GL Gleichrichtung von Wechselstr¨omen
GL Gleichrichtung von Wechselstr¨omen
GL Gleichrichtung von Wechselstr¨omen
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<strong>GL</strong><br />
<strong>GL</strong><br />
<strong>Gleichrichtung</strong> <strong>von</strong> Wechselströmen<br />
1. Stichworte:<br />
Diode, Halbleiterdiode, <strong>Gleichrichtung</strong>, Elektronenstrahloszilloskop<br />
2. Grundlagen:<br />
Gleichrichter sind Bauelemente, die einen Stromfluss nur in einer Richtung, der Durchlassrichtung,<br />
zulassen, in der Gegenrichtung, der Sperrichtung, aber nicht. Man kann einen<br />
Gleichrichter deshalb mit einem Ventil vergleichen, das einen Durchfluss nur in einer Richtung<br />
zulässt, und zwar nur, wenn der Druck auf der ”<br />
richtigen“ Seite größer ist als auf der<br />
anderen. Heutzutage werden als Gleichrichter fast ausschließlich Siliziumdioden verwendet.<br />
Sie unterscheiden sich <strong>von</strong> anderen Halbleiterdioden durch höhere Strombelastbarkeit.<br />
Näheres über Aufbau und Wirkungsweise einer Halbleiterdiode finden Sie in der Anleitung<br />
zum Versuch ”<br />
Transistor“. Dioden haben zwei Anschlüsse, Anode und Kathode. Sie<br />
Anode<br />
Katode<br />
Schaltzeichen<br />
Bauelement<br />
Abbildung <strong>GL</strong>.1: Schaltzeichen (links) und Ansicht einer Diode<br />
sind in Durchlassrichtung geschaltet, wenn die Anode positiv gegenüber der Kathode ist,<br />
in Sperrichtung, wenn die Anode negativ gegenüber der Kathode ist (Abb. <strong>GL</strong>.1). Wenn<br />
die Wechselstromquelle eine sinusförmige Spannung liefert (siehe Abb. <strong>GL</strong>.2), so fließt ein<br />
Strom durch den Gleichrichter und den Verbraucher, solange die Spannung der Durchlassrichtung<br />
des Ventils entspricht. Ist der Verbraucher ein Ohmscher Widerstand, so beginnt der<br />
Stromfluß nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung, sobald die Durchlassspannung<br />
des Gleichrichters erreicht ist. Der Strom folgt dann einer Halbschwingung der Wechselspannung.<br />
Er wird wieder null, wenn die Spannung unter die Durchlassspannung des Gleichrichters<br />
fällt. Während der nächsten Halbschwingung fließt kein Strom. Die Spannung hinter<br />
dem Gleichrichter schwankt, wenn man <strong>von</strong> der endlichen Durchlassspannung U D des<br />
Gleichrichters absieht, zwischen Null und dem Scheitelwert U m . In den meisten Fällen muss<br />
diese pulsierende Gleichspannung geglättet werden. Dazu wird parallel zum Verbraucher ein<br />
Ladekondensator C L geschaltet. In der Durchlassphase fließt nur ein Teil des Gleichrichterstroms<br />
durch den Verbraucher, ein anderer Teil fließt zum Kondensator und lädt diesen auf.<br />
1
<strong>GL</strong><br />
<strong>Gleichrichtung</strong> <strong>von</strong> Wechselströmen<br />
Der geladene Kondensator dient nun in der stromlosen Sperrphase als Reservoir, aus dem<br />
A<br />
K<br />
C<br />
L<br />
R<br />
+<br />
V<br />
-<br />
Abbildung <strong>GL</strong>.2: Schaltplan einer einfachen Gleichspannungsquelle<br />
Strom entnommen werden kann.<br />
Ist die Zeitkonstante <strong>von</strong> Ladekondensator und Lastwiderstand groß gegen die Wiederaufladeperiode,<br />
also gegen 20 ms bei Einweggleichrichtung <strong>von</strong> Netzwechselspannung bzw. gegen<br />
10 ms bei Zweiweggleichrichtung <strong>von</strong> Netzwechselspannung, so ist die Stromflusszeit<br />
klein gegen die Wiederaufladeperiode. Dann ist die maximale Ausgangsspannung U max des<br />
Gleichrichters um eine Diodendurchlassspannung U D (ungefähr 0.7 V bei Siliziumgleichrichtern)<br />
kleiner als der Scheitelwert der Wechselspannung.<br />
U max ≈ √ 2 U eff<br />
− U D<br />
Bei Graetz-Gleichrichtern ist die maximale Ausgangsspannung um zwei Diodendurchlassspannungen<br />
kleiner als der Scheitelwert der Wechselspannung. Dieser wiederum ist um<br />
den Faktor √ 2 größer als der sogenannte Effektivwert (richtiger: Root-mean-square-Wert)<br />
der Wechselspannung. Den Spannungsverlust zwischen zwei Wiederaufladungen kann man<br />
abschätzen zu<br />
∆U ≈ I · ∆T<br />
C L<br />
Dabei ist ∆T die Wiederaufladeperiode <strong>von</strong> 20 ms oder 10 ms bei Netzgleichrichtern, I der<br />
entnommene Strom, und C L die Kapazität des Ladekondensators. Die mittlere Ausgangsspannung<br />
ist U m ≈ U max − 1 ∆U. ∆U ist der doppelte Scheitelwert der der Ausgangsgleichspannung<br />
überlagerten Wechselspannung. Eine große Kapazität C L des Ladekonden-<br />
2<br />
sators führt also zu einer guten Glättung der Ausgangsspannung.<br />
Andererseits wird bei konstantem Lastwiderstand mit zunehmender Kapazität des Kondensators<br />
der Bruchteil der Gesamtzeit, während der ein Strom durch die Diode fließt, kleiner.<br />
Weil aber die mittlere Stromstärke nahezu konstant bleibt, jedenfalls nicht abnimmt, steigt<br />
auch die Spitzenstromstärke. Sie kann so groß werden, dass die Diode zerstört wird. Eine andere,<br />
wenig erwünschte Folge <strong>von</strong> Ladekondensatoren großer Kapazität ist, dass der zeitliche<br />
Verlauf des dem Stromnetz entnommenen Stroms keine Sinusform hat.<br />
Gleichrichter werden z.B. benutzt, um aus der Wechselspannung, die das Netz liefert, Gleichspannungen<br />
zu machen, wie sie für elektronische Schaltungen benötigt werden.<br />
2
Versuchsaufbau<br />
<strong>GL</strong><br />
3. Versuchsaufbau<br />
3.1. Einweggleichrichtung<br />
Hier kann nur während der positiven Halbschwingungen der Wechselspannung ein Strom<br />
durch den Gleichrichter fließen. Problematisch an dieser Schaltung ist vor allem, dass die<br />
1<br />
x<br />
3<br />
y<br />
Trafo<br />
Gleichrichter<br />
Trafo<br />
2<br />
1<br />
Z<br />
R 0<br />
Netz<br />
3<br />
X R 3<br />
C 1 C 2<br />
R 1 R 2<br />
Y<br />
R 4<br />
Abbildung <strong>GL</strong>.3: Einweggleichrichtung<br />
Sekundärwicklung des Transformators <strong>von</strong> Gleichstrom durchflossen wird. Dadurch wird<br />
der Transformatorkern vormagnetisiert. Wenn der Transformator nicht eigens für diese Betriebsart<br />
entworfen wurde, kann das Kernmaterial magnetisch gesättigt werden. Das kann zu<br />
hohen Verlusten, u.U. zur Zerstörung des Transformators, führen.<br />
3.2. Zweiweggleichrichtung<br />
Bei der Zweiweggleichrichtung werden beide Halbschwingungen genutzt. Wenn Punkt 1 positiv<br />
gegen 2 ist, so ist 3 negativ gegen 2. D 1 lässt Strom durch und D 2 sperrt. Wenn Punkt<br />
1 negativ gegen 2 ist, so ist 3 positiv gegen 2. D 1 sperrt und D 2 lässt Strom durch. Der Kondensator<br />
wird in beiden Halbperioden geladen. Zwar werden auch in dieser Schaltung die<br />
beiden Hälften der Sekundärwicklung des Transformators <strong>von</strong> Gleichströmen durchflossen.<br />
Bei symmetrischem Aufbau des Transformators kompensieren sich jedoch die magnetisierenden<br />
Wirkungen der beiden Hälften der Sekundärwicklung.<br />
3.3. Brückengleichrichtung (Graetzschaltung)<br />
Auch hier werden beide Halbschwingungen ausgenutzt. a) 1 positiv gegen 3, D 1 und D 3<br />
offen, D 2 und D 4 gesperrt. X positiv gegen Y. b) 1 negativ gegen 3, D 2 und D 4 offen,<br />
3
<strong>GL</strong><br />
<strong>Gleichrichtung</strong> <strong>von</strong> Wechselströmen<br />
1<br />
2<br />
D 1<br />
x<br />
3<br />
D 2<br />
y<br />
Trafo<br />
Gleichrichter<br />
Trafo<br />
2<br />
1<br />
Z<br />
R 0<br />
Netz<br />
3<br />
X R 3<br />
C 1 C 2<br />
R 1 R 2<br />
Y<br />
R 4<br />
Abbildung <strong>GL</strong>.4: Zweiweggleichrichtung<br />
D 1 und D 3 gesperrt. X positiv gegen Y. Der Vorteil ist, dass die Sekundärwicklung keine<br />
Mittelanzapfung braucht.<br />
1<br />
D 2 D 1<br />
X<br />
3<br />
D 3 D 4<br />
Y<br />
Trafo<br />
Gleichrichter<br />
Trafo<br />
2<br />
1<br />
Z<br />
R 0<br />
Netz<br />
3<br />
X R 3<br />
C 1 C 2<br />
R 1 R 2<br />
Y<br />
R 4<br />
Abbildung <strong>GL</strong>.5: Graetzschaltung<br />
4. Aufgaben<br />
Bauen Sie bitte die drei verschiedenen Schaltungen auf und messen Sie<br />
4
Aufgaben<br />
<strong>GL</strong><br />
1. Messen Sie die Spitzenspannungen<br />
a) am Ausgang des Trafos (zwischen 1 und 3)<br />
b) bei Schaltung 1) (zwischen X und Y)<br />
c) bei Schaltung 2) (zwischen X und Y)<br />
d) bei Schaltung 3) (zwischen X und Y)<br />
2. Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf der Spannung mit und ohne Glättung in jeweils<br />
ein Diagramm für Schaltung 1), 2) und 3). (Glättung: C = 1 µF, R = 22 kΩ).<br />
3. Zeigen Sie die Abhängigkeit der Welligkeit <strong>von</strong> der Belastung bei Schaltung 3) für<br />
C = 1 µF und 3 verschiedene Belastungen; ferner die Abhängigkeit der Welligkeit<br />
<strong>von</strong> der Kapazität des Ladekondensators für R = 22 kΩ und 3 Kapazitäten. (Den<br />
dritten Widerstand bzw. die dritte Kapazität erhält man durch Parallelschaltung <strong>von</strong><br />
R 1 und R 2 bzw. C 1 und C 2 .)<br />
4. Was sind die Vorteile <strong>von</strong> 2) gegenüber 1) und <strong>von</strong> 3) gegenüber 2)?<br />
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