Präzisionsgleichrichter

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Ein Präzisionsgleichrichter ist eine elektronische Schaltungen welche im Bereich der elektrischen Messtechnik der Erfassung von kleinen Wechselspannungen dient. Er stellt eine Form von Gleichrichter dar, welche durch eine hohe Genauigkeit gekennzeichnet ist.

Realer Gleichrichter[Bearbeiten]

Für die in der Messelektronik üblicherweise eingesetzten Siliziumdioden sind die zwei wichtigsten Abweichungen vom idealen Verhalten (in Klammern Richtwerte für 25 °C[1])

* Sperrstrom I_R (< 25 nA)
* Durchlassspannung U_F   (≈ 0,7 V, abhängig von der Stromstärke)

Dabei kann der Sperrstrom in aller Regel als Ursache für Messabweichungen unbeachtet bleiben, die Durchlassspannung wirkt aber sehr verfälschend, zumal der Zusammenhang zwischen Durchlassspannung und Durchlassstrom stark nichtlinear ist.

Zwei Grundschaltungen[Bearbeiten]

Präzisions-Einweggleichrichter
Präzisions-Brückengleichrichter

Mit Hilfe von rückgekoppelten Operationsverstärkern können reale Dioden aber funktionell als ideale Dioden angesehen werden. Diese übernehmen weiterhin die Gleichrichtung. Der Operationsverstärker kompensiert dabei die Durchlassspannung der Diode durch eine erhöhte Spannung an seinem Ausgang.[2]

Mit den fast immer zulässigen Näherungen des nicht übersteuerten idealen Operationsverstärkers

u_d=0\quad ; \qquad i_n=0

erzeugt die erste Messschaltung[2][3] ein Spannungs-Signal

u_a=\begin{cases}
|u_e| & \text{wenn }u_e <0\\
\ 0   & \text{wenn }u_e >0
\end{cases}

unabhängig von U_F, selbst wenn |u_e| < U_F ist.

Die zweite Messschaltung[2][4] erzeugt ein Strom-Signal

i_a =|u_e|/R

unabhängig von U_F und vom Innenwiderstand des Strommessgerätes.

Die gezeigten Schaltungen verhalten sich in gewissen Grenzen belastungsunabhängig wie eine gesteuerte ideale Spannungsquelle oder Stromquelle. Das Ausgangssignal verhält sich proportional zum Eingangssignal.

Anwendungen[Bearbeiten]

Eingesetzt werden diese Gleichrichter beispielsweise in Schaltungen zur Betragsbildung von Wechselspannungen in Multimetern für die Messung des Gleichrichtwertes. Während bei batterielosen Strom- und Spannungsmessgeräten die Verzerrung durch die Diode durch eine im unteren Bereich nichtlinearen Skalenteilung in den Wechselgrößen-Messbereichen aufgefangen wird, reicht bei Verwendung eines Präzisionsgleichrichters die lineare Teilung durchgängig bis zum Nullpunkt.

Präzisions-Einweggleichrichter zur Messung von Wechselgrößen mit linearer Skalenteilung trotz nicht linearer Dioden-Kennlinie

Die nebenstehende Messschaltung zeigt als Beispiel einen Präzisions-Einweg-Gleichrichter in einem Analogmultimeter. Mit den Kennwerten des Operationsverstärkers

u_d =0 \quad ;\quad i_e =0

gilt hier entsprechend der zweiten Grundschaltung

i_a =i_m= \frac{u_m}{R_m}\ .

Während der positiven Halbschwingung von i_a fließt der Strom durch das Messwerk; während der negativen Halbschwingung fließt i_a ebenfalls, aber am Messwerk vorbei. Bei sinusförmiger Eingangsspannung mit der Amplitude \hat u_m entsteht durch das den Gleichwert bildende Messwerk eine Anzeige des halben Gleichrichtwertes

\frac12\; \overline{|i_a|} =\frac1\pi \cdot \frac{\hat u_m}{R_m}\ .

Einzelnachweise[Bearbeiten]

  1. Beispielsweise schnelle Universaldiode 1N914 für die Elektronik, Datenblatt [1]
  2. a b c Klaus Bystron, Johannes Bergmeyer: Grundlagen der Technischen Elektronik. Hanser, 1988, S. 343 f
  3. Ekbert Hering, Jürgen Gutekunst, Rolf Martin: Elektrotechnik für Maschinenbauer: Grundlagen. Springer, 1999, S. 196
  4. Albert Haug: Mikroelektronik und Mikroprozessoren für Maschinenbauer. Vieweg, 1987, S. 187