Eine Einführung in Gleichrichterschaltungen 27. Juni 2016 von Donald Krambeck Eine wichtige Einsatzmöglichkeit der Diode findet sich im Design der Gleichrichterschaltung wieder. Vereinfacht dargestellt, wandelt diese Schaltung Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) um. Dies ist ein elementarer Schaltkreis für ein AC-zu-DC Stromversorgungsdesign. Die Gleichrichterschaltung Um eine Schaltung mit Energie zu versorgen, wird eine Stromversorgung benötigt. Und falls du ein Elektrogerät über eine Wechselstromquelle antreiben willst, dann wird ein Gleichrichter benötigt. Abbildung 1.1 stellt ein schematisches Diagramm einer Gleichstrom-Stromversorgung dar. Es gibt eine 120V (RMS) 60Hz AC-Leitung welche die Stromversorgung speist, die eine Spannung VO für die elektronischen Schaltung (Ladungsblock) liefert. VO muss eine stabile DC-Spannung haben, um die korrekte Funktion des elektronischen Schaltkreises sicherzustellen. Abbildung 1.1 Wenn man sich das Diagramm ansieht, sehen wir zuerst den Transformator. Dieser Trafo ist ein Abwärtstransformator, der eine hohe Wechselspannung in eine niedrigere Wechselspannung zum Eingang in den Gleichrichter „herunterstuft“. Dieser Transformator besteht aus zwei separaten Spulenwicklungen (primäre und sekundäre Spule), die eine unterschiedliche Anzahl von Windungen haben, N1 für die primäre und N2 für die sekundäre. Somit kann die AC-Spannung vS als 120(N2/N1)V (RMS) geschrieben werden und wird zwischen den beiden Endpunkten der sekundären Spule gemessen. Danach wandelt der Dioden-Gleichrichter die AC-Spannung vS in eine DC-Spannung um. Diese Spannung wird starke Schwankungen aufweisen und ist somit nicht geeignet für den elektronischen Schaltkreis. Ein Filter wird für den Ausgleich der Schwankungen verwendet. Allerdings wird die Spannung auch nach der Filterung Schwankungen aufweisen, die als Restwelligkeit bekannt sind. Letztendlich wird ein Spannungsregler verwendet, um die Restwelligkeit stark zur reduzieren und eine zuverlässige Gleichstromzuleitung aufzubauen. Halbwellengleichrichterschaltung Der Halbwellengleichrichter eliminiert die negativen Abschnitte der Eingangssinuskurve. In Abbildung 1.2 (A) wird der Halbwellengleichrichter dargestellt. In diesem Artikel werden wir das Modell des konstanten Spannungsabfalls (CVD) einer Diode aufgrund dessen Einfachheit verwenden. Durch dieses Modell wird uns gegeben v0=0 wenn vS<VD Gleichung 1.1 (A) v0=vS−VD wenn vS≥VD Gleichung 1.1 (B) wobei VD ≈ 0,7V. Die obigen Gleichungen führen zur Übertragungscharakteristik dargestellt in Abbildung 1.2 (B). Abbildung 1.2 (C) zeigt die Ausgangsspannung die gegeben ist, wenn die Eingangsspannung vS sinusförmig ist. Abbildung 1.2 (A) Der Halbwellengleichrichter Abbildung 1.2 (B) Übertragungscharakteristik der Gleichrichterschaltung Abbildung 1.2 (C) Eingangs- und Ausgangskurvenverläufe Wenn bestimmt werden soll, welche Dioden in einer Gleichrichterschaltung zu verwenden sind, dann gibt es zwei Dinge zu beachten: 1. Die Diodenfähigkeit Stromstärke zu handeln, welche auf Basis der größten Stromstärke gewählt werden muss, die voraussichtlich durch die Diode geleitet wird, und 2. Die Spitzensperrspannung (PIV), welche die höchste Sperrspannung ist, welche an der Diode anliegen wird; die Diode muss fähig sein, die PIV auszuhalten. Wenn man sich Abbildung 1.2 (A) ansieht, dann können wir feststellen, dass wenn die Spannung vS negativ ist, die Diode ausgeschaltet wird und die Spannung vO einen Wert von Null haben wird, was zu einer Sperrspannung in der Diode in der Größenordnung vS führt. Deshalb ist PIV der Scheitel von vS: PIV = VS Gleichung 1.2 wobei VS (mit einem großen V) den Scheitelwert der Eingangssinuskurve darstellt. Ein zu beachtender Punkt ist, dass die Schaltung ganz klar nicht effektiv arbeiten wird, wenn der Scheitelwert der Eingangskurve nicht signifikant höher als VD ist. Beispielsweise wird ein Sinuseingang mit einem Scheitelwert von 200mV überhaupt nicht gleichgerichtet wird, da die Diode nie „eingeschaltet“ wird, sprich, es wird niemals signifikante Strommengen leiten. Vollwellengleichrichterschaltung Im Gegensatz zum Halbwellengleichrichter kann der Vollwellengleichrichter sowohl den negativen als auch den positiven Bereich der AC-Eingangsspannung verwenden. Um ein einpoligen Ausgang zu erzielen, muss der negative Bereich der Sinuswellenform invertiert werden. Dies kann durch Verwendung der Schaltung in Abbildung 1.3 (A) erreicht werden. Abbildung 1.3 (A) Vollwellengleichrichterschaltung; der Transformator hat eine Mittelpunktanzapfung in der Sekundärspule In dieser Konfiguration hat die Sekundärspule des Abwärtstransformators eine sogenannte „Mittelpunktanzapfung“. Eine Mittelpunktanzapfung, oder CT, ist ein elektrischer Kontakt, der auf halber Höhe der Wicklung besteht. Diese CT wird verwendet, um zwei gleiche Spannungen, vS, über beide Hälften der Sekundärspule des Transformators zu liefern. Wenn die Eingangsspannung positiv ist, dann werden beide vS Signale auch positiv sein und wenn die Eingangsspannung größer als VD wird, dann wird Diode D1 leiten und Diode D2 wird in Sperrrichtung vorgespannt sein. Der Strom der in Diode D1 fließt wird auch durch Widerstand R fließen und dann zurück zum CT. Die Schaltung verhält sich wie ein Halbwellengleichrichter während der positiven Halbwelle einer Eingangssinuskurve. Während der negativen Halbwelle werden beide vS Spannungen negativ sein. Jetzt ist Diode D1 in Sperrrichtung vorgespannt und Diode D2 ist leitend. Der Strom der durch D2 fließt, wird dann durch Widerstand R fließen und dann zurück zum CT. Dadurch fließt der Strom während beider Halbwellen und außerdem wird der Strom durch den Wiederstand immer in die gleiche Richtung fließen. Das Ergebnis ist eine einpolige Ausgangsspannung, wie in Abbildung 1.3 (C) gezeigt wird. Abbildung 1.3 (B) Übergangscharakteristik für den Vollwellengleichrichter Wenn wir den Schaltungsbetrieb während einer positiven Halbwelle betrachten, ist die Spannung an der Kathode von D2 (vS - VD) und die Spannung an der Anode von D2 ist -vS. Die PIV ist somit (VS - VD) - (-VS): PIV = 2VS - VD Gleichung 1.3 Beachte, dass die PIV grob das Doppelte eines Halbwellengleichrichters beträgt. Abbildung 1.3 (C) Eingangs- und Ausgangskurvenverläufe Fazit In diesem Artikel haben wir den Zweck einer Gleichrichterschaltung als auch zwei Arten von Gleichrichter besprochen: den Halbwellengleichrichter und den Vollwellengleichrichter. Gleichrichter sind elementare Schaltungen für Stromquellen, die eine AC-Eingangsspannung in eine DC-Stromquelle umwandeln, die in elektronischen Schaltungen verwendet werden kann. Wir haben gesehen, dass Halbwellengleichrichter wechselnde Halbwellen der Eingangskurve verwenden, während Vollwellengleichrichter sowohl positive als auch negative Halbwellen nutzen.
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