Diode

Steckst du eine Batterie verkehrt herum in ein Spielzeug, passiert oft einfach nichts – weil eine Diode in der Zuleitung den falschen Strom sperrt. Im Netzteil verwandeln Dioden die Wechselspannung in Gleichspannung, neben jedem Relais fangen sie die Abschaltspannung der Spule ab, und an den Eingängen eines Mikrocontrollers leiten sie Überspannungen zur Versorgung ab. Die Diode ist das einfachste Halbleiterbauelement und zugleich eines der häufigsten: ein Ventil für elektrischen Strom.

Aufbau und Funktionsweise

Im Inneren steckt ein Siliziumplättchen mit einem p-dotierten und einem n-dotierten Gebiet. Wo beide aneinandergrenzen, bildet sich ein pn-Übergang mit einer Raumladungszone, die freie Ladungsträger verdrängt. Der Anschluss am p-Gebiet heißt Anode, der am n-Gebiet Kathode. Was in der Grenzschicht physikalisch passiert, erklären die Grundlagen; für die Praxis genügen zwei Regeln:

• Durchlassrichtung: Liegt die Anode positiver als die Kathode, und zwar um mehr als etwa 0,6 V (Silizium), leitet die Diode gut. Der Strom fließt von der Anode zur Kathode.
• Sperrrichtung: Liegt die Kathode positiver, fließt nur ein winziger Sperrstrom im Nano- bis Mikroampere-Bereich. Erst bei der Durchbruchspannung bricht die Sperrwirkung zusammen – bei gewöhnlichen Dioden meist mit Zerstörung.

Die Diode ist damit ein nichtlineares Bauteil: Ihr Widerstand hängt von der Polarität und vom Strom ab, das Ohmsche Gesetz gilt für sie nicht. Neben Silizium gab es früher Germaniumdioden mit nur etwa 0,3 V Schwellspannung; heute findest du sie praktisch nur noch in Detektorempfängern. Für niedrige Durchlassspannungen nimmt man stattdessen die Schottky-Diode.

Schaltzeichen

Das Dreieck zeigt in Durchlassrichtung, also in die Richtung, in die der technische Strom fließen darf. Der Strich an der Spitze ist die Kathode. Am Bauteil markiert ein Ring dieselbe Seite. Weitere Markierungen, Farbcodes und Typbezeichnungen findest du unter Kennzeichnung von Dioden, alle Varianten des Symbols unter Schaltzeichen.

Kennlinie und Kennwerte

Die Kennlinie zeigt das Ventilverhalten deutlich: In Durchlassrichtung bleibt der Strom bis etwa 0,5 V winzig, ab 0,6 bis 0,7 V steigt er steil an. Bei Nennstrom einer Gleichrichterdiode liegen dann eher 0,9 bis 1,1 V an, weil zum pn-Übergang noch der Bahnwiderstand des Siliziums und der Anschlüsse kommt. In Sperrrichtung bleibt der Strom bis zur Durchbruchspannung nahezu null.

Im Datenblatt stehen die Grenz- und Kennwerte. Hier die zwei bekanntesten Typen im Vergleich – eine Schaltdiode und eine Gleichrichterdiode:

Zwei Werte verdienen besondere Aufmerksamkeit:

• Sperrstrom und Temperatur: Der Sperrstrom verdoppelt sich grob alle 10 K. Die 1N4007 hat bei 125 °C bereits 50 µA statt 5 µA (siehe Temperaturverhalten von Halbleitern). Auch die Durchlassspannung ändert sich: Sie sinkt um etwa 2 mV pro Kelvin.
• Sperrverzögerungszeit t_rr: Eine leitende Diode hat Ladungsträger in der Grenzschicht gespeichert. Polst du sie schlagartig um, leitet sie kurz rückwärts, bis diese Ladung ausgeräumt ist. Bei 50 Hz stört das nicht, in einem Schaltnetzteil mit 100 kHz macht es eine langsame Gleichrichterdiode heiß. Dort gehören schnelle Typen (etwa UF4007 mit 75 ns) oder Schottky-Dioden hin.

Diodenmodelle zum Rechnen

Für Überschlagsrechnungen ersetzt du die Kennlinie durch ein einfaches Modell:

1. Ideale Diode: leitet ohne Spannungsabfall oder sperrt vollständig – gut, um die Funktion einer Schaltung zu verstehen.
2. Konstante Durchlassspannung: Die Diode leitet und nimmt dabei fest 0,7 V weg. Für die meisten Rechnungen genau genug.
3. Mit Bahnwiderstand: 0,7 V plus ein kleiner Widerstand in Reihe, für größere Ströme.

Bauformen

Kleinsignal- und Schaltdioden stecken in Glasgehäusen wie DO-35 (1N4148) oder als SMD in SOD-123, SOD-323 und MiniMELF. Gleichrichter für 1 A sitzen in DO-41 (Reihe 1N4001 bis 1N4007), für 3 A im dickeren DO-201 (1N5400 bis 1N5408). Die SMD-Entsprechungen heißen SMA, SMB und SMC; die „M7“ im SMA ist das Gegenstück zur 1N4007. Für größere Ströme gibt es Dioden mit Schraubanschluss oder im TO-220, oft zwei in einem Gehäuse.

Typische Schaltungen

Gleichrichtung. Eine einzelne Diode lässt nur eine Halbwelle durch (Einweggleichrichter), vier Dioden nutzen beide Halbwellen – das ist der Brückengleichrichter. Wie groß der Ladekondensator dahinter sein muss, berechnest du mit dem Rechner Gleichrichter und Siebkondensator.

Verpolungsschutz. Eine Diode in Reihe zur Versorgung sperrt, wenn die Batterie falsch herum angeschlossen wird. Der Preis ist ihr Spannungsabfall und ihre Verlustleistung.

Freilauf. Parallel zu einer Relaisspule, in Sperrrichtung zur Versorgung, übernimmt eine Diode beim Abschalten den Spulenstrom und schützt den Transistor – siehe Freilaufdiode und Spule an Gleichspannung.

Begrenzen und Entkoppeln. Zwei Dioden von einem Eingang zur Versorgung und nach Masse klemmen die Spannung auf etwa −0,7 V bis U_B + 0,7 V. Zwei Dioden mit gemeinsamer Kathode bilden ein Dioden-ODER: Von zwei Versorgungen gewinnt die höhere, ohne dass eine in die andere zurückspeist.

Auswahl und Praxistipps

Wähle die Sperrspannung mit Reserve, etwa das Doppelte der höchsten Spannung, die im Betrieb auftritt – an einem Trafo mit 12 V Effektivwert liegen bereits rund 17 V Spitze. Den Dauerstrom prüfst du über die Verlustleistung P = U_F · I_F und die Erwärmung (siehe Wärme und Kühlung). Bei schnellen Signalen oder Schaltnetzteilen zählen t_rr und Kapazität.

Häufige Fehler:

• Falsch herum eingelötet: Gerade bei SMD-Dioden ohne deutlich sichtbaren Balken. Eine verkehrte Freilaufdiode schließt die Versorgung kurz, sobald der Transistor einschaltet.
• Langsame Diode im Schaltnetzteil: Eine 1N4007 an 100 kHz wird heiß und erzeugt Störungen.
• Spannungsabfall vergessen: Hinter einer Verpolungsschutzdiode an 3,3 V bleiben nur noch rund 2,6 V – zu wenig für viele ICs.
• Sperrstrom unterschätzt: An einem hochohmigen Messeingang verfälschen Mikroampere Leckstrom bei hoher Temperatur das Ergebnis.
• Dioden parallel geschaltet, um mehr Strom zu bekommen: Wegen des negativen Temperaturkoeffizienten übernimmt die wärmere Diode immer mehr Strom. Nimm lieber einen größeren Typ.

Selbsttest