Anfängerhandbuch zur Gleichrichterschaltung

Was ist eine Gleichrichterschaltung?

Eine Gleichrichterschaltung ist eine elektronische Schaltung, die Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umwandelt. Die Hauptfunktion einer Gleichrichterschaltung besteht darin, die Wechselspannung und den Wechselstrom in einen unidirektionalen Fluss umzuwandeln. Die Gleichrichterschaltung wird häufig in verschiedenen elektronischen Geräten und Stromversorgungen verwendet, bei denen Gleichstrom erforderlich ist. Sie ist besonders nützlich in Anwendungen wie Stromversorgungen, Batterieladegeräten, Motorantrieben und Audioverstärkern.

Abbildung 1 Gleichrichterschaltung

Arten von Gleichrichterschaltungen

Es gibt mehrere Arten von Gleichrichterschaltungen, die verwendet werden, um Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umzuwandeln. Die Wahl der Gleichrichterschaltung hängt von Faktoren wie der gewünschten Ausgangswellenform, der Effizienz und den Kosten ab. Dies sind die gängigsten Arten von Gleichrichterschaltungen:

Halbwellengleichrichter

Der Halbwellengleichrichter ist die einfachste Art von Gleichrichterschaltung. Er verwendet eine einzelne Diode, um während der positiven Halbwelle der Eingangswechselspannung Strom nur in eine Richtung zu leiten. Die negative Halbwelle ist blockiert, was zu einer pulsierenden Gleichstrom-Ausgangswellenform führt. Der Halbwellengleichrichter ist relativ einfach und kostengünstig, hat aber im Vergleich zu anderen Gleichrichtern einen geringeren Wirkungsgrad und eine höhere Welligkeit.  

Vollweggleichrichter

Der Vollweggleichrichter ist effizienter als der Halbweggleichrichter, da er beide Hälften der Eingangswechselstromwellenform nutzt. Es gibt zwei Arten von Vollweggleichrichtern: Mittelabgriff- und Brückengleichrichter.

• Mittig abgegriffener Vollweggleichrichter: Dieser Gleichrichtertyp verwendet einen mittig abgegriffenen Transformator und zwei Dioden. Die mittig abgegriffene Sekundärwicklung des Transformators teilt die Eingangswechselspannung in zwei Hälften. Jede Diode leitet während einer Halbwelle der Eingangsspannung, was zu einer Ausgangswellenform führt, die beide Hälften der Eingangswellenform kombiniert. Der mittig angezapfte Vollweggleichrichter hat einen höheren Wirkungsgrad als der Halbweggleichrichter, weist aber immer noch eine gewisse Welligkeit auf.
• Brückengleichrichter: Der Brückengleichrichter ist der am häufigsten verwendete Gleichrichterschaltungstyp. Er besteht aus vier Dioden, die in einer Brückenkonfiguration angeordnet sind. Im Gegensatz zum mittig angezapften Gleichrichter benötigt er keinen mittig angezapften Transformator. Der Brückengleichrichter leitet Strom in beiden Hälften der Eingangswellenform und kombiniert sie, um eine glattere DC-Ausgangswellenform zu erzeugen. Er hat einen höheren Wirkungsgrad und eine geringere Welligkeit im Vergleich zu den mittig angezapften und Halbweggleichrichtern.

Brückenloser Gleichrichter

Der brückenlose Gleichrichter ist eine fortschrittliche Gleichrichterschaltung, die darauf abzielt, den Wirkungsgrad weiter zu verbessern und Verluste zu reduzieren. Dadurch werden Dioden in Reihe mit der Last überflüssig, was Spannungsabfälle und Leistungsverluste reduziert. Brückenlose Gleichrichter verwenden zusätzliche Halbleiterbauelemente wie MOSFETs oder IGBTs, um eine Gleichrichtung ohne die herkömmliche Diodenbrücke zu erreichen. Diese Art von Gleichrichter wird häufig in Hochleistungsanwendungen eingesetzt.

Wie funktioniert eine Gleichrichterschaltung?

Durch die Verwendung von Dioden wandelt eine Gleichrichterschaltung Wechselstrom in Gleichstrom um. Dioden sind elektronische Bauelemente, die den Stromfluss nur in eine Richtung zulassen. In einer Gleichrichterschaltung sind die Dioden in einer bestimmten Anordnung positioniert, um die Wechselspannung oder den Wechselstrom gleichzurichten. Verschiedene Arten von Gleichrichterschaltungen funktionieren auf unterschiedliche Weise. Sehen wir sie uns nun genauer an. Halbwellengleichrichter: In einer Halbwellengleichrichterschaltung wird eine einzelne Diode verwendet. Während der positiven Halbwelle der AC-Eingangsspannung leitet die Diode und lässt Strom durch sie fließen, was zu einer positiven Halbwelle der Ausgangswellenform führt. Während der negativen Halbwelle blockiert die Diode jedoch den Strom, was zu keiner Ausgabe führt. Infolgedessen ist die Ausgangswellenform eines Halbwellengleichrichters eine pulsierende DC-Wellenform mit nur der Hälfte der Eingangswellenform. Vollwellengleichrichter: Eine Vollwellengleichrichterschaltung kann entweder mit zwei Dioden oder einer Brückengleichrichterkonfiguration implementiert werden. Betrachten wir der Einfachheit halber die Brückengleichrichterkonfiguration. Der Brückengleichrichter besteht aus vier Dioden, die in einer Brückenanordnung angeordnet sind. Während der positiven Halbwelle der AC-Eingangsspannung leiten zwei Dioden und lassen Strom durch sie fließen, was zu einer positiven Halbwelle der Ausgangswellenform führt. Während der negativen Halbwelle leiten die anderen beiden Dioden und lassen Strom in die entgegengesetzte Richtung fließen, was immer noch zu einer positiven Halbwelle der Ausgangswellenform führt. Infolgedessen ist die Ausgangswellenform eines Vollweggleichrichters im Vergleich zu einem Halbweggleichrichter eine glattere pulsierende Gleichstromwellenform. Sowohl bei Halbweg- als auch bei Vollweggleichrichtern ist die Ausgangswellenform eine pulsierende Gleichstromwellenform. Um die Ausgangswellenform weiter zu glätten und die Welligkeit zu reduzieren, wird häufig nach der Gleichrichterschaltung ein Filterkondensator hinzugefügt. Der Kondensator hilft, während der Spitzen der pulsierenden Wellenform Ladung zu speichern und während der Täler freizugeben, was zu einer glatteren Gleichstromausgabe führt.  

Gleichrichterschaltung mit Kondensator

Eine Gleichrichterschaltung mit einem Kondensator wird allgemein als „Gleichrichter mit Glättungskondensator“ oder „Kondensatoreingangsgleichrichter“ bezeichnet. Es handelt sich um eine Konfiguration, die eine Gleichrichterdiode oder Diodenbrücke mit einem Kondensator kombiniert, um Wechselspannung in eine glattere Gleichspannung umzuwandeln. Das Hinzufügen eines Kondensators in der Gleichrichterschaltung trägt dazu bei, die Welligkeitsspannung zu reduzieren, also die verbleibende Wechselstromkomponente, die im gleichgerichteten Gleichstromausgang verbleibt. Der Kondensator fungiert als Filter und glättet die pulsierende Gleichstromwellenform, indem er während der Spitzen der gleichgerichteten Spannung elektrische Ladung speichert und während der Täler freigibt, wodurch die Lücken zwischen den Spannungsspitzen effektiv gefüllt werden.

Abbildung 2 Vollwellenbrückengleichrichterschaltung mit Kondensatorfilter So funktioniert eine Gleichrichterschaltung mit einem Kondensator: Gleichrichtung: Die AC-Eingangsspannung wird an die Gleichrichterdiode(n) oder Diodenbrücke angelegt, die lässt den Strom nur in eine Richtung fließen und wandelt so die Wechselspannung effektiv in eine pulsierende Gleichspannung um. Die gleichgerichtete Spannung besteht aus Spannungsspitzen, die mit den positiven Halbwellen des Wechselstromeingangs übereinstimmen. Glättung: Die gleichgerichtete Gleichspannung wird dann parallel an einen Kondensator angeschlossen. Während der positiven Halbwellen der gleichgerichteten Spannung lädt sich der Kondensator auf, wenn die Spannung über ihm zunimmt. Der Kondensator speichert elektrische Ladung und fungiert als temporäre Energiequelle. Entladung: Während der negativen Halbwellen der gleichgerichteten Spannung, wenn die Spannung über dem Kondensator unter die gleichgerichtete Spannung fällt, entlädt der Kondensator seine gespeicherte Ladung, um eine kontinuierliche Spannungsversorgung aufrechtzuerhalten. Dieser Entladevorgang hilft, die Lücken zwischen den Spannungsspitzen zu füllen und die Welligkeitsspannung zu reduzieren. Die Fähigkeit des Kondensators, Ladung zu speichern und abzugeben, glättet die gleichgerichtete Spannung, was zu einer stabileren und kontinuierlicheren Gleichstromausgabe führt. Je höher der Kapazitätswert des Kondensators, desto mehr Ladung kann er speichern, was zu einer weiteren Reduzierung der Welligkeitsspannung führt. Die Gleichrichterschaltung mit einem Kondensator wird häufig in Stromversorgungsanwendungen verwendet, bei denen eine relativ niedrige Welligkeitsspannung erforderlich ist. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die Ausgangsspannung solcher Schaltungen immer noch eine gewisse Restwelligkeitsspannung aufweist, die je nach den Anforderungen der jeweiligen Anwendung zusätzliche Filter- oder Regelungstechniken erfordern kann. Zusammenfassend ist eine Gleichrichterschaltung mit einem Kondensator eine Konfiguration, die eine Gleichrichterdiode(n) oder eine Diodenbrücke mit einem Kondensator kombiniert, um Wechselspannung durch Reduzierung der Welligkeitsspannung in eine glattere Gleichspannung umzuwandeln. Der Kondensator fungiert als Filter, der Ladung speichert und freigibt, um die Lücken zwischen den Spannungsspitzen zu füllen und eine stabilere Gleichstromausgabe bereitzustellen.

Gleichrichterschaltung ohne Transformator

Eine Gleichrichterschaltung ohne Transformator wird allgemein als „Kondensatoreingangsgleichrichter“ oder „Kondensatoreingangsfilter“ bezeichnet. Es handelt sich um eine Konfiguration, die Dioden und Kondensatoren verwendet, um Wechselspannung ohne Verwendung eines Transformators in Gleichspannung umzuwandeln.

Abbildung 3 Gleichrichterschaltung ohne Transformator In einer herkömmlichen Gleichrichterschaltung mit Transformator transformiert der Transformator die Hochspannungs-Wechselstrom-Eingangsspannung auf ein niedrigeres Spannungsniveau herunter. In einer Gleichrichterschaltung ohne Transformator ist die Wechselspannung jedoch direkt mit der Gleichrichterschaltung verbunden. So funktioniert eine Gleichrichterschaltung ohne Transformator: Gleichrichtung: Die Wechselstrom-Eingangsspannung wird an eine Diodenbrücke angelegt, die aus vier Dioden besteht, die in einer bestimmten Konfiguration angeordnet sind. Die Dioden wirken als Einwegventile und lassen den Strom nur in eine Richtung fließen. Dadurch werden die negativen Halbwellen der Wechselspannung in positive Halbwellen umgewandelt. Filterung: Nach der Gleichrichtung wird ein Kondensator parallel zum Gleichstromausgang der Diodenbrücke angeschlossen. Der Kondensator wirkt als Filter, um die pulsierende Gleichstromwellenform zu glätten, die von der Diodenbrücke erzeugt wird. Er speichert elektrische Ladung während der Spitzen der gleichgerichteten Spannung und gibt sie während der Täler frei, wodurch die Lücken zwischen den Spannungsspitzen effektiv gefüllt werden. Dieser Prozess trägt dazu bei, die Welligkeitsspannung zu reduzieren, was zu einem stabileren Gleichstromausgang führt. Der Kondensator in der Gleichrichterschaltung ohne Transformator spielt eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung der Welligkeitsspannung, indem er Ladung speichert und entlädt. Es fungiert als temporäre Energiequelle und gewährleistet eine kontinuierlichere Spannungsversorgung der Last. Es ist wichtig zu beachten, dass eine Gleichrichterschaltung ohne Transformator einige Einschränkungen aufweist. Da kein Transformator zum Heruntertransformieren der Spannung vorhanden ist, ist die Schaltung direkt der höheren Spannung des Wechselstromeingangs ausgesetzt. Dies kann Sicherheitsrisiken bergen und erfordert entsprechende Vorsichtsmaßnahmen, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Darüber hinaus bedeutet das Fehlen eines Transformators, dass die Schaltung keine elektrische Isolierung bietet, die in bestimmten Anwendungen erforderlich sein kann. Insgesamt kann eine Gleichrichterschaltung ohne Transformator mithilfe einer Diodenbrücke und eines Kondensators verwendet werden, um Wechselspannung in Gleichspannung umzuwandeln. Es ist jedoch wichtig, die Sicherheitsimplikationen und die spezifischen Anforderungen der Anwendung zu berücksichtigen, bevor eine solche Schaltung implementiert wird.  

Warum eine Gleichrichterschaltung verwenden?

Die Verwendung einer Gleichrichterschaltung ist aus mehreren Gründen vorteilhaft: Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom: Der Hauptvorteil der Verwendung einer Gleichrichterschaltung ist ihre Fähigkeit, Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umzuwandeln. Viele elektronische Geräte und elektrische Systeme benötigen Gleichstrom, um ordnungsgemäß zu funktionieren. Durch Gleichrichtung der Wechselspannung sorgt die Gleichrichterschaltung für einen kontinuierlichen und unidirektionalen Stromfluss, der für den Betrieb verschiedener elektronischer Komponenten unerlässlich ist. Stabilität der Stromversorgung: Gleichstrom ist im Vergleich zu Wechselstrom stabiler und gleichmäßiger. Gleichrichterschaltungen sorgen für einen stetigen Gleichstromfluss und eliminieren die Schwankungen und Richtungsänderungen, die bei Wechselstrom auftreten. Diese Stabilität ist entscheidend für empfindliche elektronische Geräte, die eine konstante und zuverlässige Stromquelle benötigen. Kompatibilität mit elektronischen Komponenten: Viele elektronische Komponenten wie Transistoren, integrierte Schaltkreise und Mikrocontroller arbeiten mit Gleichstrom. Durch die Verwendung einer Gleichrichterschaltung zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom können diese Komponenten mit Strom versorgt werden und ordnungsgemäß funktionieren. Gleichrichterschaltungen stellen sicher, dass die den Komponenten zugeführte Spannung und Stromstärke innerhalb der erforderlichen Bereiche liegen, wodurch Schäden vermieden und eine optimale Leistung sichergestellt wird. Effiziente Stromumwandlung: Gleichrichterschaltungen können bei der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom einen hohen Wirkungsgrad erreichen. Fortschrittliche Gleichrichterdesigns wie Brückengleichrichter haben im Vergleich zu einfacheren Gleichrichterkonfigurationen eine verbesserte Effizienz und geringere Leistungsverluste. Diese Effizienz ist wichtig, um Energieverschwendung zu reduzieren und die Gesamtleistung elektrischer Systeme zu optimieren. Kompatibilität mit Stromquellen: Gleichrichterschaltungen ermöglichen die Nutzung verschiedener Stromquellen, einschließlich des Hauptstromnetzes, Generatoren und erneuerbarer Energiesysteme. Wechselstrom aus diesen Quellen kann leicht gleichgerichtet werden, um den erforderlichen Gleichstrom für verschiedene Anwendungen bereitzustellen. Diese Flexibilität in der Stromquellenkompatibilität macht Gleichrichterschaltungen vielseitig und anpassbar an unterschiedliche Umgebungen und Energiesysteme. Anwendung in verschiedenen Branchen: Gleichrichterschaltungen finden breite Anwendung in zahlreichen Branchen, einschließlich Elektronik, Telekommunikation, Automobil, Luft- und Raumfahrt und erneuerbarer Energie. Sie werden in Stromversorgungen, Batterieladesystemen, Motorantrieben, Beleuchtungssystemen und vielen anderen elektrischen Geräten und Systemen verwendet. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Verwendung einer Gleichrichterschaltung die notwendige Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom ermöglicht und so die Kompatibilität mit elektronischen Komponenten, die Stabilität der Stromversorgung, die Effizienz der Stromumwandlung und die Kompatibilität mit verschiedenen Stromquellen gewährleistet. Diese Vorteile machen Gleichrichterschaltungen zu unverzichtbaren Komponenten in modernen elektronischen Geräten und elektrischen Systemen.

Fazit

Herzlichen Glückwunsch! Sie haben das Ende unseres Anfängerleitfadens zu Gleichrichterschaltungen erreicht. Wir hoffen, dass dieser umfassende Blog Ihnen eine solide Grundlage für das Verständnis der Gleichrichtung und verschiedener Arten von Gleichrichterschaltungen geboten hat. Mit diesem Wissen können Sie nun Gleichrichter in Ihren elektronischen Projekten erkunden und damit experimentieren. Denken Sie daran, dass Gleichrichter eine entscheidende Rolle bei der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom spielen und eine Welt voller Möglichkeiten in der Elektronik eröffnen.