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Freilaufdioden für den Schutz vor Überspannung im Schaltkreis

Wenn zu hohe Spannungen in Bauelementen, Spulen und Motoren erzeugt werden, ist der Einbau von Schutzdioden notwendig, die eine Überspannung ausbalancieren. Es gibt verschiedene Ausführungen, wobei häufig die Freilaufdiode zum Einsatz kommt. Eine Diode ist immer ein elektronisches Bauelement, das in den Stromkreislauf integriert wird und den Strom in eine Richtung passieren lässt, in die andere Richtung jedoch sperrt. Damit wird eine Überspannung verhindert und damit auch eine Beschädigung der Transistoren oder ähnlicher Bauelemente.

Was ist Analogtechnik in der Elektronik?

Eine typische Schaltungstechnik funktioniert nach analogen, digitalen oder gemischten Grundlagen. Die analoge Technik steht in der Elektronik immer mit physikalisch sich ändernden Grössen in Zusammenhang. Das betrifft besonders Energie, Strom und Spannung. Dabei findet bei der Analogtechnik gegenüber der digitalen Technik eine gesteuerte Signalübertragung und Verarbeitung statt. Das Signal kann dabei unendlich viele Wertigkeiten besitzen. Geht es um den Schutz und damit den Einsatz von Dioden, spielt die Analogtechnik natürlich eine wichtige Rolle, da hier der Schaltkreis beeinflusst werden muss, um Überspannungen zu vermeiden. Das Gegenteil einer Freilaufdiode bewirkt ein Operationsverstärker als ein integrierter Schaltkreis, der den Spannungsausgang verstärkt.

Was sind Freilaufdioden?

Eine Freilaufdiode ist eine Schutzdiode und besitzt immer die Aufgabe, die Induktivität der Spannung abzuleiten oder eine induktive Gleichspannungslast abzuschalten. Das ist in einem Elektromotor genauso notwendig wie in der Spule eines Relais oder in einem Zugmagnet, daher sind in solchen Bauelementen immer Dioden verbaut. Freilaufdioden sind Halbleiterdioden und werden parallel zum Gleichstromverbraucher geschaltet. Dadurch werden sie von der Spannung in Sperrrichtung beansprucht, unterbrechen den Stromkreis entsprechend und verhindern die Überspannung. Der Strom fliesst in die ursprüngliche Richtung zurück, sobald er durch die Diode im Fluss begrenzt wurde. Ohne die Freilaufdiode würde es unweigerlich zu einer Beschädigung oder Zerstörung des Bauelements und dessen Schaltstrecke kommen.

Wie funktionieren Freilaufdioden in der Elektronik?

Die Freilaufdiode in einem Schaltkreis sorgt für den Schutz der elektronischen Bauteile und für die Anpassung der Spannungsspitze auf die benötigte Durchlassspannung. Du kannst dir das sehr gut in einem Motor vorstellen: Wenn hier der Strom durch einen Widerstand fliesst, entsteht eine Spannung nach dem ohmschen Gesetz. Diese Spannung ist in ihrer Richtung festgelegt. Wenn du nun den Motor abschaltest, fliesst der Strom mit gleicher Stärke und Spannung weiter, beispielsweise über den Transistor. Da die zusätzliche Spannung zur Betriebsspannung hinzukommt, entsteht eine Überspannung, die den Transistor beschädigen würde. Die Freilaufdiode verhindert, dass der Induktionsstrom am Schaltelement weiterhin Spannung erzeugt. Da an der Diode der Strom nur in eine Richtung durchgelassen wird, ist die Freilaufdiode so verbaut, dass der Normalbetrieb des Motors durch sie nicht gestört wird, jedoch die hohe Spannung beim Ausschalten begrenzt wird.

Wie wird der Strom durch Halbleiter beeinflusst?

Halbleiter gehören zur Schaltungstechnik hinzu und sind dabei immer Stoffe oder Festkörper, die einmal die Eigenschaften von Leitern und zum anderen die von Isolatoren besitzen. Ein häufig verwendetes Material ist Silizium. Ihre elektrische Leitfähigkeit liegt zwischen der von Leitern und Nichtleitern. In der Elektronik haben Halbleiter die Aufgabe, den elektrischen Strom und die Leitfähigkeit durch eine Dotierung zu beeinflussen. Wenn unterschiedlich dotierte Bereiche kombiniert werden, kann der Strom durch eine Diode oder eine Schalterfunktion gesteuert werden. Diese Funktion erfüllen Freilaufdioden als Halbleiterdioden.

Wie funktioniert die Schaltungsentwicklung mit VHDL?

VHDL ist die Abkürzung für „Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language“. Mit VHDL ist es möglich, Schaltungen und verschiedene Systeme von der Definition bis zum Schaltungsentwurf zu verifizieren sowie im Schaltbild sichtbar zu machen und zu berechnen. Die Programmiersprache wurde für die Beschreibung von elektronischen Bauelementen entworfen, kann aber auch für komplexere Schaltkreise und Systeme verwendet werden. Bei der Eingabe wird so das Schaltverhalten sichtbar, ebenso wird durch VHDL die Schaltung synthetisiert und entsprechend optimiert. Die Freilaufdiode übermimmt dabei die Rolle einer Löschdiode, wobei der Löschzweig durch das Vertauschen der Diode mit einem Thyristor steuerbar gemacht wird.

Wie eignet sich eine Freilaufdiode für die Spule eines Relais?

Als Faustformel gilt für die Dimensionierung und den Einsatz von Freilaufdioden, dass der maximale Strom einer Diode dem des Verbrauchers oder Relais entsprechen sollte. Wenn ein Motor Strom in einer bestimmten Höhe verbraucht, ist auch die Freilaufdiode daran anzupassen, um für das Relais geeignet zu sein. Wird eine Relaisspule mit einem Transistor ausgesteuert, entsteht eine hohe Spannung an der Spule durch das Abschalten des Stroms und gleichzeitig auch eine entgegengesetzte Polarität. Dabei wird die Nennspannung überschritten, was ohne die Freilaufdiode zu einer Beschädigung des Transistors führen würde. Dessen Zerstörung wird durch den Einsatz einer Freilaufdiode verhindert, die dort im Relais die Gegenspannung kompensiert.

Was ist ein Oszilloskop?

In Verbindung mit der elektrischen Spannung ist auch das Oszilloskop wichtig. Es stellt die Spannung über ihren zeitlichen Verlauf dar oder genauer: es ist in der Lage, die Zeit und die physikalische Grösse der Spannung zu messen. Wenn zeitlich oder periodisch wiederkehrende Signale sichtbar gemacht werden müssen, ist das Oszilloskop ein wichtiges Messgerät. Es gibt analoge und digitale Modelle, wobei die digitalen Ausführungen die Daten über einen Bildschirm anzeigen. Gemessen wird die Spannung

  • innerhalb der Gleichspannung,
  • in Versorgungsnetzen mit niederfrequenten Spannungen,
  • in der Tontechnik und
  • bei Computern, TV- und Radiogeräten mit hochfrequenten Signalen.

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