Grundlagen - Gleichrichter

erstellt 28.02.2009

Gleichrichter

Gleichrichter bestehen aus einer oder mehrere Dioden oder genauer gesagt Halbleiterdioden.
Halbleiterdioden lassen in einer Richtung den Strom durch während sie in die andere Richtung den Strom sperren.

Wenn der Pluspol der Spannungsquelle an der Anode liegt und Minus an der Katode
(Kathode ist die Seite an der sich im Allgemeinen der Markierungsring befindet)
betreibt man die Diode in Durchlassrichtung.
Sobald die Spannung groß genug ist,um den internen Raumladungseffekt zu überwinden,
nimmt der Strom der Diode rasch zu und die Lampe würde leuchten.
Das ist bei Silizium Dioden bei ca. 0,6 Volt und bei Germanium Dioden bei ca. 0,3 Volt der Fall. Gl1

Zwischen Durchlassspannung und Strom besteht ein exponentieller Zusammenhang welcher stark abhängt
von der Sperrschicht Temperatur der Diode.
Betrachten wir z.B. einmal die Allerweltsdiode 1N4148 bei der man bei einer Raumtemperatur von 25° ab Spannungswerte
von ca 0,4 Volt einen Strom nachweisen kann der bei ca. 10 uA liegt.
Bei einer Umgebungstemperatur von 100°C kann man schon einen Strom von 0,2mA messen,
was gegenüber der Raumtemperatur von 25°C einen Stromanstieg um das zwanzig Fache bedeutet.
Daran erkennen wir dass das Verhalten einer Diode stark temperaturabhängig ist.
Die Durchlassspannung einer 1N4148 liegt typischerweise bei 0,6 bis 0,7 Volt bei einer Raumtemperatur von 25°C
und Ströme im Bereich von 0,5 bis 3 mA.
Bei größeren Strömen steigt die Durchlassspannung an und kann
bei einer 1N4148 bis zu 1, 2 Volt betragen.

Einweggleichrichter
Zum Erzeugen von Gleichspannungen gibt es zum Beispiel (Batterien) und (Akkus). Sie erzeugen eine Gleichspannung durch Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Eine Alternative ist das Erzeugen einer Gleichspannung aus einer Wechselspannung. Dazu macht man sich die Ventilwirkung des pn-Übergangs von Halbleiterdioden zu nutze.
Am Eingang der Einweg-Gleichrichterschaltung wird eine ganz gewöhnliche sinusförmige Wechselspannung angelegt.
Die Einweg-Gleichrichterschaltung besteht aus eine einfachen Diode. Die Polung der Diode bestimmt ob ein positiver oder ein negativer Spannungswert am Ausgang der Schaltung anliegt. Dadurch dass die Halbleiterdiode den Strom nur in eine Richtung durchlässt, sperrt sie die vom Wechselstrom Ue kommende zweite Halbwelle.
Am Ausgang der Einweg-Gleichrichterschaltung entsteht eine pulsierende Gleichspannung. Da der Strom nur in eine Richtung durch die Diode fließt, fehlt die jeweils zweite Halbwelle der Wechselspannung in der Ausgangsspannung Ua. Unter ohmscher Belastung (Widerstand R) bricht die pulsierende Gleichspannung auf UDC mit einer Restwelligkeit zusammen.
Bei der Einweg Gleichrichtung kommt man mit einer Diode aus was allerdings den Nachteil birgt das die Ausgangsspannung keine reine Gleichspannung ausmacht sondern eine stark pulsierende Gleichspannung. Um daraus eine saubere reine Gleichspannung zu erzeugen wird dahinter in der Regel ein Kondensator aufgeladen der sich beim Spannungs Höchstpunkt auflädt und seine Spannung dann wieder abgibt wenn die minimale Spannung anliegt daraus resultiert dann ohne Belastung, eine Ausgangsspannung von Eingangs Spitzenspannung minus die über der Diode abfallende Durchbruchspannung von ca. 0,6 Volt.
Zweiweggleichrichter
Die Mittelpunkt-Zweiweg-Gleichrichterschaltung wird als Zweipuls-Mittelpunktschaltung bezeichnet. Sie setzt einen Trafo mit einer Mittelanzapfung voraus, in den der Strom zurückfließen kann. Durch die beiden Dioden wird der Strom der beiden Halbwellen der Eingangsspannung Ue über einen Punkt der Schaltung geführt. Auf einer gemeinsamen Leitung werden die Ströme zum Trafo zurückgeführt.

Das Ausgangssignal hat die doppelte Frequenz gegenüber der Einweg Gleichrichtung, weil in dieser Schaltung beide Halbwellen genutzt werden. Dies setzt allerdings einen Trafo mit Mittelanzapfung voraus.

Brückengleichrichter

Es gibt sie in vielfältigen Formen, aber alle haben eines gemeinsam,
sie enthalten alle mehrere Dioden.

Dann gibt es noch Brückengleichrichter mit 6 interne Dioden bestimmt für Drehstrom oder 3 Phasen Strom

Funktion eines Brückengleichrichter

Der Trafo gibt eine Wechselspannung ab, die Spannung wechselt damit innerhalb einer bestimmten Zeit ihre Polarität( Richtung) .
In dieser Skizze ( oberhalb ) haben wir also am oberen Trafo Ausgang angenommen erst einmal die positive Spannung anliegen.
Damit fließt der Strom durch die obere linke Diode zum Verbraucher ( R1) und von da wieder zurück durch die unterer rechte Diode zum Trafo.
Betrachten wir die Kurve auf der rechten Seite so erkennen wir das die obere halbe Welle der Sinuskurve am Ausgang erscheint.
Allerdings nur immer in der Fase in der auch am oberen Trafoanschluss Plus anliegt.

Nun haben wir die Situation das am oberen Trafo Anschluss die negative Spannung anliegt
und damit am unteren Trafoanschluss Plus anliegt.
Also fließt der Strom vom unteren Anschluss aus Betrachtet durch die rechte obere Diode
zum Verbraucher (R1) und dann über die linke untere Diode wieder zurück zum Trafo.
Somit sieht die Kurve am Ausgang gleich aus wie im ersten Beispiel gezeigt, eben nur zeitlich etwas versetzt.

Wenn wir nun annehmen das diese vorangegangenen Situationen zeitlich schnell hintereinander passieren,
dann bekommen wir am Ausgang eine Kurve die durch die Addition der ersten und zweite Kurve zustande kommt.

Hier ist der gleiche Gleichrichter wie in den oberen Schaltungen angezeigt,
allerdings nur etwas anders gezeichnet.
In dieser Anordnung sind die Dioden einer Gleichrichter Schaltung meistens
auch auf Platinen verbaut.

Brummspannung

Eine Brummspannung entsteht wenn die erzeugte Gleichspannung noch einen gewissen Anteil an Wechselspannung enthält.
In erster Linie ist dafür der Ladekondensator zuständig, dieser sollte möglichst nahe am Gleichrichter platziert werden,
weil sich der Ladeelko Impuls förmig auflädt ensteht auf der Leiterbahn wenn sie zu klein bemessen oder zu lang ist ein gewisser
Spannungsabfall welcher dazu beiträgt das sich der Elko nicht schnell genug aufladen kann.
Sollte er dann nicht seine volle Ladekapazität erreichen kann er in seiner Entlade fase nicht genug Energie abgeben ,
wobei die Gleichspannung dann einen gewissen Anteil von Wechselspannung behält.
Dieser Wechselspannungsanteil wird dann möglicherweise von einem nachfolgenden Verstärker verstärkt ,
und macht sich dann bei einem evtl. angeschlossenen Lautsprecher als 100 Hz Brummton bemerkbar.
Daher der Ausdrück Brummspannung.
In zweiter Linie ist die Brummspannung von der Belastung abhängig, also je kleiner der Lastwiderstand umso größer die Brummspannung.
Extrem groß kann die Brummspannung auch werden wenn einer der vier Dioden defekt ist welches auch daran zu erkennen ist
das die Frequenz des brummen sich in seiner Frequenz halbiert.
Ein funktionierender Brücken Gleichrichter erzeugt eine 100 Hz Brummton, bei einer defekten Diode sind es dann nur noch 50 Herz.

Aktualisiert 06.03.2024