Arbeitspunkt der Diode

 


 

Einleitung

Wird eine Diode in eine Schaltung gebaut, ergibt sich ein bestimmter Arbeitspunkt.
Konkret ergibt sich durch die Diode ein bestimmter Strom und eine bestimmte Spannung. Dabei handelt es sich um den sogenannten Arbeitspunkt. Dieser kann über die Dioden-Kennlinie ermittelt werden.

 

 

 

 

 



 

Was ist ein Arbeitspunkt

Wie der Name schon sagt, handelt es sich bei Arbeitspunkt um den Punkt, welcher sich im Arbeitszustand ergibt. Der „Punkt“ bezieht sich auf die Kennlinie. Wird das Bauteil betrieben, ergibt sich in der Strom-Spannungskennlinie ein bestimmter Punkt.

 

Rückblick: Arbeitspunkt beim ohmschen Widerstand

Nochmal zurück zu den Grundlagen zum Thema ohmscher Widerstand.
Wie hat es sich hier verhalten?
Beim linearen Widerstand gibt es auch einen Arbeitspunkt. Baut man den Widerstand in eine Schaltung ein, ergibt sich durch den Widerstand eine bestimmte Spannung und ein bestimmter Strom durch den Widerstand. Das ist der Arbeitspunkt.
D.h. der Widerstand ist eine feste Größe. Wird eine Spannung angelegt, ergibt sich ein bestimmter Strom.

Hier kann allerdings ein einfach per ohmsches Gesetz der Strom und die Spannung berechnet werden. Dies ist möglich, da der ohmsche Widerstand ein fester Wert ist und somit die Kennlinie eine Gerade, wie im Bild zu sehen. Man spricht hier auch vom linearen Widerstand.

 

Bezug zur Diode

Bei der Diode ist das Prinzip dasselbe. Es wird eine Spannung angelegt und durch den Widerstand der Diode ergibt sich ein bestimmter Strom.
Die Frage ist nun natürlich, wie groß dieser Strom ist.
Im Gegensatz zum ohmschen Widerstand ist der Widerstand der Diode kein fester Wert. D.h. die Kennlinie ist somit auch nicht linear. Bei der Diode handelt es sich um ein sogenanntes nichtlineares Bauteil. Auch erkennbar an der Kennlinie. D.h. das ohmsche Gesetz kann hier nicht angewandt werden.

 



 

Diode in Schaltung betreiben.

Nun baut man die Diode in eine Schaltung ein und möchte den Arbeitspunkt ermitteln.
Schaut man sich die Kennlinie an, stellt sich natürlich die Frage, in welchem Punkt sich die Diode befindet. Genau bei diesem Punkt spricht man vom sogenannten Arbeitspunkt.
Man schließt die Diode an, es pendelt sich eine bestimmte Spannung & ein bestimmter Strom ein.

 

Grafische Ermittlung des Arbeitspunkt AP

Um den Arbeitspunkt zu ermitteln, kann man einem ganz konkreten Ablauf folgen.
Hierzu wird im ersten Schritt die Diode durch eine Unterbrechung ersetzt. Danach wird die Spannung über dieser Unterbrechung ermittelt. Die Spannung wird im Kennlinienfeld auf der X-Achse markiert.

Im zweiten Schritt wird die Diode durch einen Kurzschluss ersetzt. Es wird dann der Strom durch diesen Kurzschluss ermittelt. Dieser Stromwert wird im Kennlinienfeld auf der Y-Achse markiert.

Beim dritten Schritt werden beide markierten Punkte (Der Spannungswert auf der X-Achse und der Stromwert auf der Y-Achse) miteinander verbunden.

Im vierten Schritt wird der Schnittpunkt der Gerade und der Kennlinie markiert. Hierbei handelt es sich um den Arbeitspunkt der Diode.

 

Schritt 1: Diode durch Unterbrechung ersetzen. Spannung über Unterbrechung?
Schritt 2: Diode durch Kurzschluss ersetzen. Strom durch Kurzschluss?
Schritt 3: Spannung und Strom in der Kennlinie markieren. Gerade erzeugen.
Schritt 4: Schnittpunkt = AP

 



 

Beispiel 1 – Einfache Grundlage

 

Beispiel 1
Schritt 1: Hier wird die Diode durch eine Unterbrechung ersetzt. Danach ist dann die Spannung über dieser Unterbrechung. Dies ist hier einfach erkennbar. Die vollen 5V fallen über der Unterbrechung ab.

 

Schritt 2: Nun wird die Diode durch einen Kurzschluss ersetzt. Anschließend wird der Strom durch diesen Kurzschluss ermittelt. In diesem Fall fließt gleich viele Strom durch den Widerstand wie durch den Kurzschluss.
Uges = 5V und R1=100Ohm -> I = U/R = 5V/100Ohm = 0,05A = 50mA
D.h. durch den Kurzschluss fließen 50mA.

 

Schritt 3: Hier markieren wir den Strom und die Spannung auf den Achsen. Werden beide Punkte miteinander verbunden, entsteht eine Gerade.

Schritt 4: Der Schnittpunkt dieser Graden mit unserer Kennlinie ergibt den Arbeitspunkt

 

Beispiel 2

 

Schritt 1: Die Diode durch eine Unterbrechung ersetzen. Gesucht ist dann die Spannung über dieser Unterbrechung. Hierfür fassen wir erstmal die Parallel und in Reihe liegenden Widerstände zusammen. Dann kommen wir zu folgendem Bild:

Um den Gesamtstrom Iges zu ermitteln, fassen wir noch kurz die beiden Widerstände zusammen, um so den Gesamtwiderstand zu erhalten. (125Ohm).
Ohmsches Gesetz: Iges = Uges / Rges -> Iges = 5V / 125Ohm = 0,04A = 40mA

 

Um die Spannung über der Unterbrechung zu ermitteln, ermitteln wir die Spannung über dem Parallel liegenden Widerstand. Den Strom wissen wir nun.
UR2e = Iges * R2e -> UR2e = 40mA * 25Ohm = 1V

Da der Widerstand R2e parallel liegt, ergibt sich die gleiche Spannung über der Unterbrechung.

Wenn wir dies nun in die Kennlinie eintragen, ist es die Spannung auf der X-Achse.

 

Schritt 2: Hier wird die Diode durch einen Kurzschluss ersetzt. Somit kommen wir zu folgender Schaltung. Die beiden Widerstände fallen somit weg (da diese Parallel zum Kurzschluss liegen und so keine Wirkung haben). Wir möchten nun den Strom durch diesen Kurzschluss ermitteln. Hierfür können wir erstmal die beiden parallel liegenden Widerstände zusammenfassen (R1 und R2). Dann einfach über das Ohmsche Gesetz den Gesamtstrom ermitteln: Iges = Uges / Rges -> Iges = 5V / 100Ohm = 0,05A = 50mA

Somit fließt durch den Kurzschluss 50mA.
Wenn wir dies nun in die Kennlinie eintragen, ist es der Strom auf der Y-Achse.

 

Schritt 3: Der markierte Strom und die markierte Spannung auf den Achsen werden nun miteinander verbunden und bilden eine Gerade.

Schritt 4: Der Schnittpunkt dieser Graden mit unserer Kennlinie ergibt den Arbeitspunkt