Kapitel 5 - Anwendung von Dioden
Kapitel 5 - Anwendung von Dioden
Kapitel 5 - Anwendung von Dioden
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5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong> in<br />
Stromversorgungseinheiten<br />
Stromversorgungseinheiten („Netzgeräte“) erzeugen die <strong>von</strong><br />
elektronischen Schaltungen benötigten Gleichspannungen.<br />
Sie bestehen in der Regel aus drei Blöcken:<br />
• Transformator<br />
• Gleichrichter und Glättungskondensator (Abschnitt 5.1)<br />
• Spannungsstabilisierung (Abschnitt 5.2)<br />
Im Transformator wird die Netzwechselspannung in eine Wechselspannung<br />
der benötigten Größe transformiert und im Gleichrichter<br />
gleichgerichtet. Der Glättungskondensator verringert die<br />
Welligkeit dieser Gleichspannung. Die Spannungsstabilisierung<br />
gleicht Schwankungen <strong>von</strong> Netzspannung und Belastung aus.<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
1
5.1. Netzgleichrichtung mit <strong>Dioden</strong><br />
In dieser Vorlesung werden folgende Gleichrichterschaltungen<br />
für Wechselstrom und Drehstrom betrachtet:<br />
• Einpuls-Mittelpunktschaltung (M1, Einweggleichrichter)<br />
• Zweipuls-Brückenschaltung (B2, Graetz-Brücke)<br />
• Dreipuls-Mittelpunktschaltung (M3)<br />
• Sechspuls-Brückenschaltung (B6, Drehstrombrücke)<br />
I<br />
In allen Beispielen wird <strong>von</strong><br />
„idealen <strong>Dioden</strong>“ ausgegangen.<br />
U<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
2
Einpuls-Mittelpunktschaltung (a)<br />
Bei der Einpuls-Mittelpunktschaltung (auch M1-Schaltung, Einweggleichrichter)<br />
leitet die Diode nur während der positiven Halbwelle<br />
der Wechselspannung u s .<br />
u AK<br />
u P u S u d R<br />
u S = û S sin(ωt + φ u )<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
ωt<br />
ωt<br />
3
Einpuls-Mittelpunktschaltung (b)<br />
Die Ausgangsspannung der Einpuls-Mittelpunktschaltung<br />
wird<br />
praktisch immer geglättet.<br />
Dies geschieht am einfachsten<br />
durch Parallelschaltung eines<br />
Glättungskondensators.<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
u AK<br />
u P u S u d R<br />
C<br />
Stromflusswinkel<br />
ωt<br />
Mittl. Spannung am Verbraucher:<br />
4
Einpuls-Mittelpunktschaltung (c)<br />
Scheitelwert der<br />
gleichgerichteten<br />
Spannung<br />
Zeitl. Mittelwert<br />
der gleichgerichteten<br />
Spannung<br />
Ohne Glättung:<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
Maximale Sperrspannung<br />
an der<br />
Diode<br />
Ohne Glättung:<br />
Mit Glättung:<br />
5
Einpuls-Mittelpunktschaltung (d)<br />
Mit Glättungskondensator:<br />
Periodische Spannungsdifferenz am Glättungskondensator<br />
Mittelwert der gleichgerichteten Spannung<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
6
Zweipuls-Brückenschaltung (a)<br />
Die Zweipuls-Brückenschaltung (auch B2-Schaltung, Graetz-Brücke)<br />
ist die wichtigste Gleichrichterschaltung für Einphasen-Wechselstrom.<br />
Ohne Glättungskondensator<br />
ωt<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
uS ud C R<br />
ωt<br />
Mit Glättungskondensator<br />
7
Zweipuls-Brückenschaltung (b)<br />
Scheitelwert der<br />
gleichgerichteten<br />
Spannung<br />
Zeitl. Mittelwert<br />
der gleichgerichteten<br />
Spannung<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
Maximale Sperrspannung<br />
an den<br />
<strong>Dioden</strong><br />
Ohne Glättung: Mit und ohne Glättung:<br />
8
Zweipuls-Brückenschaltung (c)<br />
Mit Glättungskondensator:<br />
Periodische Spannungsdifferenz am Glättungskondensator<br />
Mittelwert der gleichgerichteten Spannung<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
9
Zweipuls-Brückenschaltung (d)<br />
Fertig verschaltete Brückengleichrichter<br />
sind in unterschiedlichen<br />
Leistungsstufen verfügbar.<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
10
Dreipuls-Mittelpunktschaltung (a)<br />
Für mittlere Leistungen ab einigen Kilowatt aufwärts werden<br />
Drehstromgleichrichter wie die Dreipuls-Mittelpunktschaltung<br />
(M3) oder die Sechspuls-Brückenschaltung (B6) eingesetzt:<br />
• Im Vergleich zu den bisher betrachteten Gleichrichterschaltungen<br />
für einphasigen Wechselstrom ist die Welligkeit der<br />
gleichgerichteten Spannung kleiner.<br />
• Der Aufwand für die Glättung ist aus diesem Grund geringer.<br />
Oft kann auf eine Glättung sogar ganz verzichtet werden.<br />
• Eine typische <strong>Anwendung</strong> dieser Gleichrichterschaltungen<br />
findet sich bei Straßenbahnen, die oft mit Gleichspannungen<br />
<strong>von</strong> 500…750 V betrieben werden. Sie werden auch in den<br />
heute üblichen KFZ-Drehstromgeneratoren eingesetzt.<br />
(In beiden Fällen ohne weitere Glättung).<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
11
Weitere<br />
Bezeichnung:<br />
M3-Schaltung<br />
Dreipuls-Mittelpunktschaltung (b)<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
12
Dreipuls-Mittelpunktschaltung (c)<br />
Scheitelwert der<br />
gleichgerichteten<br />
Spannung<br />
Zeitl. Mittelwert<br />
der gleichgerichteten<br />
Spannung<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
Maximale Sperrspannung<br />
an den<br />
<strong>Dioden</strong><br />
13
Weitere<br />
Bezeichnung:<br />
B6-Schaltung,<br />
Drehstrombrücke<br />
Sechspuls-Brückenschaltung (a)<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
14
U<br />
Sechspuls-Brückenschaltung (b)<br />
„Plus-<strong>Dioden</strong>“<br />
Verlauf der Ausgangsspannung (Differenz<br />
zwischen „Plus- und Minus-<strong>Dioden</strong>“)<br />
„Minus-<strong>Dioden</strong>“<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
ωt<br />
15
Sechspuls-Brückenschaltung (c)<br />
Scheitelwert der<br />
gleichgerichteten<br />
Spannung<br />
Zeitl. Mittelwert<br />
der gleichgerichteten<br />
Spannung<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
Maximale Sperrspannung<br />
an den<br />
<strong>Dioden</strong><br />
16
Beispiel: KFZ-Drehstromgenerator<br />
Erregerdioden<br />
DrehstromwicklungD<br />
Spannungsregler<br />
30<br />
31<br />
+<br />
–<br />
15<br />
D+<br />
D–<br />
U<br />
DF<br />
D–<br />
G<br />
D+<br />
B–<br />
B+<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
+<br />
zu den Verbrauchern<br />
–<br />
Plus-<br />
<strong>Dioden</strong><br />
Minus-<br />
<strong>Dioden</strong><br />
Erregerwicklung<br />
17
Übungsaufgabe 5.1<br />
Die Ausgangsspannung einer B2-Gleichrichterbrücke versorgt einen<br />
Lastwiderstand R = 50 Ω und wird mit Hilfe eines Kondensators C<br />
geglättet. Die Wechselspannung am Eingang des Gleichrichters hat<br />
eine Frequenz <strong>von</strong> 50 Hz. Sie wird <strong>von</strong> einem Transformator geliefert,<br />
der Innenwiderstand des Trafos kann vernachlässigt werden.<br />
An den <strong>Dioden</strong> fällt eine Durchlassspannung <strong>von</strong> 0,75 V ab.<br />
i) Der Widerstand soll eine Leistung P = 5 W aufnehmen. Wie<br />
groß muss der Kondensator C sein, damit die Spannung am<br />
Widerstand um maximal ±0,1 V schwankt?<br />
ii) Welchen Effektivwert muss der Trafo liefern, damit sich am<br />
Widerstand eine mittlere Gleichspannung <strong>von</strong> 5 V einstellt?<br />
iii) Welche Sperrspannung müssen die <strong>Dioden</strong> aushalten können?<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
18
Übungsaufgabe 5.1, Simulation zu (i)<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
19
Übungsaufgabe 5.1, Simulation zu (ii)<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
20
50<br />
45<br />
Übungsaufgabe 5.2 (a)<br />
Eine Gleichrichterschaltung für Netzspannung mit f = 50 Hz ist als<br />
einpulsige Mittelpunktschaltung (M1) mit Belastungswiderstand R<br />
und Glättungskondensator C ausgeführt. Auf dem Oszilloskop zeigt<br />
sich der folgende Verlauf der Ausgangsspannung:<br />
U / V<br />
90° 180° 270° 360° ωt<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
21
Übungsaufgabe 5.2 (b)<br />
i) Bestimmen Sie aus dem Diagramm den Stromflusswinkel Θ, die<br />
Stromflusszeit t s und den Mittelwert U d der gleichgerichteten<br />
Spannung.<br />
ii) Welche Ladung Q wird dem Glättungskondensator C = 1000 µF<br />
während der Stromflussphase zugeführt?<br />
iii) Bestimmen Sie die Zeitkonstante τ des RC-Gliedes und den<br />
Entladewiderstand R.<br />
iv) Berechnen Sie den mittleren Strom I d durch den Widerstand R.<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
22
5.2. Spannungsstabilisierung mit Zenerdiode<br />
Kennlinien <strong>von</strong> Zenerdioden unterschiedlicher Zenerspannungen:<br />
Durchlasskennlinie<br />
Sperrkennlinien:<br />
Z-Diode 2,7V<br />
Z-Diode 5,6V<br />
Z-Diode 8,2V<br />
-8V<br />
-6V<br />
-4V<br />
-2V<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
I<br />
10mA<br />
-10mA<br />
0,7V<br />
U<br />
23
Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (a)<br />
Lineares Ersatzschaltbild<br />
im Durchbruchbereich<br />
+<br />
–<br />
-U Z0<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
(Sperrrichtung)<br />
Idealisierte, lineare<br />
Kennlinie einer Zenerdiode<br />
I<br />
(Durchlassrichtung)<br />
24<br />
U
Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (b)<br />
Die Abbildung zeigt eine Schaltung zur Spannungsstabilisierung mittels<br />
Z-Diode. Bei schwankender Versorgungsspannung U e und wechselnder<br />
Belastung R a wird die Spannung U a stabil gehalten.<br />
I e<br />
U e<br />
R V<br />
I Z<br />
U a<br />
I a<br />
R a<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
Ie RV IZ Ia U e<br />
U Z0<br />
Originalschaltung Lineares Ersatzschaltbild<br />
r z<br />
U a<br />
R a<br />
25
Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (c)<br />
Schwankt die Eingangsspannung im Bereich U e min < U e < U e max<br />
und bewegt sich der Ausgangsstrom (Laststrom zum Verbraucher)<br />
im Bereich I a min < I a < I a max , ergeben sich folgende Grenzen für R v :<br />
• Der größte zulässige Strom durch die Zenerdiode (I Z max ) wird<br />
durch die max. Verlustleistung der Diode bestimmt.<br />
• Für I Z min gilt näherungsweise: I Z min ≈ 0,1 · I Z max<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
26
Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (d)<br />
Die Qualität der Spannungsstabilisierung wird durch den<br />
Glättungsfaktor G beschrieben:<br />
Den besten Glättungsfaktor erhält man, wenn man den Vorwiderstand<br />
R v unter Berücksichtigung der (auf der vorherigen Folie<br />
angegebenen) erreichbaren Grenzen möglichst groß macht.<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
27
Übungsaufgabe 5.3 (a) WS 2006/07 – FA, A2<br />
Gegeben ist die nachfolgende Stabilisierungsschaltung mit einem<br />
Vorwiderstand R V und einer Z-Diode (U Z0 = 5 V, r Z = 5 Ω).<br />
U E<br />
R V<br />
U A<br />
R L<br />
a) Tragen Sie die linearisierte Kennlinie der Zenerdiode in das<br />
Diagramm ein.<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
28
Übungsaufgabe 5.3 (b)<br />
Die Schaltung wird in den Aufgabenteilen (b) bis (d) zunächst ohne<br />
Last R L betrieben!<br />
b) Im folgenden Diagramm ist für<br />
die variierende Eingangsspannung<br />
U E (t) die dazugehörige<br />
Ausgangsspannung U A (t) gegeben.<br />
Ermitteln Sie aus den Verläufen<br />
den Glättungsfaktor G.<br />
c) Bestimmen Sie die Größe des<br />
verwendeten Vorwiderstands R V .<br />
12<br />
10<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
U / V<br />
5 10 15<br />
d) Tragen Sie die Arbeitsgeraden für U E = 5 V und U E = 10 V jeweils<br />
in das U-I-Diagramm <strong>von</strong> Aufgabenteil (a) ein.<br />
U E<br />
U A<br />
t / s<br />
29
Übungsaufgabe 5.3 (c)<br />
Nun wird die Schaltung mit einem Vorwiderstand R V = 20 Ω und<br />
einem Lastwiderstand R L = 20 Ω betrieben. Lösen Sie die folgenden<br />
Unterpunkte ohne Verwendung <strong>von</strong> Näherungen.<br />
e) Wie groß ist die Eingangsspannung U E , wenn die Ausgangsspannung<br />
U A = 6 V beträgt?<br />
18<br />
16<br />
14<br />
12<br />
10<br />
8<br />
6<br />
4<br />
2<br />
U / V<br />
5<br />
U E<br />
5. <strong>Anwendung</strong>en <strong>von</strong> <strong>Dioden</strong><br />
f) Zeichnen Sie für den<br />
angegebenen Verlauf<br />
<strong>von</strong> U E (t) die Ausgangsspannung<br />
U A (t) ein.<br />
t / s<br />
30