Interessante Messungen/ Vierschichtdiode/ Ersatzschaltung

Vierschichtdiode - Navigation

ErsatzschaltbildBearbeiten

In vielen Lehrbüchern findet sich als Ersatzschaltbild eine Schaltung aus einem PNP und einem NPN Transistor. Diese schlichte Ersatzschaltung ist schwierig zu durchschauen. In alten Lehrbüchern und sogar in einer Werbung für die Shockley Diode (ein anderer Name für die Vierschichtdiode) findet sich aber ein schönes Ersatzschaltbild:

Mit diesem Ersatzschaltbild werden wir nun arbeiten.

Analyse der SchaltungBearbeiten

Wir gehen von einer Vierschichtdiode mit einer Zündspannung von 6.8 Volt aus.[4]

Eine Testschaltung für eine Vierschichtdiode kann z.B. so aussehen:

 
Vierschicht Diode in Serie mit einem Widerstand und einer Spannungsquelle

Bei der Analyse des Bauteils werden wir uns auf das Ersatzschaltbild der Vierschichtdiode konzentrieren. U0, also die Eingangsspannung, werden wir von 0V bis 10V hochfahren und dann von 10V wieder runter auf 0V. Für die Z-Diode in diesem Beispiel nehmen wir eine Zenerspannung von 5.6V an.

Beschreibung Schaltung in der Diode
Wir beginnen bei 0 Volt. Logischerweise fließt ohne Spannung auch kein Strom:    
Drehen wir die Spannung auf 1 Volt, passiert nichts. Die Spannung fällt an der Z-Diode ab, es fließt kein Strom.    
Auch bei 2.5V passiert nichts.    
Auch bei 5.0V passiert nichts.    
Bei 5.6V, also der Zenerspannung, passiert gerade noch nichts. Die 5.6V fallen an der Z-Diode ab.    
Bei 5.8V, also etwas über der Zenerspannung, fällt nun erstmals eine Spannung über den Widerständen und damit den Basis-Emiterstrecken ab:    
Da an den Widerständen eine Spannung abfällt, fließt logischerweise auch ein Strom.
Bei 6.8V liegt an den beiden Basis-Emiterstrecken je 0.6V an    
Bei 0.6V beginnt die Basis-Emiter zu leiten (  Diffusionsspannung) und damit der Transistor zu verstärken.    
Die beiden Transistoren schaukeln sich nun gegenseitig auf, bis beide voll eingeschaltet sind.
Beide Transistoren sind nun voll durchgesteuert (in Sättigung):    
  in unserer Testschaltung ist noch immer die 6.8V. An der Diode fallen nun etwa 1.2V ab und am Widerstand das, was übrig bleibt, also 5.6V.

Dieser Zustand ist nun stabil, solange ein Strom durch die Vierschichtdiode (bzw. unser Ersatzschaltbild) fließt.

Während wir nun von 6.8V auf 10V hochfahren, passiert nichts mehr spektakuläres. Die Spannung an der Vierschichtdiode steigt in der Praxis leicht an, für unsere Zwecke können wir aber weiterhin die 1.2V annehmen. Am Widerstand fallen bei   also 8.8V ab.    
Während wir von 10V bis auf 0V zurück drehen, passiert auch nichts spektakuläres.    
Die Vierschichtdiode bleibt eingeschaltet bis etwa 1.2V oder eventuell 1.0V.
Bei null Volt fließt wieder kein Strom, also sind wir in der Ausgangssituation.    

EinzelnachweiseBearbeiten

  1. Klaus Beuth: Bauelemente, Elektronik 2. 17 Auflage. Vogel Fachbuch, Waldkirch 2003.
  2. Hans-Joachim Fischer: amateurreihe electronica: Einführung in die Dioden und Transistortechnik Teil 1: Diodentechnik. Deutscher Militärverlag, Berlin 1970, S. 117.
  3. Photo Essay – Shockley 4 Layer Diodes. Transistor Museum, abgefragt 15. Dezember 2010 (engl.).
  4. Die Spannung mag es nie als Bauteil gegeben haben, aber die Spannung ist gut zum rechnen, simulieren und für praktischen Aufbau