Spannung messen: Kennlinie einer Diode in Sperrrichtung

Spannung messen: Kennlinie einer Diode in Sperrrichtung

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. Darin sieht man, wie der Strom bei steigender Spannung steigt.
Die Kennlinien einer Diode bekommt man normalerweise im dazugehörigen Datenblatt geliefert. Wir wollen dem allerdings 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 Sperrrichtung 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 R1          

Was messen wir? Wir messen die Spannung am Widerstand. Die Diode ist in Sperrrichtung geschaltet.

Was erwarten wir? Wir erwarten eine Spannung, die bei 0 Volt liegt.

Warum messen wir die Spannung nicht an der Diode selber? Wenn wir 0 Volt am Widerstand erwarten, dann fällt die Gesamtspannung an der Diode ab. Das heißt, der Widerstand der Diode in Sperrrichtung ist im Verhältnis zum Widerstand in Reihe viel größer. Wenn wir jetzt die Spannung an diesem sehr großen Widerstand messen, den die Diode in Sperrrichtung darstellt, dann muss der Innenwiderstand unseres Spannungsmessgeräts viel größer sein. Es ist davon auszugehen, dass ein Strom über das Messgerät fließen wird und somit das Spannungsverhalten beeinflusst. Das wollen wir vermeiden. Wir messen also am Widerstand und nicht an der Diode.

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 müsste der Strom größer werden. 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 R1 0,00 V 0,00 V 0,00 V 0,00 V 0,00 V
  • Messung mit Mini-Voltmeter
  • Messung der Gesamtspannung (9 Volt): 8,88 Volt

Beobachtungen, Erkenntnisse und Erklärungen

Wie erwartet, liegt am Widerstand praktisch keine Spannung an. Das heißt, die Gesamtspannung liegt vollständig an der Diode an.
Was hätte anderes herauskommen sollen? Wenn eine Diode den Strom sperrt, dann fließt auch kein Strom durch den Widerstand.

Experiment

Hast Du mal Lust, eine fehlerhafte Messungen durchzuführen? Dabei kann man viel lernen.

Baue die Schaltung so um, dass in den Reihenschaltungen aus Diode und Widerstand die beiden Bauteile getauscht sind. Führe anschließend die Messungen an der Diode durch. Du misst die Sperrspannung an der Diode.

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

Interessant, wie die gemessenen Werte von der Annahme abweichen, dass an der Diode die volle Gesamtspannung abfallen muss.
Wir haben hier einen klassischen Fall von einem Messfehler. Denn das Messgerät überbrückt die Diode und es verändert sich das Spannungsverhalten der Schaltung.
Die Spannung an einer sperrenden Diode zu messen ist also keine so gute Idee. Der Messwert ist immer falsch. Bei jedem Messgerät.

Weitere Schaltungen:

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