Das elektrische Bauteil Diode ermöglicht die Richtungssteuerung des Stromflusses zu realisieren. Eine Diode lässt Strom nur in einer Richtung passieren (Durchlassrichtung). Fließt ein Strom gegen diese Durchlassrichtung, so wird dieser gesperrt, als ob ein offener Schalter vorliegen würde (Sperrrichtung).
Aufgrund dieser Richtungsabhängigkeit ist es nötig, dass die Diode in einem elektrischen Schaltkreis elektrisch sinnvoll platziert wird. Die Diode besitzt dafür eine Anode und Kathode, die entsprechend der Schaltungssymbolik gekennzeichnet werden. Der Strom kann dabei von der Anode zur Kathode fließen, die sogenannte Durchlassrichtung. Die Anode wird dabei mit dem positiven Potenzial und die Kathode mit dem negativen Potenzial verbunden, damit ein Stromfluss erfolgen kann.
Die obere Abbildung visualisiert das Schaltsymbol für Dioden und das entsprechende zugehörige elektrische Bauteil. Markierungen der Diode kennzeichnen die Lage der Anode und der Katode. Die Pfeilrichtung des Schaltsymbols verdeutlicht dabei nochmals die Stromflussrichtung.
Die allgemeine Funktionalität der Diode könnte mit der eines Rückschlagventils gleichgesetzt werden, das Wasser nur in einer Richtung passieren lässt, und es blockieren würde, wenn es gegen die Flussrichtung fließen würde.
Die obere Abbildung visualisiert nochmals das Prinzip der Funktionalität eines Rückschlagventils. Das Wasser kann nur in Durchlassrichtung fließen, und würde ansonsten durch die Klappensperreinheit blockiert werden.
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/f/ff/Checkvalveopen.svg/200px-Checkvalveopen.svg.png
Die obere Abbildung soll dieses Prinzip nochmals verdeutlichen. Die mögliche Flussrichtung des Wassers ist hier von links nach rechts gegeben. Die Kugel würde eine Fließrichtung von rechts nach links blockieren.
Sperrrichtung
Die Diode blockiert also den Strom, der in Sperrrichtung fließt. Die untere Abbildung soll diesen Sachverhalt nochmal verdeutlichen.
Die positive Batterieklemme ist dabei mit der Kathode der Diode verbunden. Die Diode liegt in Sperrrichtung und lässt den Strom nicht passieren. Das Leuchtmittel wird dabei nicht mit Strom versorgt und kann deshalb nicht leuchten.
Durchlassrichtung
Die Diode lässt aber den Strom passieren, der in Durchlassrichtung fließt.
Die obere Abbildung soll diesen Sachverhalt nochmals verdeutlichen. Die positive Batterieklemme wird mit der Anode der Diode verbunden. Die Diode liegt jetzt in Durchlassrichtung. Der Strom kann jetzt durch die Diode das Leuchtmittel mit Energie versorgen. Die Glühbirne leuchtet. Das Spannungsmessgerät würde dabei einen Spannungsabfall über der Diode von ca. 667mV messen bzw. anzeigen. Diese Spannung wird Schwellen-, Fluss- oder Durchlassspannung genannt. Sie kennzeichnet die Leiteigenschaft der Diode. Liegt dessen Wert unter dieser Schwelle, so fließt also kein Strom.
Die obere Abbildung soll diesen Sachverhalt nochmals verdeutlichen. Die positive Anschlussklemme der 400 mV Spannungsquelle ist mit der Anode der Diode verbunden. Die Diode liegt also in Durchlassrichtung. Das Strommessgerät registriert aber keinen Stromfluss, weil das Potential der Flussspannung hier nicht erreicht wird. Es existiert kein messbarer Stromfluss durch die Diode.
Dabei visualisiert die obere Abbildung jetzt eine Spannungserhöhung der Spannungsquelle auf 713mV. Der Schwellenwert der Dioden-Durchlassspannung ist dabei überschritten. Es existiert jetzt ein deutlich messbarer Stromfluss von ca. 1A.
Die Flussspannung charakterisiert dabei den Dioden-Typ und liegt zwischen 0,6V und 4V bei gängigen Modellen. Mit Hilfe eines Kugelrückschlagventils kann diese Flusseigenschaft gedeutet werden.
Die obere Abbildung visualisiert einen zu geringen Wasserdruck ( Flussspannung < 0,67V ), der die Feder nicht zusammenpressen vermag, so dass ein Wasserfluss entstehen könne. In Analogie zur Elektrizität existiert kein Stromfluss.
Die obere Abbildung visualisiert jetzt einen ausreichend starken Wasserdruck ( Flussspannung > 0,67V ), der die Feder zusammenpressen vermag, so dass ein Wasserfluss entstehen kann. In Analogie zur Elektrizität existiert jetzt ein Stromfluss.
Licht emittierende Diode (LED)
Die sogenannte LED ist ein Dioden-Typ, die Licht emittieren kann. Sie besitzt alle elektrischen Eigenschaften einer Diode und beginnt aufzuleuchten, wenn ein Stromfluss durch ihr existiert. Die Leuchtleistung einer LED ist größer als die einer Glühlampe mit identischer Leistung. Aus Gründen diesem effizienten elektrischen Verhalten hat sich die LED gegenüber der Glühlampe im Alltag durchgesetzt. Entsprechende Energiesparbirnen werden inzwischen hauptsächlich als Leuchtmittel eingesetzt und nicht mehr nur für die Signal- und Betriebsaktivität herangezogen.
Die spezifische Flussspannung einer LED charakterisiert dabei ihre Abstrahlungsfarbe. Rot leuchtende LEDs zum Beispiel besitzen eine eindeutige spezifische Flussspannung.
Die Kadode und die Anode einer LED werden entsprechenden markiert. Die obere Abbildung möchte diesen Sachverhalt verdeutlichen.
Die Kathode der LED kann je nach Typ und Bauform durch folgende Liste spezifiziert werden.
- An der abgeflachten Seite des Gehäuses
- Die kürzere Anschlussleitung
- An dem größeren Metallgebilde innerhalb des Gehäuses
Die obere Abildung visualisert das gängige elektrische Bauteil und Schaltzeichen einer LED.
LEDs reagieren sehr sensibel auf zu hohe Spannungen und werden u.U. zerstört, wenn ein zu großer Strom durch sie hindurchfließt. Daher sollten LEDs immer mit einem in Reihe geschalteten Widerstand (auch Vorwiderstand genannt) betrieben werden, der den maximalen Strom durch die LED begrenzt und so verhindert, dass sie beschädigt wird. Der Vorwiderstand kann mit folgender Formel berechnet werden:
Der Spannungsteilers zwischen Widerstand und LED verursacht den Spannungsabfall der LED. Die Quellspannung minus der LED Spannung fällt dabei am Widerstand ab. Der Strom einer Reihenschaltung ist bei allen Bauteilen identisch. Er kann herangezogen werden, um den benötigten Widerstandswert mit dem ohmschen Gesetz zu berechnen.
Eine LED mit einer Spannung von 2,2V und einem Strom von 20mA soll durch einer 3V Batterie mit Energie versorgt werden. Durch das ohmsche Gesetz wird ein Vorwiderstand von 40 Ohm berechnet.
