Gleichrichter werden in der Elektrotechnik zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung verwendet. Die Umwandlung erfolgt durch meistens aktive elektronische Bauteile wie Halbleiterdioden, Thyristoren, oder spezielle Elektronenröhren die zu den entsprechenden Zeitpunkten die sich zeitlich ändernde Wechselspannung so umschalten, dass eine Gleichspannung zu erhalten ist. Anwendung zur Energieversorgung finden Gleichrichter beispielsweise in Netzteilen für die Versorgung von elektronischen Geräten, oder auch um Gleichstrommotoren an Wechselspannungsnetzen betreiben zu können. Weiteres gibt es Anwendungen in der Nachrichtentechnik als Hüllkurvendetektor oder in der elektrischen Messtechnik als präziser Messwertgleichrichter.
| Mechanischer Hochspannungsgleichrichter.jpg | Mercury Arc Rectifier.jpg]] | Selen-Gleichrichter.jpg |
Die ersten Gleichtrichter zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung waren mechanische Vorrichtungen welche durch eine rotierende Bewegung synchron zum Verlauf des Wechselspannung eine laufende Umschaltung und damit eine gleichrichtende Wirkung erzielten. Diese mechanischen Gleichrichter sind der auch noch heute eingesetzte rotierende Kommutator bei Gleichstromgeneratoren und Umformern. Der Kommutator ist auf der Generatorachse montiert und besitzt daher den zeitlich synchronen Bezug zum Verlauf der Wechselspannung in den Rotorspulen. Da an Kommutatoren relativ hoher Verschleiß an den Kohlebürsten auftritt, werde heute solche Gleichstromgeneratoren nur noch bei kleiner Leistung eingesetzt bzw. der mechanische Kommutator durch elektronische Halbleiter ersetzt.
Elektrostatische Luftfilter, welche eine hohe Gleichspannung für die elektrostatische Anziehung von Staubpartikel benötigen, wurden früher mit mechanischen Gleichrichtern ausgestattet. Dabei wurde die mechanische Konstruktion zur Gleichrichtung aus einem Hochspannungstransformator mit Wechselspannung versorgt und ein rotierendes Rad mit elektrischen Kontakten ermöglichte die zeitgenaue Umschaltung der Wechselspannung. Angetrieben wurden dieses Gleichrichterrad durch einen Synchronmotor welcher den zeitlichen Bezug zwischen der Drehbewegung und der zeitlichen Änderung der Wechselspannung sicherstellte.
Weitere Entwicklungen war der Quecksilberdampfgleichrichter, welcher auch bei größeren Leistungen eingesetzt werden konnte. Ein Quecksilberdampfgleichrichter besteht aus einem Glaskolben in dem unten eine Kathode mit einem Quecksilbersee ist. Darüber wölbt sich ein Glaskolben, der das Quecksilber wieder kondensiert. Seitlich sind wie Arme Glaskolben mit Graphitelektroden als Anoden angeschmolzen. Elektronen können nur durch das bei Entladungen verdampfte Quecksilber vom See zu den Graphitelektroden fließen.
Später wurden die ersten Halbleitergleichrichter in Form von Selen-Plattengleichrichter erfunden. - Eine Selenplatte hat je nach Herstellung eine Sperrspannung von 15 bis 50 V und einen relativ hohen Flusswiderstand von ca. 30 Ohm. Um große Spannungen gleichzurichten und um die Abwärme abzuleiten, wurden die Selenplatten gestapelt und mit Kühlflächen versehen, was diesem Gleichrichtern ein charakteristisches Aussehen verlieh.
Mitte des 20. Jahrhunderts wurden vor allem in Detektor-Empfängern die Detektorkristalle aus Bleiglanz oder Pyrit benützt: Ein Halbleiter-Metall-Übergang der aus einem Halbleiterkristall und einer tastenden Metallspitze bestand und durch die gleichrichtende Eigenschaft dieses Übergangs zur AM-Demodulation für den Rundfunkempfang eingesetzt werden konnte.
Gesteuerte Gleichrichter müssen über eine zusätzliche Steuerung verfügen, welche festlegt, zu welchen Zeiten welcher Schalter geöffnet und wann er geschlossen sein muss, um eine gleichrichtende Wirkung zu erzielen. Manche dieser elektronischen Schalter können den Strom auch in beide Richtungen fließen lassen - erst durch die zeitlich genaue Ansteuerung der Schalterstellung synchron zur Änderung der Wechselspannung wird die gleichrichtende Eigenschaft realisiert. Sie werden daher Synchrongleichrichter genannt. Gesteuerte Gleichrichter bestehen heute aus elektronischen und daher fast trägheitslose Schaltelementen wie Thyristoren und MOSFETs. Früher gab es Gleichrichter mit mechanischen Kontakten ähnlich einem Relais, welche eine wechselspannungssynchrone Schwingung ausführten. Diese Kontaktgleichrichter zählten ebenfalls zur Gruppe der Synchrongleichrichter. Weiterhin waren u.a. zur Realisierung von Phasenanschnittsteuerungen Thyratrons im Einsatz.
Bei ungesteuerten Gleichrichtern erfolgt der Umschaltvorgang ohne eine zusätzliche Steuerelektronik nur aufgrund der anliegenden elektrischen Spannungen (Potentialdifferenz) an den Dioden. Dabei wird die Eigenschaft von Dioden ausgenutzt, elektrischen Strom nur in einer Richtung fließen zu lassen. Beispiele ungesteuerter Gleichrichter sind die heute meist üblichen Halbleiterdioden. Aber auch heute weniger gebräuchliche Elektronenröhren (Röhrendiode) sowie Quecksilberdampf-Gleichrichter zählen zu dieser Gruppe.
Die Glättung ist umso besser, je höher die Kapazität des Kondensators bzw. je höher die Induktivität der Spule ist und je geringer der Laststrom ist. Zu beachten ist, dass die entstehende Brummspannung eventuell ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Wechselspannung aufweist. Wird beispielsweise eine Wechselspannung mit der Frequenz von 50 Hz mittels Zweiwegegleichrichter (Brückengleichrichter) gleichgerichtet, so hat die dabei entstehende Brummspannung eine Grundfrequenz von 100 Hz, also dem doppelten der ursprünglichen Frequenz.
Im folgenden sind einige typische Gleichrichterschaltungen mit Dioden skizziert, welche vor allem im Bereich von Netzteilen kleinerer bis mittlerer Leistung Einsatz finden. Sie dienen zur Gewinnung von Gleichspannung aus der Wechselspannung des öffentlichen Stromversorgungsnetzes.
Die Schaltung wird von vier Dioden gebildet: die links anliegende Wechselspannung, welche beispielsweise direkt von einem Transformator kommt, wird in eine pulsierende Gleichspannung, rechts dargestellt, umwandelt. Da es sich dabei um eine Zweiwegegleichrichtung handelt, erscheint die negative Halbwelle der Wechselspannung im Gleichstromkreis am Verbraucher R ausschließlich positiv. Wie bei allen Gleichrichtertypen muss auch bei dieser Gleichrichterschaltung die Sperrspannung der Gleichrichterdioden mindestens doppelt so groß wie die Spitzenspannung der Wechselspannung gewählt werden.
Bei dem Mittelpunktgleichrichter werden ebenfalls beide Halbwellen der Wechselspannung gleichgerichtet. Allerdings ist dazu ein Transformator mit Mittelpunktanzapfung notwendig, der gleichzeitig einen Pol der gleichgerichteten Ausgangsspannung bildet. Der Vorteil dieser Schaltung liegt darin nur mit zwei Dioden D1 und D2 auszukommen. Der Nachteil dieser Schaltung ist der spezielle Transformator mit entsprechender Windung mit Mittelpunktanzapfung.
In der Halbperiode, in der die Diode in Durchlassrichtung betrieben wird, wird eine Spannung am Ausgang aufgebaut. Die Diode wird in der zweiten Halbperiode in der Sperrrichtung betrieben. Es fließt also kein Strom durch die Diode und es kann so keine negative Spannung aufgebaut werden. Somit ist die Wechselspannung gleichgerichtet.
Die Gleichspannung muss in der Regel noch geglättet werden. Die Welligkeit hat die Frequenz der Eingangsspannung.
Wert der Brummspannung bei Einweggleichrichtung:
Anwendung findet diese Gleichrichterschaltung beispielsweise bei elektrischen Straßenbahnen welche fast immer mit Gleichspannungen von 500V bis 750V betrieben werden. Diese Schaltung wird auch in Kraftfahrzeugen bei der Lichtmaschine eingesetzt. Die Lichtmaschine ist heute fast immer als ein Drehstromgenerator ausgeführt, dessen Wechselspannung für das Laden der Autobatterie erst in Gleichspannung umgewandelt werden muss.
| Full-wave rectifier3.png | Waveform fullwave rectifier3.png |
Eingesetzt werden Synchrongleichrichter beispielsweise auf PC-Hauptplatinen zur Versorgung des Hauptprozessors (CPU). In diesen Schaltreglern werden Spannung im Bereich von 0.5 V bis 2 V bei Strömen über 40 A gleichgerichtet.
Steuerbare Gleichrichter mit Thyristoren als Ventile sperren den Strom in beide Richtungen, bis an der Steuerelektrode eines Ventils ein Zündimpuls erfolgt. In nebenstehender Grafik ist der Zündimpuls der Thryistoren unten als blauer Rechteck eingezeichnet. Auch nach Erlöschen des Steuerpulses bleibt der Stromfluss (rot eingezeichnet) bestehen und nur durch die zeitliche Verschiebung des Einschaltzeitpunktes ist eine Leistungsregelung möglich. Erst wenn der Strom unter einen bestimmten Schwellwert (Haltestrom) sinkt, sperrt der Thyrister wieder und muss in der nächsten Halbwelle wieder neu gezündet werden. Es gibt allerdings auch GTO-Thyristoren, die auch das Sperren eines Ventils durch einen Impuls erlauben. Allerdings weisen diese GTO-Thyristoren vergleichsweise schlechte elektrische Parameter auf und werden zunehmend durch IGBTs ersetzt.
Hat ein Brückengleichrichter voll steuerbare Zweige, ist mit ihm Vier-Quadrantenbetrieb möglich, d.h. er kann bei entsprechender Steuerung sowohl Energie aus der Wechselstromseite in die Gleichstromseite liefern als auch umgekehrt. Die entsprechende Schaltung wird auch als H-Brücke bezeichnet.
Präzisionsgleichrichter in der Messtechnik sind analoge Schaltungen welche als aktives Bauelement einen oder mehreren Operationsverstärker umfassen. Mit Hilfe der Reglereigenschaft und der Möglichkeiten der Rückkopplungen können mit herkömmlichen, verlustbehafteten Dioden funktionell ideale Dioden ohne Spannungsverlust am Gleichrichter gebildet werden.
Nebenstehende Abbildung zeigt einen vereinfachten Einweggleichrichter für messtechnische Anwendungen, mit den Eingangsklemmen "Vi" für den Wechselspannungsanschluss und die Ausgangsklemmen "Vo" an welchen die Gleichspannung ausgegeben wird. Der Operationsverstärker dient dazu, um die Vorwärtsspannung der Diode zu kompensieren. Die eigentliche Gleichrichtung erfolgt weiterhin durch die Diode. Diese einfache Schaltung hat in Praxis allerdings einige Nachteile wie Sättigungsprobleme des Operationsverstärkers, weshalb in angewandten Präzisionsgleichrichtern meist kompliziertere Schaltungen zum Einsatz kommen.
Die Spule und der Drehkondensator stellen dabei einen Resonanzkreis dar, welcher auf die hochfrequente Trägerfrequenz abgestimmt ist. Diese empfangene Spannung, deren Amplitude in Abhängigkeit des Nutzsignals variiert, wird über die Diode gleichgerichtet wodurch am Kopfhörer als Spannungsverlauf die Hüllkurve des Nutzsignals anliegt - die höheren Frequenzanteile der Sendefrequenz werden durch parasitäre Kapazitäten im Kopfhöhrer unterdrückt.
Diese Form der Empfänger ist nicht besonders empfindlich und nur für den Empfang naher und starker Sender geeignet. Das zugrundeliegende Prinzip kommt aber auch noch in heutigen Rundfunkempfängern bei Empfang von amplitudenmodulierten Signalen zum Einsatz.
Ausserdem tritt bei Gleichrichtern, wie bei allen nichtlinearen Schaltungen, eine spezielle Form der Blindleistung auf, die in der Literatur nicht einheitlich als Verzerrungsblindleistung oder als Verzerrungsleistung bezeichnet wird und sich ähnlich wie die Blindleistung auswirkt. Dabei handelt es sich im Gegensatz zu der Blindleistung, welche auch Verschiebungsblindleistung genannt wird und durch eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom in der Grundwelle ausgezeichnet ist, um eine Form der Blindleistung die durch die Oberwellen gebildet wird. Diese Verzerrungsblindleistung ist nicht durch eine einzige Phasenverschiebung zu beschreiben, belastet allerdings ebenso wie die Verschiebungsblindleistung ohne Nutzen zusätzlich Leitungen und ist daher im allgemeinen unerwünscht. Durch die Leistungsfaktorkorrektur in Netzteilen wird auch die Verzerrungsblindleistung minimiert.
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