GL Gleichrichtung von Wechselstr¨omen

GL
GL
Gleichrichtung von Wechselströmen
1. Stichworte:
Diode, Halbleiterdiode, Gleichrichtung, Elektronenstrahloszilloskop
2. Grundlagen:
Gleichrichter sind Bauelemente, die einen Stromfluss nur in einer Richtung, der Durchlassrichtung,
zulassen, in der Gegenrichtung, der Sperrichtung, aber nicht. Man kann einen
Gleichrichter deshalb mit einem Ventil vergleichen, das einen Durchfluss nur in einer Richtung
zulässt, und zwar nur, wenn der Druck auf der ”
richtigen“ Seite größer ist als auf der
anderen. Heutzutage werden als Gleichrichter fast ausschließlich Siliziumdioden verwendet.
Sie unterscheiden sich von anderen Halbleiterdioden durch höhere Strombelastbarkeit.
Näheres über Aufbau und Wirkungsweise einer Halbleiterdiode finden Sie in der Anleitung
zum Versuch ”
Transistor“. Dioden haben zwei Anschlüsse, Anode und Kathode. Sie
Anode
Katode
Schaltzeichen
Bauelement
Abbildung GL.1: Schaltzeichen (links) und Ansicht einer Diode
sind in Durchlassrichtung geschaltet, wenn die Anode positiv gegenüber der Kathode ist,
in Sperrichtung, wenn die Anode negativ gegenüber der Kathode ist (Abb. GL.1). Wenn
die Wechselstromquelle eine sinusförmige Spannung liefert (siehe Abb. GL.2), so fließt ein
Strom durch den Gleichrichter und den Verbraucher, solange die Spannung der Durchlassrichtung
des Ventils entspricht. Ist der Verbraucher ein Ohmscher Widerstand, so beginnt der
Stromfluß nach dem Nulldurchgang der Wechselspannung, sobald die Durchlassspannung
des Gleichrichters erreicht ist. Der Strom folgt dann einer Halbschwingung der Wechselspannung.
Er wird wieder null, wenn die Spannung unter die Durchlassspannung des Gleichrichters
fällt. Während der nächsten Halbschwingung fließt kein Strom. Die Spannung hinter
dem Gleichrichter schwankt, wenn man von der endlichen Durchlassspannung U D des
Gleichrichters absieht, zwischen Null und dem Scheitelwert U m . In den meisten Fällen muss
diese pulsierende Gleichspannung geglättet werden. Dazu wird parallel zum Verbraucher ein
Ladekondensator C L geschaltet. In der Durchlassphase fließt nur ein Teil des Gleichrichterstroms
durch den Verbraucher, ein anderer Teil fließt zum Kondensator und lädt diesen auf.
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GL
Gleichrichtung von Wechselströmen
Der geladene Kondensator dient nun in der stromlosen Sperrphase als Reservoir, aus dem
A
K
C
L
R
+
V
-
Abbildung GL.2: Schaltplan einer einfachen Gleichspannungsquelle
Strom entnommen werden kann.
Ist die Zeitkonstante von Ladekondensator und Lastwiderstand groß gegen die Wiederaufladeperiode,
also gegen 20 ms bei Einweggleichrichtung von Netzwechselspannung bzw. gegen
10 ms bei Zweiweggleichrichtung von Netzwechselspannung, so ist die Stromflusszeit
klein gegen die Wiederaufladeperiode. Dann ist die maximale Ausgangsspannung U max des
Gleichrichters um eine Diodendurchlassspannung U D (ungefähr 0.7 V bei Siliziumgleichrichtern)
kleiner als der Scheitelwert der Wechselspannung.
U max ≈ √ 2 U eff
− U D
Bei Graetz-Gleichrichtern ist die maximale Ausgangsspannung um zwei Diodendurchlassspannungen
kleiner als der Scheitelwert der Wechselspannung. Dieser wiederum ist um
den Faktor √ 2 größer als der sogenannte Effektivwert (richtiger: Root-mean-square-Wert)
der Wechselspannung. Den Spannungsverlust zwischen zwei Wiederaufladungen kann man
abschätzen zu
∆U ≈ I · ∆T
C L
Dabei ist ∆T die Wiederaufladeperiode von 20 ms oder 10 ms bei Netzgleichrichtern, I der
entnommene Strom, und C L die Kapazität des Ladekondensators. Die mittlere Ausgangsspannung
ist U m ≈ U max − 1 ∆U. ∆U ist der doppelte Scheitelwert der der Ausgangsgleichspannung
überlagerten Wechselspannung. Eine große Kapazität C L des Ladekonden-
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sators führt also zu einer guten Glättung der Ausgangsspannung.
Andererseits wird bei konstantem Lastwiderstand mit zunehmender Kapazität des Kondensators
der Bruchteil der Gesamtzeit, während der ein Strom durch die Diode fließt, kleiner.
Weil aber die mittlere Stromstärke nahezu konstant bleibt, jedenfalls nicht abnimmt, steigt
auch die Spitzenstromstärke. Sie kann so groß werden, dass die Diode zerstört wird. Eine andere,
wenig erwünschte Folge von Ladekondensatoren großer Kapazität ist, dass der zeitliche
Verlauf des dem Stromnetz entnommenen Stroms keine Sinusform hat.
Gleichrichter werden z.B. benutzt, um aus der Wechselspannung, die das Netz liefert, Gleichspannungen
zu machen, wie sie für elektronische Schaltungen benötigt werden.
2

Versuchsaufbau
GL
3. Versuchsaufbau
3.1. Einweggleichrichtung
Hier kann nur während der positiven Halbschwingungen der Wechselspannung ein Strom
durch den Gleichrichter fließen. Problematisch an dieser Schaltung ist vor allem, dass die
1
x
3
y
Trafo
Gleichrichter
Trafo
2
1
Z
R 0
Netz
3
X R 3
C 1 C 2
R 1 R 2
Y
R 4
Abbildung GL.3: Einweggleichrichtung
Sekundärwicklung des Transformators von Gleichstrom durchflossen wird. Dadurch wird
der Transformatorkern vormagnetisiert. Wenn der Transformator nicht eigens für diese Betriebsart
entworfen wurde, kann das Kernmaterial magnetisch gesättigt werden. Das kann zu
hohen Verlusten, u.U. zur Zerstörung des Transformators, führen.
3.2. Zweiweggleichrichtung
Bei der Zweiweggleichrichtung werden beide Halbschwingungen genutzt. Wenn Punkt 1 positiv
gegen 2 ist, so ist 3 negativ gegen 2. D 1 lässt Strom durch und D 2 sperrt. Wenn Punkt
1 negativ gegen 2 ist, so ist 3 positiv gegen 2. D 1 sperrt und D 2 lässt Strom durch. Der Kondensator
wird in beiden Halbperioden geladen. Zwar werden auch in dieser Schaltung die
beiden Hälften der Sekundärwicklung des Transformators von Gleichströmen durchflossen.
Bei symmetrischem Aufbau des Transformators kompensieren sich jedoch die magnetisierenden
Wirkungen der beiden Hälften der Sekundärwicklung.
3.3. Brückengleichrichtung (Graetzschaltung)
Auch hier werden beide Halbschwingungen ausgenutzt. a) 1 positiv gegen 3, D 1 und D 3
offen, D 2 und D 4 gesperrt. X positiv gegen Y. b) 1 negativ gegen 3, D 2 und D 4 offen,
3

GL
Gleichrichtung von Wechselströmen
1
2
D 1
x
3
D 2
y
Trafo
Gleichrichter
Trafo
2
1
Z
R 0
Netz
3
X R 3
C 1 C 2
R 1 R 2
Y
R 4
Abbildung GL.4: Zweiweggleichrichtung
D 1 und D 3 gesperrt. X positiv gegen Y. Der Vorteil ist, dass die Sekundärwicklung keine
Mittelanzapfung braucht.
1
D 2 D 1
X
3
D 3 D 4
Y
Trafo
Gleichrichter
Trafo
2
1
Z
R 0
Netz
3
X R 3
C 1 C 2
R 1 R 2
Y
R 4
Abbildung GL.5: Graetzschaltung
4. Aufgaben
Bauen Sie bitte die drei verschiedenen Schaltungen auf und messen Sie
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Aufgaben
GL
1. Messen Sie die Spitzenspannungen
a) am Ausgang des Trafos (zwischen 1 und 3)
b) bei Schaltung 1) (zwischen X und Y)
c) bei Schaltung 2) (zwischen X und Y)
d) bei Schaltung 3) (zwischen X und Y)
2. Zeichnen Sie den zeitlichen Verlauf der Spannung mit und ohne Glättung in jeweils
ein Diagramm für Schaltung 1), 2) und 3). (Glättung: C = 1 µF, R = 22 kΩ).
3. Zeigen Sie die Abhängigkeit der Welligkeit von der Belastung bei Schaltung 3) für
C = 1 µF und 3 verschiedene Belastungen; ferner die Abhängigkeit der Welligkeit
von der Kapazität des Ladekondensators für R = 22 kΩ und 3 Kapazitäten. (Den
dritten Widerstand bzw. die dritte Kapazität erhält man durch Parallelschaltung von
R 1 und R 2 bzw. C 1 und C 2 .)
4. Was sind die Vorteile von 2) gegenüber 1) und von 3) gegenüber 2)?
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