Gleichrichterschaltung einfach erklärt

Wieso sollte ich eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandeln?

Handelsübliche Steckdosen verfügen über eine Wechselspannung mit einer effektiven Spannung von 230 Volt bei einer Frequenz von 50 Hertz. Man spricht hier auch von der Netzspannung. Diese Spannung lässt sich mit internen oder externen Transformatoren in eine andere Ausgangsspannung umwandeln. Es gibt nämlich viele elektronische Bauelemente, die nicht darauf ausgerichtet sind, mit einer Wechselspannung zu funktionieren. Dazu gehören unter anderem:

• Dioden
• LEDs
• Transistoren
• Elektrolytkondensatoren

Dabei sind diese Bauteile für unterschiedlichste Geräte essentiell, von der Sicherheitstechnik bis zu Computern. Möchte man diese Bauelemente nutzen, muss man die vorhandene Wechselspannung in die benötigte Gleichspannung umwandeln. Dafür verwendet man einen Gleichrichter.

Was ist eine Gleichspannung?

Zum Verständnis zunächst eine Klärung von Gleichspannung und Wechselspannung: Unter einer Gleichspannung versteht man eine Spannung, deren Ausgangsspannung immer gleich bleibt. Sie hat immer dasselbe Vorzeichnen und denselben Betrag. Die Spannung liegt durchgehend an und der Strom fliesst konstant in eine Richtung. Man spricht auch von Gleichstrom. Bei der Wechselspannung dreht sich die Fliessrichtung des Stroms immer wieder. Nach den Ohmschen Gesetzen schwächt oder verstärkt sich der Stromfluss je nach der Spannung. Das Ganze lässt sich mit einer sinusförmigen Kurve darstellen, allerdings muss der Spannungsverlauf nicht zwingend dem Sinusverlauf folgen. Darüber hinaus ergibt sich eine Mischspannung, wenn man Gleichspannung und Wechselspannung gemeinsam schaltet. Gleichrichter bilden zusammen mit Wechselrichtern und Umrichtern die Gruppe der Stromrichter.

Wie genau funktioniert eine Gleichrichterschaltung?

Das Prinzip des Gleichrichters geht auf eine ganze Reihe von Entdeckungen und Erfindungen zurück. Sie hängt unter anderem mit der Erfindung des Radios zusammen. Von Gleichrichtern gibt es eine ganze Menge, zum Beispiel lassen sich Spannungen umformen, wenn ein Wechselstrommotor und ein Gleichstromgenerator auf einer gemeinsamen Welle sitzen. Es wurden auch mechanische Gleichrichter entwickelt, die mithilfe einer Drehbewegung die Eingangsspannung umwandeln konnten. Bis in die 1970er Jahren verwendete man bei Kraftfahrzeugen Gleichstromlichtmaschinen mit mechanischen Gleichrichtern, die den Ladestrom für die Akkumulatoren erzeugten. Darüber hinaus gibt es:

• Elektrolytische Gleichrichter
• Quecksilberdampfgleichrichter
• Plattengleichrichter
• Spitzendioden
• Glimmgleichrichter

Welche Rolle spielen Dioden?

Einen wichtigen Sprung machte die Entwicklung der Gleichrichter durch den Einsatz von Dioden. Zunächst verwendete man Germanium-Dioden, dann Silizium-Dioden, schliesslich kamen die Schottkydioden auf. Diese Dioden verfügen über eine geringe Flussspannung, die Sperrspannung ist ebenfalls klein und sie eignen sich für hohe Frequenzen. Heutige Halbleiterdioden verfügen über eine geringe Schwellenspannung und eine platzsparende Bauweise. Dioden verwendet man auch in den Gleichrichterschaltungen.

Wie funktionieren die Schaltungen?

Um die Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln, nutzt man die Ventilwirkung des pn-Übergangs von Halbleiterdioden. Bei den hier beschriebenen Beispielen handelt es sich um ungesteuerte Gleichrichter. Es gibt unterschiedliche Gleichrichterschaltungen, die eine Glättung auf andere Weise bewirken. Mithilfe eines Widerstandes und eines Oszilloskops lässt sich der Strom in den Gleichrichterschaltungen messen.

Eine Einweg-Gleichrichterschaltung nennt man auch Einpuls-Mittelpunktschaltung M1. In ihr ist eine einfache Diode verbaut. Die Polung der Diode bestimmt die Ausgangsspannung der Schaltung. Die Halbleiterdiode lässt den Strom nur in eine Richtung fliessen. Dadurch lässt sie nur eine der beiden Halbwellen durch und es entsteht ein Gleichstrom.

Eine Mittelpunkt-Zweiweg-Gleichrichterschaltung nennt man auch Zweipuls-Mittelpunktschaltung M2. Hier sind ein Trafo mit einer Mittelanzapfung und zwei Dioden verbaut. Die beiden Halbwellen der Eingangsspannung laufen über die beiden Dioden und dann über eine gemeinsame Leitung zurück zum Trafo.

In einer Brücken-Gleichrichterschaltung sind zwei parallelgeschaltete Diodenpaare verbaut. Andere Bezeichnungen sind Zweipuls-Brücken-Gleichrichterschaltung B2 oder kurz Brückengleichrichter. Die Wechselspannung fliesst zwischen den beiden Diodenpaaren und in zwei verschiedene Wege. Der Strom allerdings fliesst nur in eine Richtung.

Was versteht man unter einer Glättung?

Sobald eine Gleichspannung aus einer sinusförmigen Wechselspannung entsteht, bleibt immer eine Mischspannung zurück. Dafür gibt es Kondensatoren mit hohen Kapazitäten, die den Wechselanteil vermindern und „glätten“ sollen. Eine andere Bezeichnung ist „Siebung“. Oft bleibt jedoch noch immer ein Wechselspannungsanteil zurück, den man als Restwelligkeit bezeichnet. Die grosse Restwelligkeit ist ein Nachteil der bisher erwähnten Gleichschalter, weitere sind der schlechte Wirkungsgrad und die unsymmetrische Belastung.

Was sind steuerbare Gleichrichter?

Die bisherigen Beispiele bezogen sich auf ungesteuerte Gleichrichter. Der Wechsel von einer Spannungsart zur anderen findet dort ohne Steuerelektronik statt. Daneben gibt es aber auch steuerbare Gleichrichter. Sie verwenden eine Steuerspannung für den Wechsel von einer Wechselspannung in eine Gleichspannung. Im Gegensatz zu den ungesteuerten Gleichrichtern erlauben gesteuerte Gleichrichter die Rückumwandlung in eine Wechselspannung. In den meisten Formen kommen dafür elektronische Schalter zum Einsatz. Man verwendet diese Art von Gleichrichter unter anderen in der Energietechnik oder in der Messtechnik.