Schaltverhalten der Diode
Einleitung
Beim Umpolen bzw Umschalten einer Diode kommt es zu einer bestimmten Verzögerung. Diese Verzögerung ist normalerweise ungewollt, da diese Zeit benötigt und zu Schaltverlusten führt.
Bei der Diode kann es zwei Arten von Schaltvorgängen geben. Entweder den Einschaltvorgang, das bedeutet beim Umschalten vom Sperr- in den Flussbereich oder andersherum der Ausschaltvorgang. Hier wird vom Fluss- in den Sperrbereich umgeschaltet.
Überblick zum Schaltverhalten der Diode
Nun kann natürlich entweder von Sperr- in den Flussbereich oder andersherum vom Fluss- in den Sperrbereich umgeschaltet werden.
Beim Umschalten von Sperr- in Flussrichtung wird nur wenig Zeit benötigt. Denn hier muss nur die kleine Sperrschichtkapazität entladen werden. Diese ist wesentlich kleiner als die Diffusionskapazität.
Wird allerdings von Fluss- in Sperrrichtung umgeschaltet, wirkt die wesentlich größere Diffusionskapazität. Deshalb ist hier das Umschalten wesentlich langsamer.
Einschaltverhalten: Sperr- in Flussrichtung – Schaltverhalten
Beim Einschaltvorgang wird die Diode vom Sperrbereich in den Flussbereich umgeschaltet. Das bedeutet, dass zu Beginn eine Raumladungszone besteht, welche dann von Ladungsträgern geflutet wird.
⇨ Sperrrichtung
⇨ Flussrichtung
Bei diesem Vorgang zeigt der PN-Übergang / die Diode eine Überlagerung von kapazitiven und induktiven Eigenschaften.
Allgemein kommt es beim Einschaltvorgang zur Verzögerung, da die Sperrschichtkapazität entladen werden muss.
Wird die Diode also in Flussrichtung gepolt, besteht zunächst immer noch die Sperrschichtkapazität. Diese muss ausgeräumt werden. Die Raumladungszone wird mit Ladungsträgern überschwemmt und Ladungsträger werden Injiziert.
Die Sperrschichtkapazität beeinflusst den Verlauf der Vorwärtsspannung. Dabei steigt die Spannung langsam auf ihren Endwert und weißt ein kapazitives Verhalten auf.
Der Strom steigt sprungartig auf seinen Endwert. Es kann hier sogar zu einer leichten Stromspitze / Überschwingung kommen sie sogenannte Umladungsspitze. Diese entsteht durch die Sperrschichtkapazität, da sich hierdurch die Diode im ersten Moment wie ein Kondensator verhält.
Würde die Anstiegszeit der Spannungsquelle in der Simulation etwas langsamer gewählt werden, dann würde die Sperrschichtkapazität langsam umgeladen werden und es würde auch nicht zur zu Umladungsspitze kommen.
Kapazitives Verhalten
Wenn der Strom durch die Diode klein ist, dass ist der Fall, wenn eine schwache Injektion vorliegt, weist die Diode ein kapazitives Verhalten auf. Das bedeutet, dass die Spannung langsamer ansteigt als der Strom.
⇨ Schwache Injektion
Induktives Verhalten
Fließt durch die Diode ein großer Strom, das ist der Fall, wenn eine Hochinjektion vorliegt, dann weist die Diode ein Induktives Verhalten auf. Das wiederum bedeutet, dass es bei der Spannung ein Überschwingen gibt.
⇨ Hochinjektion
Simulationsergebnis
Das Einschaltverhalten der Diode habe ich ebenfalls in einer LTSpice Simulation nachgestellt. Hierdurch können wir die Theorie in der „Realität“ analysieren.
In der Simulation weißt die Diode ein Kapazitives Verhalten auf. Die Spannung steigt langsam auf ihren Endwert und hat einen kapazitiven Verlauf.
Der Strom springt sofort hoch. In der Simulation gibt es sogar einen kleinen Überschwinger.
Zum ausführlichen Beitrag: ⇨ Simulation zum Schaltverhalten der Diode
Ausschaltverhalten: Fluss- in Sperrrichtung – Schaltverhalten
Beim Ausschaltvorgang wird die Diode vom Flussbetrieb in den Sperrbetrieb umgeschaltet. Das bedeutet, dass beim Umschalten die Injektion von Ladungsträgern umgekehrt werden muss und die Sperrschicht aufgebaut werden muss.
⇨ Sperrrichtung
⇨ Flussrichtung
Grund für die Verzögerung ist unteranderem die Sperrverzögerungsladung Qrr.
Befindet sich die Diode in Flussrichtung, kommt es zur sogenannten Injektion. Hier steigt die Konzentration der Minoritätsladungsträger im Bahngebiet an.
Hierbei handelt es sich um eine Ladung, welche als Speicherladung / Diffusionsladung bezeichnet wird.
Es handelt sich dabei nicht um eine Flächenladung wie die eines Plattenkondensators, entspricht aber dem Verhalten einer Kapazität, da hier Ladung sozusagen gespeichert wird.
Beim Umschalten muss diese gespeicherte Ladung abgebaut werden.
Dies benötigt Zeit.
Zur Ausführlichen Erklärung des Ausschaltverhaltens:
⇨ Ausschaltverhalten
Simulationsergebnis
Das Ausschaltverhalten der Diode habe ich ebenfalls in einer LTSpice Simulation nachgestellt. Hierdurch können wir die Theorie in der „Realität“ analysieren.
Zum ausführlichen Beitrag: ⇨ Simulation zum Schaltverhalten der Diode
In der Simulation ist zu sehen, wie der Strom flacher absinkt wie in der Theorie. Die Steilheit von dem Strom ist abhängig von der äußeren Beschaltung.
Hier ist auch die Stromspitze zu erkennen, in welcher die Minoritätsladungsträger ausgeräumt werden.
Ist dies geschehen, geht die Diode in den Sperrzustand über. Dann nähert sich der Strom wieder den 0A an.
Die Spannung sinkt zunächst ziemlich linear ab. Solange bis die Diode zu sperren beginnt. Dann sinkt die Spannung ziemlich schnell auf ihren Endwert, die Sperrspannung.
