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--- elektronische_schaltungstechnik:2_dioden [2020/06/02 15:05]
tfischer
+++ elektronische_schaltungstechnik:2_dioden [2023/09/19 23:09] (aktuell)
mexleadmin
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-====== 2. Dioden und Transistoren ======
+====== 2 Dioden und Transistoren ======
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 === Einführendes Beispiel===
 Microcontroller verfügen über viele digitale Eingänge, die Signale zwischen $0...5V$ als Digitalsignal auswerten. Das Eingangssignal kann aber bei der Übertragung durch kleine eingekoppelte Pulse gestört werden. Durch diese Störung kann das Signal den erlaubten Spannungsbereich von ca. $-0,5...5,5V$ verlassen und damit die logische Einheit zerstören.
-Um eine solche Zerstörung zu verhindern, ist eine Überspannungsschutzschaltung aus Dioden verbaut. Im Falle einer Über-/Unterspannung wird dort eine der Dioden leitfähig und senkt durch den resultierenden Strom die Eingangsspannung. In der Simulation ist zu sehen, dass die eingangsseitigen Störungen durch die Schutzschaltung auf ein akzeptables, geringes Maß reduziert werden kann.
+Um eine solche Zerstörung zu verhindern, ist eine Überspannungsschutzschaltung aus Dioden verbaut (siehe z.B. [[https://ww1.microchip.com/downloads/en/DeviceDoc/Atmel-7810-Automotive-Microcontrollers-ATmega328P_Datasheet.pdf#page=58|ATmega 328]]). Im Falle einer Über-/Unterspannung wird dort eine der Dioden leitfähig und senkt durch den resultierenden Strom die Eingangsspannung. In der Simulation ist zu sehen, dass die eingangsseitigen Störungen durch die Schutzschaltung auf ein akzeptables, geringes Maß reduziert werden kann.
 In diesem Kapitel soll erklärt werden warum eine Diode ab einer gewissen Spannung leitfähig wird, was bei der Nutzung von Dioden beachtet werden muss und welche verschiedenen Diodenarten es gibt.
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+Für die Absicherung von digitalen Schnittstellen, die das Gerätegehäuse verlassen (z.B. USB), werden zusätzlich separate ICs verwendet, die diese Absicherung der datenverarbeitenden Chips unterstützen. De diese Schutzdioden-ICs die kurzzeitigen Spannungen unterdrücken werden sie __T__ransient __V__oltage __S__uppressor oder TVS Dioden genannt. Typische TVS-ICs sind [[https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/nup2301mw6t1-d.pdf|NUP2301]] oder für USB [[https://www.onsemi.com/pdf/datasheet/nup4201mr6-d.pdf|NUP4201]].
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   * Mit einer Tiefe über diesen Kurs hinaus findet sich das Thema [[https://link.springer.com/chapter/10.1007/978-3-662-56563-6_2|Dioden im Tietze Schenk]]
   * Einen tieferen Einblick auf dem Niveau dieses Kurses und in angenehmen Häppchen bietet [[https://www.youtube.com/watch?v=Wsf6Ks-w3LE&list=PLjkreDBz1mhDrDO590zUy3eM1_4EtO5aW&index=1|Elektrotechnik in 5 Minuten - Thema Diode]]. \\ Dabei sind die Betrachtungen der Verschaltung von Dioden mit nichtlinearen Bauteilen jenseits des Stoffes dieses Kurses.
-  * Eine schöne Einführung auf mit geringerer Tiefe ist im [[https://lx3.mint-kolleg.kit.edu/onlinekursphysik/html/1.3.3/xcontent5.html|KIT Brückenkurs - 3.3.6 Dioden und Transistoren (*)]] zu finden. \\ Aus dieser Einführung sind einige der folgenden Passagen, Videos und Bilder entnommen.
+  * Eine schöne Einführung auf mit geringerer Tiefe ist im [[https://lx3.mint-kolleg.kit.edu/onlinekursphysik/html/1.4.3/xcontent5.html|KIT Brückenkurs - 4.3.6 Dioden und Transistoren (*)]] zu finden. \\ Aus dieser Einführung sind einige der folgenden Passagen, Videos und Bilder entnommen.
   * Eine mit ähnlich einführendem Charakter gibt es Unterlage bei [[https://www.leifiphysik.de/elektronik|LEIFIphysik]].
   * **als Podcast**: Verschiedene der hier vorgestellten Aspekte des Silizium PN-Übergangs werden in [[http://minkorrekt.de/minkorrekt-folge-164-corona-unterhaltungsshow/?t=1%3A55%3A30|Methodisch Inkorrekt Folge 164 - „Kleines Sandkorn Hoffnung”]] erklärt.
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-{{youtube>YB3pQ7P8SNg?size=543x392}}
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 ==== Eine quantenmechanische Betrachtung ====
-<imgcaption picz|Bohrsches Atommodell und Bändermodell>{{  elektronische_schaltungstechnik:schalen_baendermodell.png?420|schalen_baendermodell.jpg?420|Bohrsches Atommodell und Bändermodell}}</imgcaption>
+<wrap><imgcaption picz|ohrsches Atommodell und Bändermodell></imgcaption>{{drawio>bohrschesatommodell}}</wrap>
 Das oben dargestellte Modell der Leitfähigkeit in Halbleitern soll nun noch etwas tiefer betrachtet werden. Im Bohrschen Atommodell (<imgref picz>, 1) wird davon ausgegangen, dass die Elektronen im **Atom** sich auf bestimmte Kreisbahnen um den Kern bewegen - ähnlich der Planeten im Planetensystem. Dabei sind stärker gebundene Elektronen auf nähere Bahnen und schwächere auf Bahnen weiter außen. Auch dies verhält sich ähnlich zu Trabanten im Gravitationsfeld, die, wenn sie weiter vom Zentrum entfernt sind, schwächer angezogen werden. Bohr postulierte 3 Axiome, damit Modell und Messergebnisse plausibel zusammenpassen:
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-{{youtube>HdXaTn-JRCo?size=543x392&start=52}}
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 Die Details zur realen Diode werden in Folgenden beschrieben.
-<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+17+0.00005+1.2+50+1+50%0AR+288+192+288+160+0+3+50+1+0+0+0.5%0A34+fwdrop%5Cq0.01+0+1e-7+0+0.024+0%0Ad+288+192+288+272+2+fwdrop%5Cq0.01%0Ag+288+320+288+336+0%0A403+336+160+576+336+0+1_64_0_4163_1.25e-8_5.12e-7_1_2_1_3%0A181+288+272+288+320+0+724174811.0921334+0.001+0.001+0.0001+0.0001%0Ax+288+110+421+113+4+24+ideale%5CsDiode%0Ab+224+128+588+360+0%0Ab+608+128+972+360+0%0Ax+672+110+794+113+4+24+reale%5CsDiode%0A181+672+272+672+320+0+3738+0.0001+0.001+0.0001+0.0001%0Ag+672+320+672+336+0%0Ad+672+192+672+272+2+1N4004%0AR+672+192+672+160+0+3+50+1+0+0+0.5%0A403+720+160+960+336+0+12_64_0_4163_1.25_0.8_1_2_12_3%0Ab+-160+128+204+360+0%0Ax+-123+110+142+113+4+24+Durchlass-/Sperrrichtung%0A181+-96+272+-96+320+0+1024930202.4456751+0.001+0.001+0.0001+0.0001%0Ag+-96+320+-96+336+0%0Ad+-96+192+-96+272+2+fwdrop%5Cq0.01%0AR+-96+192+-96+160+0+0+50+1+0+0+0.5%0AR+48+192+48+160+0+0+50+1+0+0+0.5%0Ad+48+272+48+192+2+fwdrop%5Cq0.01%0Ag+48+320+48+336+0%0A181+48+272+48+320+0+300+0.001+0.001+0.0001+0.0001%0Ax+558+268+570+271+4+18+U%0Ax+944+272+956+275+4+18+U%0Ax+465+171+470+174+4+18+I%0Ax+846+168+851+171+4+18+I%0Ax+893+272+930+275+4+18+0,7V%0A 1100,400 noborder}}
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-Eine Diode verhält sich wie ein NTC-Widerstand, das heißt: Je wärmer es wird, desto geringer wird der Widerstand, desto mehr Strom fließt ($I\sim \frac{1}{R}$), desto mehr Verlustleistung gibt es ($P_{loss}\sim I$), desto wärmer wird es ($\vartheta\sim P_{loss}$). Dieser Zusammenhang kann zur Verstörung der Diode führen.
+Eine Diode verhält sich wie ein NTC-Widerstand, das heißt: Je wärmer es wird, desto geringer wird der Widerstand, desto mehr Strom fließt ($I\sim \frac{1}{R}$), desto mehr Verlustleistung gibt es ($P_{loss}\sim I$), desto wärmer wird es ($\vartheta\sim P_{loss}$). Dieser Zusammenhang kann zur Zerstörung der Diode führen.
 Wird eine Diode verwendet, ist also zu beachten, dass diese thermisch stabilisiert werden muss. Eine häufig verwendete Methode ist die Verwendung eines Widerstands, z.B. Lastwiderstand oder Vorwiderstand bei einer LED.
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 </WRAP>
 === Sperrspannung $U_R>0$ ===
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 In der Dioden-Kennlinie $I_D(U_D)$ sind die einzelnen Spannungsbereiche nach den jeweiligen Wirkungen bezeichnet: Durchbruchbereich ($U_D = -U_R < U_Z$), Sperrbereich ($U_Z < U_D < U_S$), Durchlassbereich ($U_D = U_F > U_S$).
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 ===== 2.3 Spezialdioden =====
-<imgcaption pic11|Schaltzeichen einer Photdiode>{{  elektronische_schaltungstechnik:schaltzeichen-photodiode.png?nolink&150|Schaltzeichen einer Photdiode}}</imgcaption>
+<imgcaption pic12|Absorption von Photonen in der intrinsischen Schicht einer Photodiode>{{  https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f0/Pin-Photodiode.png?nolink&300|Absorption von Photonen in der intrinsischen Schicht einer Photodiode}}</imgcaption>
 Neben der bisher besprochenen Silizium-PN-Diode und der Z-Diode sind noch weitere Dioden für verschiedene Anwendungen vorhanden. Im folgenden sollen die wichtigsten kurz beschrieben werden.
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 === PIN-Diode ===
-Bei der PIN-Diode liegt zwischen **p**-dotiertem und **n**-dotiertem Bereich liegt ein undotierter Bereich (**i**ntrisisch leitend). Der Name leitet sich also aus den vorhandenen Schichten der Diode ab. In allen Dioden ergibt sich durch die ladungsträgerfreie Sperrschicht ein Kondensator. Die Kapazität dieses Kondensators ist reziprok proportional zum Abstand $d$ zwischen den leitfähigen Bereichen: $C=\frac{1}{d}$. Durch den zusätzlich eingefügten undotierten Bereich wird $d$ größer und damit die Kapazität kleiner. Diese Kapazität wird bei Wechselspannungsanwendungen im Wechsel geladen und entladen. Eine geringere Kapazität verbessert das Sperrverhalten bei hohen Frequenzen. Die verbreiterte Sperrschicht erhöht zudem die Spannungsfestigkeit der Diode. Für Die PIN-Diode wird das gleiche Schaltzeichen wie für die klassische PN-Diode verwendet.
+Bei der PIN-Diode liegt zwischen **p**-dotiertem und **n**-dotiertem Bereich liegt ein undotierter Bereich (**i**ntrisisch nicht-leitend). Der Name leitet sich also aus den vorhandenen Schichten der Diode ab. In allen Dioden ergibt sich durch die ladungsträgerfreie Sperrschicht ein Kondensator. Die Kapazität dieses Kondensators ist reziprok proportional zum Abstand $d$ zwischen den leitfähigen Bereichen: $C\sim \frac{1}{d}$. Durch den zusätzlich eingefügten undotierten Bereich wird $d$ größer und damit die Kapazität kleiner. Diese Kapazität wird bei Wechselspannungsanwendungen im Wechsel geladen und entladen. Eine geringere Kapazität verbessert das Sperrverhalten bei hohen Frequenzen. Die verbreiterte Sperrschicht erhöht zudem die Spannungsfestigkeit der Diode. Für Die PIN-Diode wird das gleiche Schaltzeichen wie für die klassische PN-Diode verwendet.
-<imgcaption pic1|Absorption von Photonen in der intrinsischen Schicht einer Photodiode>{{  https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f0/Pin-Photodiode.png?nolink&300|Absorption von Photonen in der intrinsischen Schicht einer Photodiode}}</imgcaption>
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 === Photodiode (Solarzelle) ===
-Eine Photodiode ist eine PIN-Diode, welche so aufgebaut ist, dass der Querschnitt der Sperrschicht eine sehr große Fläche einnimmt. Der Aufbau einer Photodiode ist: n-dotierte Schicht, intrinsisch-leitende Schicht, p-dotierte Schicht. Trifft ein Photon auf die Diode, so wird ein Elektron-Loch-Paar generiert, welches durch das elektrische Feld im PN-Übergang getrennt wird: die Elektronen reichern sich in der n-dotierten Schicht an, die Löcher in der p-dotierten Schicht (siehe <imgref pic1>). Wird die dadurch gebildete Spannung als Quellspannung genutzt, so spricht man von einer Solarzelle. Bei eine Photodiode werden die Ladungsträger spannungsfrei abgeführt. Die Anzahl der Ladungsträger ist dabei proportional zu den absorbierten Photonen. Das Schaltzeichen (<imgref pic11>) zeigt mit Pfeilen die eintreffenden Photonen an.
+<imgcaption pic11|Schaltzeichen einer Photodiode>{{  elektronische_schaltungstechnik:schaltzeichen-photodiode.png?nolink&150|Schaltzeichen einer Photdiode}}</imgcaption>
+Eine Photodiode ist eine PIN-Diode, welche so aufgebaut ist, dass der Querschnitt der Sperrschicht eine sehr große Fläche einnimmt. Der Aufbau einer Photodiode ist: n-dotierte Schicht, intrinsisch-leitende Schicht, p-dotierte Schicht. Trifft ein Photon auf die Diode, so wird ein Elektron-Loch-Paar generiert, welches durch das elektrische Feld im PN-Übergang getrennt wird: die Elektronen reichern sich in der n-dotierten Schicht an, die Löcher in der p-dotierten Schicht (siehe <imgref pic12>). Bei eine Photodiode werden die Ladungsträger spannungsfrei abgeführt. Die Anzahl der Ladungsträger ist dabei proportional zu den absorbierten Photonen. Das Schaltzeichen (<imgref pic11>) zeigt mit Pfeilen die eintreffenden Photonen an.
+Wird die bei einer Diode gebildete Spannung als Quellspannung genutzt, so spricht man von einer Solarzelle. Als Material für Solarzellen wird häufig aus Kosten und Verarbeitungsgründen Silizium genutzt. Solarzellen können nie die komplette einstrahlende Energie umsetzen: Photonen mit Energien unterhalb der Bandlücke $W_g$ können kein Elektron-Loch-Paar erzeugen. Bei Photonenenergien $W_{ph}$ oberhalb der Bandlücke $W_g$ wird ein Teil der Energie ($W_{ph}-E_g$) als Wärme bzw. Phonon abgegeben. Daneben gibt es noch weitere technische Gründe für Verluste. Bei Silizium kann bis zu 26% der eingestrahlten Energie in elektrische Energie umgewandelt werden. Mit mehreren Lagen aus unterschiedlichen Materialien kann der Wirkungsgrad gesteigert werden.
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 === Germanium-Diode ===
-Bei der Germanium-Diode wird als Halbleiter Germanium statt Silizium verwendet. Germanium hat eine kleinere Bandlücke und damit auch eine geringere Durchlassspannung von etwa $U_D=0,3V$. Damit ist die Germanium-Diode bei kleinen Strömen und Spannungen bereits näher an einer idealen Diode. Nachteilig im Vergleich zu Silizium-PN-Dioden ist, dass der in Sperrrichtung vorhandene Sperrstrom größer und der Anstieg in Durchlassrichtung geringer ist. Salopp gesagt "sperrt" die Diode nicht ganz so gut und der "Knick" in der Kennlinie ist weniger ausgeprägt. Für die Germanium-Diode wird das gleiche Schaltzeichen wie für die PN-Diode verwendet.
+Bei der Germanium-Diode wird als Halbleiter Germanium statt Silizium verwendet. Germanium hat eine kleinere Bandlücke und damit auch eine geringere Durchlassspannung von etwa $U_D=0,3V$. Damit ist die Germanium-Diode bei kleinen Strömen und Spannungen bereits näher an einer idealen Diode. Nachteilig im Vergleich zu Silizium-PN-Dioden ist, dass der in Sperrrichtung vorhandene Sperrstrom größer und der Anstieg in Durchlassrichtung geringer ist. Salopp gesagt "sperrt" die Diode nicht ganz so gut und der "Knick" in der Kennlinie ist weniger ausgeprägt. Für die Germanium-Diode wird das gleiche Schaltzeichen wie für die PN-Diode verwendet. Da im Gegensatz zu Silizium bei Germanium einer weitere Elektronenschale gefüllt wurde, ist der Kern stärker abgeschirmt. Das leichtere Ablösen der äußeren Elektronen im Kristall führt zum einen zur kleineren Bandlücke, aber auch zu einer höheren Eigenleitung(sdichte). Eine Konsequenz davon ist, dass Germaniumdioden geringere Betriebstemperaturen (ca. 70..90°C) als Silizium besitzt.
-<imgcaption pic12|Schaltzeichen einer Schottky-Diode>{{  elektronische_schaltungstechnik:schaltzeichen-schottkydiode.png?nolink&150|Schaltzeichen einer Schottky-Diode}}</imgcaption>
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+<imgcaption pic72|Schaltzeichen einer Schottky-Diode>{{  elektronische_schaltungstechnik:schaltzeichen-schottkydiode.png?nolink&150|Schaltzeichen einer Schottky-Diode}}</imgcaption>
 === Schottky-Diode ===
 Auch bei der Schottky-Diode wird ein anderes Material verwendet. Bei der Silizium-Schottky-Diode wird aber nur auf der bisher p-dotierten Seite ein Metall statt Silizium genutzt. Dadurch entfallen die Löcher als Ladungsträger, was ein "schnelleres Schalten" ermöglicht: verfügbare Schottky-Dioden haben eine Durchlassspannung im Bereich von $U_S=0,15...0,45V$. Zwar haben die Silizium-Schottky-Dioden ähnliche Vor- und Nachteile wie die Germanium-Diode, die Nachteile wie höherer Sperrstrom (im Vergleich zu Silizium-PN-Diode) und die geringere Steigung sind aber weniger ausgeprägt.
-In den meisten Anwendungen ist die Silizium-Schottky-Diode der Germanium-Diode überlegen. Bei Leistungsanwendungen werden Silizium__carbid__-Schottky-Dioden mit einer Durchlassspannung von $U_S=0,8V$ verwendet. Durch die große Bandlücke des Siliziumcarbids ergibt sich eine geringere Eigenleitung. Das führt dazu, dass Siliziumcarbid-Schottky-Dioden auch bei hohen Temperaturen (und damit hohe Verluste und Spannungen) betrieben werden können. Das Schaltzeichen (<imgref pic12>) stilisiert ein S für Schottky, welches insbesondere beim nicht normierten Zeichen sichtbar ist.
+In den meisten Anwendungen ist die Silizium-Schottky-Diode der Germanium-Diode überlegen. Das Schaltzeichen (<imgref pic72>) stilisiert ein S für Schottky, welches insbesondere beim nicht normierten Zeichen sichtbar ist.
+=== Leistungsdioden ===
+Bei Leistungsanwendungen werden Silizium__carbid__-Schottky-Dioden (SiC-Schottky) mit einer Durchlassspannung von $U_S=0,8V$ oder Galliumnitrid-Dioden (GaN) verwendet. Durch die große Bandlücke der beiden Materialien ergibt sich eine geringere Eigenleitung. Das führt dazu, dass diese Dioden auch bei hohen Temperaturen (und damit hohe Verluste und Spannungen) betrieben werden können. Die Sperrspannung liegt merklich höher als bei Siliziumdioden (SiC: bis ca. 1'600V, GaN ca. 200V).
+Die beiden Materialien werden auch bei Leistungstransistoren für höhere Leistungen genutzt (kW bis MW-Bereich).
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 === (O)LED ===
 <imgcaption pic10|Schaltzeichen einer LED>{{  elektronische_schaltungstechnik:schaltzeichen-led.png?nolink&150|Schaltzeichen einer LED}}</imgcaption>
-Bei der (organic) light-emitting diode werden andere (auch organische) Halbleitermaterialien statt Silizium verwendet. Diese sind so optimiert, dass durch die Rekombination in Durchlassrichtung im wesentlichen Photonen einer bestimmten Wellenlänge gebildet werden. Dafür ist eine große Bandlücke notwendig, welche auch eine hohe Durchlassspannung $U_S>2V$ erzeugt. Wie bei allen Dioden muss bei LEDs darauf geachtet werden, dass durch den negativen Temperaturkoeffizienten die Diode nicht bei hohen Strömen einen defekt erleidet: Jede LED benötigt einen Vorwiderstand, der so ausgelegt sein soll, dass der Strom begrenzt wird. In der Regel sind LED auf $I_D=20mA$ ausgelegt. Eine schöne Übersicht der verschiedenen Spannungen und Maximalströme finden sich auf [[https://www.reichelt.de/reicheltpedia/index.php/LED#Genutzte_Halbleiter|Reicheltpedia]]; für eine konkrete Verwendung einer LED sollte das Datenblatt inspiziert werden. Das Schaltzeichen (<imgref pic10>) zeigt mit Pfeilen die ausgehenden Photonen an.
+Bei der (Organischen) Licht-emittierenden Diode werden andere (auch organische) Halbleitermaterialien statt Silizium verwendet. Diese sind so optimiert, dass durch die Rekombination in Durchlassrichtung im wesentlichen Photonen einer bestimmten Wellenlänge gebildet werden. Dafür ist eine große Bandlücke notwendig, welche auch eine hohe Durchlassspannung $U_S>2V$ erzeugt. Wie bei allen Dioden muss bei LEDs darauf geachtet werden, dass durch den negativen Temperaturkoeffizienten die Diode nicht bei hohen Strömen einen defekt erleidet: Jede LED benötigt einen Vorwiderstand, der so ausgelegt sein soll, dass der Strom begrenzt wird. In der Regel sind LED auf $I_D=20mA$ ausgelegt. Eine schöne Übersicht der verschiedenen Spannungen und Maximalströme finden sich auf [[https://www.reichelt.de/reicheltpedia/index.php/LED#Genutzte_Halbleiter|Reicheltpedia]]; für eine konkrete Verwendung einer LED sollte das Datenblatt inspiziert werden. Das Schaltzeichen (<imgref pic10>) zeigt mit Pfeilen die ausgehenden Photonen an.
 Die folgende Simulation ermöglicht einen Vergleich verschiedener Dioden im Spannungsbereich $U=\pm0,05V$. Dadurch werden die unterschiedlichen Sperrströme $I_S$ im negativen Spannungsbereich und der frühe Anstieg von Germanium und Schottky-Dioden sichtbar.
-<WRAP>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+17+0.0005+0.2031+87+2+50%0Ag+192+336+192+352+0%0AR+48+192+48+160+0+3+50+0.1+0+0+0.5%0A403+288+160+576+384+0+1_64_0_4163_1.25e-72_8e-73_1_2_1_3%0Ax+438+167+443+170+4+18+I%0Ax+557+288+569+291+4+18+U%0Ax+483+300+530+303+4+18+0,05V%0Ax+501+279+505+282+4+18+%7C%0Ad+64+288+64+336+2+1N5711%0Ad+112+288+112+336+2+1N4148%0Ar+112+336+192+336+0+1000%0Ax+38+359+111+404+4+18+Schottky%5C%5CnDiode%5C%5Cn(1N5711)%0Ax+131+274+206+319+4+18+Silizium%5C%5CnDiode%5C%5Cn(1N4148)%0A34+1N34_+0+0.0000026+6.5+1.6+75%0Ad+16+288+16+336+2+1N34_%0Aw+64+224+96+224+0%0Aw+112+336+64+336+0%0Aw+64+336+16+336+0%0Aw+112+256+112+288+0%0Aw+80+256+64+256+0%0Aw+64+256+64+288+0%0Aw+16+256+16+288+0%0Aw+32+224+16+224+0%0Aw+16+224+16+256+0%0Ax+-109+278+-2+302+4+18+Germanium%5C%5CnDiode%5Cs(1N34)%0AS+48+192+48+224+0+0+false+0+2%0AS+96+224+96+256+0+0+false+0+2%0A 1100,400 noborder}}
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 </WRAP>
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 ===== 2.4 Rechnungen mit Dioden =====
-<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?cct=$+17+0.00005+1.4391916095149893+50+1+50%0Ab+656+128+956+360+0%0Ax+688+110+810+113+4+24+reale%5CsDiode%0Ag+688+320+688+336+0%0Ad+688+192+688+320+2+1N4004%0AR+688+192+688+160+0+3+50+0.8+0+0+0.5%0A403+704+160+944+336+0+4_64_0_4163_1.25e-32_8e-33_1_2_4_3%0Ax+928+272+940+275+4+18+U%0Ax+830+168+835+171+4+18+I%0Ax+877+272+914+275+4+18+0,7V%0Av+1008+272+1008+224+0+0+40+0.7+0+0+0.5%0Ar+1008+192+1008+224+0+1%0Ax+1008+110+1192+113+4+24+idealisierte%5CsDiode%0Ag+1008+320+1008+336+0%0A34+fwdrop%5Cq0.01+0+1e-7+0+0.024+0%0Ad+1008+272+1008+320+2+fwdrop%5Cq0.01%0AR+1008+192+1008+160+0+3+50+0.8+0+0+0.5%0A403+1040+160+1280+336+0+14_1024_0_4162_5e-88_1e-89_0_2_14_3%0Ab+982+128+1298+360+0%0Ax+1266+268+1278+271+4+18+U%0Ax+1166+166+1171+169+4+18+I%0Ax+1214+270+1251+273+4+18+0,7V%0A 600,400 noborder}}
+<WRAP right>{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?running=false&cct=$+17+0.00005+1.4391916095149893+50+1+50%0Ab+656+128+956+360+0%0Ax+688+110+810+113+4+24+reale%5CsDiode%0Ag+688+320+688+336+0%0Ad+688+192+688+320+2+1N4004%0AR+688+192+688+160+0+3+50+0.8+0+0+0.5%0A403+704+160+944+336+0+4_64_0_4163_1.25e-32_8e-33_1_2_4_3%0Ax+928+272+940+275+4+18+U%0Ax+830+168+835+171+4+18+I%0Ax+877+272+914+275+4+18+0,7V%0Av+1008+272+1008+224+0+0+40+0.7+0+0+0.5%0Ar+1008+192+1008+224+0+1%0Ax+1008+110+1192+113+4+24+idealisierte%5CsDiode%0Ag+1008+320+1008+336+0%0A34+fwdrop%5Cq0.01+0+1e-7+0+0.024+0%0Ad+1008+272+1008+320+2+fwdrop%5Cq0.01%0AR+1008+192+1008+160+0+3+50+0.8+0+0+0.5%0A403+1040+160+1280+336+0+14_1024_0_4162_5e-88_1e-89_0_2_14_3%0Ab+982+128+1298+360+0%0Ax+1266+268+1278+271+4+18+U%0Ax+1166+166+1171+169+4+18+I%0Ax+1214+270+1251+273+4+18+0,7V%0A 600,400 noborder}}
 </WRAP>
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 ====== Aufgaben ======
-<panel type="info" title="Aufgabe 2.1.1 Diode bei höheren Frequenzen"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
+{{page>uebung_2.1.1&nofooter}}
-{{ elektronische_schaltungstechnik:eintaktgleichrichter_mit_sensor_und_oszi_skizze.png?300}}
+{{page>uebung_2.1.2&nofooter}}
+{{page>uebung_2.1.3&nofooter}}
+{{page>uebung_2.1.4&nofooter}}
+{{page>uebung_2.1.5&nofooter}}
-In Ihrer Firma „HHN Mechatronics & Robotics“ haben Sie einen Eintaktgleichrichter aufgebaut, um ein sinusförmiges Messsignal von ($f=200kHz$, Amplitude $\hat{U} = 5V$, Ausgangswiderstand des Sensors $R_q = 10k$) gleichzurichten. Dazu haben Sie eine einfacher Schaltung mit der "Si-Gleichrichterdiode" $D=1N5400$ und einen Glättungskondensator mit $C=10pF$ aufgebaut. Als Messgerät nutzten Sie ein Oszilloskop (Rigol DS1000E). Die Schaltung ist in nebenstehender Skizze gezeichnet.
+<panel type="info" title="Übung 2.1.6 Schaltung mit mehreren Dioden I"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
-Ihr Kollege hat Sie bereits darauf hingewiesen, dass bei hohen Frequenzen manche Dioden ein Problem mit dem Gleichrichten bekommen. Das haben Sie beim Durchmessen des Aufbaus und Blick auf das Oszilloskop auch gemerkt...
+Die folgende Simulation enthält mehrere Dioden. Für die Lampen soll gelten, dass diese hell leuchten, wenn sie einen Spannungsabfall von $5V$ oder mehr erfahren. \\
+Welche Lampen leuchten, wenn der Schalter geschlossen wird?
+{{url>http://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?hideSidebar=true&running=false&ctz=CQAgjCAMB0l3BWcMBMcUHYMGZIA4UA2ATmIxG3KQBZsQEBTAWjDACgBzEa4wkTFN14U0UKGwAmQvgPAYZGQYIkMAZgEMArgBsALmwBK4MILDFBeSOHNir1K7ltRoCSf3vuHhPJ-4gVGjr6AO4U3r7Y4WaCkGyhKB4JVknWMWxgeBC0pjY8fNFiuFYQSDBwEGWQ7KFg8vyKcvk2saG41KkUkO0mPi2NHbX5KL1ubeDD-T1+AVp6o1ET2eM+ymqzIdzYOYJLU7EAzsbbk83gIBra+wzpmWE+BbunRWelsFXO5TcQKQVjBQ5wF4fd6VdgZCB-GyRe5PQElYEVN5g26DDo-WHFegIhFxaT1HbCf646EdEl7NhAA noborder}}
-  - Suchen Sie in der {{::ds1000de_anleitung_de.pdf|Anleitung des Oszilloskops}} die Werte der Eingangsimpedanz, welche in der Schaltung für den Eingangswiderstand $R_E$ und die Eingangskapazität $C_E$ benötigt werden. \\ Bilden Sie die Schaltung in mit den Angaben von oben TINA TI nach (**Schaltung 1**). Dabei ist - wie in der Skizze dargestellt - die Eingangsimpedanz des Oszilloskops zu berücksichtigen. \\ Simulieren Sie die Schaltung 1 mit dem angegebenen Signal. Beschreiben Sie kurz den erwarteten und gemessenen Signalverlauf.
-  - Versuchen Sie die Kapazität des Kondensator $C$ so abzustimmen, dass sich der erwartete, gleichgerichtete Wert einstellt. Was stellen Sie fest?
-  - Da irgendwas komisch zu sein scheint, wollen Sie die Schaltung debuggen, also den Fehler ermitteln. Sie nutzen dazu einen [[elektronik_labor:tipps_fuer_die_fehlersuche#allgemein|generischen Ansatz für die Fehlersuche]] und wollen das unklare System auf ein Minimum herunterbrechen. Konkret heißt das: Sie bauen eine geänderte Schaltung auf (**Schaltung 2**):
-    - der Sensor wird durch einen Funktionsgenerator (gleiche Frequenz und Amplitude, aber $R_q = 50 \Omega$) ersetzt,
-    - der Glättungskondensator $C$ wird durch eine offene Leitung ersetzt (ist also nicht mehr vorhanden)
-  - Simulieren Sie die Schaltung 2 mit dem bisherig angegebenen Signal. Beschreiben Sie kurz den erwarteten und gemessenen Signalverlauf.
-  - Gehen Sie nun noch einen Schritt zurück und versuchen etwas mehr Strom über die Diode fließen zu lassen. In Schaltung 2 war der Strom durch $R_E$ begrenzt und die Diode damit noch nicht über $U_S=0,7V$ betrieben. Die Idee ist nun in **Schaltung 3** auch den Eingangswiderstand auf $R_E = 50 \Omega$ zu schalten (dies ist bei einigen Oszilloskopen möglich). Der Rest der Schaltung 3 gleicht Schaltung 2. \\ Simulieren Sie die Schaltung 3 mit dem bisherig angegebenen Signal. Beschreiben Sie kurz den erwarteten und gemessenen Signalverlauf.
-  - Nun scheinen Sie dem Problem näher zu kommen. Sie variieren Eingangswiderstand auf $R_E = 500 \Omega$ (**Schaltung 4**) \\ Simulieren Sie die Schaltung 4 mit dem angegebenen Signal. Beschreiben Sie kurz den erwarteten und gemessenen Signalverlauf.
-  - Ihr Kollege gibt Ihnen den Tipp, dass der Verlauf (Siehe Bild) typisch sei für {{ elektronische_schaltungstechnik:aufgabe_2.1.1._schaltung4_diagramm.png?300}}
-    - einen zu großen Sperrverzug / eine zu große Sperrverzugszeit (reverse recovery time $t_{rr}$). Diese ist in Tina über die Transitzeit (Transit Time $TT$) nachgebildet
-    - eine zu große Sperrschichtkapazität (junction capacity $C_j$ oder diode capacity $C_D$).
-  - Diese Werte sind in Tina TI über folgendes Vorgehen veränderbar: Doppeklick auf die Diode >> Klick auf ''...'' bei Type >> suchen der genannten Größen. \\ Sie wollen nun analysieren wie jeweils der Sperrverzug und die Sperrschichtkapazität auf den Spannungsverlauf (bei Schaltung 4) bewirkt. \\ Simulieren und beschreiben Sie dafür den Spannungsverlauf wenn
-    - einerseits den Sperrverzug auf 0s zurückgesetzt oder
-    - andererseits die Sperrschichtkapazität auf 0F zurückgesetzt wird.
-  - Wählen Sie statt der Diode $D=1N5400$ die Diode $D=1N4148$ und simulieren Sie nochmals die Schaltung 3 und Schaltung 1. \\ Wie verhält sich nun der Spannungsverlauf und warum?
 </WRAP></WRAP></panel>
-<panel type="info" title="Aufgabe 2.1.2 Berechnung eines Vorwiderstands für eine Diode"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
+<panel type="info" title="Exercise 2.1.7 Schaltung mit mehreren Dioden II"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
-Sie wollen eine rote Leuchtdiode an einer Spannungsquelle von $U_q = 5 V$ mit einem Strom von $I_D = 20 mA$ betreiben. Aus dem Netz haben Sie einen Spannungsabfall von $U_D = 2,3 V$ für rote LEDs gefunden. Nun wollen Sie wissen, welcher Widerstand aus der (Ihnen vorliegenden) E12-Reihe der richtige ist.
-  - Zeichnen Sie die Schaltung der LED mit Vorwiderstand und zeichnen Sie die Spannungen ein.
+Die folgende Simulation enthält mehrere Dioden. Es soll ein einfaches Diodenmodell angenommen werden (die Vorwärtsspannung ist konstant $V_F=0.7V$). Die Quellspannung beträgt $U0=4V$.
-  - Wie groß muss der Vorwiderstand $R_V$ bemessen sein, damit sich der oben genannte Spannungsabfall $U_S$ ergibt?
-  - Suchen Sie im Datenblatt der roten LED {{elektronische_schaltungstechnik:tlur640.pdf|TLUR6400}} den Zusammenhang zwischen Druchflussspannung ("Forward Voltage") und Durchflussstrom ("Forward Current"). Welcher Spannungsabfall $U_D$ lässt sich daraus für $I_D = 20 mA$ ermitteln und wie groß ist der korrekte Vorwiderstand?
-  - Vergleichen Sie kurz die unterschiedlichen Ergebnisse unter Berücksichtigung der [[https://de.wikipedia.org/wiki/E-Reihe#Werte|E12 Reihe]].
-</WRAP></WRAP></panel>
+Berechnen Sie die Ströme durch $D1$, $R1$, $R2$.
-<panel type="info" title="Aufgabe 2.1.3 Z-Diode als Spannungsreferenz"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
+{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?hideSidebar=true&running=false&ctz=CQAgjCAMB0l3BWcMBMcUHYMGZIA4UA2ATmIxABZykLsQEBTAWjDACgA3EFFC7iyN17gUeKOIGVxgmAjYAnENjQixywbxnc4CpXj5hRevpvFgdAd2P9B6m1DZW7pnicmQ2AEyEGjdw2Io4AByFGAUeF5KKgHWsUFgoeGRAB7cCAnm3ATgYHRuIAAi7GnY2EistoQVeVLChShspWTgGEEUmK00-CAASo2luK102ISCYBiEdXy9JUJiE3QoCAuT0yAAqh5AA noborder}}
-{{  elektronische_schaltungstechnik:z-diode_als_spannungsreferenz.png?nolink&300|z-Diode als Spannungsreferenz}}
+</WRAP></WRAP></panel>
-Eine Z-Diode ermöglicht in einer Spannungsreferenz-Schaltung, dass - trotz einer schwankenden Eingangsspannung - eine Ausgangsspannung relativ konstant gehalten werden kann. Dazu kann im einfachsten Fall eine Schaltung wie rechts abgebildet verwendet werden.
-Für die Aufgabe sollen folgenden Größen genutzt werden:
-  * Quellenspannung $U_q=7...13V$ (z.B. über sinusförmige Eingangsspannung mit $f = 50 Hz$),
-  * Vorwiderstand $R_V=1k\Omega $
-  * Lastwiderstand $R_L=10k\Omega $
-  * Z-Diode $D_Z$ als $BZX84C6V2$ ($U_Z = 6,2 V$)
-Von einer idealen (Z-)Diode würde man annehmen, dass die Durchbruchspannung $U_Z$ bei allen Sperrströmen $I_S$ gehalten werden kann. \\
+<panel type="info" title="Exercise 2.1.8 Schaltung mit mehreren Dioden III"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
-Für die reale Diode soll dies überprüft werden.
-  - Bilden Sie die Schaltung in Tina TI nach.
+Die folgende Simulation enthält mehrere Dioden. Es soll ein einfaches Diodenmodell angenommen werden (die Vorwärtsspannung ist konstant $V_F=0.7V$). Die Quellspannung beträgt $U0=5$.
-  - Vergleichen Sie den Verlauf von $U_L$ zu $U_q$. Messen Sie dabei insbesondere Maximal- und Minimalwert von $U_L$.
-  - Ändern Sie den Lastwiderstand auf $R_L=1k\Omega $ und führen Sie den gleichen Vergleich von $U_L$ zu $U_q$ nochmals durch.
-  - Wie lässt sich der Unterschied erklären?
-</WRAP></WRAP></panel>
-<panel type="info" title="Aufgabe 2.1.4 Berechnung des differentiellen Widerstands einer Diode"> <WRAP group><WRAP column 2%>{{fa>pencil?32}}</WRAP><WRAP column 92%>
+Berechnen Sie die Ströme durch $R1$, $D1$ und $D2$ welche sich in Abhängigkeit der Schalterstellung von $S$ ergibt.
-{{ elektronische_schaltungstechnik:dioden_kennlinie_idealisiertediode.png?300}}
-Der differentielle Widerstand $r_D$ einer Diode wurde bereits im Kapitel beschrieben. Dieser ist notwendig, wenn eine Diode über ein vereinfachtes Dioden-Modell (Spannungsquelle + Widerstand + ggf. ideale Diode) nachgebildet werden soll. Rechts sehen Sie den differentiellen Widerstand $r_D$ als lokale Steigung am gewünschten Arbeitspunkt.
-Berechnen Sie den differentiellen Widerstand $r_D$ bei einem Durchlassstrom $I_D=15 mA$ für Raumtemperatur ($T=293K$) und $m=1$ aus der Shockley-Gleichung: ${I_F = I_S(T)\cdot (e^{\frac{U_F}{m\cdot U_T}}-1)}$ mit $U_T = \frac{k_B \cdot T}{e}$
-Berechnen Sie dazu zunächst die allgemeine Formel für den differentiellen Widerstand $r_D$.
-Schritte:
+{{url>https://www.falstad.com/circuit/circuitjs.html?hideSidebar=true&running=false&ctz=CQAgjCAMB0l3BWKswDZ0A4BMYDMAWfAdiIE59UFcRVIQl9qEBTAWjDACgA3ELLfH3x1+gsFgxQpw+lLowEnAE5C64ybkhiJUsPE4B3EIyyqQuVJIHzD5y2dFnInACZ3J69w-AA5fGHwMTgAPcwxqMCJBfwiSYyEQABEuUKwENUhSPgw1cXiBEAAlFL4dSOo0jyJUfMEAVWc3E3AdZus+X39AkONicCjjOMiiWqSsTgBnL09mz3kQADMAQwAbCeZOXCI6TW0NCxaPOVtHT3a521wDzwsPHWdQ3HJwTOM9cDzBAoBlTiA noborder}}
-  - Vereinfachen Sie als erstes die Shockley-Gleichung für $U_F >> U_T$
-  - Rechnen Sie $\frac {d I_F}{d U_F}$ aus
-  - Ersetzen Sie einen Teil des Ergebnisses wiederum durch $I_F$ und drehen Sie den Bruch für die Berechnung des differentiellen Widerstands um $r_D = \frac {d U_F}{d I_F}$. \\ Als Ergebnis sollte nun $r_D = \frac {d U_F}{d I_F} = \frac {m \cdot U_T}{I_F} $ vorliegen
-  - Rechnen Sie $r_D$ aus.
 </WRAP></WRAP></panel>
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 === mit Antworten ===
-<quizlib id="quiz" rightanswers="[['a1'],['a0', 'a1', 'a2', 'a3'], ['a1', 'a3', 'a5']]" submit="Antworten überprüfen">
+<quizlib id="quiz" rightanswers="[['a1'],['a0', 'a1', 'a2', 'a3'], ['a1', 'a3', 'a5'], ['a1', 'a2', 'a3'], ['a0', 'a1', 'a2', 'a3'], ['a0', 'a1'] ]" submit="Antworten überprüfen">
 <question title="Welche der folgenden Aussage(n) ist/sind richtig?" type="checkbox">
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 Die Sperrschicht ist in der Schottky-Diode in Vgl. zur PN-Diode vergrößert|
 Die Sperrschicht bildet einen Kondensator aus
+</question>
+<question title="Aussagen zum Leitungs-/Valenzband" type="checkbox">
+Die Photonenaufnahme kann Elektronen vom Leitungsband ins Valenzband befördern|
+Die "Rekombination" entfernt ein Elektron aus dem Valenzband und ein Loch aus dem Leitungsband|
+Ein Donator erzeugt ein oder mehrere quasifreie Elektronen |
+Die Bandlücke gibt den maximalen energetischen Abstand zwischen Leitungs- und Valenzband an
+</question>
+<question title="Die Durchlasspannung ..." type="checkbox">
+... beträgt für Silizium etwa 0,6 ... 0,7V|
+... dient dazu, dass Elektronen die Bandlücke überwinden können|
+... ist abhängig vom betrachteten Strombereich|
+... ist für Germanium-Dioden kleiner als für Silizium-Dioden
+</question>
+<question title="Der Durchlasstrom ..." type="checkbox">
+... ist abhängig von der Temperatur|
+... ist abhängig von der Vorwärtsspannung|
+... verläuft in Bezug auf die Vorwärtsspannung logarithmisch|
+... ist abhängig von der Sperrspannung
 </question>
 </quizlib>