Gleichrichterschaltungen

Klassifizierung von Gleichrichterspannungen

Der grundsätzliche Aufbau ist in Bild 1 dargestellt.
Nach DIN 41 761 werden Gleichrichterschaltungen in Einwegschaltungen und Zweiwegschaltungen eingeteilt. Alle Schaltungen, bei denen die gleichrichterseitige Wicklung der Transformatoreinheit vom Strom nur in einer Richtung durchflossen wird, heißen Einwegschaltungen, andernfalls Zweiwegschaltungen.
Da die eingesetzten Gleichrichter stets über eine Fluss- und eine Sperrrichtung verfügen, kann ein einzelner Gleichrichter von einer Sinusschwingung nur eine Hälfte passieren lassen. Es entsteht ein pulsierender Gleichstrom. Je nach der Zahl der hinter der Gleichrichtereinheit auftretenden Pulse, spricht man auch von Einweg-Einpuls-Gleichrichtung, Einweg-Zweipuls-Gleichrichtung usw.

Einweg-Einpuls-Gleichrichter

Die Grundschaltung des Einweg-Einpuls-Gleichrichters ist in Bild 2 dargestellt. Die Sekundärseite des Netztransformators kann als eine Spannungsquelle mit dem Innenwiderstand $R_L$betrachtet werden, die zu verschiedenen Zeitpunkten unterschiedlich hohe und auch abwechselnd gepolte Quellenspannungen bereitstellt. Da die eingesetzte Diode über eine Fluss- und eine Sperrrichtung verfügt, kann von der Sinusschwingung nur eine Hälfte passieren. Es entsteht ein pulsierender Gleichstrom.

Bild 3 zeigt die Kennlinie der Last (Diode) bzw. der Quelle zu verschiedenen Zeitpunkten (Widerstandsgerade).
Gezeichnet ist das Kennlinienbild für $U_{\text{eff}}=\mathrm{3,54}\text{V und}{R}_{\text{L}}=100\Omega$.
Aus Bild 3 lässt sich für die Quellenspannung zwischen -5 V und +5 V grafisch leicht die Diodenspannung ermitteln. Diese muss zusammen mit dem Spannungsabfall am Lastwiderstand $R_L$ die zu den betrachteten Zeitpunkten auftretende Quellenspannung liefern.

Da diese durch die Gleichung $u_{\sim }=5\text{V}\cdot \sin (100\pi \cdot s^{-1}\cdot t)$ dargestellt wird, lässt sich für jeden Augenblick die Spannung am Lastwiderstand und an der Diode konstruieren (Bild 4).
Da im Bild 4 die Abszissenachse die t-Achse, dagegen es in Bild 3 die U- Achse ist, kann man errechnen, zu welchen Zeiten die Spannung u z.B. die Werte 1 V, 2 V,... annimmt. Das sei für $u(t_0)=\mathrm{0,7}\text{V}$ (Schleusenspannung) beispielhaft gezeigt:
$\begin{array}{c}\mathrm{0,7}\text{V}=5\text{V}\cdot \sin (100\pi \cdot {\text{s}}^{-1}\cdot t)\\ \mathrm{0,14}=\sin (100\pi \cdot {\text{s}}^{-1}\cdot t)\\ 100\pi \cdot {\text{s}}^{-1}\cdot t=\arcsin \mathrm{0,14}\\ t=\frac{\mathrm{0,1405}}{\pi }\cdot \frac{1}{100}\text{s}\\ t\approx \mathrm{0,045}\frac{1}{100}\text{s}\end{array}$
Da die t-Achse in Vielfachen von $\frac{1}{100}\text{s}$ geteilt ist, lässt sich dieser Wert gut eintragen. In der Tat hat für dieses t die gezeichnete Sinuskurve den Wert 0,7.

In guter Näherung verläuft in Flussrichtung die Diodenkennlinie oberhalb der Schleusenspannung von 0,7 V praktisch parallel zur I-Achse. Damit ist in Flusspolung (+ an Anode der Diode) bis zur Schleusenspannung die Dioden-Spannung identisch mit der anliegenden Wechselspannung, darüber bleibt sie praktisch konstant 0,7 V.
Das bedeutet, dass für technische Wechselspannungen (50 Hz) während der ersten vollen Periode folgende Spannungsverteilungen vorliegen:

1. Halbperiode:

$\begin{array}{l}\text{Für}0\le t<\mathrm{0,045}\cdot \frac{1}{100}\text{s ist 0}\text{V}\le u_{\text{Diode}}<\mathrm{0,7}\text{V und}{u}_{{\text{R}}_{\text{L}}}=0\text{V}\\ \text{Für}\mathrm{0,045}\cdot \frac{1}{100}\text{s}\le t<\mathrm{0,955}\cdot \frac{1}{100}\text{s ist}{u}_{\text{Diode}}\approx \mathrm{0,7}\text{V und}{u}_{{\text{R}}_{\text{L}}}=u_{~}-\mathrm{0,7}\text{V}\\ \text{Für}\mathrm{0,955}\cdot \frac{1}{100}\text{s <}t\le \frac{1}{100}\text{s ist 0}\text{V}\le u_{\text{Diode}}<\mathrm{0,7}\text{V und}{u}_{{\text{R}}_{\text{L}}}=0\text{V}\end{array}$

2. Halbperiode:

$\text{Für}\frac{1}{100}\text{s}\le t\le \frac{2}{100}\text{s ist}{u}_{\text{Diode}}=u_{~}\text{und}{u}_{{\text{R}}_{\text{L}}}=0\text{V}$

Von nun an wiederholen sich die Vorgänge periodisch. In den Fällen, in denen der Maximalwert der Wechselspannung einige 10 V übersteigt, wird in Skizzen des Verlaufs der Gleichspannung ihr Unterschied von 0,7 V zur Wechselspannung nicht mehr gezeichnet. Für kleinere Scheitelspannungen ist das aber unerlässlich.

Bild 5 zeigt den Gleichspannungsverlauf über zwei Perioden der Wechselspannung. Die am Lastwiderstand liegende Spannung ist zwar von immer gleicher Polarität, jedoch mit stark wechselnden Augenblickswerten. Ihr Mittelwert ist um vieles kleiner als der Scheitelwert der gleichgerichteten Wechselspannung und sie ist für viele Anwendungsfälle praktisch unbrauchbar. Eine erste Verringerung der Welligkeit kann man durch Einsatz eines Kondensators erreichen, der in Abhängigkeit von seiner Kapazität und der Größe des Lastwiderstandes zu einer veränderten Kurvenform der Gleichspannung führt.

Einweg-Zweipuls-Gleichrichter

Die Zielstellung für eine Zweipuls-Gleichrichtung besteht darin, die in der bisher betrachteten Schaltung nicht genutzte zweite Schwingungshälfte der Wechselspannung ebenfalls zu nutzen.
Durch eine einfache Vertauschung der Elemente des Sekundärstromkreises (der Einweg-Einpuls-Schaltung) kann man eine Gleichrichterschaltung gewinnen, in der am Lastwiderstand auftretende Gleichspannung aus der bisher nicht nutzbaren Halbschwingung entsteht. Die Schaltung bleibt dabei natürlich eine Einweg-Einpuls-Gleichrichtung.
Nimmt man beide Anordnungen zusammen (Bild 6a) und setzt die Sekundärspulen auf einen gemeinsamen Eisenkern, so entstehen zwei Einweg-Einpuls-Gleichrichter, deren Lastwiderstände vom erzeugten Gleichstrom immer in der gleichen Richtung durchflossen werden, die aber von einer jeweils anderen Halbschwingung erzeugt wurden.
Damit ist es natürlich möglich, die Leitungspunkte A und C sowie B und D zu verbinden. So entsteht durch Zusammenfügen eine Einweg-Gleichrichtung, in der beide Pulse der Wechselspannung genutzt werden können (Bild 6b).

In Bild 7 ist die an $R_L$ auftretende Gleichspannung dargestellt.
Wie in der Einweg-Einpuls-Gleichrichtung erreicht man auch hier eine Verringerung der Welligkeit durch einen zum Lastwiderstand parallel geschalteten Kondensator.

Zweiweg-Zweipuls-Gleichrichter
Ziel ist es, beide Pulse der Wechselspannung zur Herstellung einer Spannung stets gleicher Polarität zu nutzen, ohne einen Transformator mit Mittelabgriff einzusetzen.
Dazu ist es offensichtlich erforderlich für den Strom durch den Lastwiderstand zwei Zugänge zu erzeugen, die in diesem Widerstand die gleiche Stromrichtung sichern.

Die einzig mögliche Schaltung ist in Bild 8 dargestellt. Die Schaltung wird als Zweiweg-Zweipuls-Gleichrichter bezeichnet. Ist A positiv, fließt der Strom über D, E, C nach B. Über $R_L$ fällt eine Gleichspannung ab, die von der ersten Halbschwingung der Wechselspannung aufgebaut wird. Ist nun in der zweiten Halbschwingung B positiv, fließt der Strom von B über D, E, F nach A. Über $R_L$ entsteht wegen der gleichen Stromrichtung durch $R_L$ abermals eine Gleichspannung, die von der zweiten Halbschwingung der zwischen A und B liegenden Wechselspannung erzeugt wurde. Beide Pulse haben also zur Gleichspannung beigetragen. Da aber die Sekundärspule mal von A nach B und dann von B nach A durchflossen wird, begründet das den Namen Zweipuls-Zweiweg-Gleichrichtung.
Diese von GRAETZ entwickelte Schaltung (sie wird auch häufig wegen der Lage des Lastwiderstandes als Brückenschaltung oder auch als GRAETZ-Schaltung bezeichnet) hat eine breite praktische Nutzung erfahren.
Die über $R_L$ erzeugte Gleichspannung hat ohne weitere Zusatzschaltungen die Form, wie sie bereits in Bild 7 gezeigt ist. Die Verringerung der Welligkeit wird wie dort ebenfalls mit einem zu $R_L$ parallel liegenden Elektrolytkondensator erreicht.

In der Praxis der Darstellung elektrischer Funktionsgruppen durch Schaltsymbole werden die vier Dioden zu einem Rhombus zusammengefasst. In diese Rhombusfläche wird dann eine Diode gezeichnet. Neben den Anschlusspunkten der Wechselspannung werden die Abgriffpunkte für die Gleichspannung mit ihrer Polarität gekennzeichnet (Bild 9).