Spannung messen: Kennlinie einer Diode in Durchlassrichtung aufnehmen

Kennlinie einer Diode in Durchlassrichtung

Halbleiterbauelemente sind nicht-lineare Bauelemente. Damit ist gemeint, dass die anliegende Spannung und der fließende Strom in keinem linearen Zusammenhang stehen, wie es zum Beispiel bei einem Festwiderstand der Fall ist.

Von Kennlinie spricht man deshalb, weil das Verhältnis von Spannung und Strom an einer Diode oft als Kennlinie in einem Diagramm dargestellt wird.
Die Kennlinien einer Diode bekommt man normalerweise im dazugehörigen Datenblatt geliefert. Es gibt eigentlich keinen Grund, eine solche Kennlinie selber zu bestimmen. Das hat der Hersteller schon für uns gemacht. Doch wir wollen dem keinen Glauben schenken, sondern diese Kennlinie selber herausfinden. Dazu machen wir folgenden Messaufbau.

Wir messen an einer Diode die Spannung mit unterschiedlichen Vorwiderständen. Normalerweise würde man auch noch den Strom messen. Das ist an dieser Stelle nicht notwendig, weil wir nur wissen wollen, wie sich die Spannung an einer Silizium-Diode in Durchlassrichtung entwickelt, wenn der Strom steigt. Den Strom stellen wir mit unterschiedlichen Widerständen ein. Im Prinzip ermitteln wir so die Kennlinie einer Diode.

Bauteile

Liste

  • 1 x Widerstand, 100 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Orange)
  • 1 x Widerstand, 10 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Rot)
  • 3 x Widerstand, 1 kOhm (Braun-Schwarz-Schwarz-Braun)
  • 1 x Widerstand, 220 Ohm (Rot-Rot-Schwarz-Schwarz)
  • 5 x Silizium-Diode, 1N4007

Messung

Messung an MP1 MP2 MP3 MP4 MP5
Widerstand R1 100 kOhm 10 kOhm 1 kOhm 500 Ohm 220 Ohm
Spannung an Diode (MVM)          
Spannung an Diode (DMM)          

Was messen wir? Wir messen die Spannung an der Diode in Durchlassrichtung.

Was erwarten wir? Wir erwarten eine Spannung zwischen 0,6 und 0,7 Volt herum. Sie sollte mit jedem kleineren Widerstand nur wenig größer werden.

Hinweis zu den gewählten Widerständen: Mit den Widerständen stellen wir den Strom durch die Dioden ein. Ein großer Widerstand bedeutet, dass ein kleiner Strom fließt, den wir nicht messen, weil uns nur das Spannungsverhalten interessiert.
Mit jedem kleineren Widerstand wird der Strom größer. Zu beachten ist, dass die Widerstandsänderung, außer bei MP4 und MP5, erheblich ist und somit auch der Strom deutlich größer wird.
Einen Widerstand von 500 Ohm bekommt man durch die Parallelschaltung von zwei 1-kOhm-Widerständen.

Lösung zur Messung

Messung an MP1 MP2 MP3 MP4 MP5
Widerstand R1 100 kOhm 10 kOhm 1 kOhm 500 Ohm 220 Ohm
Spannung an Diode (MVM) 0,52 V 0,60 V 0,72 V 0,76 V 0,80 V
Spannung an Diode (DMM) 0,48 V 0,58 V 0,70 V 0,71 V 0,78 V
  • Messung mit Mini-Voltmeter (MVM)
  • Messung der Gesamtspannung (9 Volt): 8,32 Volt
  • Messung mit Digitalmultimeter (DMM)
  • Messung der Gesamtspannung (9 Volt): 8,32 Volt

Beobachtungen, Erkenntnisse und Erklärungen

Schaut man sich die Messwerte an, dann stellt man fest, dass die Spannung gefühlt linear ansteigt. Allerdings muss man dabei berücksichtigen, dass die Widerstände bei jeder einzelnen Messung um den Faktor 10 kleiner werden. Außer bei MP4 und MP5. Da halbiert sich der Widerstand ungefähr.
Die Messung an MP4 dient als Zwischenschritt zwischen MP3 und MP5, um das Spannungsverhalten der Diode dazwischen einzufangen.
Interpretieren muss man die Messergebnisse so, dass man die Differenz zwischen den Widerständen und die Differenz der gemessenen Spannungen ins Verhältnis setzt.

Dabei kann man folgende Beobachtung machen: Tatsächlich ändert sich die Spannung ab 0,6 Volt nur noch wenig mit steigendem Strom. Ab 0,7 Volt gilt, dass der Strom erheblich steigen muss, damit die Spannung noch weiter steigt. Oder anders ausgedrückt, ein steigender Strom hat ab 0,7 Volt kaum noch einen Einfluss auf die Durchlassspannung. Aber, das gilt natürlich nur für Ströme im Bereich von Milliampere und kleinen Betriebsspannungen, wie in dieser Schaltung.

Nun stellt man sich die Frage nach dem fließenden Strom, den wir hier nicht gemessen haben. Hierzu sei gesagt, dass ein Blick ins Datenblatt der betreffenden Diode sinnvoller ist, als das im Detail nachzumessen. Ein Blick auf die gewählten Widerstände, mit denen der Strom eingestellt wurde, ist hier viel hilfreicher. In den typischen Grundschaltungen, bei einer Betriebsspannung von 9 Volt, verwenden wir Widerstandswerte zwischen 1 und 100 kOhm. Schaut man zu diesen Widerstandswerten in die Tabelle, dann bewegt sich die Durchlassspannung zwischen 0,6 und 0,7 Volt.

Es gilt, mit 0,6 und 0,7 Volt ist die Schwellspannung einer Silizium-Diode gemeint, ab der sie signifikant leitet. Darüberhinaus führt mehr Strom nur noch zu einer kleinen Spannungsänderung. Anders ausgedrückt, es muss an einer Silizium-Diode 0,7 Volt anliegen, damit sie voll leitend ist.

Darf es etwas mehr sein?

Kann man so eine Kennlinie auch für die Sperrrichtung aufnehmen?

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