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

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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.

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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.

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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.

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.

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Beobachtung und Erklärung

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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.

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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.

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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

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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.

Der abgebildete Versuch zeigt Ergebnisse, die mit dem physikalischen Grundverstand scheinbar nicht in Einklang zu bringen sind.

Aufbau und Durchführung

Zwei gleichartige Glühlampen L1 und L2 sind in Serie zu zwei Schaltern S1 und S2 geschaltet und an eine Wechselspannungsquelle angeschlossen.

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Beobachtung

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2 Beobachtungen bei der Durchführung des Experimentes zur Zauberschaltung
  • a) Sind beide Schalter geöffnet, so leuchtet keine der beiden Lampen.

  • d) Sind beide Schalter geschlossen, so leuchten beide Lampen.

Diese beiden Ergebnisse sind mit dem gesunden Menschenverstand in Einklang zu bringen.

  • b) Ist Schalter S1 geschlossen und Schalter S2 geöffnet, so leuchtet L1 und L2 bleibt dunkel.

  • c) Ist Schalter S1 geöffnet und Schalter S2 geschlossen, so bleibt L1 dunkel und L2 leuchtet.

Die beiden letzten Versuchsergebnisse kommen dir wohl etwas suspekt vor und du vermutest wohl - mit Recht - einen Trick. Bevor der Trick geklärt wird, sind die Beobachtungen nochmals in einer Tabelle zusammengefasst. Dabei bedeuten: S: = 0 Schalter offen; S:= 1 Schalter geschlossen; L:= 0 Lampe dunkel; L: = 1 Lampe hell

  S1 S2 L1 L2
a) 0 0 0 0
b) 1 0 1 0
c) 0 1 0 1
d) 1 1 1 1
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Erklärung

An den Versuchen b) und c) kann man erkennen, dass im Schaltbild auf der Hauptseite nicht alle Elemente der Schaltung dargestellt waren. Parallel zu jedem Schalter und zu jeder Lampe ist eine Diode geschaltet.

Wie das jeweilige Versuchsergebnis zu verstehen ist, geht aus der folgenden Animation hervor. Dabei symbolisiert eine grüne Diode, dass diese in Durchlassrichtung gepolt ist, eine rote Diode ist in Sperrrichtung gepolt. Die lila Pfeile deuten die technische Stromrichtung an.

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a)
b)
c)
d)
3 Erklärung des Experimentes zur Zauberschaltung

a)In keiner der beiden Halbperioden fließt Strom durch eine Lampe.

b)In der zweiten Halbperiode fließt Strom durch Lampe 1. (L2 ist durch die parallel geschaltete Diode kurzgeschlossen).

c)In der ersten Halbperiode fließt Strom durch Lampe 2. (L1 ist durch die parallel geschaltete Diode kurzgeschlossen).

d)In der ersten Halbperiode fließt Strom durch Lampe 2. (L1 ist durch die parallel geschaltete Diode kurzgeschlossen).

In der zweiten Halbperiode fließt Strom durch Lampe 1. (L2 ist durch die parallel geschaltete Diode kurzgeschlossen).