Diodenspannungsabfall (für Anfänger erklärt): Was, Warum, Wie

In diesem Artikel werden wir den Diodenspannungsabfall besprechen, warum er verursacht wird und wie wir ihn berechnen können. Eine Diode ist ein Halbleiterbauelement, das einen Stromfluss in einer Richtung zulässt und den Stromfluss auf der anderen Seite einschränkt.

Der Diodenspannungsabfall bezieht sich im Wesentlichen auf den Vorwärtsvorspannungsabfall. Es tritt in einer Diode auf, die in einem Stromkreis vorhanden ist, wenn Strom durch sie fließt. Dieser Spannungsabfall in Vorwärtsrichtung ist das Ergebnis der Wirkung des Verarmungsbereichs, der durch den PN-Übergang unter der Wirkung einer angelegten Spannung gebildet wird.

Was ist der Diodenspannungsabfall?

Der Diodenspannungsabfall ist das Ergebnis des Stromflusses von der Anode zur Kathode. Wenn die Diode in Durchlassrichtung leitet, wird der Potentialabfall darüber als Diodenspannungsabfall oder Durchlassspannungsabfall bezeichnet. 

Idealerweise sollte es keinen Spannungsabfall über der Diode geben, wenn sie Strom führt und arbeitet, um eine DC-Ausgangsspannung zu erzeugen. Im wirklichen Leben tritt aufgrund des Durchlasswiderstands und der Durchbruchspannung ein kleiner Spannungsabfall auf. Bei Silizium beträgt der Diodenspannungsabfall etwa 0.7 Volt. 

Wie viel Spannung fällt an einer Diode ab?

Jede Diode lässt an ihren Anschlüssen eine bestimmte Spannung ab. Ein Diodenspannungsabfall von 0.7 V bedeutet, dass die Spannung durch den Widerstand oder die Last, die in der Schaltung vorhanden ist, (Versorgungsspannung – 0.7) Volt beträgt.

Der Spannungsabfall an verschiedenen Dioden ist unterschiedlich. Typischerweise reicht sie von 0.6 bis 0.7 Volt für eine kleine Siliziumdiode. Bei Schottky-Dioden beträgt der Wert des Spannungsabfalls 0.2 Volt. Bei Leuchtdioden oder LEDs liegt der Spannungsabfall zwischen 1.4 und 4 Volt. Germaniumdioden haben einen Spannungsabfall von 0.25-0.3 Volt.

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Warum hat eine Diode einen Spannungsabfall?

Die Diode wählt in Vorwärtsrichtung einen geeigneten Spannungspegel aus, damit sie die elektronischen Ladungen in Richtung des PN-Übergangs schieben kann. Es kann analog gesagt werden, als würde man jeden Ball vom Boden bis zur Oberseite des Tisches „heben“.

Der Unterschied im Energieniveau, der erforderlich ist, um die elektronischen Ladungen über den PN-Übergang zu bewegen, verursacht die Spannungsabfall. Außerdem gibt es einen gewissen Widerstand in der Diode, der für einen gewissen Spannungsabfall verantwortlich ist. Der Spannungsabfall aufgrund des Widerstands hängt von der zulässigen Stromflussrate am PN-Übergang ab.

Wie berechnet man den Diodenspannungsabfall?

Die Spannungsabfälle verschiedener Dioden sind unterschiedlich. Bei einer Siliziumdiode sind es etwa 0.7 Volt, bei einer Germaniumdiode 0.3 Volt und bei einer Germaniumdiode etwa XNUMX Volt Schottky Diode es liegt bei etwa 0.2 Volt. LEDs haben verschiedene Spannungsabfallwerte. 

Wenn wir nun den Spannungsabfall über einem anderen Element in der Schaltung berechnen möchten, müssen wir den Spannungsabfall der zwischen diesem Element und der Quelle vorhandenen Dioden von der Quellenspannung subtrahieren. Der Spannungsabfall dieses Elements ist also (Quellenspannung - Summe der Diodenspannungsabfälle).

Wie kann man die Spannung mit einer Diode absenken?

Zenerdioden eignen sich gut zum Spannungsabfall. Eine triviale Methode zum Spannungsabfall mit Dioden besteht jedoch darin, mehrere Dioden in Reihe mit der Versorgung zu schalten. Jede Diode verursacht einen Spannungsabfall von knapp 0.7 Volt.

Dioden lassen Strom nur in eine Richtung fließen, aber die Diode leitet Strom nur dann, wenn die Versorgung den Schwellenwert berührt. Die standardmäßige Siliziumdiodenschwelle beträgt 0.6 Volt. … Nachdem jede Diode in Reihe geschaltet wurde, fällt die Spannung um 0.6 Volt ab. Mit dieser Technik können wir die Spannung in einer Schaltung mit Dioden absenken.

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Spannungsabfall der Schottky-Dioden

Schottky-Dioden mit Metall-Halbleiter-Übergang haben typischerweise eine V_f zwischen 0.15 V und 0.45 V. Dieser Bereich ist auf Unterschiede beim verwendeten Metall (z. B. Platin, Chrom) und dem Halbleitertyp (z. B. Silizium vom n-Typ) zurückzuführen. Die niedrigere V_f resultiert aus dem Fehlen der Minoritätsladungsträgerinjektion, die bei PN-Übergangsdioden vorherrschend ist.

Anwendungen: Ihre niedrige V_f macht sie ideal für Hochfrequenzanwendungen und Leistungsgleichrichtung, bei denen die Energieeffizienz von entscheidender Bedeutung ist.

Spannungsabfall der Zenerdiode

Zenerdioden sind für den Betrieb in Sperrrichtung mit einem stabilen Spannungsabfall (V_z) ausgelegt, der zwischen 2 V und über 200 V liegen kann. Der V_z hängt vom Dotierungsniveau ab; Stark dotierte Dioden haben eine niedrigere V_z. Zener-Dioden folgen dem Zener-Durchbruchmechanismus bis etwa 5.6 V, darüber hinaus dominiert der Lawinendurchbruch.

Anwendungen: Aufgrund ihrer Fähigkeit, eine konstante Spannung über einen weiten Strombereich aufrechtzuerhalten, werden sie häufig in Spannungsregelungs- und Referenzanwendungen eingesetzt.

Spannungsabfall der Germaniumdiode

Germaniumdioden mit einer Bandlückenenergie von etwa 0.66 eV weisen eine V_f von etwa 0.3 V auf. Ihre Leistung wird bei höheren Temperaturen aufgrund der erhöhten intrinsischen Ladungsträgerkonzentration beeinträchtigt, was im Vergleich zu Siliziumdioden zu höheren Leckströmen führt.

Anwendungen: Obwohl seltener, werden Germaniumdioden in Niederspannungsanwendungen und bei der Restaurierung alter elektronischer Geräte verwendet.

Spannungsabfall der Siliziumdiode

Siliziumdioden mit einer Bandlückenenergie von etwa 1.1 eV haben eine V_f von etwa 0.7 V. Dieser Wert kann je nach Dotierungskonzentration und Diodenkonstruktion leicht variieren. Im Vergleich zu Germaniumdioden behalten Siliziumdioden ihre Eigenschaften über einen größeren Temperaturbereich bei.

Anwendungen: Aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und Stabilität eignen sie sich für ein breites Anwendungsspektrum, von der Leistungsgleichrichtung bis zur Signalverarbeitung.

Spannungsabfall bei Dioden in Reihe

In einer Reihenschaltung ist der gesamte Vorwärtsspannungsabfall die kumulative Summe der einzelnen Diodenabfälle. Beispielsweise haben drei in Reihe geschaltete Siliziumdioden bei identischen Strompegeln eine Gesamtspannung V_f von etwa 2.1 V. Der durch jede Diode fließende Strom muss identisch sein, da unterschiedliche Ströme zu ungleichmäßigen Spannungsabfällen und einem möglichen Diodenausfall führen können.

Anwendungen: Reihendiodenkonfigurationen werden in Anwendungen verwendet, die höhere Spannungsabfälle erfordern, als eine einzelne Diode liefern kann.

Dioden im Parallelspannungsabfall

Bei Parallelschaltungen ist der Spannungsabfall an jeder Diode derselbe wie der einer einzelnen Diode. Allerdings ist die Anpassung der Dioden von entscheidender Bedeutung, da Unterschiede in den V_f- und I/V-Eigenschaften zu einer ungleichen Stromaufteilung führen können, wodurch möglicherweise eine Diode überlastet wird, während andere nicht ausreichend genutzt werden.

Sondermaschinen: Parallele Diodenkonfigurationen werden verwendet, um die Strombelastbarkeit zu erhöhen und gleichzeitig einen bestimmten Spannungsabfall aufrechtzuerhalten.

FAQs

Wie reduziere ich die Spannung mit einer Zenerdiode?

Eine Zenerdiode ist ein Sonderfall von Dioden, die es einem Strom ermöglichen, bei einer bestimmten Spannung, die als Zenerspannung bekannt ist, rückwärts zu fließen. Es kann auch die Rückseite reduzieren Spannung und arbeiten als effizienter Spannungsregler.

Um eine Zenerdiode zur Spannungsreduzierung zu verwenden, müssen wir sie parallel zur Last in der Schaltung schalten. Die Versorgungsspannung muss höher als die Zenerspannung sein und die Diode sollte in Sperrrichtung vorgespannt sein. Diese Verbindung hilft, die Sperrspannung auf einen bestimmten Wert zu reduzieren und wirkt als Spannungsregler.

Formel für den Diodenspannungsabfall

Der Einfachheit halber wird der Durchlassspannungsabfall über einer Diode mit 0.7 V angenommen. Befindet sich nun in einem Stromkreis neben einer Last nur eine Diode, beträgt der Spannungsabfall über der Last (Versorgungsspannung – 0.7) Volt. 

Bei mehreren in Reihe geschalteten Dioden in einem Stromkreis beträgt der Spannungsabfall über der Last (Versorgungsspannung – Anzahl der Dioden * 0.7). In Bild 1 ist beispielsweise der Spannungsabfall an der Diode D1 = (5-0.7) = 4.3 V. Der Spannungsabfall an der Diode D2 = (5-2 * 0.7) = 3.6 V. Der Spannungsabfall an der Diode D3 = (5- 3 * 0.7) = 2.9 V. 

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Spannungsabfalldiagramm der Diode

Die folgende Tabelle zeigt die Spannungsabfallgrenzen verschiedener Arten von Dioden.

Diodenspannungsabfall vs. Temperatur

Siliziumdioden haben einen negativen Temperaturkoeffizienten von etwa -2 mV/°C. Dieser Rückgang des Spannungsabfalls mit steigender Temperatur ist auf die erhöhte Ladungsträgermobilität zurückzuführen. Schottky-Dioden weisen mit einer geringeren Barrierenhöhe einen kleineren Temperaturkoeffizienten auf, typischerweise etwa -1 mV/°C.

Anwendungseinblick: Diese Eigenschaft ist bei temperaturempfindlichen Anwendungen von Bedeutung, bei denen Dioden als Temperatursensoren oder Kompensatoren in Schaltkreisen fungieren können.

Diodenspannungsabfall gegen Strom

Das Spannungsabfall über einer Diode steigt mit dem Strom auf nichtlineare Weise an. Aber da der differentielle Widerstand geringer ist, ist der Anstieg sehr langsam. Wir können die Eigenschaften der Durchlassspannung gegenüber dem Strom betrachten. 

Wenn in Siliziumdioden der Strom von 1 mA auf 1 A ansteigt, schwankt V_f (Durchlassspannungsabfall) aufgrund des erhöhten Elektronenflusses typischerweise zwischen 0.7 V und 0.8 V. Germaniumdioden zeigen unter ähnlichen Bedingungen einen V_f-Anstieg von 0.3 V auf 0.4 V. Die Shockley-Gleichung beschreibt die Beziehung: V_f = nV_t ln(I/I_s + 1). Hier reicht n (Idealitätsfaktor) von 1 (ideale Diode) bis 2 (reale Bedingungen), V_t (Thermospannung) beträgt etwa 26 mV bei Raumtemperatur und I_s (Sättigungsstrom) liegt im Nanoampere-Bereich.

Aus der IV-Kurve können wir erkennen, dass ein großer Stromanstieg zunächst einen vernachlässigbar kleinen Spannungsanstieg ergibt. Dann steigt die Spannung schneller an und eskaliert schließlich sehr schnell. Die IV-Kurve zeigt ein exponentielles Wachstum der Spannung mit dem Strom. Wenn Vd 0.6/0.7 V überschreitet, bewegt es sich schnell nach oben.

Bei Spannungsabfall an einer Diode mit PN-Übergang?

Wenn Strom durch eine in einem Stromkreis vorhandene Komponente fließt, tritt ein Spannungsabfall auf. Wenn in Vorwärtsrichtung Strom durch die Diode fließt, gibt es in ähnlicher Weise a Spannungsabfall, bekannt als Durchlassspannungsabfall.

Die Diode mit pn-Übergang kann den Strom vom Übergang in Sperrrichtung bei sehr hohem Widerstand nicht senden. Der pn-Übergang wirkt wie ein offener Stromkreis, sodass der Spannungsabfall über dieser idealen pn-Übergangsdiode gleich bleibt. Sie ist gleich der Batteriespannung.

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Spannungsabfall bei diodenverbundenen MOSFETs

Ein mit einer Diode verbundener MOSFET weist bei kurzgeschlossenem Gate und Source einen Spannungsabfall auf, der seiner Schwellenspannung (V_th) entspricht und typischerweise im Bereich von 0.7 V bis 1 V liegt. Dieser Abfall ist aufgrund der V_gs-Anforderung (Gate-zu-Source-Spannung) des MOSFET höher. Die spezifische V_th hängt vom MOSFET-Typ und der MOSFET-Konstruktion ab, wobei bei verschiedenen Technologieknoten Abweichungen zu beobachten sind.

Sondermaschinen: Mit Dioden verbundene MOSFETs werden in analogen Schaltkreisen als Spannungsreferenzen und in digitalen Schaltkreisen zur Logikpegelverschiebung verwendet und profitieren von der hohen Eingangsimpedanz und dem kontrollierten Spannungsabfall des MOSFET.

Kaushikee Banerjee

Hallo……ich bin Kaushikee Banerjee und habe meinen Master in Elektronik und Kommunikation abgeschlossen. Ich bin ein Elektronik-Enthusiast und widme mich derzeit dem Bereich Elektronik und Kommunikation. Mein Interesse liegt in der Erforschung modernster Technologien. Ich bin ein begeisterter Lerner und bastele mit Open-Source-Elektronik herum.