Ratgeber
Bei der Übertragung von elektrischer Energie hat sich sinusförmige Wechselspannung weltweit durchgesetzt. Obwohl bei langen Distanzen die Übertragungsverluste deutlich höher sind, als bei vergleichbaren Gleichspannungsverbindungen.
Der große Vorteil von Wechselspannung liegt darin, dass sie sich sehr leicht transformieren lässt. Wobei eine Transformation in beide Richtungen, also von einer niedrigeren zu einer höheren Spannung und umgekehrt, durchführbar ist.
Nun ist es aber so, dass viele elektronische Schaltungen ausschließlich mit Gleichspannung funktionieren. Deshalb muss die Wechselspannung zu einer Gleichspannung umgeformt werden.
Dafür werden Gleichrichter benötigt. Ein Gleichrichter wiederum kann aus einer oder mehreren Gleichrichterdioden und Kondensatoren bestehen. Was eine Gleichrichterdiode ist und wie sie genau funktioniert, erklären wir Ihnen gerne.
Eine Gleichrichterdiode ist im Prinzip zunächst einmal eine ganz gewöhnliche Diode aus Silizium mit einer pn-Schicht. Wie eine Si-Diode aufgebaut ist und wie der pn-Übergang eines Halbleiters technisch funktioniert, haben wir in unserem Ratgeberbereich zu den elektronischen Bauteilen am Beispiel der Standard-Diode 1N4148 genau erklärt.
Da Dioden den Strom nur in eine Richtung passieren lassen und in der anderen Richtung sperren, kann theoretisch fast jede Diode als Gleichrichter genutzt werden. Vorausgesetzt, sie werden innerhalb der vom Hersteller definierten Grenzwerte betrieben.
Für einen Gleichrichter bzw. eine Gleichrichterdiode sind die beiden wichtigsten Parameter der Durchlassstrom und die Sperrspannung.
Schließlich befinden sich die Bauteile einer Gleichrichtung, die für ein Gerät oder eine Schaltung aus einer Wechselspannung eine Gleichspannung erzeugt, immer am Stromeingang.
Das bedeutet einerseits, dass der gesamte Strom, der benötigt wird, über den Gleichrichter fließen muss. Andererseits sind die Eingangsspannungen der Geräte oft recht hoch. Zum Beispiel, wenn sie direkt an 230 V Wechselspannung betrieben werden.
Demzufolge müssen Gleichrichterdioden gleichzeitig hohe Ströme (mehrere Ampere) im Durchlassbetrieb und in der entgegengesetzten Richtung eine große Spannungsfestigkeit im Sperrbetrieb (Sperrspannung) aufweisen.
Grundsätzliche Informationen zur Wechselspannung
Um die Funktion einer Gleichrichterdiode verstehen zu können, muss man sich zunächst eine Wechselspannung genauer anschauen. Die Grundlagen haben wir in unserem Ratgeber zu Wechselstrom, Drehstrom und Gleichstrom im Abschnitt Wechselspannung bereits anschaulich aufgezeigt. Allerdings haben viele Leute ein großes Problem damit, sich eine negative Halbwelle oder gar eine negative Spannung vorzustellen.
Um den etwas abstrakten Sachverhalt leichter verstehen zu können, hat es sich in der Praxis als sinnvoll erwiesen, die Spannung an einer Batterie zu messen. Wenn die Plusleitung des Multimeters mit dem Pluspol der Batterie und die Minusleitung des Multimeters mit dem Minuspol der Batterie verbunden wird, zeigt das Multimeter bei einer vollen Mignon-Batterie einen Wert von rund 1,5 Volt an (siehe linke Abbildung).
Wenn die Batterie gedreht wird und mit der Plusleitung des Multimeters nun der Minuspol der Batterie und mit der Minusleitung des Multimeters der Pluspol der Batterie verbunden wird, zeigt das Multimeter eine Spannung von -1,5 Volt an (siehe rechte Abbildung).
Es kommt also lediglich auf den Bezugspunkt an, ob eine Spannung positiv oder negativ ist. In diesem Fall ist der Bezugspunkt das Spannungspotential an der Minusleitung des Messgerätes.
Rechteckspannung und Sinusspannung im Vergleich
Stellen wir uns nun vor, dass die oben dargestellte Batterie automatisch gedreht und dabei ständig die Spannung gemessen wird. Dadurch erhält man eine Rechteckspannung in Höhe von ± 1,5 V. Im beigefügten Diagramm entspricht dieser Spannungsverlauf der roten Linie. Die Breite der Rechteckimpulse hängt davon ab, wie schnell die Batterie gedreht bzw. umgepolt wird. Bei einer Sinuswechselspannung (blaue Linie), so wie sie in unserem Stromnetz vorhanden ist, verhält es sich mit den positiven und negativen Anteilen ähnlich. Nur, dass hier die Spannung deutlich höher ist und nicht schlagartig zum Spitzenwert spring. Vielmehr steigt sie kontinuierlich zum jeweiligen positiven oder negativen Spitzenwert an, um anschließend ebenso kontinuierlich wieder auf null Volt abzufallen.
Übrigens:
Zur besseren Übersicht im beigefügten Diagramm haben wir die Sinusspannung deutlich kleiner, also mit geringeren Spitzenwerten, dargestellt. Um die im Bild gezeigte Deckung zur 50 Hz Sinusspannung des Stromnetzes zu erzielen, müsste die Batterie in unserem Gedankenexperiment 100 Mal pro Sekunde gedreht und gemessen werden.
Gleichrichtfunktion durch Abschneiden von Halbwellen
Wenn an der oben dargestellten Wechselspannung eine Gleichrichterdiode (D1) mit Lastwiderstand (RL) angeschlossen wird, schneidet die Diode eine Halbwelle ab.
Denn sie kann den Strom ja nur in eine Richtung, und zwar von der Anode (A) zur Kathode (K), fließen lassen. Und nur wenn Strom über den Lastwiderstand fließt, kann am Ausgang eine Spannung gemessen werden. Die Polung der Gleichrichterdiode wird dabei so gewählt, dass im Regelfall die negative Halbwelle abgeschnitten wird.
So gesehen ist unsere Überschrift nicht ganz zutreffend, denn eine Gleichrichterdiode erzeugt aus Wechselspannung keine Gleichspannung, sondern lediglich Halbwellen gleicher Polung.
Hinweis:
Wenn die Gleichrichterdiode D1 umgepolt wird, werden am Ausgang anstelle der negativen die positiven Halbwellen abgeschnitten.
Eine pulsierende Gleichspannung aus Halbwellen, auch wenn sie eine gleichbleibende Polung aufweist, ist zur Spannungsversorgung einer Schaltung oder eines Gerätes denkbar ungeeignet. Denn die Versorgungsspannung ist nicht gleichbleibend hoch, sondern fällt immer wieder auf 0 Volt zurück.
Um das zu vermeiden, wird in der Elektrotechnik mit einem Trick gearbeitet. Man verwendet einfach einen Kondensator, der nach dem Gleichrichter als Ladungsspeicher dient. Die Gleichrichterdiode lädt dann den Kondensator mit jeder Halbwelle bis zu dem maximal möglichen Spannungswert auf.
Der Kondensator wiederum speichert die Ladung und hält so die Spannung zwischen den Halbwellen annähernd auf den gleichen Wert. Wie weit die Spannung zwischen zwei Halbwellen absinkt, hängt von der Kapazität des Kondensators und vom Strombedarf eines angeschlossenen Verbrauchers ab.
Da bei einem Stromnetz mit 50 Herz (Hz) der Kondensator 50 Mal pro Sekunde, also immer nach 20 ms (Millisekunden) nachgeladen wird, ist die Ausgangsspannung verhältnismäßig stabil und ein angeschlossenes Gerät oder eine nachgeschaltete Elektronik kann problemlos mit der positiven Spannung versorgt werden. Vorausgesetzt, der Energiebedarf der Schaltung bzw. des angeschlossenen Gerätes, das in unserem Beispiel durch einen Lastwiderstand RL simuliert wird, ist nicht zu groß.
Denn zwischen den Halbwellen fungiert der Kondensator als Spannungsquelle und liefert den erforderlichen Strom für die Last. Damit der Kondensator diese Aufgabe zuverlässig erfüllen kann, muss er eine entsprechend hohe Kapazität aufweisen. Deshalb werden vorzugsweise Elektrolytkondensatoren (Elkos) genutzt. Zudem muss die Gleichrichterdiode so ausgelegt sein, dass sie den teilweise recht hohen Ladestrom für den Elko liefern kann, ohne dabei Schaden zu nehmen.
Die Einweg-Gleichrichterschaltung wird von Fachleuten auch als Einpuls-Mittelpunktschaltung M1 bezeichnet.
Da bei der Einweggleichrichtung nur jede zweite Halbwelle der sinusförmigen Wechselspannung genutzt wird, sinkt bei entsprechendem Strombedarf die Spannung zwischen den Halbwellen recht stark ein. Fachleute sprechen in diesem Fall von einer hohen Restwelligkeit bzw. Brummspannung, die einen entsprechenden Aufwand zur Glättung erfordert. Wesentlich effizienter wäre es, wenn in einem Netzteil sowohl die positive als auch die negative Halbwelle der Wechselspannung für die Gewinnung einer Gleichspannung genutzt werden könnte.
Im einfachsten Fall geschieht das über einen Transformator mit Mittelanzapfung in der Sekundärwicklung (M). Die Mittelanzapfung stellt dann den Bezugspunkt bzw. die Schaltungsmasse dar. An den beiden Ausgängen (1 und 2) der Sekundärwicklung wird nach demselben Schema, wie bei der Einweggleichrichtung, jeweils eine Diode angeschlossen. Die Kathoden der beiden Dioden (D1 und D2) werden entsprechend der Abbildung miteinander verbunden. Diese Schaltung wird auch als Zweipuls-Mittelpunktschaltung bezeichnet.
Aufgrund der Wicklungsrichtung der Sekundärspule sind die beiden Ausgangsspannungen, jeweils zwischen an den Anschlüssen 1 und M sowie 2 und M gemessen, zueinander um 180° phasenverschoben (siehe verkleinert und unterbrochen gezeichnete Sinuswellen).
Immer dann, wenn am Ausgang 1 die maximale positive Spannung anliegt, hat die Spannung am Ausgang 2 den maximalen negativen Wert erreicht. Eine Halbwelle später sind die Verhältnisse genau umgekehrt.
Demzufolge leitet vom Zeitpunkt t0 bis t1 die Diode D1 und vom Zeitpunkt t1 bis t2 leitet die Diode D2. Danach beginnt der Zyklus erneut. Durch diese Schaltungsauslegung wurde die untere Halbwelle quasi nach oben geklappt und kann nun ebenfalls mit zur Stromversorgung genutzt werden. Zwecks besserer Übersicht haben wir in der beigefügten Skizze den Ladekondensator weggelassen. Dieser könnte aber in diesem Fall deutlich kleiner ausfallen, da er jetzt doppelt so schnell, also mit jeder Halbwelle, nachgeladen wird.
Ergänzender Hinweis zu einem Trafo mit Mittelanzapfung
Bezogen auf das oben verwendete Gedankenexperiment mit der drehenden Batterie, kann man sich eine Trafospule mit Mittelanzapfung wie zwei übereinander gestellte Batterien vorstellen. Der Minuspol der oberen Batterie steht dabei auf dem Pluspol der unteren Batterie. Zur Spannungsmessung wird die Minusleitung des Messgerätes zwischen den beiden Batterien (M) angeschlossen.
Wird die Plusleitung des Messgerätes an den Pluspol der oberen Batterie (1) gehalten, wird eine Spannung von 1,5 V angezeigt. Verbindet man die Plusleitung des Messgerätes an dem Minuspol der unteren Batterie (2), so zeigt das Messgerät eine Spannung von -1,5 V an. Zur besseren optischen Darstellung der Spannungswerte werden in der Abbildung mehrere Messgeräte bzw. Displays gezeigt.
Wird das Batterie-Konstrukt gedreht, ändert sich die Polung der Spannungen am oberen und unteren Messpunkt (siehe rechte Abbildung).
Wenn kein Transformator mit Mittelanzapfung genutzt werden kann, besteht die Möglichkeit, mit einem Brückengleichrichter zu arbeiten. In diesem Fall arbeiten vier Gleichrichterdioden im Verbund.
Vom Zeitpunkt t0 bis t1 leiten die Dioden D1 und D3, um vom Zeitpunkt t1 bis t2 leiten die Dioden D2 und D4. Auch in diesem Fall wird die untere Halbwelle zur Stromversorgung des Verbrauchers genutzt. Um genau aufzeigen zu können, wann welche Diode leitet, haben wir bei der Brückengleichrichterschaltung den Ladekondensator ebenfalls weg gelassen.
Die Brückengleichrichterschaltung wird entweder mit vier einzelnen Dioden aufgebaut oder es werden spezielle Brückengleichrichter verwendet, bei denen die vier Dioden in einem gemeinsamen Gehäuse integriert sind.
Was bedeutet axiale Diode?
Eine axiale Diode besteht aus einem zylindrischen Körper, bei dem rechts und links an den kreisrunden Seitenflächen die Anschlussdrähte quasi wie eine Achse herausgeführt sind.
Was bedeutet DO-41?
Die Bezeichnung DO-41 bzw. DO-204AL steht für eine zylindrische Gehäusebauform für Gleichrichterdioden. Die Abmessungen des Bauelements können je nach Leistung der Diode schwanken. Der Durchmesser liegt bei max. 2,71 mm und die Länge bei max. 5,20 mm. Die Abmessungen der Anschlussdrähte sind dabei nicht mit berücksichtigt. Die Abmessungen (Ø x L) bei einem DO-201 Gehäuse betragen rund 4,5 x 7,5 mm. Unter der Bezeichnung DO-214AA bzw. DO-214AC werden SMD-Gleichrichterdioden für die Oberflächenmontage mit jeweils unterschiedlicher Größe angeboten.
Was bedeutet Durchlassspannung?
Wenn bei einer Gleichrichter Diode ein Strom in Durchlassrichtung fließt, fällt über die Diode eine Spannung ab, die als Durchlassspannung bezeichnet wird. Diese liegt bei einer Silizium-Diode im Regelfall bei 0,7 V, unabhängig davon, wie viel Strom über die Diode fließt. Bei Schottky-Dioden, die eine hohe Schaltgeschwindigkeit aufweisen, liegt die Durchlassspannung bei rund 3 V. Allerdings haben Schottky-Dioden keine hohe Sperrspannung und einen hohen Leckstrom in Sperrrichtung, wodurch sie als schnelle Gleichrichterdioden nur bedingt geeignet sind.
Warum sind manchmal kleine Kondensatoren parallel zu den Gleichrichterdioden geschaltet?
Die Kondensatoren dienen der Funkentstörung. Da Gleichrichterdioden ziemlich abrupt den Stromfluss abschalten, können dadurch hochfrequente Störungen entstehen.
Was ist der Unterschied zwischen einer Gleichrichterdiode und einer Z-Diode?
Eine Gleichrichterdiode wird, wie bereits oben erklärt, in Durchlassrichtung betrieben. Eine Z-Diode wird in Sperrrichtung betrieben, da sie je nach Typ und Auslegung die Spannung in der Sperrrichtung auf einen bestimmten Wert begrenzt. Damit der Strom, der in der Sperrrichtung fließt, nicht zu hoch wird, müssen Z-Dioden durch geeignete Vorwiderstände geschützt werden.