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Gleichrichter

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Gleichrichter werden in der Elektrotechnik und Elektronik zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung verwendet. Sie bilden, neben Wechselrichtern und Umrichtern eine Untergruppe der Stromrichter. Um Wechselanteile zu bedämpfen, wird eine gleichgerichtete Spannung üblicherweise geglättet.

Silizium-Brückengleichrichter; links unten ein Selen-Gleichrichter in Flachbauweise

Eine Gleichrichtung dient zum Beispiel

Die Gleichrichtung erfolgt meist ungesteuert durch Halbleiterdioden bei einem Wirkungsgrad bis zu 95 %. Aktive elektronische Bauteile, wie Thyristoren, erlauben durch Phasenanschnittsteuerung eine gesteuerte Gleichrichtung. Feldeffekttransistoren (MOSFETs) werden bei Synchrongleichrichtern verwendet – insbesondere bei der Gleichrichtung kleiner Spannungen und großer Ströme – und gestatten aufgrund der geringeren Durchlassspannung eine höhere Effizienz, als mit Halbleiterdioden möglich wäre.

Geschichte

Im Jahr 1873 entdeckte Frederick Guthrie, dass ein positiv geladenes Elektroskop entladen wird, wenn man ein geerdetes, glühendes Metallstück in die Nähe brachte. Bei negativ geladenem Elektroskop passiert nichts, woraus folgte, dass der elektrische Strom nur in eine Richtung fließen konnte.

Typischer Kristalldetektor (Schottky-Diode) um ca. 1923

1874 entdeckte Karl Ferdinand Braun die richtungsabhängige elektrische Leitung in bestimmten Kristallen[1]. Er ließ sich den Kristallgleichrichter 1899 patentieren.[2]

Der indische Wissenschaftler Jagadish Chandra Bose benutzte 1894 als erster Kristalle, um elektromagnetische Wellen nachzuweisen[3][4]. Der erste praktisch verwendbare Kristalldetektor aus Silizium wurde 1903 für funktechnische Anwendungen durch Greenleaf Whittier Pickard entwickelt, der sich diesen 1906 patentieren ließ.[5]. In der Nachfolgezeit wurde allerdings häufiger Bleisulfid verwendet, weil es billiger und einfacher zu verwenden war.

Thomas Edison wiederentdeckte Guthries Beobachtung im Jahr 1880 bei Experimenten mit Glühlampen und ließ sich den Effekt 1884 patentieren, ohne eine Anwendungsmöglichkeit zu kennen. Seitdem nennt man ihn Edison-Richardson-Effekt. Etwa zwanzig Jahre später erkannte John Ambrose Fleming, der zuerst Angestellter von Edison und später wissenschaftlicher Berater der Marconi Wireless Telegraph Company war, dass der Edison-Richardson-Effekt benutzt werden konnte, um schwache Radiosignale nachzuweisen. Er ließ sich die erste brauchbare Anwendung, die „Fleming valve“ [6] im Jahr 1904[7] patentieren.

Alle bisher beschriebenen Effekte eigneten sich nur für sehr geringe Ströme. Die zunehmende Verbreitung elektrischer Energie benötigte aber leistungsstarke Gleichrichter, weil jene vorzugsweise durch Wechselstromgeneratoren erzeugt wird. Da die elektrischen Vorgänge in Halbleitern erst nach etwa 1950, nach der Erfindung des Bipolartransistors geklärt wurden, kamen verschiedene Gleichrichterprinzipien zur Anwendung.

Physikalische Prinzipien

Mechanische Gleichrichter

Historischer mechanischer Hochspannungsgleichrichter mit rotierendem Rad

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts gab es nur elektromechanische Gleichrichter zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung:

  • bei entsprechenden Umformern sitzen ein Wechselstrommotor und ein Gleichstromgenerator auf einer gemeinsamen Welle. Diese Umformer dienten oft gleichzeitig zur Spannungstransformation und zur galvanischen Trennung vom Netz.
  • Sogenannte Zerhacker wurden als Wechselrichter von Gleichspannung zur nachfolgenden Transformation mittels eines Transformators verwendet. Sie vereinen einen selbstschwingenden, mit Schaltkontakten arbeitenden Wechselrichter und einen damit gekoppelten zweiten Kontaktsatz zur Synchrongleichrichtung in sich. Diese waren aufgrund des Kontakt-Verschleißes auswechselbar gestaltet (Stecksockel).
  • Rotierende mechanische Gleichrichter besitzen ein Rad mit elektrischen Kontakten, welches die zeitgenaue Umschaltung der Wechselspannung ermöglicht. Das Rad wurde von einem Synchronmotor angetrieben, der die Synchronisation zwischen der Drehbewegung und der Polaritätsänderung der Wechselspannung sicherstellte. Die Konstruktion wurde beispielsweise aus einem Hochspannungstransformator mit Wechselspannung versorgt, um die hohe Gleichspannung für Elektrofilter zu erzeugen. Eine Weiterentwicklung dieses Prinzips verkörperte der Kontaktumformer.[8]
  • Bis etwa 1970 wurde in Autos der Ladestrom für die Akkumulatoren durch Gleichstromlichtmaschinen mit mechanischem Gleichrichter (Kommutator) erzeugt. Nach Erfindung leistungsstarker Halbleiterdioden wurden diese sehr schnell durch erheblich leistungsfähigere Drehstromlichtmaschinen ersetzt.

Nachteilig sind der Kontaktabbrand vor allem bei höheren Strömen, Synchronisationsprobleme und die Begrenzung auf relativ geringe Frequenzen unter etwa 500 Hz. Der große Vorteil verschwindender Durchlassspannung und damit sehr geringer Verlustleistung konnte erst in jüngster Zeit durch gesteuerte MOSFET-Gleichrichter wieder erreicht werden.

Elektrolytischer Gleichrichter

Eine Möglichkeit der Gleichrichtung eröffnete das Prinzip der anodischen Oxidation, welche in den Anfängen der elektrischen Telegrafie und Telefonie eine Rolle spielte. Zwei in einen Elektrolyten getauchte Elektroden können gleichrichterähnliche Eigenschaften aufweisen. Eine Elektrode muss dazu aus einem Edelmetall, zum Beispiel Platin, bestehen, die andere aus einem Metall, das durch anodische Oxidation eine dicke Oxidschicht bildet, wie Niob. Bei dieser Anordnung kann nur Strom fließen, wenn das anodisch oxidierbare Metall als Kathode fungiert. Diese Gleichrichter werden auch als Nassgleichrichter oder als elektrolytischer Gleichrichter bezeichnet und konnten bis zu Spannungen um 300 V eingesetzt werden[9]. Die Hauptnachteile Lageempfindlichkeit und giftige bzw. korrosionsfördernde Dämpfe beschränkten die Zahl der Anwendungen.

Quecksilberdampfgleichrichter

Quecksilberdampfgleichrichter

Eine weitere Entwicklung war der Quecksilberdampfgleichrichter, der auch bei größeren Leistungen eingesetzt werden konnte. Er besteht aus einem Glaskolben, an dessen unterem Ende sich eine Kathode mit einem Quecksilbervorrat (Teichkathode) befindet. Darüber wölbt sich der Glaskolben, an dem das Quecksilber wieder kondensiert. Seitlich sind Arme mit Graphitelektroden als Anoden angeschmolzen. Elektronen können nur von der Teichkathode zu den Graphitelektroden fließen.

Trockengleichrichter

Selengleichrichter in typischer Plattenbauweise

Einige Jahrzehnte später wurden die ersten Halbleitergleichrichter wie Selen-Gleichrichter und Kupferoxydul-Gleichrichter erfunden. Sie wurden, da dabei keine Flüssigkeiten zum Einsatz kamen, auch als Trockengleichrichter bezeichnet. Sie bestehen aus einer Metallplatte, auf der eine Schicht aus Selen bzw. Kupferoxid aufgebracht ist. Die Sperrspannung beträgt nur etwa 15…50 V, die Durchlassspannung ist relativ hoch. Um große Spannungen gleichzurichten und die Abwärme abzuleiten, wurden die Selenplatten gestapelt. Die Plattenfläche bestimmt den Strom, die Plattenanzahl die maximale Sperrspannung. Sogenannte Selenstäbe enthielten eine große Anzahl kleiner Selengleichrichterscheiben und dienten bis in die 1970er Jahre u. a. zur Gleichrichtung der Anodenspannung von Bildröhren in Schwarzweiß-Fernsehern. Sie hatten Sperrspannungen bis über 20 kV.

Wegen des typischen meerrettich- oder knoblauchartig zu beschreibenden Geruchs bei Überlast eines Selengleichrichters sprach man das Wort „Gleichrichter“ auch als „Gleich riecht er“ aus.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden vor allem in Detektorempfängern Detektorkristalle aus Bleiglanz oder Pyrit benutzt: Ein Halbleiter-Metall-Übergang, der aus einem Halbleiterkristall und einer tastenden Metallspitze bestand, mit der geeignete Punkte zur Demodulation von AM-Rundfunksendungen gesucht wurden. Diese mechanisch sehr empfindliche und wenig effektive Versuchsanordnung wurde sehr schnell durch die rasch voranschreitende Entwicklung der Elektronenröhre verdrängt, die Schaltungen ermöglichte, die verstärken und gleichzeitig gleichrichten konnten (Audion).

Nachteilig sind die geringen Sperrspannungen von etwa 15 V und vor allem das geringe Verhältnis Sperrwiderstand/Durchlasswiderstand, das knapp über eins liegt und heutigen Maßstäben nicht mehr genügt.

Halbleiterdioden

SMD-Halbleiterdiode

Der Durchbruch in der Entwicklung der Gleichrichter gelang erst nach der Erforschung des p-n-Übergangs im Anschluss an die Erfindung des Bipolartransistors im Jahre 1947. Über einen längeren Zeitraum verwendete man Germanium-Dioden, die später durch die temperaturbeständigeren Silizium-Dioden ersetzt wurden.

  • Die vergleichsweise sehr geringe Schwellenspannung von etwa einem Volt sorgt für geringe Verlustleistung.
  • Schaltnetzteile wurden erst nach Erfindung der Halbleiterdioden betriebssicher und wartungsfrei. Seitdem ersetzen sie in Netzteilen zunehmenden die schweren Netztransformatoren.
  • Gleichspannungswandler mit Halbleiterdioden als wesentlichen Bauelementen sind Standardbauteile in Elektronikgeräten geworden.
  • Erst nach der Verfügbarkeit leistungsstarker Gleichrichter aus Halbleitern konnten wirtschaftlich arbeitende Frequenzumrichter auch für große Leistungen gebaut werden. Diese revolutionierten die elektrische Antriebstechnik, weil sie die stufenlose Drehzahländerung der sehr zuverlässigen Drehstrom-Asynchronmaschinen erlauben.
  • Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung wurde erst durch Erfindung der Halbleiterdioden ermöglicht.

Beispielhafte weitverbreitete Bauelemente im mittleren Leistungsbereich für Sperrspannungen bis 1.000 Volt sind die Gleichrichterdioden 1N4001...1N4007[10] für Ströme bis 1 Ampere sowie die Gleichrichterdioden 1N5400...1N5408[11] für Ströme bis 3 Ampere.

Nachteilig im Vergleich zu allen anderen Gleichrichterarten ist die sehr geringe thermische Überlastbarkeit. Ursachen sind die geringe Masse des Kristalls in Halbleiterdioden und die schlechte Wärmeabfuhr über die Anschlussdrähte. Deshalb steigt die Kristalltemperatur bei Überstrom nach sehr kurzer Zeit (einige Millisekunden) so weit an, dass die PN-Schicht irreversibel zerstört wird.

Röhrendioden

Eine Röhrendiode oder auch Vakuumdiode ist eine Elektronenröhre mit beheizter Kathode und einer oder zwei (selten mehreren) Anode(n). Es gibt keine sinnvoll anwendbare Steuermöglichkeit des durchgelassenen Stromes. Röhrendioden waren in der Anfangszeit der Rundfunktechnik in Röhrenempfängern das Standardbauteil zur Gleichrichtung der Versorgungsspannung und des (amplitudenmodulierten) Signals. Nachteilig sind das voluminöse und zerbrechliche Glasgehäuse, die notwendige Heizenergie der Kathode und die hohe Durchlassspannung von etwa 40 V bei Strömen um 100 mA. Unerreicht sind dagegen die extreme maximale Sperrspannung (>100 kV) und der unendliche hohe Sperrwiderstand.

Glimmgleichrichter

Ende der 1920er-Jahre wurde auch mit Gleichrichtern auf Basis von Glimmentladungen und speziellen Bauformen der Glimmlampe experimentiert.[12] Das Verfahren ähnelt dem der Röhrendiode, es wird die Röhre aber mit einem Gas gefüllt und die Kathode nicht beheizt. Die Gleichrichterwirkung basiert auf einer unsymmetrischen Formung der beiden Entladungselektroden oder auch auf Elektrodenbeschichtungen zur Reduktion des Kathodenfalles. Der Glimmgleichrichter konnte sich wegen seines recht schlechten Verhältnisses von Durchlass- zu Sperrstrom (< 100:1), des geringen Maximalstromes und der unvergleichlich hohen Durchlassspannung von etwa 70 V nicht durchsetzen; der Einsatz von Kondensatoren zur Spannungsglättung erhöhte den Sperrstrom noch zusätzlich.

Gleichrichterschaltungen

Ungesteuerte Gleichrichter

Ungesteuerte Dioden

In diesen Schaltungen werden nur Dioden verwendet, deren Leitfähigkeit von der Polarität der angelegten Spannung abhängt:

  • Wenn die Kathode negativer als die Anode ist und die notwendige Schleusenspannung (bei Silizium: 0,6 V) überschritten wird, leitet die Diode.
  • Bei umgedrehtem Vorzeichen sperrt die Diode, solange die Durchbruchsspannung nicht überschritten ist.

In beiden Fällen muss der Strom begrenzt sein, sonst wird die Diode zerstört. Im Folgenden sind einige typische Gleichrichterschaltungen skizziert, in Klammern ist jeweils die technische Kurzbezeichnung angegeben.

Einweggleichrichter (E1)(E1U) auch Einpuls-Mittelpunkt-Schaltung (M1U)

So funktioniert der E1-Gleichrichter

Bei einem ungesteuerten Einweggleichrichter (auch Einzweigschaltung) wird nur eine Halbschwingung der Wechselspannung gleichgerichtet, die andere wird nicht verwendet. Während der Halbperiode, in der die Diode in Durchlassrichtung betrieben wird, steht am Ausgang Spannung an, in der zweiten Halbperiode sperrt die Diode. Nachteilig sind die vergleichsweise große Restwelligkeit auf der Gleichspannungsseite, der schlechte Wirkungsgrad und die unsymmetrische Belastung der Wechselspannungsquelle. Dadurch wird der vorgeschaltete Transformator magnetisiert, da er nur in eine Richtung vom Strom durchflossen wird. Dafür benötigt ein solcher Gleichrichter nur eine einzige Diode. Die pulsierende Gleichspannung muss im Regelfall noch geglättet werden. Die Welligkeit hat die Frequenz der Eingangsspannung.

Einweggleichrichtung ist veraltet und entstammt einer Zeit, in der Gleichrichter noch sehr teuer waren. Man findet sie heute nur noch in Sperrwandlern. Schwarzweiß-Fernsehgeräte hatten einen Einweg-Hochspannungsgleichrichter zur Erzeugung der Bildröhren-Anodenspannung aus den Zeilen-Rückschlagimpulsen des Zeilentransformators. „Allstrom“-Röhrenradios und -Fernseher hatten einen Einweggleichrichter aus Selen, später aus Silizium zur Netzgleichrichtung und zur Gewinnung der Anodenspannung. Ein Netzpol wurde als Massepotential verwendet, um für die direkt am Netz betriebenen Röhrenheizungen eine Reihenschaltung aufbauen zu können.

Brückengleichrichter (B2)(B2U)

Schaltbild eines B2-Gleichrichters

Standardgleichrichter für Einphasenwechselstrom ist der Brückengleichrichter, auch Graetzschaltung oder Zweipuls-Brückenschaltung genannt. Namensgeber ist der deutsche Physiker Leo Graetz. Die Schaltung wird von vier Dioden gebildet: Die links anliegende Wechselspannung, die beispielsweise direkt von einem Transformator kommt, wird in eine pulsierende Gleichspannung (rechts dargestellt) umgewandelt. Da es sich dabei um eine Zweiweggleichrichtung handelt, erscheint die negative Halbschwingung der Wechselspannung im Gleichstromkreis am Verbraucher R ausschließlich positiv. Im Gegensatz zu anderen Gleichrichtertypen muss bei dieser Gleichrichterschaltung die Sperrspannung der Gleichrichterdioden nur so groß wie die Spitzenspannung der Wechselspannung sein. Man wählt sie aus Sicherheitsgründen jedoch etwas höher (bei Netzgleichrichtern am 230-Volt-Netz beispielsweise über 400 Volt).

Die Welligkeit hat die doppelte Frequenz der Eingangsspannung, wodurch sich der nachfolgende Filteraufwand verringert.

Brückengleichrichter für Wechsel- und Drehstrom werden oft als bereits miteinander verschaltete Dioden im gemeinsamen Gehäuse angeboten. Bei höheren Strömen enthalten sie eine Kühlfläche sowie eine Bohrung zur Befestigung auf einem Kühlkörper.

Mittelpunktgleichrichter (M2)

Schaltbild eines M2-Gleichrichters

Beim Mittelpunktgleichrichter werden ebenfalls beide Halbschwingungen der Wechselspannung gleichgerichtet. Allerdings ist dazu ein Transformator mit einer Mittelpunktanzapfung notwendig, die gleichzeitig einen Pol der gleichgerichteten Ausgangsspannung bildet.

Der Vorteil dieser Mittelpunktschaltung liegt darin, mit nur zwei Dioden D1 und D2 auszukommen und dass die Spannung nur um eine Diodenflussspannung reduziert wird. Nachteilig ist, dass sie einen speziellen Transformator erfordert, der stärker dimensioniert ist, da immer nur die Hälfte des Kupfers zum Stromfluss beiträgt. Bei gegebenem Kupfervolumen hat jede Hälfte der Sekundärwicklung wegen des dünneren Drahtes (doppelte Windungszahl muss Platz finden) in etwa den doppelten Innenwiderstand, der in die Verlustleistung (P=R·I2) eingeht.

Weiter ist zu beachten, dass die Sperrspannung der Dioden mindestens die doppelte Ausgangsspannung sein muss. Wenn eine Diode sperrt und die andere leitet, liegt auf der gesperrten die volle Trafospannung an.

Die Welligkeit hat die doppelte Frequenz der Eingangsspannung, was den nachfolgenden Filteraufwand gegenüber der Einweggleichrichtung verringert. Die Schaltung wird hauptsächlich bei geringen Spannungen (unter 10 V) sowie bei Schaltnetzteilen verwendet, da hier die Vorteile die Nachteile überwiegen. Die Mittelpunktschaltung wurde in früherer Zeit häufig in Röhrengeräten zur Erzeugung der Anodenspannung angewandt, da man bei ihr unter Einsatz von Duodioden, Gleichrichterröhren mit zwei Anoden und gemeinsamer Kathode oder bei mehranodigen Quecksilberdampfgleichrichtern nur eine teure Gleichrichtereinheit benötigte.

Heute verwendet man häufig Doppeldioden (Silizium- oder Schottkydioden) mit gemeinsamer Kathode. Sie bestehen aus einem Chip, der zwei Dioden enthält und dessen Rückseite, als gemeinsame Kathode, auf eine Kühlfahne gelötet ist.

Gleichrichter für Dreiphasenwechselstrom

Dreiphasengleichrichter in Sechspuls-Brückenschaltung (B6)

→ Hauptartikel: Dreiphasengleichrichter

Für mittlere Leistungen von einigen Kilowatt aufwärts wird die Dreiphasenwechselspannung aus dem Stromnetz gleichgerichtet, weil dann die Brummspannung auf der Gleichspannungsseite kleiner ist und nur geringer Aufwand zur Glättung der Gleichspannung entsteht.

Anwendung finden Dreiphasengleichrichter in der elektrischen Energietechnik wie beispielsweise bei Straßenbahnen, die meist mit Gleichspannungen von 500…750 V betrieben werden. Auch bei den heute üblichen Drehstrom-Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen wird sie eingesetzt. In beiden Fällen ist keine Glättung erforderlich.

Vor der Zeit der Halbleitergleichrichter fertigte man auch mehrphasige Quecksilberdampfgleichrichter, die durch eine gemeinsame Teichkathode und mehrere nach oben ragende Anoden gekennzeichnet waren.

Gleichrichterschaltungen zur Spannungsvervielfachung

Spezielle Gleichrichterschaltungen dienen zur Spannungsvervielfachung. Dabei werden Kombinationen von Dioden und Kondensatoren so verschaltet, dass eine angelegte Wechselspannung eine vervielfachte Gleichspannung ergibt. Typische Schaltungen sind der Spannungsverdoppler, die Hochspannungskaskade und die Greinacher-Schaltung. Anwendung finden diese Schaltungen unter anderem in Fernsehempfängern mit Bildröhren zur Erzeugung der Anodenspannung im Bereich von 18 bis 24 kV.

Steuerbare Gleichrichter

Leistungsregelung am steuerbaren Gleichrichter durch Verschiebung der Thyristor-Einschaltzeitpunkte
Gesteuerte Gleichrichtertürme bestehend aus je 96 Thyristoren für 250 kV und 2000 A

Alle bisher beschriebenen Gleichrichter sind ungesteuert. Der Umschaltvorgang erfolgt ohne eine zusätzliche Steuerelektronik, nur aufgrund des Vorzeichens der anliegenden elektrischen Spannung an den Dioden. Steuerbare Gleichrichter verwendet man im Bereich der Energie- und Antriebstechnik. Mit ihnen ist nicht nur eine Gleichrichtung möglich, sondern durch Phasenanschnittsteuerung auch eine Leistungssteuerung, weil man bei diesen Bauelementen den Zeitpunkt festlegen kann, ab dem der Gleichrichter elektrisch leitfähig wird – vorher isoliert er.

Im nebenstehenden Bild ist der Zündimpuls der Thyristoren unten als blaues Rechteck eingezeichnet. Nach Erlöschen des Steuerpulses bleibt der Stromfluss (rot eingezeichnet) bis zum folgenden Nulldurchgang bestehen. Durch Verschiebung des Einschaltzeitpunktes lässt sich die Energie (graue Fläche) ändern, die zum Verbraucher fließt. Einsatzbereiche sind beispielsweise die Drehzahlsteuerung von Gleichstrom- und Universalmotoren in Industrieanlagen oder Kleingeräten wie Bohrmaschinen, in modernen Elektrolokomotiven zur Beaufschlagung des Gleichspannungs-Zwischenkreises und in Anlagen der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung. Gesteuerte Gleichrichter in Umrichtern ermöglichen eine sehr effektive Frequenz- und Leistungssteuerung von Drehstrommotoren in Walzstrassen, Elektrolokomotiven und Waschmaschinen.

Früher wurden für diesen Zweck gittergesteuerte Quecksilberdampfgleichrichter wie Thyratrons und Ignitrons eingesetzt, die groß, teuer und verlustreich sind. Heute werden Thyristoren, Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) und teilweise Leistungs-MOSFETs verwendet, die wesentlich geringeren Kühlaufwand erfordern.

Es gibt auch sogenannte GTO-Thyristoren, die das Sperren eines Ventils durch einen Impuls erlauben. Allerdings weisen diese schlechtere elektrische Werte auf und werden zunehmend durch IGBTs ersetzt.

Hat ein Brückengleichrichter voll steuerbare Zweige, ist mit ihm Vier-Quadrantenbetrieb möglich, d. h., er kann bei entsprechender Steuerung sowohl Energie aus der Wechselstromseite in die Gleichstromseite liefern als auch umgekehrt. Die entsprechende Schaltung in Form einer H-Brücke wird als Vierquadrantensteller bezeichnet und unter anderem in Wechselrichtern zur Erzeugung einer Wechselspannung aus einer Gleichspannung eingesetzt.

Die Einteilung der steuerbaren Gleichrichter erfolgt in mehrere Schaltungstopologien, dazu zählen B2HZ-, B2HK-, B2C- und B6C-Gleichrichter. Eine steuerbare Gleichrichterschaltung mit besonders geringem Oberschwingungsanteil stellt der Vienna-Gleichrichter dar [13].

Darüber hinaus hat ein gesteuerter Gleichrichter Bedeutung in der Messtechnik, z. B. bei der Wechselspannungsbrücke.

Synchrongleichrichter

Synchroner Gleichrichter mit MOS-FETs

Die Gleichrichtung sehr geringer Spannungen ist problematisch, weil es keine ungesteuerten Dioden mit Schleusenspannungen unter 0,2 V gibt (Schottky-Diode). Kleine Spannungen lassen sich so überhaupt nicht gleichrichten, bei größeren gibt es unangenehme Begleiterscheinungen:

  • Bei Hüllkurvendemodulatoren ist die demodulierte Spannung verzerrt.
  • Bei großen Strömen sinkt der Wirkungsgrad erheblich, der Gleichrichter wird heiß.

Deshalb werden unter anderem in Schaltnetzteilen mit niedriger Ausgangsspannung leistungsstarke Synchrongleichrichter eingesetzt.

Bei dieser Art von Gleichrichtern werden keine Bauteile verwendet, die von sich aus einen Stromfluss nur in eine Richtung zulassen; stattdessen verwendet man MOSFETs, welche durch eine Ansteuerelektronik so angesteuert werden, dass diese wie eine Halbleiterdiode mit sehr kleiner Durchlassspannung wirken.

Beispiel: Ein moderner Pentium-Prozessor benötigt einen Gleichstrom von 75 A bei nur 1,3 V. Diese Leistung wird im Laptop aus 18 V durch miniaturisierte Schaltwandler erzeugt, die MOSFET-Gleichrichter verwenden. Weil bei diesen Bauteilen die Verlustspannungen im Bereich von nur einigen 10 mV liegen, besitzt dieser Gleichrichter einen Wirkungsgrad von etwa 99 % und kann ohne Kühlung auf wenigen Quadratzentimetern realisiert werden. Bei Verwendung eines Trockengleichrichters würde in diesem mehr Wärme entstehen als im Prozessor selbst.

Der Nachteil von Synchrongleichrichtern ist der höhere Bauelementeaufwand, da zur synchronen Ansteuerung der MOSFETs zusätzlicher Schaltungsaufwand betrieben werden muss. Meist sind diese zusätzlichen Schaltungsteile für die zeitlich genaue Ansteuerung fertig in integrierten Schaltungen zusammengefasst.

In der rechts dargestellten Schaltskizze als Teil eines Schaltreglers wird links die Wechselspannung über einen Transformator auf das benötigte Spannungsniveau transformiert, über die beiden MOSFETs gleichgerichtet und die Ausgangsspannung U0 mittels Spule L und Kondensator C geglättet. Der Übersichtlichkeit wegen fehlt die Ansteuerschaltung für die beiden MOSFETs.

Synchrongleichrichter für geringe Ströme findet man in Chopper-Verstärkern, Auto-Zero-Verstärkern und Lock-in-Verstärkern.

Glättung

Gleichgerichtete Wechselspannung (grau strichliert) wird geglättet (rot)
Der einstellbare Längsregler mit OPV reduziert die Restwelligkeit.

Jeder Gleichrichter macht aus der ursprünglichen Wellenform der Spannung, die oft sinusförmig ist, eine periodisch schwankende Spannung. Die meisten Verbraucher wie Computer benötigen aber sehr konstante Gleichspannung, weshalb die Wellentäler ausgeglichen werden müssen. Diesen Vorgang bezeichnet man als Glättung, die im Regelfall durch einen parallel zum Verbraucher geschalteten Kondensator ausreichender Kapazität erfolgt. Dieser Kondensator wird durch kurze Strompulse aufgeladen, die einsetzen, wenn der Gleichrichterausgang die Ladespannung des Kondensators übersteigt, und erhebliche Werte annehmen können. Alternativ kann diese Glättung auch durch Induktivitäten in Reihe zum Verbraucher erfolgen, wodurch der Stromfluss durch den Gleichrichter gleichförmiger wird. Der nach der Glättung übrigbleibende Wechselanteil, auch Brummspannung oder Restwelligkeit genannt, kann durch nachgeschaltete Siebglieder weiter reduziert werden. Filter zur Glättung sind Tiefpassfilter.

Die Glättung vereinfacht sich mit steigender Frequenz der Wechselspannung, weshalb immer häufiger Schaltnetzteile mit Frequenzen über 40 kHz eingesetzt werden. Sehr leistungsstarke Gleichrichter werden immer mit Dreiphasenwechselstrom betrieben, weil die Gleichspannung bei Verwendung eines Zwölfpulsgleichrichters auch ohne Glättung oft ausreichend geringe Brummspannung besitzt.

In kleinen Netzteilen für Elektronenröhren und Netzteile mit mehreren Ausgangsspannungen aus demselben Transformator werden Pi-Filter (zwei Querkondensatoren, dazwischen eine Längsinduktivität) eingesetzt. Der Pi-Filter wird benutzt, da die anderen Spannungen auf dem Filter abfallen und das gemeinsame Potential verschieben würden. Bei sehr hohen Ansprüchen an die Qualität der Gleichspannung wird eine elektronische Stabilisierung durch Spannungsregler wie in Labornetzteilen eingesetzt. Dabei können eingebaute Verstärker die Restwelligkeit der Ausgangsspannung fast vollständig beseitigen, da die Schaltung wie eine Gegenkopplung wirkt.

Gleichrichter in der Messtechnik

Präzisions-Gleichrichtung

In der elektrischen Messtechnik sind präzise Gleichrichter für kleine Spannungen und kleine Strömstärken notwendig. Sie dienen nicht der Energieversorgung von elektronischen Baugruppen, sondern zur Verarbeitung von Messsignalen.

Phasenempfindliche Gleichrichtung

Im Gegensatz zur einfachen ungesteuerten Gleichrichtung kann sich für die Wechselspannungsmesstechnik bei einer Gleichrichtung, welche synchron zu einem äußeren Vorgang abläuft, das Vorzeichen der Ausgangsspannung umkehren.

Gleichrichter in der Nachrichtentechnik

Detektorradio

Gleichrichter werden in der Nachrichtentechnik zum Nachweis oder zur Demodulation von Hochfrequenzsignalen eingesetzt. Ein einfaches Beispiel ist die Hüllkurvengleichrichtung amplitudenmodulierter Signale bei Detektor-Empfängern. Sie ist in nebenstehender Schaltskizze abgebildet.

Die Spule und der Drehkondensator stellen dabei einen Schwingkreis dar, der auf die gewünschte hochfrequente Trägerfrequenz abgestimmt ist. Die empfangene Spannung, deren Amplitude in Abhängigkeit vom Nutzsignal schwankt, wird über die Diode gleichgerichtet, wodurch am Kopfhörer als Spannungsverlauf die Hüllkurve des Nutzsignals anliegt – die höheren Frequenzanteile der Sendefrequenz werden durch die Induktivität des Kopfhörers unterdrückt.

Diese Form eines Empfängers ist nicht besonders empfindlich und nur für den Empfang naher und starker Sender geeignet. Die Materialien für die Diode bestanden früher unter anderem aus Bleiglanz oder Pyrit und wurden durch eine feine Metallspitze kontaktiert (was eher als Schottky-Diode anzusehen ist), wodurch eine kapazitätsarme gleichrichtende Wirkung erzielt wurde. Später wurden dafür Germaniumdioden verwendet.

Das zugrundeliegende Prinzip wird auch in heutigen Rundfunkempfängern beim Empfang von amplitudenmodulierten Signalen verwendet.

Gleichrichter als nichtlineare Schaltung

Alle Gleichrichter sind nichtlineare Schaltungen, die bei sinusförmigem Spannungsverlauf in Stromversorgungen einen nicht sinusförmigen Stromverlauf auf der Gleichspannungsseite verursachen. Die Nichtlinearität ist bedingt durch die nichtlineare Betragsfunktion und die Effekte infolge der Glättung auf der Gleichspannungsseite.

Der Strom auf der Wechselspannungsseite setzt sich aus mehreren Frequenzkomponenten zusammen, sogenannten Oberschwingungen, die in Wechselspannungsnetzen Störungen verursachen können. Um diese Oberschwingungen klein zu halten, müssen Netzteile mit Gleichrichtern von bestimmten Leistungen an über eine Leistungsfaktorkorrektur verfügen, um die Verzerrungsblindleistung zu minimieren. Das ist eine spezielle Form der Filterung, welche den erwünschten sinusförmigen Stromverlauf auf der Wechselstromseite nachbildet.

Außerdem tritt bei Gleichrichtern, wie bei allen nichtlinearen Schaltungen, eine spezielle Form der Blindleistung auf, die in der Literatur uneinheitlich als Verzerrungsblindleistung oder Verzerrungsleistung bezeichnet wird und sich ähnlich wie die Blindleistung auswirkt. Dabei handelt es sich im Gegensatz zu der Blindleistung, welche auch Verschiebungsblindleistung genannt wird und sich durch eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom in der Grundschwingung auszeichnet, um eine Form der Blindleistung, die durch starke Oberschwingungen hervorgerufen wird, die durch den meist kleinen Stromflusswinkel entstehen. Diese Verzerrungsblindleistung belastet ebenso wie die Verschiebungsblindleistung die Leitungen und ist unerwünscht, da damit keine Arbeit am Verbraucher verrichtet wird.

Am 1. Januar 2001 trat eine EMV-Norm in Kraft, die Vorschriften über das zulässige niederfrequente Störspektrum (Oberwellen) für elektronische Verbraucher ab 75 Watt festlegt.

Sonstiges

Quecksilberdampfgleichrichter der HGÜ Nelson-River Bipol 1
  • Die größten jemals zum Einsatz gekommenen Quecksilberdampfgleichrichter befanden sich in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage Nelson-River-Bipol 1. Sie besaßen eine Sperrspannung von 150 kV und einen maximalen Durchlassstrom von 1800 A. Mitte der 1990er Jahre wurden sie durch gesteuerte Gleichrichter auf Thyristorbasis ersetzt.
  • Mit Schottky-Dioden können Gleichrichter mit niedrigerer Flussspannung als mit herkömmlichen Dioden gebaut werden. Die Flussspannung oder Vorwärtsspannung beschreibt den Spannungsabfall an der Diode im leitfähigen Zustand und ist bei Gleichrichtern unerwünscht. Schottky-Dioden kommen vor allem in Schaltnetzteilen zur Anwendung.
  • Hochspannungsgleichrichter, wie sie in TV-Empfängern, Hochspannungslabors, in Laserdruckern zum Auftragen des Toners oder bei Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen eingesetzt werden, bestehen aus einer Reihenschaltung von herkömmlichen Dioden. Das ist notwendig, weil Siliziumdioden eine maximale Sperrspannung von nur wenigen Kilovolt haben und es bei Überschreitung dieser Spannung zum Durchbruch kommt. Die Herstellung von Halbleiterbauteilen mit Sperrspannungen von mehr als einigen kV ist nicht möglich.

Literatur

  • Manfred Seifart: Analoge Schaltungen, 6. Auflage, Verlag Technik, Berlin 2003, ISBN 978-3-341-01298-7.
  • Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, 12. Auflage, Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-42849-6.
  • Otmar Kilgenstein: Schaltnetzteile in der Praxis, 3. Auflage, Vogel, Würzburg 1992, ISBN 3-8023-1436-0.
  • Ulrich Nicolai, Tobias Reimann, Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Applikationshandbuch IGBT- und MOSFET-Leistungsmodule. Isle, Ilmenau 1998, ISBN 978-3-932633-24-9.
Wiktionary: Gleichrichter – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen
Commons: Gleichrichter – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Referenzen

  1. ↑ Historical lecture on Karl Braun
  2. ↑ Diode. Encyclobeamia.solarbotics.net, abgerufen am 6. August 2010.
  3. ↑ D. T. Emerson: The work of Jagadish Chandra Bose: 100 years of mm wave research. In: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 45. Jahrgang, Nr. 12, Dezember 1997, S. 2267–2273, doi:10.1109/22.643830, bibcode:1997ITMTT..45.2267E (google.com [abgerufen am 19. Januar 2010]).
  4. ↑ Tapan K. Sarkar: History of wireless. John Wiley and Sons, USA 2006, ISBN 0-471-71814-9, S. 94, 291–308 (google.com).
  5. ↑ [US patent 836531]
  6. ↑ Fleming valve
  7. ↑ Road to the Transistor. Jmargolin.com, abgerufen am 22. September 2008.
  8. ↑ Goldstein, Alexander. Die Theorie der Kontaktumformer mit Schaltdrosseln. Diss. techn. Wiss. ETH Zürich, 1948. PDF
  9. ↑ Hermann Goetsch: Lehrbuch der Fernmeldetechnik. 7. Auflage. R. Oldenbourg, 1938.
  10. ↑ 1N4001...1N4007 1.0A Rectifier. (PDF; 49 kB) Diodes, 2. Februar 2009, abgerufen am 8. Juli 2013 (englisch).
  11. ↑ 1N5400 thru 1N5408 Axial-Lead Standard Recovery Rectifiers. (PDF; 115 kB) ON Semiconductor, 28. Mai 2008, abgerufen am 9. Juli 2013 (englisch).
  12. ↑ Nentwig, Geffcken, Richter: Die Glimmröhre in der Technik, 1939, Deutsch-Literarisches Institut J. Schneider, Berlin-Tempelhof, S. 110ff
  13. ↑ J. W. Kolar, H. Ertl, F. C. Zach: Design and Experimental Investigation of a Three-Phase High Power Density High Efficiency Unity Power Factor PWM (Vienna) Rectifier Employing a Novel Integrated Power Semiconductor Module, in Proceedings of the 11th IEEE Applied Power Electronics Conference, San Jose (CA), USA, 3. bis 7. März 1998, Ausgabe 2, Seiten 514 bis 523
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