n·U_T) mit n=1, U_T=25 mV)? Geben Sie das Ergebnis in mA an.
Formel: ID ≈ IS · eU_F / U_T | U_T = 25 mV, I_S = 1 nA = 10⁻⁹ A
Das zeigt: Schon bei 0,7 V fließt ohne Strombegrenzung ein sehr großer Strom – daher ist ein Vorwiderstand immer notwendig.
Aufgabe 02 · Leicht
Eine weiße LED (UF = 3,2 V, IF = 20 mA) soll an 5 V (USB-Spannung) betrieben werden. Wie groß ist der Vorwiderstand RV in Ω?
Formel: RV = (UB − UF) / IF
Aufgabe 03 · Mittel
Eine Z-Diode (UZ = 12 V, Pmax = 1 W) stabilisiert eine Ausgangsspannung. Die Eingangsspannung beträgt 18 V, der Laststrom 30 mA. Wie groß ist der Mindest-Vorwiderstand RV, damit die Z-Diode nicht überlastet wird?
IZ,max = Pmax / UZ · Iges = IL + IZ,max · RV = (UE − UZ) / Iges
Aufgabe 04 · Mittel
Ein Brückengleichrichter aus Si-Dioden (je UF = 0,7 V) wird an einem Transformator mit 24 V Effektivwert betrieben. Wie groß ist die Ausgangsspannung (Gleichspannung) näherungsweise? Hinweis: UDC ≈ Ueff − 2 × UF.
Bei Vollweggleichrichtung liegen immer zwei Dioden in Reihe.
Aufgabe 05 · Anspruchsvoll
Eine Relaisspule hat eine Induktivität L = 100 mH und wird mit 24 V / 200 mA betrieben. Eine Freilaufdiode schützt den Schalttransistor. Wie groß ist die Energie, die beim Abschalten in der Spule gespeichert ist und durch die Freilaufdiode abgebaut werden muss? Formel: W = ½ · L · I²
Ergebnis in Millijoule (mJ) angeben.
Abschlusstest
Typische Prüfungsfragen
Diese Fragen kommen häufig in mündlichen Prüfungen vor. Klappen Sie die Antwort auf, wenn Sie Ihre eigene Antwort formuliert haben.
01Erklären Sie den Unterschied zwischen Durchlassrichtung und Sperrrichtung einer Diode.›
In Durchlassrichtung liegt die Anode (p-Seite) positiver als die Kathode (n-Seite). Die äußere Spannung wirkt der Diffusionsspannung entgegen, die Raumladungszone wird schmaler. Überschreitet die Spannung die Schwellspannung (ca. 0,7 V bei Si), leitet die Diode und Strom fließt. In Sperrrichtung liegt die Kathode positiver. Die Raumladungszone verbreitert sich, der Widerstand steigt, und es fließt nur ein vernachlässigbarer Sperrstrom. Die Diode wirkt wie ein offener Schalter – bis zur maximalen Sperrspannung.
02Was ist die Raumladungszone und warum entsteht sie?›
Am pn-Übergang diffundieren Elektronen aus dem n-Bereich in den p-Bereich und Löcher umgekehrt. Sie rekombinieren und neutralisieren sich. Es bleiben ortsfeste Ionen zurück: negative im p-Bereich, positive im n-Bereich. Diese ionisierte Zone ohne freie Ladungsträger nennt man Raumladungszone oder Verarmungszone. Sie baut ein elektrisches Feld auf (Diffusionsspannung ≈ 0,6–0,7 V bei Si), das weiterer Diffusion entgegenwirkt – es stellt sich ein Gleichgewicht ein.
03Warum muss eine LED immer mit einem Vorwiderstand betrieben werden?›
Die LED ist ein stark nichtlineares Bauelement: Ihr Widerstand nimmt mit steigender Spannung exponentiell ab (Kennlinie nach Shockley). Das bedeutet: Eine geringe Überspannung führt zu einem sehr großen Stromanstieg. Ohne Strombegrenzung durch einen Vorwiderstand würde die zulässige Verlustleistung sofort überschritten, die LED stark erhitzt und dauerhaft zerstört. Der Vorwiderstand begrenzt den Strom auf den Nennwert IF.
04Was ist der Unterschied zwischen Zener-Effekt und Lawinendurchbruch?›
Zener-Effekt (dominiert bei UZ < 5 V): Bei stark dotierten Dioden ist die Raumladungszone sehr dünn. Das elektrische Feld wird so stark, dass Elektronen direkt aus dem Valenzband durch die Barriere tunneln (quantenmechanischer Tunneleffekt). Die Zenerspannung sinkt mit steigender Temperatur (negativer Temperaturkoeffizient). Lawinendurchbruch (dominiert bei UZ > 5 V): Wenige freie Ladungsträger werden im elektrischen Feld so stark beschleunigt, dass sie beim Stoß mit Gitteratomen weitere Elektron-Loch-Paare erzeugen – eine Lawine entsteht. Die Durchbruchspannung steigt mit der Temperatur (positiver Temperaturkoeffizient).
05Beschreiben Sie die Funktion einer Freilaufdiode und nennen Sie einen typischen Einsatzfall.›
Eine Freilaufdiode wird antiparallel zu einem induktiven Verbraucher geschaltet (Kathode an Plus). Im Normalbetrieb ist sie in Sperrrichtung gepolt und hat keinen Einfluss. Wird der Strom abgeschaltet, baut die Induktivität ihr Magnetfeld ab und treibt den Strom in der bisherigen Richtung weiter. Ohne Freilaufdiode würde eine gefährliche Spannungsspitze entstehen (U = −L · dI/dt). Mit Freilaufdiode kann der Strom über die nun leitende Diode weiterfließen und die Energie wird kontrolliert als Wärme abgebaut. Typischer Einsatz: Schalten von Relaisspulen, Schützen von Transistoren in SPS-Ausgängen oder Motorsteuerungen.
06Was versteht man unter dem Sperrstrom einer Diode und wann ist er relevant?›
Der Sperrstrom IS (Leckstrom, Sättigungssperrstrom) ist der kleine Strom, der in Sperrrichtung durch eine Diode fließt. Er entsteht durch thermisch erzeugte Ladungsträger, die durch das elektrische Feld der Raumladungszone abgezogen werden. Bei Si-Dioden liegt er im Nano-Ampere-Bereich, bei Schottky-Dioden im Milliampere-Bereich. Er ist besonders relevant bei Hochtemperaturanwendungen (verdoppelt sich je ca. 10 K) und bei hochohmigen Schaltungen, wo er zu Messfehlern oder ungewolltem Stromfluss führen kann.
07Wie berechnet man den Vorwiderstand für eine Z-Diode und was muss man unbedingt beachten?›
Der Vorwiderstand ergibt sich aus: RV = (UE − UZ) / Iges, wobei Iges = IL + IZ. Dabei muss man beachten: (1) Der minimale Strom IZ,min muss eingehalten werden, damit die Z-Diode im stabilen Durchbruchbereich arbeitet. (2) Der maximale Strom IZ,max = Pmax/UZ darf nie überschritten werden. (3) Der berechnete RV gibt das Minimum an – in der Praxis den nächsthöheren Normwert wählen. (4) Die Verlustleistung des Widerstands prüfen und entsprechend dimensionieren.
08Welchen Vorteil bietet die Schottky-Diode als Freilaufdiode gegenüber einer Standard-Si-Diode?›
Die Schottky-Diode hat zwei entscheidende Vorteile als Freilaufdiode: (1) Niedrigere Flussspannung (ca. 0,2–0,4 V statt 0,7 V) → geringere Verlustleistung beim Freilaufbetrieb, besonders relevant bei hohen Strömen. (2) Höhere Schaltgeschwindigkeit: Da keine Minoritätsträger gespeichert werden, ist die Sperr-Erholzeit (Reverse Recovery Time) nahezu null. Bei PWM-Frequenzen ab einigen kHz ist das entscheidend, da eine langsame Diode in jeder Schaltflanke einen Kurzschlussstrom-Impuls verursachen würde (Rückstrom). In modernen Frequenzumrichtern und Schaltnetzteilen sind Schottky-Dioden als Freilaufdioden daher Standard.
Formelsammlung
Shockley-Gleichung
- I_D
- Diodenstrom [A]
- I_S
- Sperrstrom [A]
- U_F
- Flussspannung [V]
- n
- Emissionskoeffizient (1–2)
- U_T
- Temperaturspannung ≈ 25 mV bei 20°C
Temperaturspannung
- k_B
- Boltzmann-Konstante = 1,381×10⁻²³ J/K
- T
- Temperatur in Kelvin (K = °C + 273)
- e
- Elementarladung = 1,602×10⁻¹⁹ C
Vorwiderstand LED
- R_V
- Vorwiderstand [Ω]
- U_B
- Betriebsspannung [V]
- U_F
- Flussspannung LED [V]
- I_F
- Betriebsstrom [A]
Verlustleistung Vorwiderstand
- P_RV
- Verlustleistung Widerstand [W]
- U_B
- Betriebsspannung [V]
- U_F
- Flussspannung [V]
- I_F
- Strom [A]
Z-Diode Vorwiderstand
- U_E
- Eingangsspannung [V]
- U_Z
- Zenerspannung [V]
- I_Z
- Strom Z-Diode [A]
- I_L
- Laststrom [A]
Verlustleistung Z-Diode
- P_Z
- Verlustleistung Z-Diode [W]
- P_max
- Max. Verlustleistung lt. Datenblatt [W]
- I_Z,max
- Maximaler Z-Diodenstrom [A]
Brückengleichrichter Ausgang
- U_DC
- Gleichspannung [V]
- U_eff
- Effektivwert Wechselspannung [V]
- U_F
- Diodenflussspannung ≈ 0,7 V (Si) [V]
Energie in Induktivität (Freilauf)
- W
- Gespeicherte Energie [J]
- L
- Induktivität [H]
- I
- Strom bei Abschalten [A]
Glossar
- Anode – Der positive Anschluss der Diode (p-dotiert). Strom fließt in Durchlassrichtung von der Anode zur Kathode.
- Dotierung – Gezieltes Einbringen von Fremdatomen in einen Halbleiterkristall, um die elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen. p-Dotierung erzeugt Löcher, n-Dotierung freie Elektronen.
- Diffusionsspannung – Die interne Spannung, die durch die Raumladungszone am pn-Übergang aufgebaut wird (≈ 0,7 V bei Si, ≈ 0,3 V bei Ge). Sie muss von der äußeren Spannung überwunden werden, damit Strom fließt.
- Durchbruchspannung – Maximale Sperrspannung, die eine Diode verträgt. Bei normalen Dioden führt das Überschreiten zur Zerstörung; bei Z-Dioden ist dieser Bereich gezielt genutzt.
- Emissionskoeffizient (n) – Korrekturfaktor in der Shockley-Gleichung (n = 1…2), der vom Halbleitermaterial und dem dominierenden Rekombinationsmechanismus abhängt.
- Freilaufdiode – Schutzdiode, die antiparallel zu einem induktiven Verbraucher geschaltet wird, um beim Abschalten entstehende Spannungsspitzen abzuleiten.
- Kathode – Der negative Anschluss der Diode (n-dotiert). In Schaltzeichen durch einen Balken gekennzeichnet.
- Kennlinie – Grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Spannung und Strom an einem Bauelement. Bei der Diode zeigt sie den exponentiellen Anstieg in Durchlass- und den Sperrstrom in Sperrrichtung.
- Lawinendurchbruch – Durchbruchmechanismus bei Z-Dioden mit UZ > 5 V: Ladungsträger werden durch das E-Feld so stark beschleunigt, dass sie beim Stoß neue Träger erzeugen (Stoßionisation). Positiver Temperaturkoeffizient.
- LED (Light Emitting Diode) – Leuchtdiode: Beim Stromfluss in Durchlassrichtung rekombinieren Elektronen und Löcher und setzen Energie als Licht frei. Farbe abhängig vom Halbleitermaterial und der Bandlücke.
- pn-Übergang – Die Grenzfläche zwischen p-dotiertem und n-dotiertem Bereich im Halbleiterkristall. Er bildet die funktionale Grundlage der Diode.
- Raumladungszone (RLZ) – Auch Verarmungszone: Der Bereich am pn-Übergang, der arm an freien Ladungsträgern ist. Sie wirkt als Sperrschicht und baut die Diffusionsspannung auf.
- Schottky-Diode – Diode mit Metall-Halbleiter-Übergang statt pn-Übergang. Vorteile: geringere Schwellspannung (0,2–0,4 V), sehr schnelles Schaltverhalten.
- Schwellspannung (Schleusenspannung, U_F) – Die Spannung, ab der ein merklicher Strom durch die Diode fließt. Bei Silizium ca. 0,6–0,7 V, bei Germanium ca. 0,2–0,3 V. Kein echter Kennlinienknick, sondern eine Näherung.
- Shockley-Gleichung – Mathematische Beschreibung der Strom-Spannungs-Kennlinie einer Halbleiterdiode, benannt nach William B. Shockley. Grundlage für alle exakten Berechnungen.
- Sperrstrom (I_S) – Der geringe Strom, der in Sperrrichtung durch eine Diode fließt (Leckstrom). Bei Si im nA-Bereich, stark temperaturabhängig.
- Temperaturspannung (U_T) – Physikalische Konstante in der Shockley-Gleichung: U_T = k_B · T / e ≈ 25 mV bei 20 °C (293 K).
- Vorwiderstand (R_V) – Widerstand in Reihe zu LED oder Z-Diode zur Strombegrenzung. Unverzichtbar zum Schutz des Bauelements.
- Zener-Effekt – Tunneleffekt in stark dotierten Dioden bei geringer Sperrspannung (< 5 V): Elektronen tunneln durch die schmale Raumladungszone. Negativer Temperaturkoeffizient.
- Z-Diode (Zenerdiode) – Speziell konstruierte Diode, die dauerhaft im Durchbruchbereich betrieben werden kann. Anwendung: Spannungsstabilisierung, Überspannungsschutz, Spannungsreferenz.
Stand & Quellen
Inhalt geprüft: April 2026. Normenstände beim Austrian Standards Institute (ASI), Wien – e-norm.at.
Relevante Normen: ÖVE/ÖNORM E 8001 (Errichtung Niederspannungsanlagen), Maschinensicherheitsverordnung (MSV), ArbeitnehmerInnenschutzgesetz (ASchG), ÖVE/ÖNORM EN 60034.
Fachliche Grundlagen: Shockley, W. B.: Theory and Experiment for a Germanium p-n Junction (Physical Review, 1951). Wagner, C.: Theory of Current Rectifiers (Phys. Z., 1931). Kories, R.; Schmidt-Walter, H.: Taschenbuch der Elektrotechnik. Weitere Normen nach IEC/CENELEC-Übernahme in österreichisches Regelwerk.