Anleitung: Dioden

Wenn Sie in der Vergangenheit mit Elektronikprojekten begonnen haben, besteht eine gute Chance, dass Sie diese gemeinsame Komponente bereits kennengelernt und ohne nachzudenken in Ihre Schaltung eingelötet haben. Dioden sind in der Elektronik wertvoll und dienen einer Vielzahl von Zwecken, die in den kommenden Schritten hervorgehoben werden.

Was ist eine Diode?

Eine Diode ist eine halbleitende Vorrichtung, die es ermöglicht, dass Strom in die eine, aber nicht in die andere Richtung fließt.

Ein Halbleiter ist eine Art Material, in diesem Fall Silizium oder Germanium, dessen elektrische Eigenschaften zwischen denen von Leitern (Metallen) und Isolatoren (Glas, Gummi) liegen. Betrachten Sie die Leitung: Sie ist ein Maß für die relative Leichtigkeit, mit der sich Elektronen durch ein Material bewegen. Zum Beispiel bewegen sich Elektronen leicht durch ein Stück Metalldraht. Sie können das Verhalten eines reinen Materials wie Silizium ändern und es durch Dotieren in einen Halbleiter verwandeln. Beim Dotieren mischen Sie eine kleine Menge einer Verunreinigung in die reine Kristallstruktur.

Die Arten von Verunreinigungen, die reinem Silizium zugesetzt werden, können als N-Typ oder P-Typ klassifiziert werden.

  • N-Typ: Bei der Dotierung vom N-Typ wird dem Silizium in kleinen Mengen Phosphor oder Arsen in Teilen pro Milliarde zugesetzt. Phosphor und Arsen haben beide fünf äußere Elektronen, so dass sie verdrängt werden, wenn sie in das Siliziumgitter gelangen. Das fünfte Elektron hat nichts zu binden, so dass es sich frei bewegen kann. Es ist nur eine sehr kleine Menge der Verunreinigung erforderlich, um genügend freie Elektronen zu erzeugen, damit ein elektrischer Strom durch das Silizium fließen kann. Elektronen sind negativ geladen, daher der Name N-Typ.
  • P-Typ - Bei der P-Typ-Dotierung wird dem reinen Silizium Bor oder Gallium zugesetzt. Diese Elemente haben jeweils drei äußere Elektronen. Wenn sie in die Siliziumstruktur eingemischt werden, bilden sie "Löcher" im Gitter, an die ein Siliziumelektron nichts zu binden hat. Das Fehlen eines Elektrons erzeugt den Effekt einer positiven Ladung, daher der Name P-Typ. Löcher können Strom leiten. Ein Loch nimmt glücklich ein Elektron von einem Nachbarn auf und bewegt das Loch über einen Raum.

Dioden bestehen aus zwei unterschiedlich dotierten Schichten aus Halbleitermaterial, die einen PN-Übergang bilden . Das Material vom P-Typ weist einen Überschuss an positiven Ladungsträgern (Löchern) und das Material vom N-Typ einen Überschuss an Elektronen auf. Zwischen diesen Schichten, in denen sich die Materialien vom P-Typ und N-Typ treffen, verbinden sich Löcher und Elektronen, wobei sich überschüssige Elektronen mit überschüssigen Löchern verbinden, um sich gegenseitig aufzuheben, so dass eine dünne Schicht erzeugt wird, in der weder positive noch negative Ladungsträger vorhanden sind. Dies wird als Verarmungsschicht bezeichnet.

In dieser Verarmungsschicht befinden sich keine Ladungsträger und es kann kein Strom darüber fließen. Wenn jedoch eine Spannung an den Übergang angelegt wird, so dass die Anode vom P-Typ positiv und die Kathode vom N-Typ negativ gemacht wird, werden die positiven Löcher über die Verarmungsschicht in Richtung der negativen Kathode angezogen, und auch die negativen Elektronen werden angezogen Die positive Anode und der Strom fließen.

Stellen Sie sich eine Diode als Einbahnstraße für Elektrizität vor. Wenn sich die Diode in Vorwärtsrichtung befindet, lässt die Diode Verkehr oder Strom von der Anode zum Kathodenschenkel fließen. Bei einer Sperrvorspannung wird der Strom blockiert, so dass kein Strom durch den Stromkreis fließt. Wenn Strom durch eine Diode fließt, ist die Spannung am positiven Zweig höher als am negativen Zweig. Dies wird als Durchlassspannungsabfall der Diode bezeichnet. Die Stärke des Spannungsabfalls ist eine Funktion des Halbleitermaterials, aus dem die Diode besteht. Wenn die Spannung an der Diode positiv ist, kann viel Strom fließen, sobald die Spannung groß genug wird. Wenn die Spannung an der Diode negativ ist, fließt praktisch kein Strom.

Schritt 1: Unterschiedliche Verwendungen für unterschiedliche Dioden.

Es gibt viele verschiedene Arten von Dioden, und jede dient einem anderen Zweck als elektronische Komponente.

Eine Leuchtdiode oder LED ist wahrscheinlich die bekannteste und am einfachsten zu identifizierende. Die LED sendet sichtbares Licht aus, wenn Elektronen über den PN-Übergang springen. Das resultierende Licht wird als Elektrolumineszenz bezeichnet.

Fotodioden leiten nur, wenn sie Licht ausgesetzt sind. Diese können bei Projekten mit einem lichtaktivierten Schalter hilfreich sein, so dass ein Stromkreis nur bei Vorhandensein von Licht aktiv ist.

Zenerdioden sind so ausgelegt, dass sie in umgekehrter Richtung leiten. Nur wenn die sogenannte Durchbruchspannung erreicht ist, leitet die Schaltung. Diese werden mit genauen Toleranzen gewählt, siehe Abschnitt über Zenerdioden in Schritt 3.

Gleichrichterdioden sollen verhindern, dass Strom in die falsche Richtung fließt. Dioden werden manchmal als Gleichrichter bezeichnet, um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, indem der negative Teil des Stroms entfernt wird.

Schottky- Dioden sind so ausgelegt, dass sie sich bei Erreichen der Durchbruchspannung sehr schnell ein- und ausschalten und in digitalen Schaltkreisen schnell reagieren. Wenn Strom durch eine Diode fließt, tritt an den Klemmen ein sehr geringer Spannungsabfall auf. Siliziumdioden haben einen Spannungsabfall oder -verlust; Ein Spannungsabfall der Schottky-Diode ist deutlich geringer. Dieser geringere Spannungsabfall ermöglicht eine höhere Schaltgeschwindigkeit und eine bessere Systemeffizienz.

Dioden können auf verschiedene Arten verwendet werden, um beispielsweise einen stromempfindlichen Stromkreis zu schützen. Ein Gerät, das Batterien verwendet, enthält wahrscheinlich eine Diode, die es schützt, wenn die Batterie nicht richtig eingelegt ist. Die Diode verhindert, dass der umgekehrte Strom von der Batterie zum Rest des Stromkreises fließt. Somit schützt die Diode die empfindliche Elektronik in Ihrem Stromkreis.

In den nächsten Schritten finden Sie Informationen zu einigen der am häufigsten verwendeten Arten von Dioden.

Schritt 2: Leuchtdiode

Eine Leuchtdiode oder LED leuchtet auf, wenn sie in Vorwärtsrichtung elektrisch vorgespannt ist. Dieser Effekt ist eine Form der Elektrolumineszenz.

Eine LED ist eine spezielle Art von Halbleiterdiode. Ladungsträger werden durch einen elektrischen Strom erzeugt, der durch den pn-Übergang fließt, und setzen Energie in Form von Photonen frei, wenn sie rekombinieren. Die Wellenlänge des Lichts und damit seine Farbe wird durch die Materialien bestimmt, die den pn-Übergang bilden, wobei die Elemente das reine Material dotieren. Eine normale Diode emittiert unsichtbares Ferninfrarotlicht, aber die für eine LED verwendeten Materialien haben Bandlückenenergien, die nahem Infrarot, sichtbarem oder nahem ultraviolettem Licht entsprechen.



Im Gegensatz zu Glühlampen, die entweder mit Wechselstrom oder Gleichstrom betrieben werden können, benötigen LEDs eine Gleichstromversorgung mit der richtigen Polarität. Wenn die Spannung über dem pn-Übergang in der richtigen Richtung liegt, fließt ein erheblicher Strom und die Vorrichtung wird als in Vorwärtsrichtung vorgespannt bezeichnet. Die Spannung an der LED ist in diesem Fall für eine bestimmte LED festgelegt und proportional zur Energie der emittierten Photonen. Wenn die Spannung die falsche Polarität hat, wird das Gerät als in Sperrrichtung vorgespannt bezeichnet, es fließt nur sehr wenig Strom und es wird kein Licht emittiert.

Die Halbleiterdiode ist von einer festen Kunststofflinse umgeben. Manchmal ist der Kunststoff farbig und Sie können LEDs in fast jedem Farbton finden. Abgesehen von der aktuellen Nennleistung Ihrer LED bestimmen Größe und Form des Kunststoffgehäuses, wie und wie viel Licht die LED werfen kann.



Schritt 3: Zenerdioden

Zenerdioden werden mit einer höheren Konzentration an Verunreinigungen dotiert, um eine sehr dünne Verarmungsschicht zu erhalten. Im Gebrauch sind sie in Sperrrichtung vorgespannt. Dies bedeutet, dass sich kein Strom über eine Zenerdiode bewegen kann, bis die Durchbruchspannung erreicht ist. In jeder Diode kommt ein Punkt, an dem bei ausreichender Sperrspannung ein Sperrstrom von der Kathode zur Anode fließt. Die fest gebundenen Elektronen in der Verarmungsschicht werden von ihren Atomen weggerissen und es kommt zu einem plötzlichen Anstieg des Stroms. Wenn sich dieser Strom auf einen zu hohen Wert aufbauen darf, kann es zu Schäden kommen. Wenn der Sperrstrom jedoch auf einen sicheren Wert begrenzt ist, wird die Diode nicht beschädigt, und sobald die Sperrspannung verringert wird, hört die Diode wieder auf zu leiten.

Wählen Sie eine Zenerdiode, wenn Sie einen spannungsempfindlichen Schalter in Ihrem Stromkreis benötigen. Der verfügbare Spannungsdurchschlag reicht von etwa 2 Volt bis 200 Volt.

Schritt 4: Schottky-Dioden

Im Gegensatz zu einer PN-Sperrschichtdiode weist eine Schottky-Diode einen Metall-Halbleiter-Übergang (MS-Übergang) auf, bei dem ein Metall in engen Kontakt mit einem Halbleitermaterial kommt. Sie sind Halbleiterdioden mit einem geringen Durchlassspannungsabfall und einer sehr schnellen Schaltwirkung.

Für die Verbindung werden Molybdän, Platin, Chrom oder Wolfram verwendet; und ein halbleitendes Silizium vom N-Typ. Die Metallseite fungiert als Anode und der Halbleiter vom N-Typ fungiert als Kathode. Dies wird als Schottky-Barriere bezeichnet. Die Geschwindigkeit bietet Vorteile, da Schottky-Dioden nicht auf Rekombinationen von Löchern oder Elektronen angewiesen sind, wenn sie in den entgegengesetzten Regionstyp wie bei einer herkömmlichen Diode eintreten. Diese Arten von Dioden haben konstruktionsbedingt eine sehr genaue Durchbruchspannung und können aufgrund eines teilweise Metallübergangs schnell reagieren oder schalten.

Wenn Strom durch eine Diode fließt, tritt an den Klemmen ein sehr geringer Spannungsabfall auf. Dieser geringere Spannungsabfall führt zu einer schnelleren Schaltgeschwindigkeit und einer besseren Systemeffizienz. Es reduziert die Leistungsverluste, die normalerweise im Gleichrichter und anderen in der Stromversorgung verwendeten Dioden auftreten. Bei Standard-Siliziumdioden, die die Hauptalternative bieten, liegt ihre Einschaltspannung bei etwa 0, 6 bis 0, 7 Volt. Bei Schottky-Diodengleichrichtern mit einer Einschaltspannung von etwa 0, 2 bis 0, 3 Volt ist eine erhebliche Energieeinsparung zu erzielen.

Schritt 5: Gleichrichterschaltung

Ein Gleichrichter ist ein elektrisches Gerät, das Wechselstrom (AC), der die Richtung periodisch umkehrt, in Gleichstrom (DC) umwandelt, der nur in eine Richtung fließt.

Die beliebteste Anwendung der Diode ist die Stromgleichrichtung . Hierbei handelt es sich um ein Gerät, das nur einen Einweg-Elektronenfluss ermöglicht. Genau das macht eine Halbleiterdiode.

Es gibt ein Design, das als Vollwellenbrückengleichrichter bezeichnet wird und auf einer Vier-Dioden-Brückenkonfiguration basiert. (siehe Bild) Wechselstrom wird unten und oben am Brückengleichrichter eingespeist, den die Dioden in Gleichstrom filtern, indem sie den Strom zu den richtigen positiven und negativen Punkten leiten.

Diese Schaltung erzeugt einen Gleichstromausgang von einem Wechselstromeingang sowie einen Verpolungsschutz . Das heißt, es ermöglicht die normale Funktion von Geräten mit Gleichstromversorgung, wenn die Batterien rückwärts eingelegt wurden oder wenn die Drähte einer Gleichstromquelle vertauscht wurden, und schützt Ihren Stromkreis vor Schäden durch Verpolung.

Schritt 6: Machen Sie ein LED-Gitter!

Ein wirklich einfacher Weg, um Erfahrungen mit Dioden zu sammeln, sind LED-Schaltungen. Für die Erstellung einer LED-Matrix habe ich eine 9-V-Batterie, ein Steckbrett, 3-V-LEDs und einige 1K-Widerstände verwendet.

Ich verdrahtete sie mit dem Plus auf der rechten Seite und bewegte mich auf der linken Seite auf Masse. Ich habe sechs verschiedene Zeilen und zwei Spalten mit LEDs erstellt. Die Verkabelung erfolgt in Reihe von V (+) zur positiven Leitung der LED und dann zu einer weiteren LED und dann zu einem 1K-Widerstand gegen Masse. Schauen Sie sich den Schaltplan in diesem Schritt an.

Der Strom fließt von der Anode zur Kathode jeder LED, und wenn einer der LED-Anschlüsse vertauscht ist, leuchtet er nicht auf.

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