Eine Einführung in Gleichrichterschaltungen

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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.