Dioden-Durchlassspannung: Werte, Formel und Messmethode

Jede Diode verliert beim Leiten eine gewisse Spannung. Dieser Verlust ist der Durchlassspannungsabfall, und er bestimmt, wie viel Spannung an Ihrer Last ankommt, wie viel Wärme Ihr Bauteil erzeugt und ob Ihre Niederspannungsschiene noch funktioniert.

Dieser Leitfaden behandelt die typische Durchlassspannung nach Typ, die zugrundeliegende Formel, was sie verändert, wie man sie mit einem Multimeter misst und warum sie in realen Schaltungen wichtig ist.

Was ist der Durchlassspannungsabfall einer Diode?

Der Durchlassspannungsabfall einer Diode ist die Durchlassspannung (Vf), die an einer Diode abfällt, wenn Strom von der Anode zur Kathode fließt. Er wird auch als Durchlassspannungsabfall oder Durchlassspannung (Vf) bezeichnet.

Durchlassspannung (Vf) ist die Spannung, die über einer Diode gemessen wird, während sie in Durchlassrichtung leitet. Der Strom tritt an der Anode ein und verlässt die Kathode. Während die Diode leitet, baut sich über dem Übergang eine Durchlassspannung auf. Der genaue Wert hängt vom Strom, der Temperatur und dem Aufbau der Diode ab.

Eine ideale Diode hat einen Spannungsabfall von 0 V und verhält sich wie ein perfekter Schalter. Eine reale Diode verliert immer etwas Spannung, da ihr Halbleiterübergang ein Mindestpotential zum Leiten benötigt. Diese verlorene Spannung wird in Wärme umgewandelt und erreicht die Last nie. Beim Entwurf einer Leiterplatte stellt die Überprüfung des standardmäßigen Diodensymbols und der Ausrichtung sicher, dass die Durchlassbedingungen korrekt eingerichtet sind.

Abbildung: In Durchlassrichtung geschaltete Diode, verbunden mit einer Batterie und einem Widerstand, zeigt einen Spannungsabfall von 0,7 V an der Diode und die verbleibende Spannung am Lastwiderstand.

Tabelle zum Durchlassspannungsabfall von Dioden nach Diodentyp

Die Durchlassspannung hängt vom Halbleitermaterial und bei LEDs von der emittierten Farbe ab. Verwenden Sie diese Tabelle als schnelle Referenz und bestätigen Sie den Wert dann anhand des Datenblatts des Bauteils.

Häufige Fehler zum Durchlassspannungsabfall von Dioden

• Annahme, dass jede Diode 0,7 V abfallen lässt
• Ignorieren von Temperatureffekten
• Verwendung der LED-Durchlassspannung als festen Wert
• Entwurf anhand typischer Werte anstelle von Datenblattwerten

#1 Spannungsabfall einer Siliziumdiode

Silizium ist der Standard. Die meisten Siliziumdioden arbeiten im Bereich von 0,6–0,8 V. Ingenieure runden dies auf einen Abfall von 0,7 V, wobei Leistungsgleichrichter bei ihrem Nennstrom höher liegen.

• 1N4148 (Signal): ~0,7 V
• 1N4007 (Gleichrichter): bis zu ~1,1 V bei 1 A

#2 Spannungsabfall einer Schottky-Diode

Eine Schottky-Diode verwendet anstelle eines PN-Übergangs einen Metall-Halbleiter-Übergang. Ergebnis: niedrigere Durchlassspannung, höhere Effizienz, schnellere Schaltzeiten. Nachteil: höherer Sperrverluststrom.

Beispielbauteile: 1N5817, 1N5819, SS14 (alle leicht über die Bauteile-Produktseite auf JLCPCB erhältlich). Die Durchlassspannung beträgt typischerweise 0,15-0,45 V.

#3 Spannungsabfall einer Germaniumdiode

Germanium hat einen Abfall von etwa 0,3 V. Wird für Signaldetektion und klassische Kristallradioschaltungen verwendet. Beispiel: 1N34A.

#4 Spannungsabfall einer LED

Eine LED ist eine Diode, die eine viel höhere Spannung abfallen lässt als Silizium, und der Wert korreliert mit der Farbe. Beachten Sie die obige Tabelle für typische LED-Durchlassspannungen, von Rot bei etwa 2 V bis Weiß bei etwa 3,3 V.

#5 Spannungsabfall einer Zenerdiode

In Durchlassrichtung verhält sich eine Zenerdiode wie eine normale Siliziumdiode, etwa 0,7 V. Ihr Zweck ist die Sperrrichtung, wo sie bei einer festen Durchbruchspannung (Vz) leitet. Verwechseln Sie die Durchlassspannung Vf nicht mit der Sperrspannungsangabe Vz. Genau wie bei der Wahl zwischen einem BJT und einem MOSFET hängt die Wahl des richtigen Betriebsmodus von Ihren Leistungs- und Schaltanforderungen ab.

#6 Spannungsabfall einer schnellen Erholungsdiode (Fast Recovery Diode)

Diese Dioden haben eine ähnliche Durchlassspannung wie Standard-Siliziumdioden, sind aber für hohe Schaltgeschwindigkeiten optimiert, was sie in Schaltnetzteilen und Hochfrequenzgleichrichtern üblich macht.

Abbildung: Vergleich der Durchlassspannungsabfälle von Germanium-, Schottky-, Silizium-, Gleichrichter- und LED-Dioden.

Warum haben Dioden einen Spannungsabfall?

Die PN-Übergangsbarriere

Wo P-Typ- und N-Typ-Silizium aufeinandertreffen, diffundieren Ladungen und hinterlassen eine Verarmungszone mit einem eingebauten elektrischen Feld. Dieses Feld stellt eine Potentialbarriere dar. Strom kann erst fließen, wenn die angelegte Spannung diese überwindet.

Warum Silizium als 0,7-V-Diode bezeichnet wird

0,7 V ist die Spannung, die unter typischen Bedingungen eine Silizium-Übergangsbarriere überwindet. Es ist eine technische Näherung, keine feste Konstante. Die tatsächliche Vf hängt vom Strom und der Temperatur ab.

Warum die Durchlassspannung (Vf) einer Diode nicht fest ist

Die I-V-Kennlinie einer Diode ist exponentiell, kein abrupter Schalter. Unterhalb von 0,7 V fließt ein kleiner Strom, und es gibt keine harte Ein-/Aus-Schwelle. Vf verschiebt sich auch mit dem Strom, was im nächsten Abschnitt behandelt wird.

Faktoren, die den Durchlassspannungsabfall einer Diode beeinflussen

#1 Diodenstrom

Mehr Durchlassstrom bedeutet eine höhere Vf. Der Anstieg ist allmählich, da die Beziehung logarithmisch ist, aber er ist real: Eine Diode bei 5 A hat einen höheren Spannungsabfall als dieselbe Diode bei 5 mA.

Abbildung: I-V-Kennlinie einer Siliziumdiode, die einen Anstieg der Durchlassspannung mit zunehmendem Strom zeigt.

#2 Diodentemperatur

Die Vf von Silizium fällt um etwa -2 mV/°C. Eine heißere Diode hat einen geringeren Spannungsabfall. Dies ist wichtig für die thermische Stabilität: Wenn eine Diode heißer wird, sinkt ihre Vf, wodurch mehr Strom fließt, was sie weiter erhitzt. In Schaltungen mit hohem Strom kann dieser Effekt zu einem thermischen Durchgehen beitragen, wenn der Strom nicht richtig begrenzt wird.

Die Sicherstellung korrekter thermischer Profile während des Reflow-Lötprozesses ist entscheidend, um empfindliche PN-Übergänge vor übermäßiger Hitzeschädigung zu schützen.

#3 Halbleitermaterial

• Silizium: ~0,7 V
• Germanium: ~0,3 V
• Schottky: 0,15–0,45 V

#4 Bauteilstruktur

• Signaldioden: kleine Übergänge, mäßiger Strom
• Leistungsgleichrichter: größere Übergänge, arbeiten mit hohem Strom
• Hochstrombauteile: Vf steigt unter Volllast

Größere Leistungsgleichrichter weisen aufgrund höherer Betriebsstromstärken und des Bauteilaufbaus oft eine höhere Durchlassspannung bei ihrem Nennstrom auf.

So berechnen Sie den Durchlassspannungsabfall einer Diode

Methode 1: Schnelle technische Näherung

Für schnelle manuelle Berechnungen nehmen Sie einen festen Spannungsabfall an und subtrahieren ihn von der Versorgungsspannung.

Beispiel: Eine 5-V-Schiene durch eine Siliziumdiode ergibt 5 V - 0,7 V = 4,3 V für die Last.

Methode 2: Verwendung der Shockley-Diodengleichung

Für exaktes Verhalten verwenden Sie die Shockley-Diodengleichung:

• Is: Sperrsättigungsstrom
• n: Idealitätsfaktor, 1 bis 2 für reale Dioden
• VT: Temperaturspannung, ≈25,85 mV bei 25 °C
• VD: Spannung über der Diode

Die Gleichung zeigt, dass der Strom exponentiell mit der Spannung ansteigt. Für die meisten Entwurfsarbeiten reichen die feste Näherung oder die Datenblattkurve aus.

Methode 3: Verwendung von Dioden-Datenblattkurven

Der genaueste Wert stammt aus dem Datenblatt des Bauteils.

1. Identifizieren Sie die Diode
2. Finden Sie ihr Datenblatt
3. Lokalisieren Sie das Vf-If-Diagramm
4. Lesen Sie Vf bei Ihrem Betriebsstrom ab
5. Passen Sie die Temperatur an

Abbildung: Diagramm Durchlassstrom vs. Durchlassspannung aus einem Dioden-Datenblatt, das zeigt, wie die Betriebs-Vf ermittelt wird.

Fallstudie: Datenblattwerte von 1N4007 vs. 1N5819

Reale Bauteile liefern konkrete Zahlen anstelle von runden Näherungen:

• 1N4007: Vf = 1,1 V bei If = 1 A
• 1N5819: Vf ≈ 0,45 V bei If = 1 A

Durchlassspannungsspezifikationen um 1,1 V bei 1 A sind in Datenblättern der 1N4007 üblich. Gleicher Strom, sehr unterschiedlicher Abfall, da die 1N5819 eine Schottky-Diode ist.

So messen Sie den Durchlassspannungsabfall einer Diode mit einem Multimeter

Warnung

Schalten Sie die Schaltung stromlos und entladen Sie die Kondensatoren vor dem Testen. Für genaue Messungen in der Schaltung isolieren Sie einen Diodenanschluss.

1. Schalten Sie die Stromversorgung aus
2. Entladen Sie die Kondensatoren
3. Stellen Sie das Messgerät auf Diodentestmodus
4. Schließen Sie die rote Messspitze an die Anode an
5. Schließen Sie die schwarze Messspitze an die Kathode an
6. Lesen Sie die angezeigte Vf ab
7. Vertauschen Sie die Messspitzen, um OL (Open Line / Überlauf) zu bestätigen

Der Diodentestmodus legt einen kleinen Teststrom an, typischerweise im Mikroampere- bis Milliamperebereich, abhängig vom Messgerät, sodass die Messwerte unter der nominalen 0,7 V liegen. Eine gesunde Diode zeigt in einer Richtung einen Durchlasswert und in der anderen Richtung OL. Derselbe Messwert in beide Richtungen bedeutet eine kurzgeschlossene Diode.

Abbildung: Digitalmultimeter im Diodentestmodus, das eine Siliziumdiode misst, wobei die Messspitzen in Durchlassrichtung angeschlossen sind.

Warum der Durchlassspannungsabfall einer Diode im Schaltungsentwurf wichtig ist

Verlustleistung einer Diode

Jede leitende Diode wandelt Leistung als Wärme um:

P = Vf * If

Bei höheren Strömen erzwingt die Wärmeentwicklung einen Kühlkörper oder ein Bauteil mit niedrigerer Vf.

Effizienz von Gleichrichterdioden

• Einweggleichrichter: ein Diodenabfall
• Zweiweggleichrichter (Mittenanzapfung): ein Abfall im Pfad
• Brückengleichrichter: zwei Abfälle im leitenden Pfad

Ein Brückengleichrichter führt typischerweise zwei Diodenabfälle im leitenden Pfad ein, was die Effizienz bei Niederspannungsversorgungen beeinträchtigt.

Abbildung: Brückengleichrichterschaltung, die den Stromfluss durch zwei leitende Dioden und den resultierenden Durchlassspannungsverlust zeigt.

Durchlassspannungsabfall einer Diode beim Verpolungsschutz

Ein geringerer Abfall bedeutet weniger verschwendete Spannung und Wärme im Schutzpfad.

Hinweis

Die Wahl einer Schottky-Diode mit niedriger Vf aus einer verifizierten Bauteilebibliothek, wie z. B. der JLCPCB Bauteilebibliothek, hält den Schutzverlust gering.

Diode in der Niederspannungselektronik

Der Diodenabfall macht sich am meisten bemerkbar, wo die Versorgungsspannung klein ist:

• 3,3-V-Systeme
• Batteriebetriebene Geräte
• IoT-Knoten
• USB-betriebene Schaltungen

Bei einer 3,3-V-Schiene verschwendet ein Siliziumabfall von 0,7 V mehr als ein Fünftel der Versorgungsspannung. Eine Schottky-Diode oder ein Ideal-Dioden-MOSFET holt den Großteil davon zurück. Diese Auswahl während der frühen Phase der PCBA- vs. PCB-Designüberlegungen verhindert Spannungseinbrüche und Layout-Probleme im weiteren Verlauf.

Verwandeln Sie Ihren Schaltungsentwurf in eine fertige Leiterplatte

Behalten Sie den Diodenabfall im Hinterkopf, wann immer er eine Niederspannungsschiene belastet oder Wärme erzeugt. Wenn Sie bereit sind zu bauen, bietet JLCPCB hochzuverlässige Leiterplattenbestückung (PCBA) und Prototypenfertigungsdienste an.

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Häufig gestellte Fragen (FAQs) zum Durchlassspannungsabfall von Dioden

F: Was ist der Spannungsabfall über einer Diode?

Der Durchlassspannungsabfall (Vf) ist die Menge an elektrischem Potential, die verloren geht, wenn Strom von der Anode zur Kathode fließt. Er liegt typischerweise zwischen 0,6 V und 0,8 V für Silizium-PN-Dioden und ist für Schottky-Bauteile viel niedriger (0,15 V bis 0,45 V).

F: Warum beträgt der Spannungsabfall einer Siliziumdiode etwa 0,7 V?

Die 0,7-V-Schwelle ist eine standardmäßige technische Näherung, die die Potentialbarriere der Verarmungszone des PN-Übergangs darstellt. Im realen Betrieb ändert sich dieser Wert dynamisch basierend auf dem Betriebsstrom und der Temperatur.

F: Was ist der Spannungsabfall einer Schottky-Diode?

Schottky-Dioden haben typischerweise einen Spannungsabfall zwischen 0,15 V und 0,45 V. Da sie einen Metall-Halbleiter-Übergang anstelle eines traditionellen PN-Übergangs verwenden, erreichen sie eine höhere Leistungseffizienz und schnellere Schaltzeiten.

F: Was ist der Spannungsabfall einer LED?

Der Spannungsabfall einer Leuchtdiode korreliert direkt mit ihrer Farbe: Rote LEDs liegen bei etwa 1,8 V bis 2,2 V, während grüne, blaue und weiße LEDs bis zu 3,0 V bis 3,8 V benötigen, um vollständig zu leiten.

F: Wie berechnet man den Spannungsabfall über einer Diode?

Für schnelle Schätzungen verwenden Sie Standardwerte wie 0,7 V für Silizium oder 0,3 V für Schottky. Für präzise technische Berechnungen konsultieren Sie das Datenblatt für die Kennlinie des Durchlassstroms über der Durchlassspannung oder wenden Sie die Shockley-Diodengleichung an.

F: Steigt der Durchlassspannungsabfall einer Diode mit dem Strom?

Ja, Vf steigt allmählich mit zunehmendem Strom. Diese nichtlineare Beziehung ist logarithmisch, was bedeutet, dass höhere Ströme zu größeren Durchlassspannungsverlusten über dem Halbleiterübergang führen.

F: Beeinflusst die Temperatur die Durchlassspannung einer Diode?

Ja. Silizium hat einen negativen Temperaturkoeffizienten von etwa -2 mV/°C. Wenn sich der Übergang erwärmt, sinkt die Potentialbarriere, wodurch der Durchlassspannungsabfall fällt.

F: Wie misst man den Durchlassspannungsabfall einer Diode mit einem Multimeter?

Schalten Sie die Schaltung stromlos, entladen Sie Kondensatoren, stellen Sie Ihr Messgerät auf die Diodeneinstellung und legen Sie die rote Messspitze an die Anode und die schwarze an die Kathode, um die aktive Vf zu messen. Vertauschen Sie die Messspitzen, um OL (Open Line / Überlauf) zu bestätigen.

F: Was ist der Spannungsabfall über einem Brückengleichrichter?

Ein Zweiweg-Brückengleichrichter führt zwei Diodenabfälle in Reihe innerhalb des aktiven Strompfades ein. Bei Standard-Siliziumdioden führt dies zu einem kumulativen Spannungsverlust von etwa 1,4 V.

Fazit

Der Durchlassspannungsabfall einer Diode ist die Durchlassspannung, die eine Diode beim Leiten verliert, und variiert je nach Technologie: Silizium nahe 0,7 V, Schottky viel niedriger, LEDs viel höher. Strom, Temperatur und der Aufbau des Bauteils verschieben den Wert, daher liefern Datenblattkurven die genaueste Angabe. Die Messung von Vf mit einem Multimeter im Diodentestmodus ist eine schnelle, zuverlässige Überprüfung für Fehlersuche und Bauteilauswahl.