Leistungselektronik Grundlagen Gleichrichter

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Ein Gleichrichter ist eine elektronische Schaltung, welche Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umwandelt. Diese Umwandlung ist für viele elektronische Geräte und Systeme essentiell, da nur sehr wenige Geräte wirklich intern mit einer Wechselspannung arbeiten. Gleichrichter können entweder als fertiges Modul, als Diodengleichrichter-Modul oder als diskret aufgebaute Schaltung vorkommen.

Wechselstrom wechselt die Stromrichtung periodisch, während Gleichstrom in einer konstanten Richtung fließt. Ein Gleichrichter übernimmt die Aufgabe, die negative Halbwelle des Wechselstroms zu eliminieren oder umzuwandeln, sodass am Ausgang eine pulsierende Gleichspannung entsteht. Diese pulsierende Gleichspannung kann durch zusätzliche Komponenten, wie z.B. Kondensatoren und Spannungsregler dann geglättet und stabilisiert werden, was dann am Ende aus dem Wechselstrom einen Gleichstrom macht.

Typen von Gleichrichtern

Halbwellengleichrichter:

Ein Halbwellengleichrichter nutzt nur eine Halbwelle des Wechselstroms. Dies wird typischerweise durch eine einzige Diode erreicht, die nur den positiven oder negativen Teil der Wechselspannung durchlässt. Diese Methode ist einfach, hat jedoch den Nachteil, dass die Leistung ineffizient ist, da nur die Hälfte der Eingangsspannung genutzt wird.

Vollwellengleichrichter:

Ein Vollwellengleichrichter hingegen nutzt beide Halbwellen des Wechselstroms aus. Dies wird entweder durch eine Kombination aus vier Dioden (Brückengleichrichter) oder durch einen Transformator mit Mittelanzapfung und zwei Dioden erreicht. Vollwellengleichrichter sind effizienter als Halbwellengleichrichter, da sie die gesamte Eingangsspannung verwenden.

Brückengleichrichter:

Ein Brückengleichrichter besteht aus vier Dioden, welche so angeordnet sind, dass sie beide Halbwellen des Wechselstroms gleichrichten. Diese Konfiguration bietet eine bessere Effizienz und eine glattere Ausgangsspannung als ein Halbwellengleichrichter.

Der Graetz-Gleichrichter (auch Graetzschaltung, Graetzbrücke oder Zweipuls-Brückenschaltung genannt) ist eine spezielle Form des Brückengleichrichters und wurde von dem deutschen Physiker Leo Graetz entwickelt. Er zeichnet sich durch seine hohe Effizienz und Belastbarkeit aus.

Glättung der Spannung

Eine pulsierende Gleichspannung, welche aus einem Gleichrichter kommt, hat nun aber noch starke Schwankungen, welche in vielen Anwendungen unerwünscht sind. Diese Schwankungen werden durch die Gleichrichtung der Wechselspannung erzeugt, bei der die Halbwellen des Wechselstroms umgeformt werden. Um eine gleichmäßige und konstante Gleichspannung zu erreichen, müssen diese Schwankungen geglättet werden. Hier sind einige Methoden zur Glättung einer pulsierenden Gleichspannung:

Glättungskondensator

Ein Glättungskondensator ist die einfachste Methode zur Glättung einer pulsierenden Gleichspannung. Der Kondensator speichert elektrische Ladung und gibt sie ab, wenn die Spannung abfällt. Der Kondensator wird dabei parallel zur Last am Ausgang des Gleichrichters angeschlossen. Während der Spitzen der Gleichspannung wird der Kondensator aufgeladen, in den Tälern gibt er die gespeicherte Energie ab. Dabei muss die Kapazität des Kondensators an die Last und die gewünschte Glättung angepasst werden. Größere Kapazitäten bieten eine bessere Glättung. Für die Glättung bei einem 12 V Gleichrichter wird häufig ein Elektrolytkondensator mit einer Kapazität zwischen 1000 µF und 4.700 µF verwendet.

RC-Filter

Ein RC-Filter kombiniert einen Widerstand und einen Kondensator. Der Widerstand wird in Serie zur Last geschaltet und der Kondensator parallel zur Last. Der Widerstand verringert die Stromschwankungen, und der Kondensator glättet die Spannung.

LC-Filter

Ein LC-Filter verwendet eine Induktivität (Spule) und einen Kondensator. Diese Methode ist effektiver als ein RC-Filter, insbesondere bei hohen Lastströmen. Dabei wird die Induktivität in Serie und der Kondensator parallel zur Last geschaltet. Die Induktivität blockiert schnelle Stromänderungen und der Kondensator glättet die verbleibenden Spannungswelligkeiten.

Sowohl RC- als auch LC-Filter sind hier als Tiefpass-Filter eingesetzt.

Röhren oder Halbleiter?

Röhren-Gleichrichter

Obwohl Röhren-Gleichrichter weitgehend durch Halbleiterdioden ersetzt wurden, finden sie immer noch Anwendung in bestimmten Bereichen wie der Audio-Technik. Außerdem sind in militärischen und kritischen Infrastrukturanwendungen, bei denen EMP-Schutz (elektromagnetischen Puls) erforderlich ist, die Verwendung von Röhren-Gleichrichtern vorteilhaft, da diese weitaus widerstandsfähiger gegenüber elektromagnetischen Pulsen sind, als Halbleiterdioden.

Röhren für Gleichrichter:

• Die 5U4G ist eine Doppel-Diode-Gleichrichter-Röhre, die in vielen Vintage-Röhrenverstärkern und Radios verwendet wird. Sie ist bekannt für ihre Zuverlässigkeit und hohe Strombelastbarkeit. Anwendung: Häufig in High-End-Audioverstärkern und in der Restaurierung von Vintage-Geräten.

• Die 6X4 ist eine kleine Doppel-Diode-Gleichrichter-Röhre, für kompakte Geräte. Sie bietet eine gute Leistung bei geringer Größe. Anwendung: Vorwiegend in kleinen Audiogeräten und tragbaren Radios.

• Die 5R4 ist bekannt für ihre Robustheit. Sie hat eine höhere Spannungsfestigkeit als viele andere Gleichrichter-Röhren. Anwendung: Hochspannungsnetzteile und industriellen Anwendungen.

• Die EZ80 ist auch als 6V4 bekannt. Primär wurde sie in europäischen Geräten verwendet. Die Vorteile sind ihre Stabilität und Zuverlässigkeit. Anwendung: Häufig in europäischen Röhrenverstärkern und Radios.

Gleichrichter mit Dioden aufbauen

Dioden-Gleichrichter verwenden deutlich effizientere und kompaktere Halbleiterdioden zur Stromwandlung. Sie kommen mittlerweile in fast jedem technischen Gerät zum Einsatz, welches für den Netzbetrieb ausgelegt ist.

Typische Dioden für Gleichrichter:

• Die 1N400x-Serie umfasst Dioden wie 1N4001 bis 1N4007, für unterschiedliche Spannungs- und Stromanforderungen. Anwendung: Häufig in Netzteilen, Ladegeräten und allgemeinen Gleichrichterschaltungen.

• Die 1N540x-Serie umfasst Dioden wie 1N5400 bis 1N5408, für höhere Ströme. Anwendung: In Hochstromanwendungen wie Netzteilen und Motorsteuerungen.

• Schottky-Dioden wie die 1N5819 sind für ihre geringe Vorwärtsspannung und schnelle Schaltzeiten bekannt. Anwendung: In Hochfrequenzanwendungen, Gleichrichtern mit hoher Effizienz und Schaltreglern.

• Die UF400x-Serie (Ultra Fast Recovery) umfasst Dioden wie UF4001 bis UF4007, die für schnelle Schaltanwendungen entwickelt wurden. Anwendung: In Hochfrequenzgleichrichtern, Schaltnetzteilen und Anzeigegeräten.

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