- normale Dioden- Gleichrichterdioden
- Leuchtdioden (LEDs).
Alle diese Bauteile haben eins gemeinsam: sie sind 'Halbleiter', die nicht so gut leiten wie 'Leiter' (Kupfer, Silber, Lötzinn usw.), aber wesentlich besser als 'Nichtleiter' (Porzellan, Kunststoffe usw.). Zudem leiten die Dioden den Strom in eine Richtung wesentlich besser als in die andere. Man spricht auch von 'Flußrichtung' und 'Sperrrichtung' (wobei allgemein angenommen wird, daß der Strom von '+' nach '-' fließt).
In Flußrichtung leiten die Dioden auch nicht sofort bei kleinsten Spannungen, sondern brauchen immer eine
kleine Spannung (Flußspannung), ehe sie 'loslegen'. Diese Flußspannung liegt bei den
meisten Dioden und Gleichrichtern bei 0,7 Volt, bei Leuchtdioden zwischen 1,5 und 2 Volt, je nach Farbe. Bei der
Wasserleitung wäre der Vergleich ein Rückschlagventil, das einen bestimmten kleinen Druck
'verbraucht', um die Kraft der Feder zu überwinden.Es ist nicht egal, wie herum man die Dioden anschließt; sie leiten ja nur in einer Richtung, und zwar von der Anode (A) zur Kathode (K). Die normalen Dioden tragen auf dem runden Körper einen Ring, der die Kathode kennzeichnet. Die LEDs haben an der Anode das längere Beinchen. Das Schaltzeichen der Dioden zeigt eine Art Pfeil von der Anode zur Kathode.
Dioden haben als Kennwerte einen maximalen Flußstrom und eine maximale Sperrspannung. Wird einer der Werte überschritten, wird die Diode zerstört. LEDs z.B. haben eine Sperrspannung von nur 5 Volt. Das ist zu beachten, wenn man sie testen will und kennt die Lage von Anode und Kathode nicht.
Was fängt man nun damit an?
Der 'erste' Anwendungszweck ist sicherlich die Gleichrichter-Funktion. Aus der Wechselspannung, die der
Netztransformator liefert, soll eine Gleichspannung erzeugt werden. Wir weisen, wie so oft schon, darauf hin,
daß die Netzspannung keine Spielwiese ist, sondern daß Fehler, die in diesem Bereich beim Basteln
gemacht werden, tödlich sein können. Wir schlagen daher vor, als Netztransformator einen
Modellbahn-Transformator, der einen Wechselspannungs-Ausgang hat, zu benutzen. An den Klemmen A, B erscheint eine
Spannung von ca. 14 Volt (oder ähnlich, je nachdem, was auf dem Schild am Trafo angegeben ist). Diese Spannung
ist der Effektivwert, nachzulesen bei
Was ist elektrische Spannung.
Der gestrichelt gezeichnete Widerstand ist ein Verbraucher, der immer vorhanden ist, und sei es nur das
Meßgerät, mit dem gerade die Spannung gemessen wird.
Der Spannungsverlauf an den Klemmen A,B ist sinusförmig, wie schon in den Bildern bei der Betrachtung der
elektrischen Spannung beschrieben. Solange die Spannung positiv ist, fließt ein Strom durch die Diode und
den gestrichelten Widerstand. Das bedeutet aber, daß an der Kathode der Diode der Pluspol der
Gleichspannung liegt. Diese Schaltung nennt man 'Einweg-Gleichrichter', weil nur die positive Halbwelle der
Wechselspannung gleichgerichtet wird und zur 'Arbeit' herangezogen wird; der 'zweite Weg', die negative Halbwelle,
tut nichts. Nachteilig ist dabei, daß eine große spannungsfreie Lücke zwischen den einzelnen
Spannungsspitzen klafft. Diese Schaltung wird gern als 'Langsamfahrgang' für Rangierlokomotiven benutzt.
Brückengleichrichter:Mit einer solchen Schaltung wird Folgendes erreicht: bei positiver Spannung am Eingang fließt der Strom durch die Diode oben rechts nach '+', weiter durch den Widerstand und dann durch die Diode unten links zum Trafo zurück. Bei negativer Spannung fließt der Strom durch die Diode unten rechts nach '+', weiter durch den Widerstand und dann durch die Diode oben links zum Trafo zurück. Da hier jede Halbwelle ausgenutzt wird, spricht man auch von 'Zweiweg- oder Vollweg-Gleichrichtung'.
Was ist eine Freilaufdiode?
Eine Freilaufdiode ist kein besonderer Dioden-Typ. Sie ist eine Diode mit einer speziellen Aufgabe.
Zweck und Beispiel s. unter Induktivitäten.
Logik-Schaltungen
Mit Dioden kann man auch einfache logische (organisatorische) Aufgaben lösen.Beispiel: eine ganz einfache Weichenstraßensteuerung.
Zunächst wird wohl versucht werden, die nebenstehende
Verdrahtung anzuschließen. Aber das geht so nicht, weil die Weiche w2 sich nicht mehr stellen läßt.
Die beiden rot markierten Drähte verbinden die beiden Antriebsspulen von w2; und somit werden sie immer
zugleich zu stellen versucht.
Abhilfe schafft hier das Einfügen von zwei Dioden. Allerdings kann die Steuerung nur noch mit Gleichspannung
betrieben werden. Die Dioden lassen jede das Stellen von w1l zu, aber nicht mehr das Stellen der 'anderen' Spule
von w2. Bitte einmal den Stromverlauf von + nach - verfolgen.Natürlich kann man das Problem auch mit einem Hilfsrelais lösen. Dies wird aber vergleichsweise teuer (1,55 € für das Relais anstelle von 0,08 € für beide Dioden).
Was für Dioden nehmen?
Wir empfehlen für die bisher dargestellten Schaltungen Dioden vom Typ 1 N 4001 (bis 1 N 4007). Sie sind spannungsfest bis 50 Volt (4001; 4007: bis 1000 V) und vertragen Ströme bis 1 Ampere. Sie kosten pro Stück nur wenige Cent.
Leuchtdioden (LED)
LEDs werden immer in Flußrichtung betrieben. Sie setzen einen Teil der Energie, die sie verbrauchen, in
Licht um. Je nach verwendeten Materialien leuchten sie in allen möglichen Farben. Zum Betrieb brauchen sie
unbedingt einen
Widerstand,
der den Strom auf maximal 20 mA begrenzt. Man erhält sie in allen nur erdenklichen Abmessungen, von
1×0,5 mm (SMD 0402) bis über 10 mm Durchmesser. Es gibt sie auch in rechteckiger Form oder mit mehreren
Anschlußdrähten, um wahlweise verschiedene Farben darstellen zu können. Und - es gibt auch LEDs mit
niedrigem Strom (englisch: low-current), die schon bei 2 mA ihre volle Leuchtkraft besitzen. Und hier noch ein
Tip&Trick: Rechts sehen Sie sehr stark vergrößert das 'Innenleben' einer LED, von der Seite her
fotografiert. Das Licht strahlt also nach oben. Die Anschluß-Beinchen sind unten gerade noch zu erkennen.
Innen sehen Sie ein kleines 'Töpfchen', das an das linke Beinchen angeschlossen ist und als Reflektor dient.
Dies ist immer der Kathodenanschluß. Vom anderen Anschlußpin führt ein feines Drähtchen
im Bogen in das 'Töpfchen' hinein. Dies ist der Anodenanschluß des Halbleiterelements, das tief im
Reflektor untergebracht ist.
Für weitere Fragen stehen gern zur Verfügung:
- der MEC; Besichtigung und Fachsimpelei z.B. an unseren "Club-Abenden"
- der Autor: Hans Peter Kastner