Diode mit Widerstand in Reihe

Bild 3 zeigt eine Diodenkennlinie. Kennlinien sind die präziseste Art, die Funktionsweise eines Bauteils zu beschreiben. Die Kennlinie der Diode stellt den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung dar. Die Kennlinie zeigt z.B. dass durch die Diode ein Strom von 100mA fliessen kann, wenn an ihr 0.7V abfällt. Wenn über der Diode nur 0.1V abfällt ist der Diodenstrom 0mA und bei 2V beträgt er ganze 2A.

Wir sehen, dass eine Spannungsänderung unter 0.55V praktisch keinen Einfluss auf den Strom hat. Oberhalb von 0.7V steigt der Strom bei einer kleinen Spannungszunahme aber sehr schnell an.

Um die Wichtigkeit vom Widerstand, den wir in Reihe mit der Diode schalten, zu verstehen, müssen wir wissen, dass jede Diode einen maximal zulässigen Strom hat. Im Datenblatt der Diode ist er üblicherweise unter den „Absolute maximum Ratings“ zu finden. Die Zeile sieht z.B. so aus, wie in Bild 4. Für die Diode zu der gezeigten Kennlinie beträgt der Maximalstrom z.B. 300mA. Das bedeutet, bei dieser Diodenkennlinie, dass wir nicht zulassen dürfen, dass die Spannung über der Diode grösser wird als 0.75V.

Wollen wir die Diode mit der Kennlinie aus Bild 3 bei z.B. 100mA betreiben, so benötigen wir eine Spannung von genau 0.7V. Aber wenn die Spannung nur schon um 5% Steigt, also auf 0.735V, haben wir schon einen Strom von 200mA. Die Empfindlichkeit ist im Bild 5 dargestellt.

In der Praxis ist es aber kaum möglich, eine Spannung und den Strom so genau einzustellen, aus folgenden Gründen:

• Streuung der Spannungsquelle
• Temperaturstabilität der Spannungsquelle
• Kontinuität der Spannungsquelle (z.B. bei Batterien, die unterschiedliche Ladestände haben)
• Abweichung der Diodenkennlinie unter verschiedenen Temperaturen
• Hoher Preis von präzisen Spannungsquellen
• Exemplarstreuungder Diodenkennlinie

Um den Strom auf dem korrekten Wert zu stabilisieren, schalten zu der Diode einen Widerstand in Reihe. Er hat eine weniger empfindliche Kennlinie und dominiert das Strom-Spannungsverhältnis in der Reihenschaltung. Der Widerstand hat die lineare Kennlinie von Bild 6. In diesem Beispiel beträgt der Wiederstand 33 Ohm. Denn bei einem Spannungsabfall von 5V fliesst in ihm ein Strom von 152mA.

Wir erstellen im Bild 10 eine lineare Funktion aus den eher theoretischen Extremwerten aus Bild 9. Diese Funktion beschreibt den Diodenstrom unabhängig von der Diodenkennlinie, sondern abhängig von V_cc und R.

Beide Kennlinien von Bild 5 und 10 beschreiben den Diodenstrom in Abhängigkeit der Diodenspannung Der Schnittpunkt beider Kennlinien ist der Punkt, wo beide den selbem Strom I_D und die selbe Diodenspannung V_D haben. An diesem Punkt schwingt sich der Arbeitspunkt der Diode ein. Bild 11 vereint die beiden Kennlinien und Bild 12 zeigt den vergrösserten Ausschnitt des Schnittpunkts.

Aus Bild 12 können wir V_D und I_D ablesen. Wenn die Diode mit einem Widerstand von 33 Ohm in Reihe betrieben wird und V_cc 5V beträgt, fliesst durch die Diode ein Strom von 130mA und es stellt sich eine Diodenspannung von 0.72V ein.