Ratgeber
Arrays gehören zu den Grundbausteinen moderner Elektronikschaltungen. Darunter ist der Zusammenschluss mehrerer, in der Regel gleichartiger Bauelemente in einem einzigen Chip zu verstehen, deren Funktion ansonsten mit diskreten Teilen realisiert werden müsste. Arrays sind platzsparender und meist kostengünstiger als die einzelnen Komponenten sowie schneller montierbar. Zu den wichtigsten Arrays gehören aus Dioden aufgebaute Gleichrichter-Arrays, deren Details wir Ihnen in unserem Ratgeber vorstellen.
Diese Arrays werden seit vielen Jahren sowohl in digitalen als auch in linearen Schaltungen verwendet. Man findet sie häufig in Anwendungen wie Computer- und Peripherie-Ports, in Treiberschaltungen, Hochfrequenz-Datenleitungen, Schnittstellennetzwerken, LAN- und WAN-Netzwerken und vor allem in Schaltnetzteilen.
Im Vergleich zu diskreten Dioden verfügen die Dioden in einem Array über gleichartige elektrische Eigenschaften. Brückenschaltungen aus Arrays bieten beispielsweise eine wesentlich symmetrischere Ausgangsspannung, da die Schleusenspannungen der einzelnen Bauelemente sich kaum unterscheiden. Zudem zeigen sie ein gleiches thermisches Verhalten, was die Kühlung vereinfacht. Besitzen die Amplituden der gleichgerichteten Halbwellen gleichmäßige Höhen, verringert sich außerdem der Aufwand der nachfolgenden Lade- und Siebschaltungen zur Beibehaltung der zulässigen Ripple-Werte.
Üblicherweise enthalten diese Arrays mindestens zwei Dioden, die mit ihrer Kathode oder ihrer Anode zusammengeschaltet sind und so bei drei Anschlussdrähten gemeinsame Kathoden oder eine gemeinsame Anoden bieten Es stehen außerdem noch Module mit serieller Verbindung der Dioden zur Verfügung.
Neben den Belastungswerten von Strom, Spannung und Temperatur spielt die Technologie der Dioden eine große Rolle. Unterschieden wird dabei zwischen klassischen Siliziumdioden und Schottky-Dioden.
Der Silizium-Typ
Eine Siliziumdiode besitzt eine positive und eine negative Seite. Die Verbindung zwischen den beiden Schichten wird als PN-Übergang bezeichnet. Die beiden unterschiedlich geladenen Seiten sind das Ergebnis unterschiedlicher Elemente, die dem Silizium hinzugefügt worden sind. Die positive Seite – die Anode – ist mit Bor oder Gallium dotiert. Ihre atomare Struktur erzeugt in Verbindung mit dem Silizium die positive Ladung. Durch die Zugabe von Phosphor oder Arsen entsteht auf ähnliche Weise die negative Kathode aus N-Typ-Silizium.
Siliziumdioden benötigen eine Vorwärtsspannung von 0,7 Volt. Das bedeutet, dass 0,7 Volt angelegt sein müssen, um die Diode mit Strom zu versorgen. Sobald diese Energiemenge durch die Diode fließt, leitet sie elektrischen Strom über ihren PN-Übergang. Sie blockiert dabei den meisten Strom in umgekehrter Richtung, wirkt gegenüber Wechselstrom also als Gleichrichter.
Der Schottky-Typ
Die Schottky-Diode ist eine Art Metall-Halbleiter-Diode. Sie wird durch den Übergang eines Halbleiters mit einem Metall gebildet.
Schottky-Dioden-Arrays schalten schnell und verfügen über einen geringen Abfall der Durchlassspannung.
Während in einer Siliziumdiode die P- und N-Schicht miteinander verbunden sind, um einen PN-Übergang zu bilden, nutzt der Schottky-Typ Metalle wie Platin oder Aluminium als Übergangsschicht.
Vorteile des Schottky-Dioden-Arrays sind die geringe Kapazität der Dioden, die schnelle Erholungszeit in Sperrrichtung, eine hohe Stromdichte sowie eine Einschaltspannung von lediglich 0,2 bis 0,3 Volt. Der einzige Nachteil ist der relativ große Sättigungsrückstrom.
Die kleinsten Ausführungen der Gleichrichter sind in oberflächenmontierbaren Gehäusen – kurz SMD – untergebracht. Dazu zählen beispielsweise TO-236, TO-252 oder TO-263. Für noch engere Platzverhältnisse stehen die Gehäuseformen SC-61, SC-70, SC-85 und SC-89 zur Verfügung. Trotz kleiner Bauform lassen sich auch in einem TO-263-Gehäuse Gleichrichterdioden für Strombelastungen bis zu 15 Ampere unterbringen, was die Konstruktion von sehr kompakten Geräten ermöglicht.
Wichtig ist in jedem Fall das Temperaturmanagement. Auf eine ausreichende Abführung der entstehenden Verlustwärme durch Kühlkörper und ähnliche Maßnahmen ist unbedingt zu achten. So verfügen denn auch Typen für mittlere Leistungen über Kunststoffgehäuse wie sie von Transistoren mit hohen Leistungen bekannt sind. Die Montage auf der Platine erfolgt in konventioneller Through-Hole-Technik, kurz THT.
Gleichrichter-Dioden in einem blockförmigen Gehäuse vom Typ TO-240 oder ähnlich bieten Strom- beziehungsweise Spannungsbelastbarkeiten von bis zu 195 Ampere und 1600 Volt. Diese Bauformen eignen sich für die Montage in Schaltschränken in Verbindung mit Kühlkörpern oder Kühlflächen. Die Befestigung erfolgt über Schraubverbindungen, die Verdrahtungen über Schraubanschlüsse an der Oberseite des Gehäuseblocks.
In erster Linie hängt die Auswahl eines Gleichrichters von den Anforderungen ab.
Kriterien sind die elektrischen Leistungsdaten wie maximale Strom- und Spannungswerte in Durchfluss- sowie in Sperrrichtung und ob das Array eine gemeinsame Kathode oder eine gemeinsame Anode zur Verfügung stellen muss.
Zu beachten sind dabei sowohl die im Betrieb auftretenden Dauerlasten als auch mögliche Spitzenwerte von Strom und Spannung. Wichtig sind in diesem Zusammenhang aber die thermischen Vorgaben der Arrays.
Kommt es auf einen hohen Wirkungsgrad an, sind Schottky-Dioden-Arrays zu bevorzugen verwendet. Sie eignen sich besonders für Schaltungen zur Gleichrichtung von Wechselspannungen höherer Frequenz, wie sie zum Beispiel in Schaltnetzteilen vorkommen.
Was ist unter Ripple-Werten zu verstehen?
Der Begriff Ripple bezeichnet unerwünscht verbliebene Wechselstromanteile nach der Umwandlung von Wechsel- zu Gleichspannungen. Selbst wenn versucht wird, alle Wechselstromkomponenten zu beseitigen, bleibt immer noch ein gewisser Rest übrig, der die Gleichstromwellenform pulsieren lässt. Diese unerwünschte Wechselstromkomponente wird auch als Restwelligkeit bezeichnet. Der Restwelligkeitsfaktor gibt an, wie erfolgreich ein Einweggleichrichter Wechselspannung in Gleichspannung umwandelt. Er steht für das numerische Verhältnis zwischen dem Effektivwert der Wechselspannung auf der Eingangsseite und der Gleichspannung des Gleichrichters auf der Ausgangsseite.
Was passiert, wenn eine Gleichrichterdiode ausfällt?
Eine ausgefallene Gleichrichterdiode kann einen Kurzschluss verursachen. In diesem Fall weist die Gleichrichterdiode in beiden Richtungen einen geringen Widerstand auf. Die häufigsten Gründe für den Ausfall sind ein zu hoher Vorwärtsstrom und eine hohe Sperrspannung. In der Regel führt eine zu hohe Sperrspannung zu einem Kurzschluss der Gleichrichterdiode, während sie bei Überstrom mit geöffnetem Durchgang ausfällt.
Verändert sich die Funktion einer Gleichrichterdiode mit der Temperatur?
Eine Erhöhung der Temperatur führt dazu, dass die Gleichrichterdiode bei niedrigeren Spannungen einschaltet, sie also über eine geringere Sperrspannung verfügt. Je nach Stromstärke und damit einhergehend der Verlustwärme verschiebt sich die Kurve um einige Millivolt pro Grad Celsius.