Gleichrichterschaltung:Allgemeine Grundlagen, Funktionsweise und Anforderungen erklärt

Üblicherweise verfügen elektronische Geräte über Gleichrichterschaltungen, die eine Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom in Stromversorgungssystemen ermöglichen. Diese Schaltung wird in Geräten mit geringem Stromverbrauch wie Batterieladegeräten verwendet, um die bei der Gleichrichtung erzeugte Niederspannung gleichzurichten.

Um die Gleichrichterschaltung zu verstehen, müssen wir etwas über den Gleichrichtungsprozess lernen. Die Gleichrichtung ist dafür verantwortlich, negative Wechselstrombits aus der Netzversorgung in positive Gleichspannungen umzuwandeln. Beim Aufbau Ihres idealen Systems benötigen Sie den richtigen Gleichrichter. Daher ist es wichtig, dass Sie den Gleichrichter und die Konfiguration der Dioden verstehen, um Ihr System einzurichten.

(Elektronische Komponenten)

1. Was ist eine Gleichrichterschaltung?

Ein Gleichrichter ist ein elektrisches Gerät, das Wechselstrom aus der Netzspannung in einen unidirektionalen Gleichstrom umwandelt. Am einfachsten funktioniert es, indem die Hauptversorgungs-Wechselspannung von den Stromnetzen auf Gleichspannung geändert wird. Am wichtigsten ist, dass viele Geräte, auf die wir uns verlassen, Gleichstrom benötigen.

Der Begriff Gleichrichter rührt daher, dass das Gerät den Stromfluss gerade richtet. Die Verwendung von elektronischen Filtern zur Glättung des Gleichrichterausgangs ist ein wachsender Trend. Infolgedessen verursachten moderne Silizium-Halbleitergleichrichter den Austritt von Selen-basierten Gleichrichtern, mechanischen Gleichrichtern, Kupferoxid-Gleichrichtern und Vakuumröhrengleichrichtern.

Mechanische und Vakuumröhrengleichrichter (die in Kathodenstrahlröhren verwendet werden) waren aufgrund des hohen Innenwiderstands ineffizient. Gleichrichter auf Kupferoxid- und Selenbasis haben jedoch eine bessere kurzzeitige Spannungstoleranz als SCR (Silicon Controlled Rectifier). Dies ist ein großer Vorteil gegenüber Siliziumdioden.

(Transformator Wechselstrom zu Gleichstrom mit Diodenbrücke und Kondensator)

2. Arten von Gleichrichtern

Einphasige und dreiphasige Gleichrichter.

Sowohl in einphasigen als auch in dreiphasigen Gleichrichtern erfahren sie eine Halbwellengleichrichtung und eine Vollwellengleichrichtung.

Einphasige Gleichrichter haben einen Eingang einer 1-phasigen Netzversorgung mit Wechselstrom. Die Strukturen sind sehr einfach. Sie benötigen eine, zwei oder vier Dioden (je nach Systemtyp).

Bei einphasigem Wechselstrom wird ein hoher Welligkeitsfaktor erzeugt. Dies liegt daran, dass seine Dioden mit der Sekundärwicklung des Einphasentransformators verbunden sind. Außerdem wird nur eine einzige Phase der Sekundärspule des Transformators zur Gleichrichtung verwendet.

Andererseits benötigen Strukturen in dreiphasigen Gleichrichtern drei oder sechs Dioden. Eine reduzierte Brummspannung tritt auf, da alle Dioden mit jeder Phase der Sekundärwicklung des Transformators verbunden werden. Es schafft außerdem einen hohen Transformatornutzungsfaktor.

Vorteile des Einphasengleichrichters

• Geeignet für einfache Strukturen

Vorteile des Dreiphasengleichrichters

• Erstens wird es am meisten bevorzugt, wenn große Systeme verwendet werden
• Zweitens liefert es große Mengen an Leistung
• Benötigen außerdem keine zusätzlichen Filterkomponenten zur Reduzierung von HF
• Ist effizient und hat mehr TUF

Nachteile von Einphasengleichrichtern

• Zunächst liefert es eine kleine Menge Strom.
• Außerdem hat es einen geringeren Transformatornutzungsfaktor (TUF)

(Dioden)

Halbwellen- und Vollwellengleichrichter

In Einweggleichrichtung , sperrt der Gleichrichter die Hälfte des pulsierenden Eingangssignals vollständig. Dann liefert nur eine Hälfte in jedem vollen Zyklus. Das bedeutet, dass die Hälfte der Wechselstromversorgung verschwendet wird.

Halbwellengleichrichtung erfordert eine einphasige Versorgung mit einer einzelnen Diode oder drei in einer dreiphasigen Versorgung. Der durchschnittliche Pegel der gleichgerichteten Spannung ist die Hälfte des Pegels der Eingangsspannung. Die positive Spannung hat jedoch den gleichen Spitzen-AC-Eingangsspannungspegel wie die Eingangsspannung.

Es gibt zwei Möglichkeiten, einen Einweggleichrichter zu entwerfen. Beispielsweise ist beim ersten Modell die Wechselstromversorgung direkt mit dem Minuspol des Ausgangs verbunden. Beim nächsten Design ist die Wechselstromversorgung direkt mit dem Pluspol des Ausgangs verbunden.

Vorteile

• Erstens hat es einen Hochspannungsausgang
• Außerdem ist es billig, da es nur eine Diode in der Leistungsgleichrichtung verwendet.

Schließlich benötigt es keinen Versorgungstransformator

Vollwellengleichrichter

Dieser Gleichrichter invertiert verlorenes oder blockiertes negatives AC-Eingangssignal. Dadurch wird der Mittelwert des Ausgangssignals verbessert. Es verdoppelt auch die Wellenformfrequenz der Eingangswechselspannung, eine Funktion, die der Halbbrückengleichrichter nicht ausführen kann. Und in der erzeugten Wellenform sind Eingangs- und Ausgangsspitzen gleich.

Zwei häufig verwendete Methoden beim Entwerfen von Vollwellengleichrichtern sind:Transformator mit Mittelanzapfung und Diodenbrückenschaltung. Es arbeitet auch als aktiver Regler und lässt den größten Teil des Stroms zum Lastkreis fließen.

Vorteile

• Zuallererst hat es einen hohen Gleichrichtungswirkungsgrad (81,2 %)
• Zweitens hat es einen niedrigeren RF (0,48)
• Hat außerdem eine relativ hohe TUF

Nachteile

• Zunächst muss ein Transformator ausgeführt werden
• Leider unterliegt es einem ziemlich großen Innenwiderstand durch die Wechselstromversorgung
• Zu guter Letzt werden Doppeldioden verwendet, die teuer sein können

Formfaktor:

Der Formfaktor ist das Verhältnis des Effektivwerts des Stroms zum DC-Ausgangsstrom.

FormFactor=Effektivwert des aktuellen DC-Ausgangsstroms Formfaktor=Effektivwert des aktuellen DC-Ausgangsstroms.

Der Formfaktor eines Vollwellengleichrichters beträgt 1,11.

(Bild der Einweggleichrichterschaltung)

Brückengleichrichter

Ein Brückengleichrichter ist ein AC/DC-Wandler, der den Haupt-AC-Eingang zum DC-Ausgang gleichrichtet. Die Brückenschaltung ist ein Gleichrichter, der in Netzteilen verwendet wird, die Gleichspannung für elektrische Geräte und elektronische Komponenten liefern. Ein einfacher Brückengleichrichter verwendet normalerweise einen Lastwiderstand. Als Ergebnis garantiert dies, dass der durchfließende Strom sowohl in der negativen als auch in der positiven Halbwelle gleich ist. Der Brückengleichrichter ist einer der häufigsten Bestandteile von elektronischen Netzteilen.

Die Brückengleichrichteranordnung weist vier benachbarte Dioden, auch Diodenbrücken genannt, auf. Die Spitzensperrspannung ist die höchste aufgezeichnete Spannung von der Diode, wenn sie in Sperrrichtung in der negativen Halbwelle angeschlossen ist. Während der positiven Halbwelle sind zwei Dioden im leitenden Punkt. Das verbleibende Paar befindet sich in der Sperrstellung der Brückengleichrichtung. Die Gleichrichterausgangsaufzeichnungen erfolgen über den Lastwiderstand.

Vorteile des Brückengleichrichters

• Erstens hat es einen höheren Gleichrichtungswirkungsgrad (81,2 %)
• Außerdem hat es eine geringere Brummspannung
• Kein Trafo im Brückengleichrichterbetrieb nötig
• Hat außerdem einen hohen TUF, wenn es mit einem Mittelanzapfungsgleichrichter gewogen wird
• Schließlich erreicht es hohe Frequenzen durch einfache Filterung

Nachteile

• Erstens hat höhere Kosten für die Konstruktion des Brückengleichrichters, da vier Dioden verwendet werden
• Verringerte Ausgangsspannung aufgrund von Spannungsabfällen im System
• Auch hier sind die Systemkonfigurationen recht kompliziert
• Zu guter Letzt erfährt es einen großen Innenwiderstand, wenn es mit niedrigeren Spannungen betrieben wird.

Der Brückengleichrichter ist gut. Im ersten Wechselstromzyklus sind die Dioden D2 und D4 in Vorwärtsrichtung vorgespannt und leiten somit. Die positive Spannung liegt an der Anode von D2, während der Kathodenanschluss von D4 eine negative Spannung hat. Die erste Hälfte des Signals durchläuft diese beiden Dioden. Während der zweiten Hälfte des Zyklus sind die Dioden D1 und D3 in Vorwärtsrichtung vorgespannt und leiten somit. Der Gesamteffekt besteht darin, dass die beiden Hälften des AC passieren können. Danach wird die negative Hälfte invertiert und wird positiv.

(Brückengleichrichter)

Ungesteuerte Gleichrichter und gesteuerte Gleichrichter

Ungesteuerte Gleichrichter

Der Name ungesteuerter Gleichrichter bezieht sich auf den Gleichrichtertyp, der eine feste DC-Ausgangsspannung für eine bestimmte AC-Versorgung bereitstellt. Ungesteuerte Gleichrichter verwenden nur Dioden und können beides sein; vollwellengesteuerter oder halbwellengesteuerter Gleichrichter. Sie sind jedoch weniger effizient, da Dioden nur entweder ein- oder ausgeschaltet sein können.

Gesteuerte Gleichrichter

Diese Schaltung wandelt die AC-Versorgung in eine DC-Versorgung um, indem sie Thyristoren verwendet, um die Stromversorgung der Last zu steuern. Halbwellengesteuerte Gleichrichter bestehen aus einem einzigen SCR (Silicon Controlled Rectifier). Sie haben das gleiche Design wie ungesteuerte Gleichrichter, verwenden aber stattdessen SCR. Halbwellengesteuerte Gleichrichter begrenzen die Energieverschwendung, da sie eine konstante Leistungssteuerung bieten.

3. Funktionsweise von Gleichrichterschaltungen in der Elektronik

Funktionsprinzip von Gleichrichterschaltungen

Gleichrichterschaltungen funktionieren einfach, indem sie die Wechselstromquelle in eine Gleichstromquelle umwandeln. Es besteht aus Dioden, die über das System verriegelt sind, um eine Vorwärtsbewegung von Elektronen zur Stromversorgung von Geräten zu erzeugen. Wenn Wechselstrom durch eine Gleichrichterschaltung fließt, eliminieren die Dioden negative Spannungsschwankungen von der Wechselstromquelle. Daher bleibt nur die positive Spannung übrig. Eine einfache Diode lässt den Stromfluss nur in eine Richtung zu und blockiert den Stromfluss in der umgekehrten Richtung.

Dieses Bild zeigt eine Wechselspannungswellenform von einer Gleichrichterdiode. Die Stromwellenform hat abwechselnde Intervalle zwischen kurzen Spannungsanstiegen sowie keine Spannungsperioden. Es ist ein Gleichstrom, da er nur positive Spannung hat.

(Diodenbrückendiagramm)

4. Vorsichtsmaßnahmen für das Design der Gleichrichterschaltung

Es gibt Vorsichtsmaßnahmen, die Sie berücksichtigen müssen, wenn Sie eine Gleichrichterschaltung in einem elektrischen Gerät entwerfen. Zur Verdeutlichung diskutieren wir die wichtigsten Vorsichtsmaßnahmen, die sich auf die Wahl des Gleichrichterdesigns auswirken.

Positiver Halbzyklus

Während der positiven Halbwelle ist die Spannung, die zwischen Anode und Kathode erscheint, positiv. Dies bedeutet, dass die Diode in Vorwärtsrichtung vorgespannt ist. Angenommen, die Schaltung ist mit einer idealen Diode verbunden und die Nennleistung ist konstant. Die Spitzenspannung ist Vm, bezeichnet als Spitzenspannungswert ohne Spannungsabfälle.

Wir sollten jedoch den Spannungsabfall an bestimmten Dioden als Siliziumdiode mit 0,7 V (Spannungsabfall) betrachten. Es wird nur dann in Vorwärtsrichtung vorgespannt, wenn die angelegte Eingangsspannung die Schwellenspannung (0,7 V) überschreitet. Daher beginnt die Schaltung zu leiten.

Spitzenspannung =Vm – 0,7 V (Spannungsabfall)

Negativer Halbzyklus

Anders ist es bei einer negativen Halbwelle, da die an Anode und Kathode anliegende Spannung negativ ist. Die Diode in der Gleichrichterschaltung wird in Sperrrichtung vorgespannt und wirkt somit als offener Schalter. Es führt zu keinem Stromfluss. Dies führt zu einer Nullspannungsanzeige am Ausgang.

Darüber hinaus ist in der negativen Halbwelle selbst nach Berücksichtigung der verwendeten Diode die Spannung über der Diode negativ. Das bedeutet, dass der Messwert am Ausgang immer noch 0 V beträgt.

Spannungsabfall:

Die Netzspannung trägt normalerweise viel Strom. Der teilweise Leistungsverlust des elektrischen Potenzials eines Stroms während der Bewegung durch einen Stromkreis wird als Spannungsabfall bezeichnet.

VD=( 2*L*R*I) / 1000

Berechnung der im Gleichrichter abgegebenen Wärme:

Normalerweise ist dies die Wärme, die bei der Gleichrichtung verloren geht, wenn Spannung abfällt und Widerstand in den Dioden auftritt. Daher ist die Kenntnis der Spannungsabfälle bestimmter in der Schaltung verwendeter Dioden wichtig.

Pheat (Leistungsverlust) =Pmax (Maximale Ausgangsleistung des Systems) / Eff (Effizienz des Gleichrichtermoduls) – Pmax (Maximale Ausgangsleistung des Systems.

Die umgekehrte Spitzenspannung:

PIV bezieht sich auf die maximale Spannung, der eine Diode in Sperrrichtung standhalten kann. Daher können die Dioden bei Überschreitung zusammenbrechen. Die Spitzensperrspannung ist gleich der Eingangsspannung.

Die Spitzensperrspannung (PIV) =2Vs max =2V_smax .

5. Der Glättungskondensator

Ein Glättungskondensator ist ein System, das Schwankungen in der Signalversorgung ausgleicht. Sie werden hauptsächlich nach einer Gleichrichter- oder Netzspannung angelegt. Während der Halbzyklen werden glatte Übergänge erzeugt, wenn der Kondensator geladen und entladen wird. Der Ladevorgang findet statt, wenn Strom durch die positiven Halbwellen fließt.

Vollwellengleichrichter mit Glättungskondensator

Der Glättungskondensator trägt dazu bei, die unvollständige Ausgangswelligkeit über den Dioden zu verbessern. Der Glättungskondensator wird also parallel über Dioden geschaltet, um eine konstante Spannung im Lastkreis aufrechtzuerhalten.

Die Lastaufbringung fällt über den Ausgang des Vollweg-Brückengleichrichters. Der Kondensator erhöht dann den DC-Ausgang. Als Ergebnis wandelt der Glättungskondensator den welligen Ausgang des Gleichrichters in einen glatteren DC-Ausgang um.

Die Brummspannung ist umgekehrt proportional zum Wert des Glättungskondensators. Die beiden Werte sind durch

verbunden

V_Welligkeit =Ich_lade /(fxC)

Alternativ kann man eine integrierte Spannungsreglerschaltung für eine konstante DC-Versorgung verwenden.

5uF Glättungskondensator

Die Ladung und Kapazität durch einen 5uF-Glättungskondensator variieren je nach Verbindung innerhalb der Schaltung. Die Ersatzkapazität ist die Summe aller Kondensatoren, die in der Schaltung für einen Kondensator in Parallelschaltung verbunden sind.

50uF Glättungskondensator

Ebenso gilt hier das gleiche Prinzip für einen 50uF Glättungskondensator. Die Spannung in einer Parallelschaltung ist für alle Kondensatoren gleich. Der 50-uF-Kondensator ist jedoch im Vergleich zum 5-uF-Kondensator ein stärkerer Glättungskondensator.

(Bild von Kondensatoren)

6. Fazit

In diesem Artikel wurde eine breite Palette von Geräten, die Gleichrichterschaltungen verwenden, etabliert. Eine Anwendung sind Spannungsregler, während eine andere häufige Verwendung Stromversorgungskomponenten und Amplitudenmodulationsdetektoren (AMDs) umfasst, die für Funksignale verwendet werden. Das Gerät war einst auch allgemein als Kristalldetektor in frühen Funkempfängern bekannt.

Wir hoffen, dass dieser Artikel alle Ihre Fragen zu Gleichrichterschaltungen beantwortet. Zögern Sie nicht, uns für die grundlegenden Komponenten zur Herstellung Ihrer Gleichrichterschaltung zu kontaktieren. Ich freue mich darauf, Sie bei Ihren Projekten zu unterstützen.