Vorwiderstand der Diode
Einleitung
Der Vorwiderstand wird mit der Diode in Reihe geschaltet, damit der Strom durch die Diode begrenzt wird. Oft wird eine Spannungsquelle mit vergleichsweise hoher Betriebsspannung verwendet. Dies führt zu einem hohen Strom durch die Diode – was die Diode potentiell zerstören kann.
Daher wird ein Vorwiderstand benötigt, um die Spannung bzw Strom durch die Diode zu reduzieren.
Schaltung – Vorwiderstand der Diode
Die Vorwärtsspannung einer Diode ist verhältnismäßig gering. Klassische Silizium-Dioden haben arbeiten mit einer Vorwärtsspannung von ungefähr 0,6V bis 0,8V. Je nach gewünschten Arbeitspunkt.
(Vorsicht! Nicht zu verwechseln mit der Schwellenspannung. Die Schwellenspannung ist die Spannung, ab der die Diode leitend wird. Wir sprechen nun aber von der Vorwärtsspannung – die Spannung, welche an der Diode im Arbeitsbetrieb abfällt, wenn sie sich in ihrem Arbeitspunkt befindet.)
⇨ Schwellenspannung
Oft ist die Betriebsspannung der Spannungsquelle wesentlich größer, zB 12V oder 5V.
Dann wird gerne ein Vorwiderstand eingesetzt. Dessen Aufgabe es ist, die Spannung über der Diode zu reduzieren bzw den Strom durch die Diode zu begrenzen.
Der Vorwiderstand der Diode kann sich namensgebend vor der Diode befinden, muss es aber nicht immer. Genauer gesagt, liegt der Vorwiderstand immer in Reihe zur Diode.
Aus den Grundlagen der Elektrotechnik wissen wir, bei der Reihenschaltung teilt sich die Spannung auf. Dies geschieht im Verhältnis der Widerstandswerte.
Wie gesagt besteht die Aufgabe des Vorwiderstands deshalb darin, die Spannung bzw den Strom durch die Diode zu reduzieren.
Strom oder Spannung?
Grundsätzlich reduziert der Widerstand durch den Spannungsteiler die Spannung über der Diode. Insgesamt erhöht sich aber durch den zusätzlichen Widerstand auch der Gesamt-Widerstand, wodurch auch der Strom durch die Diode reduziert wird. Es wird also beides reduziert. Man spricht dennoch oft von der Reduzierung des Stroms, da ein zu hoher Strom schlussendlich für die Zerstörung der Diode verantwortlich wäre. Beide Werte hängen aber natürlich zusammen. (Siehe Diodenkennlinie).
Der Vorwiderstand wird so gewählt, dass sich der passende Arbeitspunkt in der Diode einstellt.
Berechnung des Vorwiderstand
Um den passenden Vorwiderstand zu ermitteln, gibt es zwei Möglichkeiten. Entweder grafisch über den Arbeitspunkt der Diode (siehe unten) oder direkt über die Berechnung.
Bei der Berechnung müssen wir zunächst auswählen / festlegen, welche Vorwärtsspannung über der Diode abfällt und welcher Strom durch die Diode fließen soll. Wir müssen also den Arbeitspunkt festlegen.
In diesem Beispiel legen wir 0,8V Vorwärtsspannung und 500mA Strom durch die Diode fest. Als Spannungsquelle haben wir 12V.
UDiode = 0,8V
IDiode = 500mA
Uges = 12V
Iges = IDiode = 500mA (Da Reihenschaltung)
Somit ergibt sich eine Spannung über dem Vorwiderstand von
URV = Uges – UDiode = 12V – 0,8V = 11,2V
Und dadurch kann der Wert des Vorwiderstands ermittelt werden:
IRV = Iges = IDiode = 500mA (Da Reihenschaltung)
RV = URV / IRV = 11,2V / 0,5A = 22,4Ohm
2. Möglichkeit: Ermittlung des Vorwiderstands über den Arbeitspunkt
Eine andere Variante, den Vorwiderstand zu bestimmen, ist grafisch über die Diodenkennlinie und den Arbeitspunkt.
Hierzu betrachten wir die Diodenkennlinie und markieren den gewünschten Arbeitspunkt. In diesem Fall liegt dieser bei 500 mA und es ergibt sich so eine Vorwärtsspannung von ca 0,8V.
Danach tragen wir die Betriebsspannung auf der Kennlinie ein.
Dann ziehen wir die Gerade ausgehend von der Betriebsspannung durch den Arbeitspunkt.
Die X-Achse markiert also die Leerlaufspannung und die Y-Achse den Kurzschlussstrom.
Unser Ziel ist es nun die Vorwiderstand zu bestimmen. (Hierfür gehen wir umgekehrt vor, wie wir es bei der Arbeitspunktbestimmung kennengelernt haben in Schritt 2.)
Wir wissen nun den Kurzschlussstrom – jener Strom, bei welchem die Diode durch einen Kurzschluss ersetzt wurde. Nun kann einfach über das Ohmsche Gesetz der Vorwiderstand bestimmt werden. URV = Uges / Ikurz = 12V / 0,55A = 21,81Ohm.
Dieser Wert entspricht ungefähr dem oben berechneten Wert (man beachte die Ungenauigkeit durch die Zeichnung) – das Ergebnis ist also korrekt.
Verlustleistung
Typischerweise wird der Vorwiderstand nur in Schaltungen verwendet, in welchen ein geringer Strom fließt, da sonst die Verlustleistung zu groß wäre.
Bei Schaltungen mit großen Strömen werden Dioden oder Transformatoren verwendet, um die Spannung herabzusetzen.
Die Verlustleistung durch den Vorwiderstand berechnet sich über die Typische Formel:
P = U * I in diesem Fall also PRV = URV * IRV
(P = IRV * RV oder P = URV² / RV)
Somit ergibt sich für das oben genannte Beispiel eine Leistung von:
PRV = 11,2V * 0,5A = 5,6W
Wird immer ein Vorwiderstand benötigt?
Falls das angeschlossene Netzteil die passende Spannung für die Diode liefert, ist es auch möglich, den Vorwiderstand wegzulassen. Werden beispielsweise 4 Diode in Reihe geschaltet und sollen die Diode mit jeweils 0,8V betrieben werden, kann ein Netzteil mit 4V verwendet werden. Ein Vorwiderstand wird entsprechend nicht benötigt.
Bei 5 Dioden ist die Leistung, welche ein Vorwiderstand benötigt natürlich nicht sonderlich problematisch, werden allerdings beispielsweise 100 Diode zB bei LED aneinander geschaltet, macht ein passendes Netzteil Sinn.
Treiber
Oft werden bei high power Dioden auch Treiber verwendet. Hierbei handelt es sich eigentlich um Konstantstromquellen. Die Spannung wird entsprechend nachgeregelt, bis der für die Diode erforderliche Strom fließt.
Der Vorteil dabei ist, dass es entsprechend egal ist, wie viele Dioden in Reihe geschaltet werden. (Reihenschaltung → Im Pfad fließt überall der gleiche Strom) (man beachte natürlich die maximale Leistung des Treibers)