Elektromagnetische Strahlung, wie Licht, interagiert mit Elektronen. Dies wird als photoelektrischer Effekt bezeichnet.
Licht interagiert mit Materie. Wenn ein Photon mit einer ausreichend hohen Energie auf ein Elektron trifft, löst es dieses aus seiner Position. Zurück bleiben ein freies Elektron und ein Elektronenloch. Diese Wechselwirkung zwischen Licht und Materie ist als photoelektrischer Effekt bekannt.
Im heutigen Artikel werden wir uns mit drei verschiedenen physikalischen Phänomenen befassen, die durch den photoelektrischen Effekt verursacht werden oder darunter subsumiert werden können. Auf diese Weise erhalten wir das nötige Hintergrundwissen, um die Funktionsweise photoelektrischer Komponenten wie lichtabhängigen Widerständen, Photodioden und Solarzellen zu verstehen.
Los geht es mit der Photoemission. Sie wird auch als Hallwachs-Effekt oder äußerer photoelektrischer Effekt bezeichnet. Sucht man nach dem photoelektrischen Effekt, stößt man in der Regel auf dieses Phänomen, da es zur Entdeckung des photoelektrischen Effekt geführt hat. Obwohl es von großer wissenschaftlicher Bedeutung ist, spielt es in der Elektronik kaum eine Rolle. Es lohnt sich aber trotzdem, einen Blick darauf zu werfen, um den photoelektrischen Effekt und seine Eigenschaften besser zu verstehen.
Heinrich Hertz ist ein deutscher Physiker, der für seine Forschungen über elektromagnetische Wellen bekannt ist. Bei einem seiner Experimente stellte er fest, dass die Ergebnisse anders ausfielen, wenn er seinen Aufbau in einen Glaskasten stellte. Er entdeckte, dass die Verwendung von Quarz anstelle von Glas das Problem löste, da Quarz das UV-Licht nicht wie Glas herausfiltert. Im Jahr 1887 führte er weitere Experimente zu diesem Phänomen durch und beschrieb sie. Der Physiker Willhelm Hallwachs setzte diese Experimente fort. Er entwickelte den folgenden Aufbau:
Eine Zinkplatte wird auf ein Blattgold-Elektroskop gelegt. Wenn es aufgeladen wird, lädt sich auch das in der Mitte angebrachte fein gebogene Goldblatt elektrisch auf. Da seine beiden Enden mit der gleichen Polarität geladen sind, stoßen sie sich gegenseitig ab und das Goldblatt öffnet sich.
Hallwachs lud die Zinkplatte negativ auf und entdeckte, dass sie sich langsam entlädt, wenn das UV-Licht auf die Zinkplatte trifft. Er wiederholte seine Experimente in verschiedenen Varianten und fand heraus, dass die Zinkplatte, auch wenn sie zunächst ungeladen ist, langsam immer positiver geladen wird. Seine Schlussfolgerung war, dass Zink negative Ladungsträger emittiert, wenn es UV-Licht ausgesetzt wird.
Er sollte Recht haben. Wenn das UV-Licht auf die Zinkoberfläche trifft, werden von ihr Elektronen emittiert. Heutzutage ist dies als Photoemission oder als äußerer photoelektrischer Effekt bekannt. Dieses scheinbar einfache Phänomen warf jedoch eine Menge neuer Fragen in der wissenschaftlichen Gemeinschaft auf. Warum muss es UV-Licht sein? Warum hängt die Energie der emittierten Elektronen nicht von der Lichtintensität, sondern von der Wellenlänge ab?
Namhafte Wissenschaftler wie Max Planck und Albert Einstein trugen im nächsten Jahrhundert zur Beantwortung dieser Fragen bei. Ihre Antworten stellten das bisherige Wissen über elektromagnetische Wellen auf den Kopf und trugen zur Entwicklung der Quantenphysik bei.
Wichtig für uns ist, dass Licht sowohl Wellen- als auch Teilcheneigenschaften hat. Der photoelektrische Effekt ist am einfachsten zu verstehen, wenn man das Licht als Teilchen, sogenannte Photonen, beschreibt. Die Energie dieser Photonen ist abhängig von der Wellenlänge. Blaues Licht...
]]>Was sind TVS-Dioden? Was macht sie besonders? Finden wir es heraus und lernen, wie sie Schaltungen vor Spannungsspitzen schützen können.
TVS-Dioden (engl. Transient Voltage Suppressor) oder auch Suppressordioden sind Dioden, die speziell für den Schutz von Schaltkreisen konzipiert sind. Hierzu wird eine TVS-Diode in Sperrrichtung parallel zu einer Schaltung angeschlossen.
Der Aufbau der Schaltung gleicht dem der einer Z-Diode, die zur Spannungsregelung oder als Spannungsreferenz verwendet wird. Technisch gesehen ist das tatsächlich so. Es handelt sich um eine Shuntreglerschaltung. Sie wird jedoch anders verwendet. Um einen 5 V Stromkreis zu schützen, wählt man eine TVS-Diode, die erst knapp über 5 V zu leiten beginnt. Die TVS-Diode dient nämlich als Überspannungsschutz und nicht als Spannungsregler. Sie verhindert Spannungsspitzen, indem sie diese absorbiert.
Was sind Spannungsspitzen?
Eine Spannungsspitze oder auch Transiente, ist eine abrupte, kurzzeitige Freisetzung von elektrischer Energie. Für eine kurze Zeit steigt die Spannung weit über die übliche Betriebsspannung des Stromkreises an. Dadurch kann die Schaltung zerstört werden. Typische Quellen für Spannungsspitzen sind elektrostatische Entladungen (ESD), Blitzeinschläge, das Schalten von induktiven Lasten oder das Überschwingen beim Einschalten von Schaltnetzteilen.
TVS-Dioden sind Z-Dioden, allerdings sind ganz spezielle Z-Dioden. Eine TVS-Diode kann große Mengen an Energie absorbieren. Kleine Z-Dioden sind in der Regel für 0,5 W ausgelegt, TVS-Dioden können mehrere hundert Watt und oft mehr als ein Kilowatt für eine sehr kurze Zeitspanne aufnehmen, ohne beschädigt zu werden. Kurzfristig ist hier das Stichwort. Eine kurze Zeit reicht aus, um zu verhindern, dass eine Spannungsspitze eine Schaltung beschädigt. Für Dauerlasten hingegen sind die TVS-Dioden nicht gedacht.
Was ist eine kurze Zeitspanne? Das ist im Datenblatt der jeweiligen Diode angegeben. Wichtig zu wissen ist, dass Werte wie die Impuls-Verlustleistung von TVS-Dioden nach bestimmten Industrienormen wie z.B. der IEC61643-123 (10/1000 µs Kurve) ermittelt werden. Solche Normen gehen von bestimmten Annahmen über die erwarteten Spannungsspitzen aus. Die 10/1000 µs Kurve versucht beispielsweise, kurze, aber leistungsstarke Spannungsspitzen, wie sie bei Blitzeinschlägen oder statischen Entladungen (ESD) auftreten, nachzubilden. Spannungsspitzen, die durch induktive Lasten verursacht werden, dauern aber oft länger an. In einem solchen Fall ist ein Derating der TVS-Diode erforderlich.
Da die TVS-Diode eine so hohe Leistung aufnehmen kann, ist es nicht erforderlich, einen Strombegrenzungswiderstand in Reihe zu schalten. Die Impedanz von Stromquelle und Kabeln ist normalerweise hoch genug. Daher muss keine Energie durch einen zusätzlichen Strombegrenzungswiderstand verschwendet werden.
Das schematische Symbol für TVS-Dioden ist identisch mit dem für Z-Dioden verwendeten Symbol. Wird das Schaltzeichen richtig genutzt, muss man jedoch zwischen zwei Arten von TVS-Dioden unterscheiden: unidirektionale und bidirektionale TVS-Dioden.
Unidirektionale TVS-Dioden werden für Gleichstromkreise benutzt. Wenn sie in Durchlassrichtung betrieben werden, leiten sie wie normale Dioden etwa 0,7 V. Ihre Nennspannung gilt nur, wenn sie in Sperrichtung betrieben werden.
Bidirektionale TVS-Dioden sind für Wechselstromkreise gedacht, bei denen es keine feste Polarität gibt. Eine bidirektionale TVS-Diode besteht aus zwei antiseriellen unidirektionalen TVS-Dioden. Sie verhält sich gleich, unabhängig davon, in welche Richtung der Strom fließt.
TVS-Dioden lassen sich durch die folgenden Eigenschaften charakterisieren:
Eine Spannungsquelle für kleine Schaltungen mithilfe einer Z-Diode bauen? Lass uns herausfinden, wie das geht und einen Shuntregler bauen.
Du hast eine Schaltung entwickelt, aber die Spannung, für die sie ausgelegt ist, ist in der Zielumgebung nicht verfügbar? Dies ist keine abwegige Situation. Die 5 V oder 3,3 V, die in vielen Mikrocontrollerschaltungen verwendet werden, sind nicht überall gebräuchlich.
Was kann man in diesem Fall tun? Man braucht einen Spannungsregler. Ein Spannungsregler ist eine Schaltung, die deinen Schaltkreis mit der benötigten konstanten Spannung versorgt. Heute werden wir uns eine einfache Schaltung für einen Spannungsregler ansehen: einen Shuntregler. Hierfür brauchen wir lediglich eine Z-Diode und einen Widerstand. Los geht's!
Bei Spannungsreglern unterscheidet man im Wesentlichen zwischen zwei Typen: Linearregler und Schaltregler. Schaltregler sind effizient, aber kompliziert zu bauen. Sie verwenden ein Schaltelement wie einen Transistor oder MOSFET, um die Spannung zu regeln, und können sowohl die Eingangsspannung verringern (dies wird als Abwärtsregler bezeichnet) als auch erhöhen (dies wird als Aufwärtsregler bezeichnet). Linearregler können nur die Eingangsspannung herunterregeln.
Es gibt zwei Arten von Linearregler, der Shuntregler ist eine davon. Shuntregler regeln die Spannung, indem sie einen Strompfad parallel zur Last bereitstellen, über den sie den überschüssigen Strom ableiten. Shuntregler werden deshalb auch als Parallelregler oder Querregler bezeichnet.
Damit ein Shuntregler genutzt werden kann, muss der Gesamtstrom begrenzt sein. Dies wird in der Regel erreicht, indem ein Widerstand in Reihe mit dem Stromkreis geschaltet wird. Das Herzstück des Reglers ist jedoch das eigentliche Regelelement, auch Steuerelement genannt. Das ist jenes Bauteil, das für eine konstante Ausgangsspannung sorgt. Dazu stellt es nicht nur den alternativen Strompfad zur Verfügung, sondern, was noch wichtiger ist, steuert, wie viel Strom durch diesen Pfad fließt, sodass die Spannung konstant bleibt. In unserer Schaltung wird dies durch eine Z-Diode erreicht. Sie fixiert die Ausgangsspannung auf die Z-Spannung und lässt den restlichen Strom abfließen.
Kommt dir die Schaltung bekannt vor?
Sie ist praktisch identisch mit der Schaltung, die wir verwenden, wenn wir eine Zenerdiode als Spannungsreferenz nutzen wollen.
Spannungsreferenzen sind eine der häufigsten Anwendungen von Shuntreglern. Wenn wir jedoch einen kleinen Stromkreis versorgen wollen, muss der Strombegrenzungswiderstand deutlich kleiner gewählt werden als bei einer Spannungsreferenz.
Werfen wir einen Blick auf eine Beispielschaltung. Ein kleiner Shunt-Regler wird zur Versorgung eines kleinen Mikrocontrollers, ein ATtiny85, verwendet. Der ATtiny85 arbeitet normalerweise mit 5 V. Die Shuntreglerschaltung ermöglicht es uns, ihn mit 9 V oder 12 V Batterien zu betreiben. Dies wird mithilfe einer einfachen 5,1 V Zenerdiode erreicht.
Auf dem ATtiny85 läuft ein kleines Programm, das die angeschlossene LED blinken lässt. Dies ist jedoch nicht Gegenstand dieses Artikels. Es gibt jede Menge Tutorials, wie man den ATtiny85 programmiert. Falls du dich dafür interessierts, schau dir mal das LED-Kerzenprojekt an, das ich vor etwa einem Jahr realisiert habe.
Oben siehst du die Schaltung in Aktion. Die LED leuchtet, der ATtiny85 macht seine Arbeit und wird nicht durch eine zu hohe Eingangsspannung beschädigt. Der Shuntregler tut seinen Dienst.
Wie wurde diese...
]]>Diesmal werden wir einen Spannungswächter mit einer Z-Diode und einem LM393-Komparator bauen.
Letztes Mal haben wir uns angesehen, wie eine Z-Diode als Spannungsreferenz verwendet werden kann. Dieses Mal werden wir uns ein praktischeres Beispiel ansehen. Wir werden einen Spannungswächter für eine 12 V Bleibatterie mithilfe einer Z-Diode und einem Komparator bauen.
Lass uns einen Blick darauf werfen, was wir erreichen wollen: Wir wollen, dass eine Warn-LED angeht, sobald die Batteriespannung unter einen bestimmten Wert fällt. Dazu müssen wir zunächst einen geeigneten Schwellenwert festlegen.
Für einen 12 V AGM-Bleiakku ist 12 V ein guter Wert. Das mag auf den ersten Blick verwundern, aber ein moderner 12 V AGM-Bleiakku wird mit 14,7 V geladen und sollte bei voller Ladung eine Spannung von etwa 13 V aufweisen. Um eine möglichst lange Lebensdauer zu gewährleisten, sollte er außerdem nicht unter 50 % der Kapazität entladen werden. Diese 50 % werden bei 12 V erreicht.
Los gehts! Bauen wir die Schaltung auf.
Für die Schaltung verwenden wir wieder den LM393-Komparator. Ein Komparator vergleicht die Spannungen an seinen beiden Eingängen. Wenn die Spannung an seinem nicht-invertierenden Eingang (+
) niedriger ist als die am invertierenden Eingang (-
), wird sein Ausgang niederohmig und die LED leuchtet.
In der Schaltung habe ich eine 9 V Z-Diode als Spannungsreferenz verwendet und sie mit dem invertierenden Eingang des LM393 verbunden.
Warum 9 V und nicht 12 V?
Wenn die Batteriespannung unter 12 V fällt, hält die Z-Diode die Spannung am invertierenden Eingang nicht auf magische Weise auf 12 V. Die Zenerdiode kann die Spannung nur verringern, nicht erhöhen. Um auf die unter 12 V fallende Batteriespannung zu reagieren, muss unsere Spannungsreferenz auch unterhalb von 12 V stabil sein.
Warum nicht 5 V oder 3,3 V?
Wie beim letzten Mal besprochen, brauchen wir eine Avalanchediode und keine echte Zenerdiode, um eine stabile Referenzspannung zu bauen. Unterhalb von 5 V wird der Zenereffekt zum dominierenden Durchbruchseffekt.
Wie passt das zu unserem Ziel, die LED bei einer Batteriespannung von 12 V einzuschalten?
Um die Batteriespannung zu messen, werden wir einen Spannungsteiler verwenden. Wir müssen die Widerstandswerte so wählen, dass der Spannungsteiler bei 12 V eine Ausgangsspannung von 9 V liefert.
Dies kann durch die Verwendung eines 3,3 kΩ und eines 10 kΩ Widerstands erreicht werden. Wenn du mehr darüber wissen willst, wie man diese Werte berechnet, empfehle ich dir einen Blick auf meinen Artikel über Spannungsteiler.
Und so sieht die fertige Schaltung aus:
Um die Schaltung zu verwenden, schließt du sie parallel zur Last an die Batterie an. Sobald die Batteriespannung nun unter 12 V fällt, leuchtet die LED auf.
HINWEIS
Die Schaltung bietet nur einen optischen Indikator dafür, wann die Batterie leer ist. Sie trennt die Batterie nicht von der Last, um sie vor weiterer Entladung zu schützen.
Wofür können wir Z-Dioden einsetzen? Diesmal befassen wir uns mit der Nutzung als Spannungsreferenzen.
Die besondere Eigenschaft von Z-Dioden besteht darin, dass sie eine definierte Durchbruchspannung besitzen. Diese Eigenschaft ist besonders nützlich für Schaltungen, die eine feste Referenzspannung benötigen. Bei Schaltungen mit schwankender Versorgungsspannung, z. B. bei batteriebetriebenen Schaltungen, reicht ein einfacher Spannungsteiler hierfür nicht aus. Der Einsatz einer Z-Diode ist ein Weg, um dieses Problem zu lösen. In diesem Artikel werden wir uns ansehen, wie dies funktioniert und besprechen, wann man eine Z-Diode für diesen Zweck verwenden sollte und wann nicht.
Wie können wir eine Spannungsreferenz mit einer Z-Diode bauen? Wir wählen einfach eine Z-Diode für die gewünschte Spannung aus und verwenden sie zusammen mit einem Widerstand, der den Strom zu begrenzen.
Wenn die Spannung größer als die Zenerspannung ist, leitet die Diode. Sie begrenzt dabei die Ausgangsspannung auf die Zenerspannung, während die restliche Spannung an der Z-Diode selbst abfällt. Natürlich kann die Z-Diode nur eine begrenzte Menge an Strom ableiten, ohne Schaden zu nehmen. Deshalb brauchen wir den Widerstand, der den maximalen Strom begrenzt.
Eigentlich ist das ganz einfach, doch wofür braucht man eine solche Schaltung?
Eine Schaltung, die eine festgelegte Spannung erzeugt? Schnell denkt man an eine Spannungsquelle, aber das ist nicht die Aufgabe einer Spannungsreferenz. Spannungsreferenzen sollten zusammen mit hochohmigen Eingängen wie denen von Mikrocontrollern, Operationsverstärkern oder Komparatoren verwendet werden. Was ist damit gemeint? Hochohmig bedeutet in der Praxis, dass sie einen Eingang haben, durch den nur ein sehr geringer Strom fließt. Denn während Spannungsreferenzen zwar eine konstante Spannung liefern können, können sie fast keinen Strom liefern.
Schauen wir uns eine Beispielschaltung an, in der eine Z-Diode wie vorgesehen als Spannungsreferenz verwendet wird:
Die Schaltung verwendet eine 9 V Z-Diode als Spannungsreferenz für einen LM393 Komparator. Ein Komparator vergleicht die Spannung an seinen beiden Eingängen: Wenn die Spannung am nicht-invertierenden Eingang (+) höher ist als die am invertierenden Eingang (-), ist sein Ausgang positiv, ansonsten ist er negativ.
In diesem Beispiel wird ein Potentiometer an den nicht-invertierenden Eingang und die 9 V Referenzspannung an den invertierenden Eingang angeschlossen. Der Ausgang des Komparators ist also positiv, wenn die Ausgangsspannung des Potentiometers über 9 V liegt, andernfalls ist er negativ. Am Ausgang des Komparators ist eine LED angeschlossen. Diese LED leuchtet auf, wenn der Ausgang des Potentiometers unter 9 V liegt.
Etwas anderes erwartet?
Die Schaltung verwendet die LED in einer "active-low" Konfiguration. Der Pluspol der LED ist mit der Versorgungsspannung verbunden und der LM393 schaltet die Verbindung zur Masse. Das mag auf den ersten Blick seltsam erscheinen, aber der Grund dafür ist die Funktionsweise des LM393. Der LM393 hat einen Open-Collector-Ausgang, was bedeutet, dass er nur die beiden Ausgangszustände "floating" (nicht angeschlossen) und "low" (mit Masse verbunden) unterstützt.
Wozu kann man eine solche Schaltung verwenden? Welchen Vorteil hat die Verwendung einer Z-Diode?
In einer batteriebetriebenen Schaltung ist eine Z-Diode eine billige Möglichkeit, eine feste Referenzspannung als Schwellwert zu erzeugen. Der große Vorteil ist, dass der Schwellenwert...
Weiter geht's mit dem zweiten wichtigen Durchbruchseffekt bei Zenerdioden: dem Lawinendurchbruch.
Es gibt zwei bedeutende Durchbruchseffekte bei Zenerdioden: den Zener-Effekt und den Lawinendurchbruch. Heute wollen wir uns mit letzterem näher befassen.
Der Lawinendurchbruch ist besonders wichtig für Zenerdioden mit Durchbruchsspannungen über 5 V. Er ist daran zu erkennen, dass die Leitfähigkeit stark ansteigt, sobald die Durchbruchsspannung überschritten wird. Dies ist in der I-U-Kurve gut zu erkennen. Hier scheint etwas Drastisches zu passieren. Lass uns den zugrunde liegenden physikalischen Prozess verstehen, der nicht nur für Zenerdioden relevant ist, sondern auch darüber hinaus Bedeutung hat. Bist du bereit, mehr zu erfahren?
Disclaimer: Ich bin kein Physiker und Halbleiter sind ein extrem kompliziertes Thema. Ich kann nicht für die Richtigkeit meiner Erklärungen garantieren. Zum leichteren Verständnis werden eventuell einige Details ausgelassen oder stark vereinfacht dargestellt. Wenn du der Meinung bist, dass Teile dieses Artikels korrigiert werden sollten, dann schreib mir eine E-Mail an feedback@devxplained.eu.
Glücklicherweise ist der Lawinendurchbruch und der zugrunde liegende physikalische Prozess viel einfacher zu verstehen als der Zener-Effekt. Ähnlich wie der Zener-Effekt wird der Lawinendurchbruch durch hohe elektrische Feldstärken verursacht. Der zugrunde liegende physikalische Effekt ist jedoch ein anderer: die Stoßionisation. Schauen wir uns an, was das ist.
Auch ohne von außen angelegte Felder können sich Elektronen im Halbleitermaterial bewegen, was z.B. durch thermische Energie verursacht wird. Sie stoßen zufällig mit anderen Elektronen zusammen und geben dabei einen Teil ihrer kinetischen Energie an diese ab. Es ist ein ständiger Prozess des Zusammenstoßes von Elektronen untereinander, ein ständiges Hin und Her von Anregung und Relaxation.
Hohe elektrische Feldstärken bedeuten immer auch hohe Beschleunigungskräfte, die auf die elektrisch geladene Teilchen, wie z.B. Elektronen wirken. Interessant wird es, wenn die kinetische Energie der Elektronen einen bestimmten Wert überschreitet. Wenn sie dann auf ein anderes Elektron treffen, verlieren sie nicht nur einen Teil ihrer Energie an dieses, sondern setzen neue Ladungsträger frei.
Man nennt diesen Vorgang Stoßionisation, wobei Ionisation lediglich ein anderer Begriff für die Entstehung neuer Ladungsträger in einem Atom ist. Die folgende Abbildung veranschaulicht den lonisationsprozess. Durch das kollidierende Elektron verliert das Atom eines seiner Elektronen und wird selbst zu einem positiv geladenen Ion. Da wir hier über Halbleiter sprechen, können wir stattdessen auch sagen: Durch das kollidierende Elektron entstehen im Halbleitermaterial ein zusätzliches freies Elektron und ein neues Elektronenloch.
Was geschieht mit diesen neu erzeugten Ladungsträgern? Nun, sie werden ebenso durch das elektrische Feld beschleunigt und beginnen mit Elektronen in anderen Atomen zusammenzustoßen, wo sie wiederum eine Stoßionisation verursachen können. Dies führt zu einer Kettenreaktion, dem sogenannten Lawineneffekt. Die Zahl der freien Ladungsträger steigt exponentiell an, und das Material wir zunehmend leitfähiger.
Wenn wir uns die Funktionsweise von Dioden ansehen, können wir leicht erkennen, wie der Lawineneffekt zum Durchbruch ihrer internen Potenzialbarriere führt. In Sperrrichtung gepolte Dioden können nicht leiten, weil es in der Verarmungszone keine Majoritätsladungsträger gibt. Aufgrund der wenigen Minderheitsladungsträger kann nur ein geringer Leckstrom fließen. Diese wenigen Minoritätsladungsträger können jedoch, sobald die Spannung einen...
]]>Lass uns eine LED-Lichterkette bauen, die bei Dunkelheit automatisch angeht und so etwas Licht in die dunkle Zeit des Jahres bringt.
Es ist Winter, es ist kalt, und draußen ist es dunkel. Was gibt es da Besseres, als etwas Licht in diese Dunkelheit zu bringen. In unserem diesjährigen DIY-Projekt werden wir aus einer billigen, batteriebetriebenen LED-Lichterkette unsere eigene durch Dunkelheit automatisch einschaltende Beleuchtung bauen.
Hier ist das dafür benötigte Material:
Zusätzlich brauchst du folgendes Werkzeug:
Werfen wir einen Blick auf die Schaltung für dieses Projekt. Die LEDs sollen leuchten, wenn es draußen dunkel wird. Wir können dies mithilfe einer einfachen Transistorschaltung erreichen, wie sie unten gezeigt wird.
Der LDR und der Widerstand R1 bilden einen Spannungsteiler. Der Widerstand des LDR nimmt zu, je dunkler er wird. Ein hoher Widerstand des LDR bedeutet eine höhere Spannung am Gate des MOSFETs. Sobald die Gatespannung die 1 V Marke überschreitet, beginnt der MOSFET durchzuschalten.
Um zu steuern, bei welchem Helligkeitswert dies geschieht, können wir den Wert des Widerstands R1 anpassen. Der optimale Wert hängt davon ab, wie du deine Lichterkette verwenden willst. Wenn sie nur eingeschaltet werden soll, wenn sie völlig dunkel ist, brauchst du einen hohen Wert wie 470 kΩ oder sogar mehr. Wenn du möchtest, dass sie auch an dunklen Tagen leuchtet, brauchst du einen niedrigeren Wert wie 10 kΩ.
Ich kann dich nur ermutigen, zu experimentieren, bis du den Wert gefunden hast, der deinem Anwendungsfall entspricht. Wenn du keine Lust zum Experimentieren hast, kann ich dir 100 kΩ empfehlen. Das sollte für die meisten Anwendungsfälle in Innenräumen passen.
Der Zener-Effekt ist der dominierende Durchbruchseffekt in Z-Dioden mit niedriger Durchbruchspannung. Lust mehr darüber zu lernen?
Z-Dioden sind Dioden mit einer bekannten Durchbruchspannung, die auch als Z-Spannung bezeichnet wird. Es gibt zwei Effekte, die diesen Durchbruch verursachen: den Zener-Effekt und der Lawinendurchbruch. Der Zener-Effekt ist der dominierende Durchbruchseffekt bei Spannungen unter 5 V. Im Vergleich zum Lawinendurchbruch zeichnet er sich durch eine weniger steile I-U-Kennlinie aus. Heute wollen wir diesen Effekt einmal genauer betrachten.
Der Zener-Effekt ist nach Clarence M. Zener benannt, einem amerikanischen Physiker, der zu Durchschlageffekten in verschiedenen Materialien forschte. Im Jahr 1934 veröffentlichte er eine Theorie, in der er die Eigenschaften des Zenerdurchbruchs vorhersagte. Die erste Zenerdiode wurde 1950 von Bell Labs gebaut und nach ihm benannten. Aber was hat Zener vorhergesagt? Und wie funktioniert der Zener-Effekt in Halbleitern? Bist du bereit für einen kleinen Ausflug in die Tiefen der Halbleiterphysik?
Disclaimer: Ich bin kein Physiker und Halbleiter sind ein extrem kompliziertes Thema. Ich kann nicht für die Richtigkeit meiner Erklärungen garantieren. Zum leichteren Verständnis werden eventuell einige Details ausgelassen oder stark vereinfacht dargestellt. Wenn du der Meinung bist, dass Teile dieses Artikels korrigiert werden sollten, dann schreib mir eine E-Mail an feedback@devxplained.eu.
Um zu verstehen, wie der Zener-Effekt in einer Zenerdiode funktioniert, müssen wir zunächst kurz wiederholen, was an einem p-n-Übergang passiert. Ich habe dies bereits ausführlich in einem eigenen Artikel über den p-n-Übergang beschrieben, aber um den Zener-Effekt zu verstehen, müssen wir uns den p-n-Übergang noch einmal ansehen, diesmal mithilfe des Bandmodells.
Wenn du meine früheren Artikel verfolgt hast, könnte dir das folgende Bild bekannt vorkommen. Es zeigt den Prozess der Anregung und Relaxation von Elektronen in Halbleitern im Bandmodell. Ich werde dieses Bild verwenden, um die wichtigsten Aspekte des Bandmodells kurz für dich zusammenzufassen.
Das Bandmodell basiert auf den quantenmechanischen Beobachtungen, dass sich die Elektronen nicht an festen Positionen in einem Atom befinden. Stattdessen muss ihre Position probabilistisch beschrieben werden. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Elektronen völlig willkürlich um den Kern herum gestreut sind. Um den Kern herum gibt es verschiedene Energiebänder, in denen sich die Elektronen wahrscheinlich befinden. Zwischen diesen Bändern gibt es Lücken: die sogenannten verbotenen Zonen oder Bandlücken. Diese Lücken beschreiben einen Bereich, in dem es sehr unwahrscheinlich ist, dass sich Elektronen dort befinden. Ein Elektron kann sich nicht einfach in ein anderes Band bewegen. Es braucht genügend Energie, um über die Bandlücke in das nächste Energieband zu springen. Dies geschieht zufällig, wenn Elektronen mit anderen zusammenstoßen, z. B. aufgrund interner thermischer Bewegung, aber auch aufgrund äußerer Einflüsse wie z. B. kollidierenden Photonen.
Die interessantesten Energiebänder im Kontext der Elektronik sind das Valenzband und das Leitungsband. Das Leitungsband ist das erste Band, in dem sich die Elektronen zwischen den Atomen frei bewegen können, wodurch ein Stromfluss möglich wird. Innerhalb des Valenzbandes sind die Elektronen gefangen und können sich nur bewegen, wenn einem anderen Atom neben ihnen ein Elektron fehlt. In diesem Fall können sie die leere Stelle auffüllen, wobei diese Stelle zu dem Atom wandert,...
]]>Sie ist eine spezielle Art von Diode, die für den Betrieb in Sperrrichtung ausgelegt ist: die Z-Diode.
Heute werfen wir einen Blick auf die so genannten Z-Dioden, die oft auch als Zener-Dioden bezeichnet werden. Dabei handelt es sich um eine besondere Art von Dioden, die mit einer genau bekannten Durchbruchspannung gebaut werden. In Schaltplänen werden sie wie unten dargestellt gekennzeichnet. Das erste Symbol ist das genormte IEC-Symbol, aber auch die beiden Symbole aus der unteren Reihe werden oft in Schaltplänen verwendet. Achtung, vor allem das letzte Symbol kann leicht mit dem Symbol der Schottky-Diode verwechselt werden. Glücklicherweise wird in den meisten Fällen die Durchbruchspannung direkt neben dem Symbol angegeben, sodass das Bauteil eindeutig als Z-Diode identifiziert werden kann.
In Durchlassrichtung verhalten sich Z-Dioden wie normale Dioden, aber dafür sind Z-Dioden nicht gedacht. In den typischen Schaltungen werden Z-Dioden in Sperrrichtung verwendet, wobei sie zu leiten beginnen, sobald ihre bekannte Durchbruchspannung überschritten wird. Diese Eigenschaft kann für eine Vielzahl verschiedener Schaltungen genutzt werden, wie z. B. Überspannungsschutz, Spannungsstabilisierung oder Spannungsreferenzen.
Was sind die Eigenschaften von Z-Dioden? Z-Dioden werden aus stark dotiertem Silizium hergestellt. Aufgrund der hohen Dotierung wird die Verarmungszone an der Grenzfläche sehr schmal. Der kleine Sperrschichtbereich ist für die wesentlichen Eigenschaften der Z-Dioden verantwortlich:
Wie man sieht, haben Z-Dioden vor allem Nachteile, wenn sie wie normale Dioden eingesetzt werden. Das Besondere an ihnen ist die genau bekannte Durchbruchspannung. Das Gute dabei ist, dass die Durchbruchspannung von der genauen Dotierung abhängig ist. Dadurch ist es möglich, Z-Dioden mit unterschiedlichen Durchbruchspannungen herzustellen. Die wichtigsten Eigenschaften einer Zenerdiode sind dabei:
Die Verlustleistung kann wie bei normalen Dioden berechnet werden, aber da Z-Dioden in Sperrrichtung verwendet werden, multipliziert man den Strom \(I\) mit der Z-Spannung \(U_{Z}\) statt mit der Vorwärtsspannung \(U_F\):
\(P_{tot} = U_Z \cdot I\)
Das folgende Diagramm zeigt die I-U-Kennlinie für Z-Dioden mit verschiedenen Durchbruchspannungen. In Durchlassrichtung sind sie oberhalb von 0,7 V sehr gut leitend, genau wie normale Dioden. In Sperrrichtung beginnt jede Diode bei der für sie ausgewiesenen Durchbruchspannung zu leiten.
Vielleicht hast du bemerkt, dass es einen Unterschied in der I-U-Kennlinie zwischen den Z-Dioden mit niedriger und mit hoher Durchbruchspannung gibt. Bei höheren Spannungen ist die Kurve wesentlich steiler als bei niedrigeren Spannungen. Das liegt daran, dass der Durchbruch durch zwei unterschiedliche physikalische Effekte verursacht wird: den Zener-Effekt und den Lawinendurchbruch (engl. avalanche breakdown).
Bei niedrigeren Spannungen ist der Zener-Effekt entscheidend. Bei höheren Spannungen ist der Lawinendurchbruch der dominierende Effekt. Abgeleitet von diesen beiden Effekten unterteilt man die Z-Dioden in Zener- und Avalanche-Dioden. Oft wurde für Z-Dioden allgemein der Begriff Zener-Dioden, benannt nach Clarence Zener, genutzt. Diese Bezeichnung ist auch heute noch weit verbreitetet. Um dem Fakt Rechnung zu tragen, dass der Lawinendurchbruch oberhalb von 5 V wichtiger...
]]>Sie sind ein wirksamer Schutz gegen Überspannung und Verpolung. Lass uns schauen, wie Dioden als Eingangsschutz verwendet werden können.
Im letzten Artikel haben wir uns mit Freilaufdioden beschäftigt und damit, wie sie zum Schutz von Schaltungen mit induktiven Lasten eingesetzt werden können. Heute werden wir uns eine andere Art von Schutzdioden ansehen: Eingangsschutzdioden.
Stell dir vor, du möchtest mit deinem Arduino Uno ein Spannungsmessgerät bauen. Dazu kannst du einfach einen der Analogeingänge verwenden. Es wäre jedoch fatal, wenn eine zu hohe Spannung oder eine versehentliche Verpolung den Arduino komplett zerstören würde. Eingangsschutzdioden können vor diesem Problem schützen. Lass uns sehen wie.
Die Schaltung sieht komplexer aus, als sie ist. Im Wesentlichen wird die Verbindung zum analogen Pin A0
und GND
durch die Schutzschaltung auf dem Breadboard geleitet. Der Strom wird durch einen 10 kΩ Widerstand begrenzt. Zwei Dioden, eine zu 5V
und eine zu GND
, sorgen für den Schutz. Durch sie ist die Schaltung sicher, auch wenn man die Spannung einer 9 V Batterie misst oder versehentlich die Messleitungen vertauscht.
Willst du es selbst ausprobieren? Dann kannst du den untenstehenden Code dazu nutzen.
Wie funktioniert die Schaltung? Schauen wir uns zwei verschiedene Fälle an und wie die Dioden in diesen schützen:
5V
Pin negativer als die Eingangsspannung. Wenn die Eingangsspannung etwa 0,2 V höher ist als die Versorgungsspannung, beginnt die obere Diode zu leiten. Dadurch wird die maximale Spannung am Analogeingang A0
auf etwa 5,2 V begrenzt.
GND
Pin positiver als die Eingangsspannung. Wenn die Eingangsspannung etwa 0,2 V unter null liegt, beginnt die untere Diode zu leiten. Dadurch wird die minimale Spannung am Analogeingang A0
auf ca. - 0,2 V begrenzt.
Zu beachten ist, dass die oben genannten Werte für Schottky-Dioden gelten, für normale Siliziumdioden sind sie höher. Der Widerstand spielt eine wichtige Rolle bei der Begrenzung des Gesamtstroms. Wenn sein Wert zu klein ist, könnten die Dioden überhitzen, während sie Strom leiten.
Jetzt wissen wir also, wie die Schutzschaltung funktioniert, aber was ist mit den Messergebnissen? Nun, wir können nicht erwarten, dass der Arduino Spannungen außerhalb seines Messbereichs misst. Der Messwert wird im Falle von Überspannung bei 5 V und im Falle von Verpolung bei 0 V beschnitten.
Dioden als Eingangsschutz sind weit verbreitet. Sie sind sogar so weit verbreitet, dass sie in die meisten neueren ICs bereits integriert sind. Sie dienen dem Schutz vor elektrostatischen Entladungen (ESD), die einen Chip bei Berührung ansonsten leicht zerstören könnten. Der ATmega328P, der im...
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