Gleichrichter und Schottky Dioden: Überblick

Gleichrichter und Schottky Dioden sind im Bereich Elektronik sehr weit verbreitete Komponenten. Dabei kommen sie in Geräten zum Einsatz, die von Low-Power-Apparaten bis hin zu sehr großen industriellen Anlagen so gut wie alles abdecken.

Beide dieser Teile fallen in die Kategorie Dioden: Das sind elektrische Komponenten, die den Stromfluss regulieren. Dabei wird der Fluss in eine Richtung zugelassen, in die andere Richtung jedoch unterbunden. Im Idealfall wären diese Geräte in der Lage, eine unbegrenzte Menge an Strom in eine Richtung fließen zu lassen und eine ebenso unbegrenzte Menge in die andere Richtung aufzuhalten – doch das ist selbstverständlich nicht der Fall. Dioden sind speziell auf bestimmte Stromstärken und Spannungen ausgelegt und können Schaden nehmen, wenn die jeweiligen Werte überschritten werden.

Dabei zählen sie zu den simpelsten Komponenten überhaupt. Sie bestehen lediglich aus zwei Materialien, die miteinander vereint worden sind. Die Art der Materialien, die verwendet werden, legen die möglichen Anwendungen in hohem Maße fest. Neben sehr einfachen Anwendungen wie beispielsweise in Netzteilen können diese Komponenten jedoch auch in sehr komplexen Geräten zum Einsatz kommen, darunter Strahlungsdetektoren und ähnliches.

 

Was ist ein Gleichrichter?

Ein Gleichrichter dient dazu, Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Da eine Diode den Stromfluss lediglich in eine Richtung zulässt, wird der Rückfluss des Wechselstroms unterbunden. Dieser Vorgang, bei dem der Strom in eine Richtung beseitigt wird, wird auch als Gleichrichten bezeichnet.

Während diese Aufgabe oftmals von Dioden übernommen wird, gibt es jedoch auch andere elektronische Komponenten, die Spannung gleichrichten können. So wurden neben Schaltern auch Vakuum-Röhren und andere Komponenten für diesen Vorgang eingesetzt.

Da ein Gleichrichter den Stromfluss in eine Richtung vollständig unterbindet, wird der Gleichstrom – der in der Folge entsteht – in Impulsen geliefert. Bei Geräten, die mit einem gepulsten Strom nicht zurecht kämen, werden Filter eingesetzt, die einen stabilen Stromfluss sicherstellen.

 

Welche Arten von Gleichrichtern gibt es?

Gleichrichter sind in vielen verschiedenen Ausführungen erhältlich, die allesamt bestens auf ihre jeweiligen Anwendungen ausgelegt sind.

So nimmt beispielsweise ein Vollwellengleichrichter einen Eingangsstrom auf und wandelt ihn in einen Strom mit einfacher Polarität am Ausgang um. Das bedeutet, dass ein Wechselstrom je nach Anwendung in einen ausschließlich negativen oder ausschließlich positiven Strom umgewandelt werden kann. Dies erfordert jedoch die Kombination zahlreicher unterschiedlicher Komponenten, die angesichts ihrer häufigen Verwendung oftmals als vollkommen einsatzbereite Baugruppen erhältlich sind.

Halbwellengleichrichter nehmen hingegen eine Sinuswelle eines Wechselstroms auf und lassen lediglich eine Phase der Welle passieren. Dabei kann je nach Anwendung der positive oder negative Teil der Phase durchgelassen werden. Ein solcher Aufbau kann ausgesprochen mühelos installiert werden, da hierfür lediglich eine einzige Diode benötigt wird. Halbwellengleichrichter erzeugen den zuvor erwähnten gepulsten Strom und weisen ein hohes Maß an Brummstrom auf, sodass bei Gleichrichtern dieser Art der jeweils verwendete Filter allgemein im Vordergrund steht.

Dreiphasengleichrichter kommen vor allen Dingen in industriellen Anwendungen zum Einsatz. Diese Gleichrichter sind in beiden oben erwähnten Varianten erhältlich. Dabei verwenden sie jedoch vielmehr Thyristoren als Dioden.

 

Was ist eine Schottky Diode?

Eine Schottky Diode unterscheidet sich mit zwei grundlegenden Eigenschaften von anderen Dioden. Zunächst halten Schottky Dioden den Spannungsabfall im Vergleich zu anderen Dioden sehr gering. Das Ergebnis dieses geringen Spannungsabfalls erlaubt erst die andere besonders wertvolle Eigenschaft dieser Dioden: ihre ausgesprochen schnelle Schaltfähigkeit. Das kann helfen, die Systeme, in die diese Dioden integriert sind, wesentlich effizienter zu betreiben.

Dabei geht die schnelle Schaltfähigkeit auf die besondere Bauart dieser Dioden zurück, doch dazu später mehr. Das Umschalten der Diode – sprich: die Änderung vom Durchlassen des Stroms in eine Richtung zur Blockierung des Stroms in die andere Richtung – dauert selbst im Vergleich zu den 100 ns von herkömmlichen Dioden nur äußerst kurz.

 

Woher bekommt die Schottky Diode ihren Namen?

Die Schottky Diode ist nach Walter H. Schottky (1886-1976) benannt, einem Physiker und ideenreichen Erfinder. Er wirkte Zeit seines Lebens mit der Firma Siemens zusammen und hat zahlreiche verschiedene Komponenten zu Buche stehen. Er gilt ebenso als Entwickler einer mathematischen Formel, die für moderne Elektronikanwendungen von größter Bedeutung ist. Seine Beiträge zur Wissenschaft werden vor allen Dingen von technisch sehr versierten Personen besonders hoch angesehen und sind der breiten Masse daher nicht sehr geläufig. Obwohl sie von Vielen oftmals nicht verstanden werden, sind sie dennoch von größter Bedeutung.

Die Bezeichnung der Diode geht dabei auf Verbindung des Metalls und des Halbleiters im Herzen der Diode zurück. Diese wird auch als Schottky Barriere bezeichnet. Die Diode basiert auf der asymmetrischen Funktion an der Schnittstelle zwischen Metall und Halbleiter.

 

Aus welchen Teilen besteht eine Schottky Diode?

Eine Schottky Diode verfügt zwar über dieselben Teile wie jede andere beliebige Diode, nur die Materialien in ihrem Kern unterscheiden sie von den so geläufigen p-n-Dioden.

Die grundlegenden Teile einer Diode umfassen die Leitungen, mit denen die Diode an den jeweiligen Schaltkreis angeschlossen wird, und die Halbleiter innerhalb der Diode, die für die gewünschte Funktion sorgen. Bei herkömmlichen Halbleiterdioden sind dies p-Halbleiter und n-Halbleiter. Die Anode ist dabei der positive Draht der Diode, die Kathode der negative.

Anstelle eines p- und n-Halbleiters verfügt eine Schottky Diode hingegen über einen n-Halbleiter und ein Metall. Zu den verwendeten Metallen zählen neben Chrom und Wolfram auch Edelmetalle wie Platin und Palladium.

Mit ihrem ausgesprochen niedrigen Spannungsabfall eignet sich eine Schottky Diode für eine Unmenge an Anwendungen. Zusammen mit der schnellen Schaltfähigkeit werden solche Dioden dank dieser kleinen Abweichung im Aufbau zu sehr vielseitigen Geräten.

 

Wie funktioniert eine Schottky Diode?

Eine der wertvollsten Anwendungen einer Diode nutzen das Prinzip, dass eine Diode mühelos von „leitend“ auf „nicht leitend“ umgestellt werden kann, indem die Richtung des Stromflusses geändert wird. Die jeweiligen Intervalle sind zwar sehr gering – im Bereich von Nanosekunden –, doch eine herkömmliche p-n-Diode benötigt noch immer mehr Zeit für diese Umstellung als eine Schottky Diode.

Halbleiterdioden müssen sich nach einer solchen Umstellung zunächst erholen. Bei Schottky Dioden ist dies aufgrund des Metalls anstelle eines Halbleitermaterials nicht der Fall. In der Folge können Schottky Dioden nahezu unmittelbar umschalten, da sie nicht über zwei Halbleiterkomponenten verfügen, die sich nach dem Umschalten zunächst erholen müssen. Insgesamt kann die Effizienz der jeweiligen Schaltung somit erheblich gesteigert werden.

 

Wie ist eine Schottky Diode aufgebaut?

Der Aufbau einer solchen Diode ist im Grunde sehr einfach. Die Metalldrähte treffen sich in der Mitte der Komponente. Ein Draht ist dabei mit dem Halbleitermaterial verknüpft, der andere mit dem Metall. Dieses ist wiederum in ein Isoliermaterial eingewickelt, um Schäden zu verhindern. Ganz allgemein sind diese Geräte relativ kleine elektronische Komponenten.

 

Welche Anwendungen benötigen eine Schottky Diode?

Die hohe Effizienz dieser Dioden schreibt die verschiedenen Anwendungen, in denen sie eingesetzt werden, zum größten Teil vor. So kommen sie weitläufig in Radiomixern und Radio-Frequenzdetektoren zum Einsatz. Dies rührt daher, dass sie auch mit sehr hohen Frequenzen arbeiten können, mitunter im MHz-Bereich.

Schottky Dioden werden jedoch auch zum Schutz von Transistor-Komponenten eingesetzt. Dies erfolgt über einen Prozess namens Spannungsbegrenzung. Ihre Nützlichkeit in diesem Bereich basiert dabei hauptsächlich auf ihrem geringen Spannungsabfall.

Dioden agieren oftmals als eine Art Hilfswerkzeug. Übertragen auf Sanitäranwendungen, könnten Schottky Dioden mit Rückschlagventilen verglichen werden. Sie erlauben den Fluss einer Einheit nur in eine Richtung und blockieren ihn vollständig in die andere Richtung. Diese Ventil-ähnliche Funktion macht sie besonders wertvoll zum Schutz von Geräten, die auf einen entgegengesetzten Stromfluss sehr empfindlich reagieren können. Eine nahe liegende Anwendung hiervon sind Ladegeräte.

Wenn beispielsweise eine Batterie von einer externen Stromquelle geladen wird, muss der Strom selbstverständlich zu der Batterie fließen können, um diese wieder aufzufüllen, darf jedoch nicht wieder zurück fließen, da die Batterie sonst wieder entladen würde. In dieser Anwendung kommen Schottky Dioden besonders häufig zum Einsatz.

Auch Schaltnetzteile machen Gebrauch von diesen Komponenten, um den Stromfluss zu regeln. Netzteile dieser Art werden für viele verschiedene Geräte verwendet, einschließlich Computern.

 

Welche Hersteller bieten Schottky Dioden an?

Schottky Dioden sind sehr weit verbreitete Komponenten und werden von einer Vielzahl verschiedenster Unternehmen hergestellt. Hierzu zählen Fuji, Dynex, Cree, Bourns, Beckman, DAWIN Electronics, DiodesZetex, Fairchild Semiconductor, Lite-On und vielen andere.

 

Was beschreibt der maximale Dauerstrom?

Elektronische Komponenten weichen in der Praxis manchmal von ihrer idealen Funktion ab. Bei einer Diode sollte die Menge an Strom, die durch das Gerät fließen kann, in keinster Weise begrenzt sein, da die Diode selbst keinen Widerstand bieten sollte. In der Praxis ist dies jedoch nicht der Fall. So gibt der Dauerstrom Aufschluss über die jeweiligen Grenzwerte und den Bereich, in dem eine Diode sicher betrieben werden kann.

Er wird in Ampere gemessen und kann von sehr kleinen Werten bis hin zu sehr erheblichen Strommengen variieren. Letztere sind jedoch lediglich bei Dioden für industrielle Anwendungen anzutreffen.

 

Was ist die maximale periodische Sperrspannung?

Hierbei handelt es sich um die Spannung, die eine Diode maximal in umgekehrter Richtung handhaben kann. Wird diese Spannung jedoch überschritten, erleidet die Diode einen sogenannten Lawinendurchbruch. Das bedeutet, dass die Diode anfängt, Strom durch Materialien zu leiten, die normalerweise als Isolatoren eingesetzt werden. Dabei bezieht sich der „periodische“ Teil der Bezeichnung auf die eingehenden Spannungsimpulse der Gegenspannung.

 

Was ist die maximale Durchlassspannung?

Diese Größe beschreibt die höchste Spannung, die in „richtiger“ Richtung durch die Diode fließen kann. Das Maximum bezieht sich dabei auf das Phänomen, dass die Diode ihre Eigenschaften auch bei erhöhter Temperatur beibehalten kann.

 

Was beschreibt die maximale Rückerholzeit?

Immer dann, wenn die Stromrichtung geändert wird, können Dioden eine sehr kurze Zeit lang einen Strom in die umgekehrte Richtung fließen lassen – insbesondere, wenn diese Richtungsänderung sehr schnell erfolgt. Dabei bezieht sich diese Größe auf die Dauer, die die Diode benötigt, um diesen Vorgang zu unterbinden. Bei Schottky Dioden ist diese Rückerholzeit im Vergleich zu p-n-Halbleiterdioden sehr gering.

 

Welche Arten von Dioden gibt es?

Die verschiedenen Dioden können sowohl anhand ihres Aufbaus, als auch anhand ihrer Funktion voneinander unterschieden werden. So fallen zum Beispiel viele verschiedene Dioden in die Kategorie der Halbleiterdioden, unterscheiden sich jedoch mitunter sehr stark in ihrer Funktion und werden demnach auch in verschiedenen Bereichen eingesetzt.

Schottky Dioden, Gleichrichter-Dioden, Schalt-Dioden und Vakuum-Röhren-Dioden sind allesamt Dioden, unterscheiden sich voneinander jedoch sehr stark.

Vakuum-Röhren-Dioden und Festkörperdioden bilden zwei große Kategorien. Thermionische Dioden sind Vakuum-Röhren-Dioden und bestehen aus einem Draht und einer Platte in einer evakuierten – d.h. luftleeren – Glasröhre. Die zuvor erwähnten Festkörper- bzw. Halbleiterdioden kommen heutzutage in vielen Netzteilen zum Einsatz.

Auch Halbleiterdioden können in viele verschiedene Kategorien unterteilt werden. So gibt es beispielsweise die oben beschriebenen Schottky Dioden, die besonders aufgrund ihrer schnellen Schaltfähigkeit sehr beliebt sind. Daneben gibt es Licht emittierende Dioden, die Photonen abgeben, sobald ein Strom durch sie hindurch fließt. Die hohe Effizienz und Langlebigkeit dieser Geräte führte dazu, dass sie Glühbirnen und Leuchtstoffröhren in vielen Anwendungen bereits weitestgehend ersetzt haben.

Eine Fotodiode ist einer LED sehr ähnlich, erzeugt jedoch Strom bei Auftreten von Licht, anstatt Licht bei einem anliegenden Strom zu erzeugen. Eine Tunneldiode ist eine sehr spezielle Halbleiterdiode, die mit sehr hohen Geschwindigkeiten arbeiten kann und in Tunern, Zählern und Impulsgeneratoren eingesetzt wird.

Wie bereits erwähnt, sind Gleichrichter letztlich Dioden, die eingesetzt werden, um die Polung einer Spannung von einem wechselnden auf einen konstanten Status zu ändern.

Dioden können zudem nach der Art ihrer Kreuzung in Kategorien eingeteilt werden. Bei einer herkömmlichen p-n-Diode stehen zwei Halbleiter miteinander in Kontakt. Zwei der am häufigsten Materialien sind dabei Galliumarsenid und Germanium. Diese Dioden werden dotiert, um die gewünschte Funktion zu übernehmen.

Die zuvor beschriebenen Schottky Dioden können auch im Hinblick auf ihre Kreuzung beschrieben werden – namentlich handelt es sich dabei um Metall-Halbleiter-Verbindungen.

Punkt-Kontakt-Dioden haben einen metallischen Kontakt, der mit dem Halbleiter interagiert und in der Folge einen p-Halbleiter bildet.

Thermionische Dioden werden heutzutage wesentlich seltener verwendet als früher. Halbleiterdioden sind die Norm. Sie bieten eine gute Performance und hohe Zuverlässigkeit bei gleichzeitig hoher Effizienz und sehr kompaktem Aufbau.

Quelle: /web/c/semiconductors/discrete-semiconductors/rectifier-schottky-diodes/