Dioden
Dioden sind Halbleiter Bauteile. Man kann ihre Funktion am einfachsten so erklären:
Eine Diode lässt den elektrischen Strom nur in einer Richtung durch, in der anderen Richtung ist der Stromfluss gesperrt. Das elektrische Schaltzeichen der Diode sieht so aus:
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Der elektrische Strom fliesst in Pfeilrichtung durch
(also hier von links nach rechts), in der Gegenrichtung sperrt das
Element, schön dargestellt mit dem Querbalken. Die Bezeichnung D1 ist die Nummerierung des Bauteils im Schema, die Ziffern/Buchstabenkombination (hier unterhalb des Symbols) bezeichnet den Typ. |
Eine Diode ist also so etwas wie ein Rückschlagventil.
Was kann man damit anfangen?
Eine ganze Menge! Eine typische Anwendung ist die Gleichrichtung von Wechselstrom, d.h. aus Wechselstrom wird Gleichstrom.
Nehmen wir einmal einen Trafo-Ausgang. Dessen Ausgangsspannung ist sinusförmig, entsprechend der Netzspannung. Wenn wir an einem Trafoanschluss (gelb) eine Diode anschliessen, von dort auf eine Glühbirne und zurück zum (braunen) Trafoanschluss, so wird das Lämpchen mit Gleichstrom betrieben. (Anschlussfarben bezogen auf Märklin Trafos.) Dies sieht dann so aus:
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Die blaue Line oben zeigt die Trafospannung, die
roten "Höcker" noch das, was am Lämpchen ankommt. Die negative Halbwelle
wird einfach "abgeschnitten". Effekt: Das Lämpchen flackert und wirkt
deutlich dunkler. Diese Schaltung wird Einweggleichrichtung genannt. |
Die Brückengleichrichtung
Diese Schaltung hat also einen gravierenden Nachteil. Mit etwas mehr Aufwand kann man dies jedoch verbessern. Man benötigt dazu vier Dioden. Die Idee dahinter ist, das auch die negativen Wellen auf den Plus-Anschluss geleitet werden. Die Schaltung sieht folgendermassen aus:
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Links die Wechselspannung vom Trafo, rechts der Gleichspannungsausgang mit Plus und Minus. Sowohl die positive, wie die negative Halbwelle wird an den "Plus"-Anschluss geleitet. |
| Und so sieht dann die Spannung am Ausgang aus (rote
Kurve). Die Spannung steigt jeweils von 0 Volt auf das Maximum an und sinkt wieder auf Null. Dieser Vorgang wiederholt sich bei unserer Netzfrequenz von 50 Hertz einhundert Mal in der Sekunde. |
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Damit haben wir schon einen
Nachteil ausgeräumt, nämlich die grossen "Lücken" in der Spannung. Trotzdem,
das die Spannung immer wieder auf null Volt geht, engt die Verwendung ein.
Beispielsweise können die meisten Elektronikschaltungen mit einer solchen
Stromversorgung nicht korrekt funktionieren.
Glättung pulsierender Gleichspannung
Also müssen wir einen Weg finden, die "Höcker" zu glätten. Dies wird erreicht, indem wir die Schaltung mit einem elektrischen Speicher ergänzen. Dieser dient dazu, den Strom zu liefern, wenn die Pulse auf null Volt gehen. Ein solcher Speicher ist der Kondensator, in diesem Fall meist ein Elektrolytkondensator. Dieser wird am Plus und Minus Anschluss unserer Schaltung angeschlossen, wobei hier unbedingt auf die richtige Polarität zu achten ist!
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Der Kondensator lädt sich auf und gibt den Strom ab, wenn die Spannung sinkt. |
| Die rote Kurve zeigt wiederum die Spannungsform am
Ausgang. Die graue Kurve dient nur zur Orientierung. Wie stark die Spannung sinkt, hängt einerseits von der Belastung ab (wie viel Strom wird der Schaltung "entzogen"), und andererseits von der Kapazität des Kondensators (ausgedrückt in µF). |
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Die daraus gewonnene Gleichspannung errechnet sich wie folgt:
Beispiel:
Trafo Ausgangsspannung: 18VAC (18 Volt
Wechselspannung)
Gleichspannung: (18V- 1.2V) x 1.414 = 23.8V
Sie sehen also, die gewonnene Gleichspannung ist höher als die Eingangswechselspannung (Effektivwert). Diesem Umstand muss bei der Dimensionierung der Verbraucher (Lampen, Relais, Elektronik etc.) Rechnung getragen werden.
Sperrung des Stromflusses
Mit Hilfe von Dioden kann auf einfache Art der Stromfluss beeinflusst werden. Als Beispiel hierzu der Schweizer Lichtwechsel in einer Lok. Diese besitzt jeweils vorne und hinten je zwei Lampen. Ein Lämpchen ist dabei für den linken und oberen Scheinwerfer, die zweite jeweils nur für den unteren rechten Scheinwerfer.
Nun sollen bei Vorwärtsfahrt vorne beide Lämpchen brennen, hinten jedoch nur diejenige für das untere rechte Licht. Bei Rückwärtsfahrt genau umgekehrt. Dies kann mit nur vier Dioden sehr einfach realisiert werden:
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Einfacher Lichtwechsel mit vier Dioden: Bei
Vorwärtsfahrt - d.h. der graue Anschluss ist geschaltet, fliesst der
Strom durch die Lampen 2, 3 und 4. Bei Rückwärtsfahrt durch die Lampen 1, 2 und 4. Die Farben beziehen sich auf alle Märklin Decoder. Orange ist die Elektronik Plus. Die Lampen müssen beidseitig gegen Masse isoliert sein! Achtung: Die drei Lämpchen (zwei auf einer Seite, eine auf der anderen) dürfen bei vielen Decodern zusammen nicht mehr als 200mA Strom "verbrauchen". Auf das Schema klicken zum Vergrössern. |
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Und so sieht es in der Re460 mit der Lichtwechselplatine aus. |
Bauformen
Dioden gibt es in unterschiedlichen Bauformen für unterschiedliche Anwendungen. Im unserem Bereich werden hauptsächlich Kleinsignal-Siliziumdioden und Gleichrichterdioden bis ca. 5A verwendet.
Hier eine kleine Auswahl:
| 1N4148 | Si Kleinsignaldiode | bis 100mA | Ideal für kleine Schaltungen, z.B. LED Steuerungen. |
| 1N4001 bis 1N4007 |
Si Gleichrichterdiode | bis 1A | Unterscheiden sich in der max. Spannung. Empfehlung: kaufen Sie nur 1N4004, diese sind kaum teurer als z.B. 1N4002, können aber bedenkenlos überall eingesetzt werden. |
| 1N5108 | Si Gleichrichterdiode | bis 3A | |
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Hier noch ein Bild verschiedener Dioden. Von oben
nach unten: Kleinsignaldiode 1N4148 Rechts davon zwei Silizium Hochstromdioden |
Weiteres zum Thema finden Sie auf der Seite Licht mit LED, auch Hinweise zu Brückengleichrichter.
Hinweis: Auf allen meinen Seiten ist vom technischen Stromfluss die Rede, nicht vom physikalischen Stromfluss.
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Letzte Änderung:
5.12.2003
19.07.2022