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Die Diode — Durchlass- und Sperrrichtung

Zwei Aufgaben: einen passenden Vorwiderstand richtig dimensionieren und zwei verschiedene Gleichrichterschaltungen ausführlich miteinander vergleichen. Mit ausführlichem Lösungsweg zum genauen Nachvollziehen.

Dein Fortschritt:
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Eine Diode im Stromkreis

AFB I–II

Eine Silizium-Diode mit der Schleusenspannung \(U_\mathrm{S}=0{,}70\ \mathrm{V}\) liegt zusammen mit einem Vorwiderstand an einer Quelle mit \(U_0 = 6{,}0\ \mathrm{V}\). Durch den Zweig sollen \(I = 20\ \mathrm{mA}\) fließen.

  1. Geben Sie an, an welchem Anschluss der Diode der Pluspol liegen muss.
  2. Bestätigen Sie durch Rechnung, dass der Vorwiderstand \(265\ \Omega\) haben muss.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Merkhilfe: p-Gebiet und Pluspol beginnen beide mit p.„Angeben“ verlangt nur den Fachbegriff, keine Erläuterung.
Hinweis zu Aufgabe b)
Erst die Schleusenspannung abziehen, dann durch den Strom in Ampere teilen.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Der Pluspol muss an der Anode liegen — dem Anschluss am p-Gebiet. Im Schaltzeichen ist das das Dreieck, am Bauteil die Seite ohne aufgedruckten Ring.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

\(U_R = U_0 - U_\mathrm{S} = 6{,}0\ \mathrm{V} - 0{,}70\ \mathrm{V} = 5{,}3\ \mathrm{V}\) und \(R = \dfrac{U_R}{I} = \dfrac{5{,}3\ \mathrm{V}}{0{,}020\ \mathrm{A}} = 265\ \Omega\). Die Angabe ist damit bestätigt; in der Praxis wählt man den nächsten Normwert, etwa \(270\ \Omega\).

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Ein Netzteil fürs Handy

AFB II–III

In einem Steckernetzteil liegt eine Wechselspannung von \(12\ \mathrm{V}\) an. Variante A verwendet eine einzelne Diode, Variante B vier Dioden in einer Brückenschaltung; in beiden Fällen folgt ein Kondensator. Ein Schüler misst direkt hinter der Diode von Variante A eine stark schwankende Spannung und sagt: „Die Diode ist kaputt.“

  1. Deuten Sie die Beobachtung des Schülers mit dem Verhalten der Diode.
  2. Ermitteln Sie für beide Varianten, welcher Anteil der Halbwellen genutzt wird.
  3. Diskutieren Sie welche Variante für das Netzteil geeigneter ist.

Hinweise

Hinweis zu Aufgabe a)
Überlege, was die Diode mit der negativen Halbwelle macht.
Hinweis zu Aufgabe b)
Zähle für eine volle Periode, wie viele der beiden Halbwellen am Verbraucher ankommen.
Hinweis zu Aufgabe c)
Kriterien: genutzte Energie, Güte der Glättung, Bauteilaufwand und Spannungsverlust.

Erwartungshorizont

Erwartungshorizont zu Aufgabe a)

Die Beobachtung ist kein Defekt. Die Diode lässt nur die positive Halbwelle durch und sperrt die negative — das ist die Einweggleichrichtung. Am Verbraucher entsteht deshalb eine pulsierende Gleichspannung: Sie wechselt ihr Vorzeichen nicht mehr, schwankt aber weiterhin stark. Erst der nachgeschaltete Kondensator glättet sie.

Erwartungshorizont zu Aufgabe b)

Variante A nutzt eine von zwei Halbwellen, also 50 %. Variante B nutzt beide Halbwellen, also 100 %: Die Brückenschaltung klappt die negative Halbwelle nach oben (Zweiweggleichrichtung).

Erwartungshorizont zu Aufgabe c)

Für ein Netzteil spricht mehr für Variante B: Sie nutzt die doppelte Energie, die Lücken zwischen den Pulsen sind halb so lang, derselbe Kondensator glättet dadurch deutlich besser und die Restwelligkeit ist kleiner. Dagegen sprechen der höhere Aufwand (vier statt einer Diode) und der größere Spannungsverlust, weil immer zwei Dioden im Strompfad liegen. Bei sehr kleinen Strömen oder als reiner Verpolungsschutz genügt Variante A. Vollständig ist die Antwort, wenn Vor- und Nachteile abgewogen werden und am Ende eine begründete Entscheidung steht — für ein Ladegerät also Variante B.