1N4007 Diode » Aufbau & Funktionsweise der Gleichrichterdiode einfach erklärt
Wenn man ein Netzteil bzw. die Bestückung eines Netzteils genauer betrachtet, wird man sehr oft das gleiche Bauteil entdecken. Gemeint ist die Halbleiter-Diode 1N4007, die vorzugsweise als Gleichrichter Diode genutzt wird.
Der Grund, warum die Diode so gerne von den Geräteherstellern verbaut wird, liegt in ihrer kompakten Bauform und der fast schon unglaublichen Spannungsfestigkeit. Doch das sind nicht alle Leistungsmerkmale, die diese Diode auszeichnen.
Wie die Gleichrichter Diode funktioniert und wo sie überall genutzt wird, wollen wir Ihnen gerne genauer erklären.
Bei der Gleichrichterdiode 1N4007 handelt es sich um eine Silizium-Diode in einem DO-41 bzw. DO-204AL Gehäuse.
Der zylindrische Körper der Diode hat einen Durchmesser von ca. 2,6 mm und ist 5,1 mm lang. Rechts und links ist die Diode mit einem Anschlussdraht versehen, der auf jeder Seite ca. 2,8 cm lang ist und einen Durchmesser von 0,77 mm aufweist. Damit die Diode richtig in die Schaltung eingesetzt wird, ist die Kathode mit einem hellen Ring markiert.
Kernstück der Diode ist ein Halbleiter aus hochreinem Silizium, der gezielt mit Fremdatomen „verunreinigt“ wurde. Dieser Vorgang wird im Fachjargon auch als dotieren bezeichnet. Je nachdem, welche Fremdatome verwendet werden, erhält man entweder n-dotiertes Silizium oder p-dotiertes Silizium. Den genauen Aufbau eines pn-Übergangs mit unterschiedlich dotierten Silizium-Gitterstrukturen haben wir bei unserem Ratgeber zu der Diode 1N4148 bereits genauer beschrieben.
Die Diode 1N4007 (Schwarz) im Vergleich zur Diode 1N4148 (Rot).
In unserem Artikel zur Diode 1N4148 haben wir die grundsätzliche Funktion einer Halbleiterdiode ebenfalls sehr genau beschrieben.
Auch die Diode 1N4007 besitzt einen pn-Übergang, bei dem die p-Schicht Defektelektronen oder Löcher und die n-Schicht zusätzliche freie Elektronen aufweist.
Durch die pn-Schicht ist die Diode 1N4007 in der Lage den Strom in eine Richtung zu leiten und in der entgegengesetzten Richtung zu sperren.
Im Gegensatz zu Diode 1N4148 hat die Diode 1N4007 jedoch ganz andere elektrische Grenzwerte. Sie verträgt deutlich höhere Ströme und größere Spannungen. Zur besseren Übersicht haben wir die jeweiligen Werte der beiden Dioden gegenüber gestellt.
Vergleichstabelle 1N4007 und 1N4148
| Diodentyp | Durchlassstrom | Sperrspannung | Durchlassspannung |
|---|---|---|---|
| 1N4007 | 1A | 1000V | 0,7V |
| 1N4148 | 0,15A | 75V | 0,7V |
Auch wenn der kontinuierliche Durchlassstrom und die Sperrspannung deutlich unterschiedlich sind, ist die Durchlassspannung mit 0,7V bei beiden Diodentypen identisch. Die hohe Spannungsfestigkeit ist genau der Grund, warum viele Schaltungsentwickler die Diode 1N4007 gerne als Gleichrichterdiode nutzen.
Mit Hilfe einer Kennlinie kann bei einem Bauelement das Zusammenspiel unterschiedlicher Größen graphisch dargestellt werden. Im Fall der Diode 1N4007 sind die relevanten Größen Strom und Spannung. Je nach Polung der Spannungsquelle bzw. der angelegten Spannung ändert sich der Strom, der im Stromkreis durch die Diode fließt.
Wird eine Diode in Durchlassrichtung betrieben, so wird der Strom bei einer Durchlassspannung (UF) von ca. 0,7 V bereits beginnen zu fließen. Der Strom muss aber unbedingt begrenzt werden, damit der maximal zulässige Durchgangsstrom nicht überschritten wird.
In Sperrrichtung wird kein Strom fließen, solange die zulässige Sperrspannung (UR) nicht überschritten wird. Wenn jedoch die Durchbruchspannung oder auch Z-Spannung verbotenerweise überschritten wird, fließt bei der Diode 1N4007 schlagartig ein sehr hoher Strom, der die Diode in kürzester Zeit zerstört.
In diesem Fall muss die elektrische Schaltung mit Schutzeinrichtungen, wie z.B. Sicherungen oder elektronischen Schutzschaltungen, versehen sein, damit der unzulässige Stromfluss sofort gestoppt wird und kein größerer Schaden entsteht.
In der Elektronik werden auch sogenannten Zener- oder Z-Dioden verwendet, bei denen das Durchbruchsverhalten beim Erreichen der Z-Spannung zur Stabilisierung von Spannungen genutzt wird. Allerdings verkraften Z-Dioden nur einen begrenzten Durchbruchs-Strom, der in keinem Fall überschritten werden darf. Aus diesem Grund sind die Schaltungen, in denen Z-Dioden genutzt werden, entsprechend ausgelegt.
Wichtig:
Je nach Temperatur des Halbleiterelements verschiebt sich die Kennlinie leicht. Konkrete Angaben sind bei Bedarf dem Datenblatt oder der technischen Beschreibung der Diode zu entnehmen.
Um bei der Übertragung des elektrischen Stromes die Leitungsverluste so gering wie möglich zu halten, wird mit unterschiedlich hohen Spannungen gearbeitet. Während die Spannung an einer Netzsteckdose im Haus 230 V beträgt, wird die elektrische Energie auf Überlandleitungen mit bis zu 385.000 V übertragen. Damit die Spannungen auf den erforderlichen Wert transformiert werden können, muss mit Wechselspannung gearbeitet werden. Allerdings funktionieren viele Geräte nicht mit Wechselspannung.
Es ist zwar richtig, dass z.B. Fernseher oder Computer direkt an der Netzsteckdose mit Wechselspannung angeschlossen werden. Aber die Netzanschlussleitung führt im Gerät dann gleich in ein Netzteil, das aus der Wechselspannung verschiedene Gleichspannungen in unterschiedlicher Höhe erzeugt. Für die Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung benötigt man u.a. Dioden als Gleichrichter.
Überlandleitungen werden mit mehreren 100.000V betrieben.
Aus Wechselspannung wird eine Gleichspannung
Bei der Netzwechselspannung wechselt die Stromrichtung 100 Mal pro Sekunde. Der Fachmann spricht in diesem Fall von einer Netzfrequenz von 50 Hz (Hertz). Der Kurvenverlauf ist sinusförmig und es gibt eine obere (positive) und eine untere (negative) Halbwelle. Um die Wechselspannung in eine Gleichspannung zu wandeln, muss zunächst mit Hilfe einer Diode die untere Halbwelle entfernt werden.
Bei der oberen Halbwelle der Eingangsspannung ist die Spannung an der Anode (A) höher als an der Kathode (K). Die Diode (D1) fungiert in diesem Moment als Leiter. Die positive Halbwelle wird zum Verbraucher (RV) übertragen.
Bei der negativen Halbwelle der Eingangsspannung ist die Spannung an der Anode geringer als an der Kathode und die Diode wirkt als Isolator. Über den Verbraucher kann nun keine Spannung gemessen werden.
Da eine Diode nur den negativen Anteil der Wechselspannung abschneidet, entsteht mit dieser Einweggleichrichtung noch keine richtige Gleichspannung. Die positiven Halbwellen mit den Lücken dazwischen sind vielmehr eine ständig schwankende Spannung mit gleichbleibender Polarität.
Ein Kondensator schafft Abhilfe
Deshalb wird nach der Diode noch einen Kondensator (C) in die Schaltung eingefügt. Der Kondensator wird durch die positiven Halbwellen aufgeladen und hält die Spannung zwischen den Halbwellen so gut es geht auf gleichem Niveau.
Damit die Spannung zwischen den Halbwellen nicht zu stark zurückgeht, muss der Kondensator eine hohe Kapazität aufweisen. Die Spannungsschwankungen zwischen den Halbwellen werden als Restwelligkeit bezeichnet.
Damit die Umwandlung von Wechselspannung zu Gleichspannung effizienter funktioniert, ist es sinnvoll die untere Halbwelle nicht einfach abzuschneiden. Vielmehr sollte sie ebenfalls genutzt werden. Dazu ist es jedoch erforderlich, aus der negativen Halbwelle eine positive Halbwelle zu machen. Die Halbwelle quasi nach oben zu klappen. Genau das macht ein Brückengleichrichter mit vier Dioden.
Bei der positiven Halbwelle am Eingang (in Blau dargestellt) leiten die Dioden D1 und D3.
Die Dioden D2 und D4 sind gesperrt, da in diesem Moment an den Kathoden eine höhere Spannung als an den Anoden anliegt.
Bei der negativen Halbwelle (in Grün dargestellt) ist es genau umgekehrt. Die Dioden D2 und D4 sind nun leitend und die Dioden D1 und D3 sind gesperrt.
Durch diesen Schaltungsaufbau wird die negative Halbwelle der Eingangsspannung umgepolt und zur positiven Halbwelle am Ausgang gemacht. Allerdings handelt es sich bei der Ausgangsspannung noch nicht um eine Gleichspannung. Denn die Spannung schwankt ständig zwischen dem Spitzenwert der Halbwelle und 0 Volt.
Kondensator zur Glättung der Spannung
Auch nach einem Brückengleichrichter wird mit einem Kondensator (C) gearbeitet, der die Ausgangsspannung glättet.
Im Gegensatz zur Einweggleichrichtung sind nun die zeitlichen Abstände zwischen den Halbwellen nur noch halb so groß und der Kondensator wird nicht so tief entladen.
Dadurch ergibt sich eine geringere Restwelligkeit der Gleichspannung.
Man kann eine Diode ganz leicht mit Hilfe eines Digitalmultimeters mit Dioden-Testfunktion prüfen. Dabei werden die beiden Anschlüsse der Diode wechselweise mit den beiden Messleitungen des Messgerätes verbunden.
Das linke Messgerät zeigt den Widerstandswert in Ohm und das rechte Messgerät zeigt die Durchlassspannung in mV an.
Je nach Messgerät kann die Anzeige der Messergebnisse jedoch unterschiedlich ausfallen.
Wenn das Messgerät auf die Messeinstellung zum Dioden prüfen gestellt wird, kann beim Prüfen der Durchlassrichtung entweder der Durchgangswiderstand oder aber die Durchlassspannung angezeigt werden.
Eine intakte Diode weist einen Durchgangswiderstand von ca. 400 – 800 Ohm auf und hat eine Durchlassspannung von ca. 450 – 800 mV.
Durch das Umpolen der Diode kann die Sperrrichtung geprüft werden. In diesem Fall ist der Widerstandswert unendlich und es kann auch keine Durchlassspannung gemessen werden.
Unser Praxistipp: Diodenprüfung
Um Fehler bei der Messung zu vermeiden, sollte die Diode komplett aus der Schaltung ausgebaut oder zumindest ein Anschluss abgelötet werden.
Im Fehlerfall kann die Diode einen Kurzschluss aufweisen oder hochohmig sein. Bei einem Kurzschluss ist der Widerstand in der Durchlassrichtung und in der Sperrrichtung sehr klein und geht in Richtung 0 Ohm.
Ist die Diode hochohmig, ist der Widerstand auch in der Durchlassrichtung extrem hoch. In beiden Fehlerfällen kann keine Durchlassspannung gemessen werden.
Kann ich die Diode 1N4007 auch verwenden wenn die max. zu sperrende Spannung weit unter 1000V liegt?
Ja, das geht. In diesem Fall hat die Diode noch Reserven, falls bei einer Fehlfunktion oder Störung eine Impulsspitze in Sperrrichtung auftritt. Alternativ könnten auch andere Dioden genutzt werden:
Die 1N4001 hat eine Sperrspannung von 50V
Die 1N4002 hat eine Sperrspannung von 100V
Die 1N4003 hat eine Sperrspannung von 200V
Die 1N4004 hat eine Sperrspannung von 400V
Die 1N4005 hat eine Sperrspannung von 600V
Die 1N4006 hat eine Sperrspannung von 800V
Alle aufgelisteten Dioden verkraften einen Strom in Durchlassrichtung von 1A.
Wenn der Durchlassstrom etwas mehr als 1A beträgt, kann eine 1N4007 trotzdem genutzt werden?
Nein, das ist nicht empfehlenswert, denn der zulässige Strom beträgt max. 1A. In diesem Fall ist es besser auf eine Diode der Serie 1N54XX auszuweichen. Diese Dioden verkraften einen Nennstrom bzw. Durchlassstrom von 3A und liegen damit deutlich über 1A. Auch diese Halbleiterdioden gibt es laut Datenblatt mit unterschiedlicher Spannungsfestigkeit:
Die 1N5400 hat eine Sperrspannung von 50V
Die 1N5401 hat eine Sperrspannung von 100V
Die 1N5402 hat eine Sperrspannung von 200V
Die 1N5404 hat eine Sperrspannung von 400V
Die 1N5406 hat eine Sperrspannung von 600V
Die 1N5407 hat eine Sperrspannung von 800V
Die 1N5408 hat eine Sperrspannung von 1000V