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Die Diode
- Eine Diode ist ein Bauelement, das - vereinfacht gesagt - Strom nur in einer Richtung durchlässt. Es gibt Dioden, die nur für diesen Zweck eingesetzt werden und solche, die darüber hinaus noch Licht abgeben (LED = “light emmiting diode”).
- Die Schaltzeichen einer Diode und einer LED siehst Du links dargestellt.
- Der Pluspol einer LED ist am längeren Beinchen zu erkennen, im Schaltplan links ist er oben.
- Der Minuspol einer Diode ist meist durch einen Ring (im Foto schwarz) gekennzeichnet.
Aufgabe 1
Schalte eine LED einmal in Durchlassrichtung in den Stromkreis, einmal in Sperrichtung. Was beobachtest Du?
Ermittlung der U-I-Kennlinie einer Diode
Wir wollen herausfinden, wie sich die Stromstärke der Diode mit wachsender Spannung ändert. Dazu verwenden wir obige Schaltung. Der Widerstand $R_1$ hat dabei zwei Aufgaben:
- Das Potentiometer kann so eingestellt werden, dass der positive Pol der Diode direkt am Pluspol der Spannungsquelle liegt. In diesem Fall liegen 5 V direkt an der Diode an, was zu deren Zerstörung führen würde (warum, erfährst Du etwas weiter unten). Der Widerstand $R_1$ begrenzt die Stromstärke durch die Diode auf maximal $I = U/R = 5\,\mathrm V/200\,\mathrm \Omega = 25\,\mathrm{mA}$.
- Unsere Messgeräte können Stromstärken nicht allzu genau messen, daher messen wir die Spannung, die am Widerstand $R_2$ abfällt und berechnen daraus mittels $I = U/R_2$ die Stromstärke.
Stelle über das Potentiometer verschiedene Spannungen ein, miss $U_1$ und $U_2$ und berechne aus $U_2$ jeweils $I$. Trage die Werte in ein Tabellenkalkulationsprogramm ein und lass' Dir den U-I-Graphen zeichnen! Ergänze mit Messwerten für negative Spannungen (d.h. die Diode wird in Sperrichtung geschalten!).
Ergebnis:
Meine Messungen ergaben die Kennlinie rechts. Zusätzlich habe ich in Sperrichtung noch gemessen:
| $U_{Diode}$ in V | $I$ in A |
|---|---|
| -14 | -0,0000015 |
| -9 | -0,000001 |
| -4,38 | -0,0000005 |
Diese Messpunkte habe ich in den Graphen nicht mehr eingezeichnet, da sie so gering sind, dass sie praktisch auf der horizontalen Achse liegen. Gleichzeitig stauchte sich dadurch der Graph in horizontaler Richtung zusammen, so dass die Steigung bei ca. 2 V fast senkrecht zu sein schien. Wir merken uns aber: In Sperrichtung fließt ein Strom, wenn auch ein sehr geringer.
Diode in Durchlassrichtung mit Vorwiderstand
Wir wollen die Stromstärke berechnen, die durch Widerstand und Diode fließt, sowie die an Widerstand und Diode abfallenden Spannungen. Leider haben wir keine Möglichkeit, direkt den Gesamtwiderstand der beiden Bauteile zu berechnen, da der Widerstand der Diode von der an ihr anliegenden Spannung abhängt und diese ja nicht bekannt ist. Wir müssen anders vorgehen:
Für den Widerstand gilt
$$R = \frac{U - U_{Diode}}{I} \Rightarrow I = \frac{U - U_{Diode}}{R} = \frac{U}{R} - \frac{U_{Diode}}{R} = \frac{U}{R} - \frac{1}{R}\cdot U_{Diode}$$