Die Grundlagen von Gleichrichterschaltungen erkunden

Was ist ein Gleichrichterkreis?

Arten von Gleichrichterschaltungen

• Halbwellengleichrichter: Dies ist der einfachste Gleichrichtertyp, der eine einzelne Diode verwendet. Die Diode lässt die positive Hälfte der Wechselstromwellenform durch, aber die negative Hälfte wird blockiert. Die resultierende Ausgabe ist eine pulsierende Gleichstromwellenform, die nur die Hälfte des ursprünglichen Wechselstromsignals enthält.
• Vollwellengleichrichter-Brückengleichrichter: Dieser Typ verwendet vier Dioden, die in einer Brückenkonstruktion verbunden sind. Er nutzt beide Hälften der Wechselstromwellenform und wandelt positive und negative Zyklen erfolgreich in pulsierenden Gleichstrom um. Dies führt zu einer effizienteren Nutzung des Wechselstroms und einer höheren durchschnittlichen Gleichstromausgangsspannung als ein Halbwellengleichrichter.
• Brückengleichrichter mit Kondensatorfilter: Diese Schaltung basiert auf dem Vollweg-Brückengleichrichter und enthält einen Kondensator. Der Kondensator fungiert als temporärer Speicher, der sich während der Spitzen der pulsierenden Gleichstromwellenform auflädt und während der Täler Energie entlädt. Dies trägt dazu bei, den pulsierenden Gleichstrom zu glätten und eine stabilere Ausgangsspannung zu erzeugen.

Was macht eine Gleichrichterschaltung?

• Stromversorgungsumwandlung: Die meisten elektronischen Geräte benötigen Gleichstrom (DC), um zu funktionieren. Gleichrichter wandeln eingehenden Wechselstrom aus der Wandsteckdose in pulsierende Gleichspannung um, was der erste Schritt zur Stromversorgung Ihrer Geräte ist.
• Signalverarbeitung: In einigen elektronischen Schaltkreisen werden Gleichrichter verwendet, um bestimmte Komponenten eines Wechselstromsignals zu extrahieren, wie etwa den Durchschnittswert aus der oszillierenden Komponente.
• Laden von Batterien: Gleichrichter werden in Batterieladegeräten verwendet, um Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umzuwandeln, der dann zum Laden von Batterien in tragbaren elektronischen Geräten verwendet wird.

Video zum Thema Gleichrichterschaltung

Wie funktioniert eine Gleichrichterschaltung?

• Halbwellengleichrichter: Diese einfache Schaltung verwendet eine einzelne Diode, die als elektrisches Einwegventil fungiert. Während der positiven Hälfte der Wechselstromwellenform lässt die Diode Strom durch den Schaltkreis fließen. Die Sperrvorspannung der Diode blockiert jedoch die negative Halbwelle und blockiert den Stromfluss in diese Richtung. Diese Konstruktion ist zwar erfolgreich, erzeugt jedoch einen pulsierenden Gleichstromausgang und verschwendet während der blockierten Halbwelle Energie. 
• Vollweggleichrichter: Diese effizientere Version verwendet vier Dioden in Brückenanordnung, daher der Name „Brückengleichrichter“. So funktioniert er.
  • Während der positiven Halbwelle der Wechselstromwellenform fließt Strom durch ein Diodenpaar in der Brücke, wodurch positive Spannung durchgelassen wird.
  • Während der negativen Halbwelle leitet das gegenüberliegende Diodenpaar, wodurch Strom im gesamten Schaltkreis in die gleiche Richtung fließt. Dadurch entsteht ein pulsierender Gleichstromausgang mit wesentlich weniger Energieverschwendung als beim Halbwellengleichrichter.

Wie baue ich eine Gleichrichterschaltung?

• Steckbrett
• 9-V-Batterie
• 1N4001-Diode (oder ähnliche Allzweckdiode)
• 220-Ohm-Widerstand
• LED
• Überbrückungskabel

1. Verbinden Sie den Pluspol der Batterie mit einem Ende des Steckbretts.
2. Verbinden Sie den Minuspol der Batterie mit einer anderen Position auf dem Steckbrett.
3. Setzen Sie die Diode auf das Steckbrett und achten Sie dabei darauf, dass die gebänderte Seite zum Minuspol zeigt.
4. Verbinden Sie einen der Widerstandsanschlüsse mit dem Pluspol der Batterie.
5. Verbinden Sie den gegenüberliegenden Anschluss des Widerstands mit der Seite der Diode, die mit dem farbigen Band markiert ist.
6. Verbinden Sie den Pluspol der LED (den längeren Anschluss) mit derselben Position wie den Widerstand, der mit der Diode verbunden ist.
7. Verbinden Sie den Minuspol der LED mit dem Minuspol der Batterie.
8. Schließen Sie Überbrückungskabel an verschiedene Stellen des Schaltkreises an, um Tests und die Spannung zu überwachen.

Wie entwirft man einen Gleichrichterschaltkreis?

1. Definieren Sie Ihre Anforderungen: Eingangs-/Ausgangsspannung und -strom mit einem akzeptablen Welligkeitspegel.
2. Wählen Sie den Gleichrichtertyp: Halbwelle (geringe Leistung), Vollwelle mit Mittelanzapftransformator (effizienter) und Brückengleichrichter (am häufigsten verwendet).
3. Dioden auswählen: Berücksichtigen Sie den Durchlassstrom, die Spitzensperrspannung und den Leckstrom (Schottky-Dioden weisen einen geringeren Leckstrom auf).
4. Filterung (optional): Kondensatoren zum Glätten der Gleichspannung (ändern Sie die Kapazität, um Welligkeit zu reduzieren).
5. Schaltplan und Layout: Erstellen Sie einen Schaltplan und planen Sie das eigentliche Layout auf einer Leiterplatte oder Veroboard.

Welche Gleichrichterschaltung ist für Hochspannung geeignet?

• Effizienz: Brückengleichrichter verwenden beide Seiten der Wechselstromwellenform, wodurch weniger Energie verschwendet wird als bei Halbweggleichrichtern. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn mit Hochspannung gearbeitet wird, da hier die Begrenzung des Leistungsverlusts von entscheidender Bedeutung ist.
• Höhere Ausgangsspannung: Brückengleichrichter erzeugen eine höhere durchschnittliche Gleichstrom-Ausgangsspannung als Halbwellengleichrichter, da sie sowohl den positiven als auch den negativen Anteil der Wechselstromwellenform nutzen können.
• Nennspannung: In Hochspannungsgleichrichterschaltungen verwendete Dioden müssen über eine ausreichende Nennspannung verfügen, um der eingehenden Wechselspannung standzuhalten. Brückengleichrichter sind häufig mit Dioden vorinstalliert, die für bestimmte Hochspannungsanwendungen ausgelegt sind.

Warum Gleichrichterschaltungen verwenden?

• Stromumwandlung: Wie bereits erwähnt, werden Gleichrichter benötigt, um Wechselstrom aus Wandsteckdosen in Gleichstrom umzuwandeln, der von den meisten elektronischen Geräten genutzt werden kann.
• Einfachheit: Einfache Gleichrichterschaltungen, wie z. B. Halbwellengleichrichter, können mit einer kleinen Anzahl von Komponenten entworfen und gebaut werden.
• Effizienz: Vollweg-Brückengleichrichter sind effizienter als Halbweg-Gleichrichter und reduzieren die Energieverschwendung während des Gleichrichtungsprozesses.
• Vielseitigkeit: Gleichrichter können in einer Vielzahl von elektronischen Schaltkreisen verwendet werden, einschließlich Stromversorgung, Signalverarbeitung und Batterieladung.

Anwendungen von Gleichrichterschaltungen

• Stromversorgungen: Gleichrichter sind die erste Stufe in den meisten Stromversorgungen und wandeln Wechselstrom (AC) in pulsierenden Gleichstrom um. Diese Gleichspannung wird dann verarbeitet und geregelt, um die von den elektronischen Komponenten des Geräts benötigten Spannungen zu erzeugen.
• Batterieladegeräte: Viele wiederaufladbare Batterien, wie die in Ihrem Telefon oder Laptop, werden durch Gleichrichtung aufgeladen. Eine Gleichrichterschaltung wandelt den Wechselstrom in Gleichstrom um, bevor er zum Laden in die Batterie eingespeist wird.
• Solarstromsysteme: Um mit dem Stromnetz kompatibel zu sein, wird der von Solarmodulen erzeugte Gleichstrom im Allgemeinen in Wechselstrom umgewandelt. Gleichrichter werden in einigen netzgekoppelten Solarwechselrichtern verwendet, um den Gleichstromausgang von Solarmodulen in eine bestimmte Spannung umzuwandeln, die der Wechselrichter in Wechselstrom für das Netz umwandeln kann.

Fazit