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Dieser Abschnitt bietet einen Überblick über Diodengleichrichter sowie ihre Anwendungen und Funktionsweisen. Werfen Sie auch einen Blick auf die Liste der 6 Hersteller von Diodengleichrichter und deren Firmenranking.
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Gleichrichterdioden sind Halbleiterelemente, die in Stromversorgungsschaltungen verwendet werden, um Wechselstrom aus handelsüblichen Stromquellen gleichzurichten und einen pulsierenden Strom zu erzeugen.
Im Vergleich zu herkömmlichen Kleinsignaldioden zeichnen sich Dioden durch ihre große Größe, hohe Stromkapazität, hohe Spannungsfestigkeit und robuste Bauweise aus. Bipolare Röhren, d. h. Vakuumröhren, sind ebenfalls als Dioden bekannt und wurden früher aktiv als Gleichrichter eingesetzt, heute sind sie jedoch auf spezielle Anwendungen beschränkt, so dass sich dieser Beitrag auf Halbleiterelemente beschränkt.
Gleichrichterdioden werden immer in Gleichrichterschaltungen in Stromversorgungen verwendet, die Gleichstrom aus handelsüblichen Quellen erzeugen. In Schaltungen, die hochfrequenten Wechselstrom gleichrichten, wie z. B. in Schaltreglern, die ebenfalls zu den Gleichrichterdioden gezählt werden, werden zunächst Erholungsdioden mit kurzer Sperrzeit und Schottky-Barrieredioden mit geringen Verlusten verwendet.
Bei einer Gleichrichterdiode wird die Seite mit dem P-Typ-Anschluss als Anode und die Seite mit dem N-Typ-Anschluss als Kathode bezeichnet; in der Nähe des PN-Übergangs heben sich N-Typ-Elektronen und P-Typ-Löcher gegenseitig auf, wodurch eine Verarmungsschicht entsteht. Wird zwischen Anode und Kathode eine Vorwärtsspannung angelegt, werden Löcher in den P-Typ-Bereich und Elektronen in den N-Typ-Bereich injiziert, wodurch die Verarmungsschicht verkleinert wird und Strom vom P-Typ zum N-Typ fließen kann.
Wenn eine Sperrspannung angelegt wird, werden Elektronen in den P-Typ-Bereich und Löcher in den N-Typ-Bereich injiziert, wodurch sich die Verarmungsschicht ausdehnt und kein Strom fließt. Dies zeigt, dass in einer Diode der Strom nur in der Richtung vom P-Typ zum N-Typ fließen kann. Wenn also eine Wechselspannung von der Anode zur Kathode einer Diode angelegt wird, fließt der Strom nur in Vorwärtsrichtung und nicht in Rückwärtsrichtung. Dies ist das Prinzip der Gleichrichtung.
Man beachte, dass eine Gleichrichterdiode allein eine Einweggleichrichtung bewirkt, was bedeutet, dass der Strom nur für einen halben Zyklus des Wechselstroms ausgegeben wird. Eine Brückenschaltung mit vier Dioden führt dagegen zu einer Vollwellengleichrichtung, die den Vorteil hat, dass ein größerer Strom erzielt werden kann und die Restwelligkeit verringert wird, weshalb Dioden in Brückenschaltung häufig verwendet werden.
Es gibt drei Haupttypen von Gleichrichterdioden:
Dies ist eine der am weitesten verbreiteten PN-Übergangsdioden. Der Begriff Gleichrichterdiode bezieht sich in der Regel auf Siliziumdioden. Früher wurden auch Germaniumdioden verwendet, die jedoch aufgrund ihrer geringen Wärmebeständigkeit und der Schwierigkeit, große Ströme zu übertragen, nur noch selten eingesetzt werden.
Im N-Typ-Halbleiterbereich einer PN-Übergangsdiode wird durch Schwermetalldiffusion oder Elektronenstrahlbestrahlung eine Ladungsträgerfalle erzeugt, und die Struktur ist so ausgelegt, dass die Ladungsträger beim Schalten eingefangen werden. Die Rückwärtserholungszeit kann auf 1/100 bis 1/1000 der Zeit einer normalen Diode verbessert werden, was jedoch den Nachteil hat, dass die Durchlassspannung steigt.
Dioden mit kurzer Sperrerholungszeit sind in Schaltnetzteilen von Vorteil, wenn ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb erforderlich ist; daher werden Dioden mit schneller Erholungszeit verwendet.
Diese Dioden nutzen den Schottky-Effekt, der durch den Übergang zwischen einem Metall und einem Halbleiter entsteht. Durch den Schottky-Effekt entsteht eine Barriere (Schottky-Barriere), die den Stromfluss verhindert, solange keine bestimmte Spannung angelegt wird, was zur Gleichrichtung genutzt wird. Dadurch wird eine Gleichrichtung erreicht. Die Durchlassspannung wird verringert, so dass die Verluste durch die Diode geringer sind, der Nachteil ist jedoch die niedrige Spannungsfestigkeit.
Bei der Umwandlung von handelsüblichem Strom in Gleichstrom gibt es zwei Verfahren, zu denen jeweils eine Gleichrichterdiode gehört. Eine Gleichrichterdiode kann direkt an die handelsübliche Stromversorgungsleitung angeschlossen werden, um einen Impulsstrom mit einem Spitzenwert von etwa 140 V (in Japan) zu entnehmen, der dann in einer Glättungsschaltung in Gleichstrom umgewandelt und anschließend mit einem Schaltregler o. ä. auf die gewünschte Spannung umgewandelt wird.
Bei dieser Methode wird die Stromversorgung für das gesamte Gerät in einer Reihe von Gleichrichterdioden konzentriert, so dass im Allgemeinen Dioden mit hohem Strom und hoher Spannung verwendet werden. Andererseits wird bei der Methode, bei der die Spannung von der handelsüblichen Stromversorgung über einen Transformator in die Nähe der gewünschten Spannung umgewandelt wird und die Gleichrichterdiode an den Ausgang des Transformators angeschlossen werden, um sie in Gleichstrom umzuwandeln, die Widerstandsfähigkeit gegenüber der Spannung geringer und der Strom höher, da die Spannung niedriger ist.
Bauelemente mit niedriger Durchlassspannung, wie Schottky-Sperrschichtdioden, sind von Vorteil, zumal die Verluste aufgrund der Durchlassspannung der Diode die Energieeffizienz beeinträchtigen.
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