Präzisionsgleichrichter

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Ein Präzisionsgleichrichter ist eine elektronische Schaltung, welche die Funktion eines Gleichrichters ohne die üblichen Mängel realer Dioden übernimmt. Insbesondere in der elektrischen Messtechnik sind solche Schaltungen für kleine Wechselspannungen erforderlich und in Gebrauch.

Realer Gleichrichter[Bearbeiten | Quelltext 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 (< 25 nA)
* Durchlassspannung   (≈ 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.

Schaltungsvarianten[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einfacher Einweggleichrichter[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Einfacher Einweg-Präzisionsgleichrichter

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

Die einfachste Präzisionsgleichrichterschaltung besteht, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt, aus einem Operationsverstärker mit einer Diode und einem Widerstand in Reihe am Ausgang. Bei dieser Schaltung führt eine negative Eingangsspannung ue dazu, dass die Diode sperrt und die Ausgangsspannung ua auf 0 V bleibt. Bei einer positiven Eingangsspannung ist ua gleich ue.

Der Nachteil dieser einfachen Schaltung besteht darin, dass bei einer negativen Eingangsspannung durch die dann blockierende Diode die negative Rückkopplung am Operationsverstärker unterbrochen wird. Dies führt dazu, dass der Ausgang des Operationsverstärkers in Sättigung getrieben wird, aus der der Operationsverstärker bei einer positiven Eingangsspannung eine zeitliche Verzögerung erfährt. Dies bedingt eine schlechteres zeitliches Verhalten und reduziert die Bandbreite vor allem bei kleinen Spannungen um 0 V herum. Diesen Nachteil der Sättigung vermeidet die nachfolgende Gleichrichterschaltung mit zwei Dioden am Ausgang des Operationsverstärkers.

Verbesserte Einweggleichrichtung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Präzisions-Einweggleichrichter

Mit den fast immer zulässigen Näherungen des nicht übersteuerten idealen Operationsverstärkers

erzeugt die Messschaltung ein Spannungs-Signal

unabhängig von , selbst wenn ist.[2][3]

Bei dieser Schaltung ist in Abhängigkeit der Polarität der Eingangsspannung immer eine der beiden Dioden leitend. Da der Operationsverstärker die Vorwärtsspannung der Dioden kompensieren muss, kommt es bei einem Polaritätswechsel der Eingangsspannung am Ausgang des Operationsverstärkers zu Spannungssprüngen um ca. die zweifache Durchlassspannung der Dioden. Vor allem bei Eingangssignalen um 0 V werden daher in der Schaltung Operationsverstärker mit möglichst hoher Transitfrequenz eingesetzt.

Durch Ändern der Polarität beider Dioden in der Schaltung lässt sich wahlweise die positive oder die negative Eingangshalbschwingung am Ausgang nutzen, wie dies in nachfolgender Schaltung in der Erweiterung zum Präzisions-Vollweggleichrichter der Fall ist.

Vollweggleichrichter[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Präzisions-Vollweggleichrichter

Die Präzisionsgleichrichter-Einweggleichrichtung lässt sich durch eine zusätzliche nachgeschaltene invertierende Addierschaltung mit einem zusätzlichen Operationsverstärker zu einem Präzisions-Vollweggleichrichter erweitern, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt. Dabei wird der Betrag von der positiven als auch negativen Eingangsspannungen am Ausgang gebildet.

Die Additionsstufe wird dazu parallel zum Gleichrichter die Eingangsspannung ue über den Widerstand R zugeführt. Die Ausgangsspannung der Einweggleichrichtung wird über einen Widerstand R/2 der Additionsschaltung zugeführt, was einer doppelt so starken Gewichtung der Ausgangsspannung von der Gleichrichterstufe in Relation zur Eingangsspannung entspricht. Durch die Invertierung der Additionsstufe wird so eine ausschließlich positive Ausgangsspannung ua mit der Übertragungsfunktion

gebildet.

Brückengleichrichtung[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Präzisions-Brückengleichrichter

Die nebenstehende Messschaltung erzeugt ein Strom-Signal

unabhängig von und vom Innenwiderstand des Strommessgerätes.[2][4]

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

Nachteilig an der Brückengleichterschaltung ist der Umstand, dass sich der Ausgang nicht auf das gleiche Potential wie der Eingang bezieht.

Anwendungen[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

Eingesetzt werden diese Gleichrichter beispielsweise in Schaltungen zur Betragsbildung von Wechselspannungen in Multimetern für die Messung des Gleichrichtwertes und im Bereich der analogen Audiotechnik. 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

gilt hier entsprechend der zweiten Grundschaltung

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

Literatur[Bearbeiten | Quelltext bearbeiten]

  • Paul Horowitz, Winfield Hill: The Art of Electronics. 2. Auflage. Cambridge Press, 1989, ISBN 0-521-37095-7, S. 221 - 222.

Einzelnachweise[Bearbeiten | Quelltext 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