Versuchsaufbau

Eine Gleichspannungsquelle, eine Diode (p-n-Übergang) und eine Glühbirne (z.B. \(6{,}3\,\rm{V}\) / \(0{,}3\,\rm{A}\)) werden in Reihe geschaltet. Zusätzlich wird die Spannung des Netzgerätes mithilfe eines Demo-Voltmeters visualisiert.

Versuchsdurchführung

Die Spannung wird hochgeregelt und die Glühbirne beobachtet. Anschließend wird umgepolt und der Versuch wiederholt.

Beobachtung

Es zeigt sich folgendes Bild:

Versuch zur Veranschaulichung der Ventilwirkung einer Diode
Abb.
1
Versuche zur Veranschaulichung der Ventilwirkung einer Diode

Versuchsauswertung

,
Aufgabe

a) Erläutere das Versuchsergebnis mit eigenen Worten. Beschreibe dabei, welche Eigenschaften bezüglich des Stromflusses eine Diode besitzt.

b) Skizziere, wie du eine Diode schalten musst, damit die Diode in Durchlass- bzw. Sperrrichtung geschaltet ist.

Lösung

a) In Schaltung 1 leuchtet die Lampe nicht, in Schaltung 2 leuchtet sie jedoch. Eine Diode besitzt also die Eigenschaft, dass ihr Widerstand bzw. ihre Leitfähigkeit von der Richtung des Stromflusses durch sie hindurch abhängt. Wenn die Diode im Stromkreis so geschaltet ist wie in Schaltung 1, dann verhindert sie den Stromfluss (fast) vollständig. Die in Reihe geschaltete Lampe leuchtet nicht. Wird die Polung geändert bzw. die Diode gedreht, lässt sie Strom fast ungehindert passieren - die Lampe leuchtet.

b)

Schaltsymbol einer Diode mit Schaltungen in Durchlass- und Sperrrichtung
Abb.
2
Schaltsymbol einer Diode mit Schaltungen in Durchlass- und Sperrrichtung

Aufbau und Durchführung

Versuchsaufbau zur analogen Aufnahme einer Diodenkennlinie
Abb.
1
Versuchsaufbau zur analogen Aufnahme einer Diodenkennlinie
Bei Polung in Sperrrichtung ist die sogenannte "stromrichtige" Schaltung der Messgeräte geeigneter, bei Polung in Durchlassrichtung ist die sogenannte "spannungsrichtige" Messung zu wählen (siehe hierzu auch die untenstehende Aufgabe).Als Diode kann man z.B. eine gewöhnliche Siliziumdiode verwenden. Gerade für den Sperrbereich ist aber auch eine Germaniumdiode interessant.

Man steigert die Spannung des Netzgerätes (\(0{\rm{V}} - 3{\rm{V}} - \)) allmählich und notiert jeweils die Spannung über der Diode und die Stärke des Stroms durch die Diode.

Bei der Messung in Sperrrichtung zählen wir die Spannung negativ, bei der Messung in Durchlassrichtung zählen wir sie positiv.

Schaltskizze zur Aufnahme einer Diodenkennlinie
Abb.
2
Schaltskizze zur Aufnahme einer Diodenkennlinie - links mit stromrichtiger und rechts spannungsrichtiger Messung

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Beobachtung

Siliziumdiode

Bei Polung im Sperrbereich ist auch mit einem sehr empfindlichen Strommesser kaum ein Sperrstrom festzustellen.

Im Durchlassbereich ist der Strom für \(U < 0,7{\rm{V}}\) nahezu Null, beim Überschreiten der Schwellenspannung von \(U = 0,7{\rm{V}}\) steigt der Strom sehr rasch an.

Germaniumdiode

Bei Polung im Sperrbereich ist ein geringer Sperrstrom im Mikroampere-Bereich festzustellen.

Im Durchlassbereich ist der Strom durch die Diode bis ca. \(0,3{\rm{V}}\) nahezu Null und steigt dann allmählich an. Eine Schwellenspannung ist nicht so eindeutig wie bei der Siliziumdiode feststellbar.

,
Aufgabe

Erläutere mit Blick auf die Beobachtungen, warum bei Polung in Sperrrichtung die sogenannte "stromrichtige" Schaltung der Messgeräte geeigneter, bei Polung in Durchlassrichtung dagegen die sogenannte "spannungsrichtige" geeigneter ist.

Lösung

Die Aufnahme der Kennlinie in Sperrrichtung wird "stromrichtig" durchgeführt, d.h. der gemessene Strom ist exakt der Strom durch die Diode. Der Spannungsmesser dagegen misst nicht exakt den Spannungsabfall über der Diode, sondern den Spannungsabfall über der Serienschaltung von Diode und Strommesser.

Der Grund hierfür ist der hohe Widerstand der Diode in Sperrrichtung und die dadurch bedingte geringe Stromstärke. Würde man in Sperrrichtung "spannungsrichtig" messen, so würde man mit dem Strommesser den Strom durch den Spannungsmesser plus den Strom durch die Diode (beide haben u.U. vergleichbare hohe Widerstände) anzeigen, was zu einem größeren Fehler führen würde.

Da bei kleinen Stromstärken der Spannungsabfall am Strommesser (Innenwiderstand sehr klein) aber fast zu vernachlässigen ist, macht man bei der "stromrichtigen" Schaltung der Messgeräte bei der Spannungsmessung keinen großen Fehler.

Die Aufnahme der Kennlinie in Durchlassrichtung wird dagegen "spannungsrichtig" durchgeführt, d.h. die gemessene Spannung ist exakt der Spannungsabfall über der Diode. Der Strommesser dagegen misst nicht exakt den Strom durch die Diode, sondern den Strom durch die Parallelschaltung von Diode und Spannungsmesser.

Der Grund hierfür ist der geringe Widerstand der Diode in Durchlassrichtung und die dadurch bedingte nicht zu vernachlässigende Stromstärke. Würde man in Durchlassrichtung "stromrichtig" messen, so würde man mit dem Spannungsmesser den Spannungsabfall über dem Strommesser  plus den Spannungsabfall über der die Diode (beide haben u.U. vergleichbare geringe Widerstände) anzeigen, was zu einem größeren Fehler führen würde.

Da aber der Strom durch den Spannungsmesser (Innenwiderstand sehr groß) fast zu vernachlässigen ist, macht man bei dieser Art der "spannungsrichtigen" Schaltung der Messgeräte bei der Strommessung keinen großen Fehler.

Hinweis: Besitzt man für die Messung sehr gute Messgeräte, d.h. ein Voltmeter mit extrem hohem Innenwiderstand und ein Amperemeter mit fast vernachlässigbarem Innenwiderstand, so ist es nahezu unerheblich, ob man "stromrichtig" oder "spannungsrichtig" misst.

,

Einsatz eines Messwerterfassungssystems

Aufbau zur Aufnahme der Kennlinie einer Diode mit Messwerterfassungssystem Cassy
Abb.
4
Aufbau mit Power-CASSY und Sensor-CASSY
Insbesondere wenn du schnell mehrere Kennlinien z.B. von verschiedenen Dioden oder LEDs aufnehmen und grafisch darstellen willst, ist der Einsatz eines Messwerterfassungssystems wie CASSY sinnvoll. Die grundsätzliche Verschaltung unterscheidet sich dabei nicht vom Aufbau mit analogen Messgeräten. Auch hier müssen die über der Diode abfallende Spannung \(U\) und der durch die Diode fließende Strom \(I\) gemessen werden. Das Messwerterfassungssystem kann die Daten auch direkt in einem \(U\)-\(I\)-Diagramm darstellen.

Besonders elegant ist hier die Kombination mit einer programmierbaren Strom- bzw. Spannungsquelle (Power-CASSY). Diese wird so eingestellt, dass sie nacheinander Spannungen bspw. von \(-4\,\rm{V}\) bis \(+7\,\rm{V}\) ausgibt und dabei auch den direkt den fließenden Strom \(I\) misst. Manuelles Umpolen entfällt hierbei. Mithilfe eines Sensor-CASSYs wird gleichzeitig die über der Diode abfallende Spannung gemessen und das Ergebnis in einem Diagramm dargestellt. Durch das einzeichnen mehrerer Messreihen mit verschiedenen Dioden, könne die Kennlinien gut miteinander verglichen werden.

Versuchsaufbau

Aufnahme der Kennlinie einer LED
Abb.
1
Aufnahme der Kennlinie einer LED

Die Schaltung zur Aufnahme der Kennlinie einer Leuchtdiode ist die gleiche wie bei der Kennlinienaufnahme für gewöhnliche Halbleiterdioden. Im Versuch sollen dabei die Kennlinien verschiedener Leuchtdioden aufgenommen und verglichen werden, hier rot, gelb, grün und blau.

Versuchsdurchführung

Du legst über die regelbare Spannungsquelle verschiedenen Spannungen an und misst jeweils die angelegte Spannung \(U\) und den sich Strom \(I\).

Versuchsbeobachtung

Bei der Durchführung fällt auf, dass alle Dioden beim Erreichen einer bestimmten Schwellenspannung in einer für die jeweilige Diode typischen Farbe leuchten. Weiter ergeben sich folgende Messwerte:

Rote LED

\(U\text{ in V}\)
1,20
1,40
1,50
1,56
1,60
1,62
1,64
1,66
1,68
1,70
1,72
\(I\text{ in mA}\)
0,00
0,01
0,03
0,10
0,20
0,35
0,55
0,86
1,25
1,80
2,50

Gelbe LED

\(U\text{ in V}\)
1,60
1,65
1,71
1,73
1,74
1,75
1,76
1,77
1,78
1,80
1,82
\(I\text{ in mA}\)
0,02
0,05
0,18
0,22
0,34
0,43
0,49
0,62
0,76
1,10
1,60

Grüne LED

\(U\text{ in V}\)
1,50
1,69
1,75
1,77
1,80
1,83
1,85
1,86
1,88
1,90
2,00
\(I\text{ in mA}\)
0,00
0,02
0,10
0,17
0,36
0,70
1,05
1,25
1,75
2,30
6,10

Blaue LED

\(U\text{ in V}\)
2,50
2,70
2,80
2,90
3,00
3,10
3,20
3,30
\(I\text{ in mA}\)
0,00
0,02
0,03
0,05
0,10
0,17
3,30
7,00

Ein Auftragen der Messwerte in einem Diagramm ergibt folgendes Bild:

Versuchsergebnis

Im Diagramm zeigt sich ein Zusammenhang zwischen der Schwellenspannung der jeweiligen LED und der Farbe. Je höher die Frequenz des ausgesandten Lichtes ist, desto höher ist die Schwellenspannung.

Durchführung mit Messwerterfassungssystem

Auch dieser Versuch kann besonders schnell und einfach unter Einsatz eines Messwerterfassungsprogramms durchgeführt werden. Hierbei erfolgt sowohl die Regelung der Spannung als auch die Messwertaufnahme automatisiert. Auch die Erstellung des Diagramms erfolgt dabei sofort durch die jeweilige Software.

Die Elektrizitätswerke versorgen die Haushalte mit sinusförmiger Wechselspannung, deren Frequenz \(50\,\rm{Hz}\) ist und deren Amplitude (Maximalwert) \(325\,\rm{V}\) beträgt. Für viele Geräte im Haushalt benötigt man jedoch kleinere Gleichspannungen.

Zunächst kann man mit einem geeigneten Transformator die Spannung auf einen gewünschten Wert heruntertransformieren, nach der Transformation liegt jedoch immer noch Wechselspannung vor. Mit einer Diode lässt sich nun diese Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung umwandeln.

Aufbau für niederfrequente Spannungen

Versuchsaufbau zur Einweggleichrichtung eines Wechselstroms mittels Diode
Abb.
1
Versuchsaufbau zur Einweggleichrichtung eines Wechselstroms mittels Diode

Besonders augenfällig kann die Gleichrichterwirkung der Diode gezeigt werden, wenn man die niederfrequente Wechselspannung eines Sinusgenerators verwendet, dessen Frequenz so gering ist, dass Gleichspannungsmessinstrumente mit ihrem Zeiger der Spannungsänderung noch folgen können.

Verwendet man anstelle einer Siliziumdiode eine Leuchtdiode, so kann man am Aufleuchten der Diode sogar sehen, wann gerade Polung in Durchlassrichtung besteht.

Aufbau für hochfrequente Spannungen

Versuchsaufbau zur Einweggleichrichtung eines Wechselstroms mittels Diode mit Oszi
Abb.
3
Versuchsaufbau zur Einweggleichrichtung eines Wechselstroms mittels Diode mit Zweikanal-Oszilloskop

Bei höheren Frequenzen der sinusförmigen Wechselspannung eignen sich die Gleichspannungsinstrumente nicht mehr für den Nachweis von Spannungen. Der Zeiger des linken Instruments würde aufgrund seiner Trägheit beim Nullpunkt stehen bleiben, der Zeiger des rechten Instruments würde dagegen einen Ausschlag zeigen (warum?).

Für die Darstellung des zeitlichen Verlaufs der Spannung eignet sich bei hohen Frequenzen besser ein Oszilloskop.

,

Beobachtung und Erklärung

,
5 Aufbau und Oszilloskopbilder der Schaltung mit einer Diode zur Einweggleichrichtung

Nur wenn die Diode in Durchlassrichtung gepolt ist, kann im Kreis Strom fließen und nur dann fällt am Widerstand eine Spannung ab.

Ist die Diode in Sperrrichtung gepolt, so fließt kein Strom und die am Widerstand \(R\) abfallende Spannung \(U_2\) ist dann Null.

,

Mit der obigen Schaltung ist es wohl gelungen eine pulsierende Gleichspannung \(U_2\) zu erzielen. Allerdings ist man vom Ideal einer Gleichspannung (im Oszilloskopbild eine Parallele zur Zeitachse) noch weit entfernt. Der pulsierende Gleichstrom fließt nur während einer Halbperiode. Mit der sogenannten Doppelweggleichrichtung kommt man diesem Ziel schon etwas näher.

Aufbau für niederfrequente Spannungen

Aufbau zur Demo eines Brückengleichrichters bei Niederfrequenz
Abb.
1
Aufbau zur Demonstration eines Brückengleichrichters bei Niederfrequenz

Besonders augenfällig kann die Gleichrichterwirkung der Diodenschaltung gezeigt werden, wenn man die niederfrequente Wechselspannung eines Sinusgenerators verwendet, dessen Frequenz so gering ist, dass Gleichspannungsmessinstrumente mit ihrem Zeiger der Spannungsänderung noch folgen können.

Verwendet man anstelle von Siliziumdioden vier Leuchtdioden, so kann man am Aufleuchten der Dioden sogar sehen, welche gerade in Durchlassrichtung gepolt sind. Jedoch fällt an diesen mehr Spannung ab als an den einfachen Dioden. Über dem Widerstand wird also eine etwas geringere Spannung abgegriffen.

,

Demonstration eines Brückengleichrichters

Abb. 2 Demonstration der Funktionsweise eines Brückengleichrichters
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Aufbau für hochfrequente Spannungen

Versuchsaufbau zur Demonstration eines Brückengleichrichters mit Oszilloskop
Abb.
3
Versuchsaufbau zur Demonstration eines Brückengleichrichters mit Oszilloskop

Bei höheren Frequenzen der sinusförmigen Wechselspannung verwendet man zur Darstellung der Generator- und der pulsierenden Gleichspannung ein Oszilloskop. Am analogen Messgerät kann man bei erhöhen der Frequenz beobachten, wie es aufgrund seiner Trägheit immer schlechter der Spannung folgen kann und schließlich in der Mitte stehen bleibt.

Beobachtung und Erklärung

,
4 Aufbau und Oszilloskopbilder der Schaltung mit vier Dioden zur Doppelweggleichrichtung

Durch den Brückengleichrichter wird die sinusförmige Wechselspannung effektiver in eine pulsierende Gleichspannung umgewandelt als bei der Einweggleichrichtung. Bei der Doppelweggleichrichtung fließt während beider Halbperioden ein pulsierender Gleichstrom durch den Widerstand.

Hinweise

Die Schaltung stimmt mit den oben skizzierten Schaltungen überein. Nur die Position des Widerstandes wurde verändert.

Ist die Diode grün, so leitet sie. Ist sie rot, so sperrt sie.

Anwendung

Solche Gleichrichterschaltungen sind z.B. in Schütteltaschenlampen verbaut, da Leuchtdioden eine Gleichspannung benötigen, durch das Schütteln der Lampe aber über Induktion eine Spannung mit wechselnder Polung erzeugt wird.

Aufbau und Durchführung

Eine kleine Solarzelle wird mit einer Lampe bestrahlt. Durch Abstandsänderung (x) kann die Lichtintensität am Ort der Solarzelle variiert werden.

Die Belastung der Solarzelle kann durch ein Potentiometer (Verbraucher) verändert werden.

Für verschiedene Bestrahlungsstärken werden die U-I-Diagramme aufgenommen. Auf diese Weise erhält man eine Kennlinienschar wie sie unten dargestellt ist.

Beobachtung

Die an Solarzellen abgreifbare Spannung ist abhängig vom Halbleitermaterial. Bei Silizium beträgt sie etwa 0,5 V. Die Klemmenspannung ist nur schwach von der Lichteinstrahlung abhängig, während die Stromstärke bei höherer Beleuchtungsstärke ansteigt. Bei einer 100 cm² großen Siliziumzelle erreicht die maximale Stromstärke unter Bestrahlung von 1.000 W/m² etwa einen Wert von 2 A . Sinkt die Bestrahlungsstärke so sinkt die Stromstärke proportional.

Bestimme in Schritten von 0,05 V für eine Bestrahlung von 1000W/m² die Leistung der Solarzelle. Für welche Spannung ergibt sich die maximale Leistung? Diesen Punkt nennt man MPP (Maximal Power Point).

Wie groß muss der Widerstand des Verbrauchers sein, damit die Solarzelle bei 1000 W/m² maximale Leistung bringt?

Nun sinkt die Bestrahlungsleistung auf 600W/m². Wie groß ist bei dem gerade berechneten Verbraucherwiderstand nun die abgegebene Leistung. Wie viel % der bei 600W/m² möglichen maximalen Leistung ist das? Welchen Widerstand müsste dazu der Verbraucher haben?