Dioden im Kfz

Eine Diode lässt den Strom nur in eine Richtung durch, ähnlich wie ein Rückschlagventil in einer Wasserleitung. Die beiden Anschlüsse heißen Anode und Kathode. Auf dem Bauteil ist die Kathode meist mit einem Ring markiert, im Schaltzeichen mit dem Strich an der Spitze des Dreiecks.

• Durchlassrichtung: Plus an der Anode, Minus an der Kathode. Die Diode leitet, sobald die Spannung eine kleine Schwelle überschreitet.
• Sperrrichtung: Plus an der Kathode. Die Diode sperrt, es fließt praktisch kein Strom.

Das Dreieck im Schaltzeichen zeigt in die Richtung, in die der Strom fließen darf, also in technische Stromrichtung von Plus nach Minus.

Wie sich eine Diode verhält, zeigt ihre Kennlinie. Probiere im Simulator verschiedene Diodentypen aus, auch in Sperrrichtung.

In Durchlassrichtung fließt unterhalb der Schwellspannung kaum Strom. Bei Siliziumdioden liegt sie bei etwa 0,6 bis 0,7 V, bei Schottky-Dioden bei etwa 0,2 bis 0,4 V. Darüber steigt der Strom sehr steil an. In Sperrrichtung fließt nur ein winziger Sperrstrom, bis die Durchbruchspannung erreicht ist. Bei normalen Dioden zerstört der Durchbruch das Bauteil, bei Z-Dioden ist er gewollt und wird zum Begrenzen von Spannungen genutzt.

Dioden sind unscheinbar, stecken aber in fast jedem elektrischen System des Fahrzeugs. Tippe auf eine Karte.

Ein Gleichrichter macht aus Wechselspannung eine Gleichspannung, die immer dieselbe Polarität hat. Je nach Anzahl der Dioden unterscheidet man verschiedene Schaltungen. Vergleiche sie im Simulator und lass dabei auch einmal eine Diode ausfallen.

• Einweggleichrichter: Eine Diode lässt nur die positive Halbwelle durch. Einfach, aber mit großen Lücken.
• Brückengleichrichter: Vier Dioden klappen die negative Halbwelle nach oben. Beide Halbwellen werden genutzt.
• Drehstrombrücke: Sechs Dioden verarbeiten die drei Phasen des Generators. Weil sich die Phasen überlappen, ist die Ausgangsspannung schon fast glatt.

Wird der Strom durch eine Spule abgeschaltet, etwa durch eine Relaisspule, induziert das zusammenbrechende Magnetfeld eine hohe Spannung mit umgekehrter Polarität. Diese Spannungsspitze kann mehrere hundert Volt erreichen und den Schalttransistor im Steuergerät zerstören.

Die Freilaufdiode wird parallel zur Spule geschaltet, und zwar in Sperrrichtung zur normalen Betriebsspannung. Im Betrieb sperrt sie und stört nicht. Beim Abschalten polt sich die Spulenspannung um, die Diode wird leitend und lässt den Spulenstrom im Kreis weiterfließen, bis die Energie abgebaut ist. Die Spannungsspitze wird so auf etwa 0,7 V über der Versorgungsspannung begrenzt.

Viele Multimeter haben eine eigene Diodenprüffunktion, erkennbar am Diodensymbol. Das Messgerät schickt einen kleinen Strom durch die Diode und zeigt die Spannung an, die an ihr abfällt.

1. Diode freischaltenMindestens einen Anschluss lösen, sonst misst man parallel liegende Bauteile mit.
2. Durchlassrichtung messenRot an die Anode, Schwarz an die Kathode. Eine intakte Siliziumdiode zeigt etwa 0,5 bis 0,7 V, eine Schottky-Diode weniger.
3. Sperrrichtung messenMessleitungen tauschen. Eine intakte Diode zeigt „OL“ bzw. Überlauf.
4. BewertenIn beiden Richtungen etwa 0 V: Die Diode ist durchlegiert, also kurzgeschlossen. In beiden Richtungen OL: Die Diode ist unterbrochen.

Generatordioden prüft man im eingebauten Zustand am besten indirekt: Welligkeit der Bordnetzspannung mit dem Oszilloskop messen und die Ladeleistung unter Last kontrollieren.

5 Fragen zu den Kapiteln 1 bis 6. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.

Reines Silizium leitet sehr schlecht. Durch Dotierung, das gezielte Einbringen von Fremdatomen, wird es leitfähig. Fünfwertige Atome wie Phosphor liefern ein überzähliges Elektron, es entsteht ein n-Halbleiter. Dreiwertige Atome wie Bor erzeugen ein fehlendes Elektron, ein Loch, es entsteht ein p-Halbleiter.

Grenzen beide Zonen aneinander, wandern Elektronen aus der n-Zone in die p-Zone und füllen dort Löcher. An der Grenze entsteht eine Zone ohne freie Ladungsträger, die Raumladungszone oder Sperrschicht. Die zurückbleibenden, fest eingebauten Ionen erzeugen ein elektrisches Feld, das die weitere Wanderung stoppt. Die zugehörige Spannung heißt Diffusionsspannung, bei Silizium etwa 0,7 V.

• Durchlassrichtung: Die äußere Spannung wirkt der Diffusionsspannung entgegen. Ab etwa 0,7 V wird die Sperrschicht abgebaut und Strom fließt.
• Sperrrichtung: Die äußere Spannung verstärkt das Feld, die Sperrschicht wird breiter. Nur wenige, thermisch erzeugte Ladungsträger bilden einen winzigen Sperrstrom.

Wird die Sperrspannung zu groß, reißt das Feld Elektronen aus ihren Bindungen oder beschleunigt sie so stark, dass sie weitere Elektronen herausschlagen. Diesen Durchbruch nutzen Z-Dioden gezielt.

Der Strom durch eine Diode steigt in Durchlassrichtung exponentiell mit der Spannung. Das beschreibt die Diodengleichung nach Shockley:

Temperaturverhalten

Bei gleichem Strom sinkt die Durchlassspannung einer Siliziumdiode um etwa 2 mV pro Kelvin. Das nutzt man für Temperatursensoren in integrierten Schaltungen. Gleichzeitig verdoppelt sich der Sperrstrom etwa alle 10 K. Leistungsdioden werden deshalb bei hohen Temperaturen nicht nur in Durchlass-, sondern auch in Sperrrichtung wärmer, was bei schlechter Kühlung zum thermischen Durchgehen führen kann.

Eine Z-Diode wird in Sperrrichtung betrieben. Oberhalb ihrer Z-Spannung U_Z leitet sie, und die Spannung an ihr bleibt nahezu konstant, auch wenn sich der Strom stark ändert. Mit einem Vorwiderstand erhält man eine einfache Spannungsstabilisierung:

Schutz vor Überspannung

Suppressordioden sind auf sehr hohe Impulsströme ausgelegt. Sie sitzen an den Eingängen von Steuergeräten und schneiden Spannungsspitzen aus dem Bordnetz ab. Auch die Gleichrichterdioden vieler Generatoren sind als Z-Dioden ausgeführt: Wird bei laufendem Generator die Batterie getrennt, begrenzen sie die entstehende Spannungsspitze, den Load Dump, auf einen Wert, den die übrige Elektronik verträgt.

An jeder leitenden Diode fällt die Durchlassspannung ab. Die Verlustleistung ist deshalb direkt proportional zum Strom:

Schottky-Dioden

Schottky-Dioden haben statt eines pn-Übergangs einen Metall-Halbleiter-Übergang. Ihre Durchlassspannung ist deutlich niedriger, und sie schalten sehr schnell. Nachteile sind ein höherer Sperrstrom und meist niedrigere Sperrspannungen. Sie werden vor allem in Schaltnetzteilen und LED-Treibern eingesetzt.

Sperrverzögerung

Eine normale Diode sperrt nicht sofort, wenn die Spannung umpolt. Die in der Sperrschicht gespeicherten Ladungsträger müssen erst abgebaut werden, kurzzeitig fließt ein Strom in Sperrrichtung. Bei hohen Schaltfrequenzen verursacht das Verluste und Störungen. Für schnelle Schaltungen gibt es deshalb schnelle Dioden mit kurzer Sperrverzögerungszeit.

Aktive Gleichrichtung

Einige moderne Generatoren ersetzen die Dioden durch MOSFETs, die von einer Elektronik genau im richtigen Moment eingeschaltet werden. Ihr Spannungsfall ist viel kleiner als die Durchlassspannung einer Diode. Der Wirkungsgrad steigt, und es entsteht weniger Wärme.

Der Drehstromgenerator erzeugt in drei Ständerwicklungen drei um 120° versetzte Wechselspannungen. Die Drehstrombrücke besteht aus drei Plusdioden, die jeweils die gerade höchste Phase mit dem Pluspol verbinden, und drei Minusdioden, die die gerade niedrigste Phase mit Masse verbinden. Ältere Generatoren haben zusätzlich drei Erregerdioden, die den Erregerstrom für den Läufer liefern und die Ladekontrollleuchte über Klemme D+ steuern.

Pro Periode der Generatorspannung entstehen sechs Pulse, daher der Name Sechspuls-Gleichrichter. Die Frequenz hängt von der Generatordrehzahl und der Polpaarzahl des Klauenpolläufers ab:

Profitipps

• Eine durchlegierte Generatordiode kann beim abgestellten Fahrzeug einen erheblichen Ruhestrom verursachen. Bei unklaren Ruhestromproblemen immer auch den Generator prüfen.
• Bei Wechselspannungsmessungen der Welligkeit mit dem Multimeter ist nur eine grobe Aussage möglich. Das Oszilloskop zeigt, ob einzelne Pulse fehlen.
• Beim Schweißen am Fahrzeug die Herstellervorgaben zum Abklemmen beachten. Hohe Ströme und Spannungsspitzen können Dioden und Elektronik zerstören.

6 Fragen zu den Kapiteln 7 bis 12, auf Meister- und Technikerniveau. Die Erklärung erscheint direkt nach deiner Antwort.