Aufbau
In der in Abb. 1 gezeigten Versuchsanordnung wird mittels Frequenzgenerator eine niederfrequente sinusförmige Wechselspannung erzeugt. Diese Wechselspannung dient als Anodenspannung an der Röhrendiode. Die Glühkathode der Röhrendiode wird dabei passiv beheizt. Ein Netzgerät liefert die den dafür notwendigen Heizstrom.
Hinweis: Im Aufbau ist anstelle einer Diode eine Triode eingebaut, die durch Verbindung von Gitter und Anode zur Diode geschaltet ist.
Der Verlauf von Anodenspannung \(U_{\rm{A}}\) und Anodenstrom \(I_{\rm{A}}\) durch die Vakuumdiode wird durch flinke Messinstrumente mit Nullpunkten in der Mitte dargestellt.
Durchführung
Mittels Frequenzgenerator wird eine so langsame Wechselspannung an die Diode angelegt, dass die analogen Messgeräte dieser Spannung folgen können. Dies ist bei Frequenzen von etwa \(0{,}1-1{,}0\,\rm{Hz}\) gut möglich.
Beobachtung
Wenn du durch eine externe Spannung die Anode gegenüber der Kathode positiv lädst, fließt ein Strom durch die Diode. Dabei nimmt mit zunehmender Anodenspannung \(U_{\rm{A}}\) der Anodenstrom \(I_{\rm{A}}\) zu, wie die Zeigerausschläge deutlich machen.
Lädst du die Anode negativ gegenüber der Kathode, so fließt kein Strom durch die Diode.
Deutung des Versuchs
Durch die Heizung können aus der Kathode Elektronen austreten und bilden eine Raumladungswolke um die Kathode. Wenn nun die Anode gegenüber der Kathode positiv ist, fließt ein Strom durch die Diode, da die von der Kathode emittierten Elektronen "abgesaugt" werden. Je größer die Anodenspannung \(U_{\rm{A}}\) ist, desto schneller bewegen sich die aus der Kathode gelösten Elektronen von der Kathode zur Anode und es können schneller neue Elektronen aus der Kathode austreten. Daher nimmt der Anodenstrom \(I_{\rm{A}}\) zu.
Ist dagegen die Anode negativ gegenüber der Kathode, so fließt kein Strom durch die Diode, da die von der Kathode emittierten Elektronen von der negativen Anode abgestoßen werden.
Durch die Diode ist ein Stromfluss also nur in einer Richtung möglich. Dies bezeichnet man als Gleichrichterwirkung der Diode.
Versuchsaufbau und Durchführung mit Messwerterfassungssystem
Der Versuch kann alternativ wie in Abb. 3 auch mittels Messwerterfassungssystem anstelle von analogen Messgeräten durchgeführt werden. Hierbei kann die Frequenz der Wechselspannung deutlich größer sein als beim Einsatz analoger Messgeräte, da Messwerterfassungssysteme mehrere hundert Messpunkte pro Sekunde erfassen können.
Die integrierte dargestellten \(t\text{-}U\) und \(t\text{-}I\)-Diagramme machen die Gleichrichterwirkung der Diode direkt deutlich.
Auswertung
Joachim Herz Stiftung
Abb. 4 zeigt dem sicher ergebenden zeitlichen Verlauf der Anodenspannung \(U_{\rm{A}}\) und des Anodenstroms \(I_{\rm{A}}\). In der Messwerterfassungssoftware entsteht ein solches integriertes \(t\text{-}U\) und \(t\text{-}I\)-Diagramm meist direkt bei der Aufnahme der Messwerte.
Das Diagramm zeigt deutlich, dass nur bei passender Polung ein Stromfluss durch die Diode entsteht. Die Diode besitzt daher eine gleichrichtende Wirkung.
Hinweis: Aufgrund der Empfindlichkeit digitaler Strommessgeräte ist bereits nur bei eingeschalteter Heizspannung \(U_{\rm{H}}\) ein minimaler Anodenstrom ohne von außen angelegte Anodenspannung messbar.
Bedeutung der Gleichrichtung in der Technik
Für den Betrieb vieler elektrischer Geräte benötigt man eine Gleichspannung bzw. einen Gleichstrom. Bei unserem Haushaltsnetz steht nur Wechselspannung bzw. Wechselstrom zur Verfügung. Um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln verwendet man Gleichrichter. Früher setzte man hierfür die Vakuumdioden ein, die einen pulsierenden Gleichstrom erzeugten, der durch Kondensatoren schließlich noch geglättet wurde. Heute verwendet anstelle der Vakuumdioden sogenannte Halbleiterdioden, die anschließende Glättung erfolgt durch eine ausgefeilte Schaltung verschiedener Bauelemente, die allesamt zu einem Halbleiterbaustein (IC) zusammengefügt werden.