Die einfachste Halbleiterkomponente - die Diode - erfüllt eine Vielzahl nützlicher Funktionen im Zusammenhang mit ihrem Hauptzweck, die Richtung des Stromflusses zu steuern. Dioden lassen Strom nur in einer Richtung durch sie fließen.
Perfekt effiziente Dioden scheinen offene Stromkreise mit negativer Spannung zu sein und sehen ansonsten wie Kurzschlüsse aus. Da Dioden jedoch eine gewisse Ineffizienz eingestehen, ist ihre Strom-Spannungs-Beziehung nichtlinear. Daher sollten Sie das Datenblatt einer Diode konsultieren, um eine grafische Darstellung der Kurve der Durchlassspannung einer bestimmten Diode in Bezug auf ihren Durchlassstrom zu erhalten, damit Sie die richtige Diode für Ihr bestimmtes Projekt auswählen können.
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Anwendungen von Dioden
Obwohl es sich nur um einfache zweipolige Halbleiterbauelemente handelt, sind Dioden in der modernen Elektronik von entscheidender Bedeutung. Einige der typischen Anwendungen von Dioden umfassen:
- Gleichrichtung einer Spannung, z. B. Umwandlung von Wechselstrom in Gleichspannung
- Signale von einer Versorgung trennen
- Steuern der Größe eines Signals
- Signale mischen
Leistungsumwandlung
Eine wichtige Anwendung von Dioden ist die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Eine einzelne Diode oder vier Dioden wandeln 110 V Haushaltsstrom in Gleichstrom um, indem sie einen Halbweggleichrichter (Einzeldiode) oder einen Vollweggleichrichter (vier Dioden) bilden. Die Diode lässt nur die Hälfte der Wechselstromwellenform durch. Wenn dieser Spannungsimpuls einen Kondensator auflädt, scheint die Ausgangsspannung eine konstante Gleichspannung mit einer kleinen Spannungswelligkeit zu sein. Die Verwendung eines Vollweggleichrichters macht diesen Prozess noch effizienter, indem die Wechselstromimpulse so geleitet werden, dass sowohl die positive als auch die negative Hälfte der Eingangssinuswelle als nur positive Impulse angesehen werden. Dadurch wird die Frequenz der Eingangsimpulse zum Kondensator effektiv verdoppelt. Dies hilft, ihn aufgeladen zu halten und eine stabilere Spannung zu liefern.
Dioden und Kondensatoren erzeugen unterschiedliche Spannungsvervielfacher, um eine kleine Wechselspannung aufzunehmen und zu multiplizieren, um sehr hohe Spannungsausgänge zu erzeugen. Mit der richtigen Konfiguration von Kondensatoren und Dioden sind sowohl AC- als auch DC-Ausgänge möglich.
Demodulation von Signalen
Die häufigste Verwendung von Dioden besteht darin, die negative Komponente eines Wechselstromsignals zu entfernen. Da der negative Teil einer Wechselstromwellenform normalerweise mit der positiven Hälfte identisch ist, gehen bei diesem Prozess des Entfernens effektiv nur sehr wenige Informationen verloren, was zu einer effizienteren Signalverarbeitung führt.
Die Signaldemodulation wird üblicherweise in Funkgeräten als Teil des Filtersystems verwendet, um das Funksignal aus der Trägerwelle zu extrahieren.
Überspannungsschutz
Dioden eignen sich auch gut als Schutzvorrichtungen für empfindliche elektronische Komponenten. Bei Verwendung als Spannungsschutzvorrichtungen sind die Dioden unter normalen Betriebsbedingungen nicht leitend, schließen jedoch jede Hochspannungsspitze sofort gegen Masse kurz, wo sie eine integrierte Schaltung nicht beschädigen kann. Spezielle Dioden, sogenannte "Transient Voltage Suppressors", wurden speziell für den Überspannungsschutz entwickelt und können für kurze Zeiträume sehr große Leistungsspitzen verarbeiten, typische Eigenschaften einer Spannungsspitze oder eines Stromschlags, die normalerweise Komponenten beschädigen und die Lebensdauer eines elektronischen Produkts verkürzen würden.
In ähnlicher Weise kann eine Diode die Spannung regulieren, indem sie als Clipper oder Limiter dient - ein spezieller Zweck, der die Spannung begrenzt, die an einem bestimmten Punkt durch sie hindurchtreten kann.
Aktuelle Lenkung
Die grundlegende Anwendung von Dioden besteht darin, den Strom zu steuern und sicherzustellen, dass er nur in die richtige Richtung fließt. Ein Bereich, in dem die aktuelle Lenkfähigkeit von Dioden effektiv genutzt wird, ist das Umschalten von der Leistung eines Netzteils auf die Leistung einer Batterie. Wenn ein Gerät angeschlossen ist und aufgeladen wird, z. B. ein Mobiltelefon oder eine unterbrechungsfreie Stromversorgung, sollte das Gerät nur über das externe Netzteil und nicht über den Akku mit Strom versorgt werden, und während das Gerät angeschlossen ist, sollte der Akku mit Strom versorgt werden und aufladen. Sobald die Stromquelle entfernt wird, sollte der Akku das Gerät mit Strom versorgen, damit der Benutzer keine Unterbrechung bemerkt.
Ein gutes Beispiel für die Stromlenkung ist der Rückstromschutz. Betrachten Sie zum Beispiel Ihr Auto. Wenn Ihre Batterie leer ist und ein freundlicher Passant Ihnen hilft, mit Überbrückungskabeln zu starten, braten Sie das elektrische System Ihres Autos nicht, wenn Sie die Reihenfolge der roten und schwarzen Kabel mischen, da Dioden neben der Batterie den Strom in die falsche Richtung blockieren.
Logikgatter
Computer arbeiten binär - ein endloses Meer von Nullen und Einsen. Die binären Entscheidungsbäume beim Rechnen basieren auf Logikgattern, die durch Dioden aktiviert werden, die steuern, ob ein Schalter ein ("1") oder aus ("0") ist. Obwohl in modernen Prozessoren Hunderte Millionen Dioden vorkommen, entsprechen sie funktional den Dioden, die Sie im Elektronikgeschäft kaufen - nur viel kleiner.
Dioden und Licht
Eine LED-Taschenlampe ist nur eine Taschenlampe, deren Beleuchtung von einer Leuchtdiode stammt. Bei positiver Spannung leuchten die LEDs.
Im Gegensatz dazu nimmt eine Fotodiode Licht durch einen Kollektor (wie ein Mini-Solarpanel) auf und wandelt dieses Licht in eine kleine Strommenge um.