Kennlinien aufnehmen

Trägt man für ein Bauteil die Stromstärke $I$ über der Spannung $U$ auf, entsteht seine Kennlinie. Sie zeigt auf einen Blick, wie das Bauteil auf Spannung reagiert: gehorsam linear (Widerstand), gekrümmt (Glühlampe) oder mit Ventilverhalten (Diode und LED). Die Messschaltung ist immer dieselbe; nur der Prüfling wechselt.

Reale Schaltungen bestehen längst nicht nur aus ohmschen Widerständen: In jedem Netzteil arbeiten Dioden, in jeder Anzeige LEDs. Für solche Bauteile gibt es keinen festen Widerstandswert, den man nachschlagen könnte; ihr Verhalten steckt vollständig in der Kennlinie. Wer Kennlinien aufnehmen und lesen kann, kann jedes unbekannte Zweipol-Bauteil charakterisieren und versteht nebenbei, warum eine LED nie ohne Vorwiderstand betrieben werden darf.

Kennlinien sind das Standardwerkzeug der Elektronik seit den ersten Vakuumröhren um 1900: Datenblätter jedes Halbleiterbauteils enthalten bis heute genau die Diagramme, die in diesem Versuch von Hand entstehen.

Nimm die Kennlinie einer Silizium-Diode auf: in Durchlassrichtung von $0$ bis etwa $0{,}75\ \mathrm{V}$ (feine Schritte!), anschließend in Sperrrichtung bis einige Volt. Bestimme die Schwellenspannung.

Die Diode ist ein Halbleiterbauteil mit pn-Übergang. An der Grenzschicht zwischen n- und p-dotiertem Bereich bildet sich eine ladungsträgerarme Zone. In Sperrrichtung verbreitert die äußere Spannung diese Zone: Es fließt praktisch kein Strom. In Durchlassrichtung baut die Spannung die Zone ab; das gelingt erst, wenn die Spannung die innere Grenzschichtspannung überwindet, bei Silizium etwa $0{,}6$ bis $0{,}7\ \mathrm{V}$. Erwartung also: null Strom in Sperrrichtung, ein Knick um $0{,}7\ \mathrm{V}$ in Durchlassrichtung, darüber steiler Anstieg.

Messschaltung mit Diode und Schutzwiderstand in Reihe. Das Voltmeter misst direkt an der Diode (nicht über der Reihenschaltung), sonst enthält die Kennlinie den Schutzwiderstand mit.

Schaltplan mit Diodensymbol (Pfeil = Durchlassrichtung des konventionellen Stroms) und Schutzwiderstand. Für die Sperrmessung wird die Diode im Plan umgedreht eingezeichnet.

Messschaltung wie bei der U-I-Methode: regelbare Gleichspannungsquelle, Amperemeter in Reihe, Voltmeter parallel zum Prüfling. Der Prüfling sitzt in einer Steckfassung und wird zwischen den Zielsetzungen getauscht. Für Diode und LED kommt ein Schutzwiderstand in Reihe dazu.

Schritt 1: Durchlassrichtung: Spannung an der Diode in Schritten von $0{,}1\ \mathrm{V}$ erhöhen, ab $0{,}5\ \mathrm{V}$ in Schritten von $0{,}05\ \mathrm{V}$. Je Schritt $U$ und $I$ notieren.

Schritt 2: Quelle auf null, Diode umpolen.

Schritt 3: Sperrrichtung: Spannung bis einige Volt erhöhen, Strom beobachten.

In Sperrrichtung zeigt das Amperemeter bis mehrere Volt keinen messbaren Strom (unter $0{,}1\ \mathrm{mA}$).

Ventilverhalten bestätigt: In Sperrrichtung fließt kein messbarer Strom, in Durchlassrichtung erst ab der Schwelle. Zwischen $0{,}6$ und $0{,}7\ \mathrm{V}$ wächst der Strom von $8$ auf $80\ \mathrm{mA}$, das Zehnfache bei nur $0{,}1\ \mathrm{V}$ mehr. Von einem „Widerstand der Diode“ zu sprechen ist offensichtlich sinnlos: Der Quotient $U/I$ fällt in diesem kleinen Intervall um fast eine Zehnerpotenz.

Schwellenspannung: Als praktischer Kennwert wird die Spannung angegeben, ab der der Strom merklich einsetzt: hier etwa $0{,}6$ bis $0{,}7\ \mathrm{V}$, typisch für Silizium. Sie ist kein scharfer Schaltpunkt, sondern der Bereich, in dem die Kennlinie steil wird.

Konsequenz für Schaltungen: Wegen des steilen Anstiegs legt nie die Diode selbst ihren Strom fest, sondern immer der übrige Kreis (hier der Schutzwiderstand). Das ist die Grundlage der Vorwiderstandsrechnung in Zielsetzung D.

Die Diode ist ein spannungsgesteuertes Ventil: sperrend unterhalb von etwa $0{,}6\ \mathrm{V}$ und in Gegenrichtung, steil leitend darüber. Ihre Kennlinie ersetzt den nicht existierenden festen Widerstandswert.

Der steile Kennlinienast stellt eigene Anforderungen an die Messtechnik: