Elektronik 3

05 Diode

Prof. Dr. Jörg Vollrath

Previous: 04 pn-Übergang

Länge: 00:42:10

0:00:00 Diode

0:00:23 Rückblick Diode

0:02:50 Ersatzschaltbilder

0:05:38 Berechnung einer Diodenschaltung

0:09:06 Grafische Näherungslösung

0:09:58 Widerstandslastgerade

0:12:59 Rechnung einer Näherungslösung

0:14:54 Kleinsignalbetrachtung

0:16:08 Kleinsignalwiderstand

0:23:14 Ersatzschaltbild der Diode

0:26:03 Flussrichtung, Sperrrichtung

0:27:34 Z-Diode zur Spannungsbegrenzung

0:28:34 UI Kennlinie der Z-Diode

0:31:18 Ersatzschaltbild Z-Diode

0:32:39 Simulation LTSPICE

0:34:39 Z-Diode Beispiel

0:39:38 Quellenumwandlung

0:42:02 Superpositionsansatz

0:43:32 Spannungsteiler

0:47:02 Superposition

0:48:02 Quellenumwandlung

0:51:02 Temperaturmessung mit einer Diode

0:54:43 VPTAT Schaltkreis

0:55:39 Rechenansatz

0:57:42 UDiode Formel

0:59:37 Berechnung eines Wertes

0:59:37 Ergebnis

0:59:39 Ergebnis

0:59:39 MathNotepad

1:01:50 Temperatursensor MAX1617

1:05:44

Rückblick und Heute

pn-Übergang

Raumladungszone
Kapazität
Ladungsspeicherung

Diode

Temperaturverhalten
Einweggleichrichter
Graetzschaltung
Villardschaltung
Freilaufdioden
Spannungsstabilisierung

Elektronische Schaltungstechnik, Reinhold: Kapitel 3, S. 41-64
Microelectronic, Jaeger: Chapter 3, page: 75-133

Temperaturverhalten der Diode

Sperrstrom und Durchlassstrom steigen mit der Temperatur.

$I_D = I_S \left( e^{\frac{U}{nU_T}} -1 \right)$

$I_S \sim n_i^2 =B·T^3·exp^{-\frac{W_g}{kT}}$

$U_T \sim T$

Quelle: Datenblatt

Beim automatischen Testen könen die Schutzdioden an den Pins eines ICs zur Messung der Testtemperatur benutzt werden. Bei einem konstanten Strom wird die Spannung gemessen.
Dadurch wird sichergestellt, dass man wirklich die Solltemperatur für den Test erreicht hat.

Temperaturmessung mit Diode

Es soll untersucht werden ob die Spannung V_PTAT der folgenden Schaltung direkt proportional zur Temperatur ist.

$k = 8.62·10^{-5} eV/K = 1.38·10^{-23}J/K$
(PTAT: proportional to absolute temperature)
Es werden zwei gleiche Dioden mit den folgenden Strömen verwendet:

$I_{D1} =100 \mu A$ ,

$I_{D2} =10 \mu A$
Wie groß ist die Spannung V_PTAT bei T=195K?
Um wieviel mV ändert sich die Spannung bei 1°C Temperaturänderung?

Temperaturabhängigkeit von Diodenströme

$I_{D1} =100 \mu A$ ,

$I_{D2} =10 \mu A$

$I_{D} = I_S \left( e^{\frac{qU}{kT}}-1\right) \approx I_S e^{\frac{qU}{kT}}$

$U = \frac{kT}{q} ln \left( \frac{I_D}{I_S} \right)$

$V_{PTAT} = U_{D1}-U_{D2}=\frac{kT}{q} ln \left( \frac{I_{D1}}{I_{D2}} \right)$

$V_{PTAT} = \frac{195 K \cdot 8.62 \cdot 10^{-5} eV/K 2.3}{e} = 38.9mV$

$\frac{\Delta V_{PTAT}}{\Delta T} = \frac{k}{q} ln \left( \frac{I_{D1}}{I_{D2}} \right) = 0.2 mV/K$

Diode_VPTAT.asc

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 240 32 96 32
WIRE 96 48 96 32
WIRE 240 48 240 32
WIRE 96 160 96 128
WIRE 128 160 96 160
WIRE 240 160 240 128
WIRE 240 160 208 160
WIRE 96 192 96 160
WIRE 240 192 240 160
WIRE 96 288 96 256
WIRE 160 288 96 288
WIRE 240 288 240 256
WIRE 240 288 160 288
WIRE 160 304 160 288
FLAG 160 304 0
SYMBOL current 96 48 R0
SYMATTR InstName I1
SYMATTR Value ID1
SYMBOL current 240 48 R0
SYMATTR InstName I2
SYMATTR Value ID2
SYMBOL diode 80 192 R0
WINDOW 0 23 1 Left 2
SYMATTR InstName D1
SYMATTR Value ""
SYMBOL diode 224 192 R0
SYMATTR InstName D2
SYMATTR Value ""
TEXT 128 160 Left 2 ;VPTAT

In der Halbleitertechnik wird beim Testen über eine Diodenmessung der Eingangsdioden einer integrierten Schaltung sichergestellt, dass die Messtemperatur erreicht ist.
Es werdne 2 Spannungen (U1, U2) an den Anschluss (pin) angelegt und die Ströme (I1, I2) gemessen.
Dann wird die Temperatur berechnet und mit der Soll-Temperatur verglichen.

MAX1617 Temperatursensor

Quelle: Datenblatt

Quelle: Datenblatt

Quelle: Datenblatt

Gleichrichterschaltungen

Einweggleichrichter

Einfachste Schaltung

Graetzschaltung
Villard-Schaltung

Spannungsverdoppelung

Greinacher Schaltung ?

Haben Sie schon mal eine Schaltung analysiert?
Haben Sie schon mal ein Gerät aufgemacht? (Netzstecker ziehen)
Wie gehen Sie vor?

Quelle: Vollrath

Crank_lamp_without_bat.asc

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 112 48 48 48
WIRE 224 48 176 48
WIRE 256 48 224 48
WIRE 336 48 320 48
WIRE 416 48 336 48
WIRE 224 80 224 48
WIRE 336 80 336 48
WIRE 416 80 416 48
WIRE 48 96 48 48
WIRE 48 192 48 176
WIRE 224 192 224 144
WIRE 224 192 48 192
WIRE 288 192 224 192
WIRE 336 192 336 144
WIRE 336 192 288 192
WIRE 416 192 416 144
WIRE 416 192 336 192
WIRE 288 208 288 192
FLAG 288 208 0
FLAG 416 48 vled
FLAG 224 48 vgen1
FLAG 48 48 v1
SYMBOL voltage 48 80 R0
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value SINE(0 2 100)
SYMBOL cap 176 32 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 22�
SYMBOL diode 240 144 R180
WINDOW 0 24 72 Left 2
WINDOW 3 24 0 Left 2
SYMATTR InstName D1
SYMATTR Value 1N914
SYMBOL diode 256 32 M90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName D2
SYMATTR Value 1N914
SYMBOL cap 320 80 R0
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Value 22�
SYMBOL LED 400 80 R0
WINDOW 3 -53 90 Left 2
SYMATTR Value NSPW500BS
SYMATTR InstName D3
SYMATTR Description Diode
SYMATTR Type diode
TEXT 40 224 Left 2 !.tran 0 0.1 0

Analyse von Diodenschaltungen

Minimale und maximale Spannungen
Zeitverhalten
Vorwärtsspannung
Ersatzschaltbild
Abschätzung der Spannungen und Ströme durch Handrechnung
Simulation mit SPICE

Verifikation der Rechnung
Ein genaueres Ergebnis kann die Wahl der Bauteile beeinflussen.

Villard Schaltung

C1 und D1 verdoppeln die Spannung des Generators (abzüglich der Vorwärtsspannung U_F)
D2 Trennt den Generator von der Batterie (Entkoppeln)

Villard.asc

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 96 48 48 48
WIRE 224 48 160 48
WIRE 256 48 224 48
WIRE 336 48 320 48
WIRE 416 48 336 48
WIRE 224 80 224 48
WIRE 336 80 336 48
WIRE 416 80 416 48
WIRE 48 96 48 48
WIRE 48 192 48 176
WIRE 224 192 224 144
WIRE 224 192 48 192
WIRE 288 192 224 192
WIRE 336 192 336 144
WIRE 336 192 288 192
WIRE 416 192 416 144
WIRE 416 192 336 192
WIRE 288 208 288 192
FLAG 288 208 0
FLAG 416 48 vled
FLAG 224 48 vgen1
FLAG 48 48 v1
SYMBOL voltage 48 80 R0
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value SINE(0 2 100)
SYMBOL cap 160 32 R90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName C1
SYMATTR Value 22�
SYMBOL diode 240 144 R180
WINDOW 0 24 72 Left 2
WINDOW 3 24 0 Left 2
SYMATTR InstName D1
SYMATTR Value 1N914
SYMBOL diode 256 32 M90
WINDOW 0 0 32 VBottom 2
WINDOW 3 32 32 VTop 2
SYMATTR InstName D2
SYMATTR Value 1N914
SYMBOL cap 320 80 R0
SYMATTR InstName C2
SYMATTR Value 10�
SYMBOL LED 400 80 R0
WINDOW 3 -53 90 Left 2
SYMATTR Value NSPW500BS
SYMATTR InstName D3
SYMATTR Description Diode
SYMATTR Type diode
TEXT 40 224 Left 2 !.tran 0 0.1 0

Man zerlegt die Schaltung in 2 Einweggleichrichterschaltungen.
Die Teilschaltung C₁, D₁:
Die Spannung

$V_{gen1}$ ist die Summe aus Generatorspannung und einer Kondensatorgleichspannung.

$V_{gen1} = V_{~wechsel} + V_{C1}$
Diese pulsierende Gleichspannung wird in der 2.Stufen durch die Diode und den Kondensator geglättet.

Erste positive Halbwelle: C1 und C2 werden mit D2 in Flussrichtung jeweils auf die halbe Versorgungsspannung geladen (C1=C2).
Negative Halbwelle D1 in Flussrichtung lädt C1 auf.

Die Höhe der Spannungsschwankungen dU an der Diode D3 wird durch den Diodenstrom I_D, die Frequenz f der Wechselspannung und die Kapazität C₂ bestimmt.

$C = \frac{Q}{U} = \frac{I dt}{dU}$

$dU = \frac{I_D}{f C_2} = \frac{300 \mu A}{100 Hz 10 \mu F } = 0.3 V$

Z-Diode: Spannungsbegrenzung

Betrieb im Durchbruch
Dotierung und Geometrie bestimmen die Durchbruchsspannung
Lawinendurchbruch
Maximale Verlustleistung darf nicht überschritten werden.
Temperaturkoeffizient
Positiv
Innenwiderstand im Durchbruchbereich
LTSPICE

zDiode1.asc

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 128 -16 32 -16
WIRE 256 -16 208 -16
WIRE 32 16 32 -16
WIRE 256 32 256 -16
WIRE 32 112 32 96
WIRE 208 112 32 112
WIRE 256 112 256 96
WIRE 256 112 208 112
WIRE 208 144 208 112
FLAG 208 144 0
FLAG 256 -16 Vout
FLAG 32 -16 Vin
SYMBOL voltage 32 0 R0
WINDOW 3 -22 132 Left 2
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR Value SINE(9 2 50)
SYMATTR InstName V1
SYMBOL res 224 -32 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 1000
SYMBOL zener 272 96 R180
WINDOW 0 24 72 Left 2
WINDOW 3 24 0 Left 2
SYMATTR InstName D1
SYMATTR Value BZX84C6V2L
SYMATTR Description Diode
SYMATTR Type diode
TEXT 8 160 Left 2 !.dc V1 4 8

zDiode2.asc

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE -32 144 -48 144
WIRE 80 144 48 144
WIRE 176 144 160 144
WIRE 16 256 -48 256
WIRE 176 256 80 256
SYMBOL res 176 128 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName RZ1
SYMATTR Value ""
SYMBOL voltage 64 144 R90
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName VZ1
SYMATTR Value ""
SYMBOL zener 16 272 R270
WINDOW 0 36 32 VTop 2
WINDOW 3 -4 32 VBottom 2
SYMATTR InstName D1

Für Spannungen unterhalb der z-Diodenspannung wird die Diode durch eine Unterbrechung ersetzt, da näherungsweise kein Strom fliesst.
Eine Z-Diode wird oberhalb der z-Diodenspannung im Durchbruch als Spannungsquelle und Widerstand modelliert. In der Simulation sieht man, wie oberhalb der z-Diodenspannung der Strom durch die Diode zu nimmt und die Ausgangsspannung fast konstant bleibt.

Z-Diode: Beispiel

Eine Z-Diode mit

$R_Z = 2.8 \Omega$ und

$U_Z = 5.3 V$ wird zur Spannungsstabilisierung an einer Spannungsquelle mit einem Innenwiderstand von

$50 \Omega$ , die zwischen 6V und 8V schwankt eingesetzt. Ein Lastwiderstand von

$5k \Omega$ ist verbunden. Berechnen Sie die minimale und maximale Spannung am Lastwiderstand.
Berechnen Sie den maximalen Strom und die maximale Leistung an der z-Diode.
Berechnen Sie den minimalen Wirkungsgrad.

Maschengleichungen und Knotengleichungen
Superposition
Quellenumwandlung
(1)

$U_L = I_2 \cdot R_2$
(2)

$U_L = U_Z + I_Z \cdot R_Z$
(3)

$U_L = U_1 - I_1 \cdot R_1$
(4)

$I_1 = I_2 + I_Z$
in (4) die Ströme durch (1),(2) und (3) ersetzen.

(5)

$\frac{U_1-U_L}{R_1} = \frac{U_L}{R_2} + \frac{U_L-U_Z}{R_Z}$

$(U_1-U_L) R_2 R_Z= U_L R_1 R_Z + (U_L-U_Z)R_1 R_2$

$U_L(R_1 R_Z+R_1 R_2+R_2R_Z) = U_1R_2R_Z + U_Z R_1 R_2$

$U_L = \frac{U_1R_2R_Z + U_Z R_1 R_2}{R_1 R_Z+R_1 R_2+R_2R_Z}$

$U_{Lmin} = 5.33 V$

$U_{Lmax} = 5.44 V$

Bei einer Spannungsquellenänderung von 2 V ändert sich die Spannung U_L nur um 0.11 V.

$I_{Zmax} = \frac{U_{Lmax} - U_{Z}}{R_Z} = \frac{ 140 mV}{2.8 \Omega} = 50 mA$

$P_{Zmax} = U_L \cdot I_{Zmax} = 5.44 V \cdot 50 mA = 272 mW$

$I_{R2} = \frac{U_{Lmax}}{R_2} = 5.44 mA$

$P_{R2} = \frac{U_{Lmax}^2}{R_2} = \frac{(5.44 V)^2}{5 k\Omega} = 5.9 mW$

$\eta = \frac{P_{R2}}{P_{Zmax}} = 0.118 = 11.8%$

zDiode3.asc

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 48 32 -16 32
WIRE 176 32 128 32
WIRE 272 32 176 32
WIRE -16 128 -16 32
WIRE 176 128 176 112
WIRE 272 128 272 32
WIRE -16 240 -16 208
WIRE 112 240 -16 240
WIRE 176 240 176 208
WIRE 176 240 112 240
WIRE 272 240 272 208
WIRE 272 240 176 240
WIRE 112 272 112 240
FLAG 112 272 0
FLAG 272 32 UL
FLAG -16 32 U1
SYMBOL voltage -16 112 R0
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName V1
SYMATTR Value SINE(7 1 50)
SYMBOL res 144 16 R90
WINDOW 0 0 56 VBottom 2
WINDOW 3 32 56 VTop 2
SYMATTR InstName R1
SYMATTR Value 50
SYMBOL res 256 112 R0
SYMATTR InstName R2
SYMATTR Value 5k
SYMBOL res 160 16 R0
SYMATTR InstName RZ
SYMATTR Value 2.8
SYMBOL voltage 176 112 R0
WINDOW 123 0 0 Left 2
WINDOW 39 0 0 Left 2
SYMATTR InstName VZ
SYMATTR Value 5.3
TEXT -48 272 Left 2 !.tran 100m

Andere Dioden

pin Diode

Aufbau: p dotiert, intrinsisch, n dotiert
Hohe Spannungsfestigkeit

Shottky Diode

Metall-Halbleiterübergang
Kleine Durchlassspannung
Keine Diffusionskapazität –> schnelles Schalten

Tunneldiode

Negativer Widerstand der IU Kennlinie
Entdämpfung von Schwingkreisen

Kapazitätsdiode

Die Kapazität einer Diode ist spannungsabhängig.
Abstimmbare Schwingkreise

IMPATT Diode
GUNN Diode

06 MOSFET

2023 09 07 Elektronik 3 05 Diode Prof. Dr. Joerg Vollrath

Elektronik 3

05 Diode

Prof. Dr. Jörg Vollrath

Rückblick und Heute

pn-Übergang

Diode

Temperaturverhalten der Diode

Temperaturmessung mit Diode

MAX1617 Temperatursensor

Gleichrichterschaltungen

Analyse von Diodenschaltungen

Villard Schaltung

Z-Diode: Spannungsbegrenzung

Z-Diode: Beispiel

Andere Dioden

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