Halbwellengleichrichter

TEILE UND MATERIALIEN

• Niederspannungs-Wechselstromversorgung (6-Volt-Ausgang)
• 6-Volt-Batterie
• Eine 1N4001 Gleichrichterdiode (Radio Shack Katalog Nr. 276-1101)
• Kleiner „Hobby“-Motor, Typ mit Permanentmagnet (Radio Shack-Katalog Nr. 273-223 oder gleichwertig)
• Audiodetektor mit Kopfhörer
• 0,1 µF Kondensator (Radio Shack Katalog # 272-135 oder gleichwertig)

Die Diode muss kein exaktes Modell 1N4001 sein. Alle Gleichrichterdioden der Serie „1N400X“ sind für diese Aufgabe geeignet und recht einfach zu beschaffen. Detaillierte Anweisungen zum Bau des hier aufgeführten „Audiodetektors“ finden Sie im Kapitel zu den Wechselstromexperimenten.

Wenn Sie noch keinen gebaut haben, fehlt Ihnen ein einfaches und wertvolles Werkzeug zum Experimentieren. Ein 0,1-µF-Kondensator ist spezifiziert, um den Audiodetektor an den Schaltkreis zu „koppeln“, sodass nur Wechselstrom den Detektorschaltkreis erreicht.

Der Wert dieses Kondensators ist nicht kritisch. Ich habe mit Erfolg Kondensatoren im Bereich von 0,27 µF bis 0,015 µF verwendet. Niedrigere Kondensatorwerte dämpfen niederfrequente Signale stärker, was zu einer geringeren Schallintensität von den Kopfhörern führt. Verwenden Sie daher einen Kondensatorwert mit einem höheren Wert, wenn Sie Schwierigkeiten haben, den/die Ton(e) zu hören.

QUERVERWEISE

Lektionen in Stromkreisen , Band 3, Kapitel 3:„Dioden und Gleichrichter“

LERNZIELE

• Funktion einer Diode als Gleichrichter
• Betrieb des Permanentmagnetmotors mit Wechsel- oder Gleichstrom
• Messen der „Welligkeit“ der Spannung mit einem Voltmeter

SCHEMATISCHES DIAGRAMM

ILLUSTRATION

ANLEITUNG

Schließen Sie den Motor wie abgebildet über die Gleichrichterdiode an das Niederspannungs-Wechselstromnetz an. Die Diode lässt Strom nur während eines Halbzyklus eines vollen positiven und negativen Zyklus der Versorgungsspannung durch, wodurch verhindert wird, dass ein Halbzyklus jemals den Motor erreicht.

Dadurch „sieht“ der Motor nur Strom in eine Richtung, wenn auch pulsierend Strom, wodurch er sich in eine Richtung drehen kann. Nehmen Sie ein Überbrückungskabel und schließen Sie die Diode kurzzeitig kurz. Beachten Sie dabei die Auswirkungen auf den Motorbetrieb:

Wie Sie sehen, funktionieren permanentmagneterregte „DC“-Motoren bei Wechselstrom nicht gut. Entfernen Sie das temporäre Überbrückungskabel und kehren Sie die Ausrichtung der Diode im Stromkreis um. Beachten Sie die Auswirkung auf den Motor. Messen Sie die Gleichspannung am Motor wie folgt:

Messen Sie dann auch die Wechselspannung am Motor:

Die meisten Digitalmultimeter unterscheiden zwischen Wechselspannung und Gleichspannung gut, und diese beiden Messungen zeigen die durchschnittliche Gleichspannung bzw. die „Welligkeit“ der Wechselspannung der vom Motor „gesehenen“ Leistung. Welligkeitsspannung ist der variierende Teil der Spannung, der von Messgeräten als Wechselstromgröße interpretiert wird, obwohl die Spannungswellenform nie die Polarität umkehrt.

Welligkeit kann man sich als ein AC-Signal vorstellen, das einem stetigen DC-"Bias"- oder "Offset"-Signal überlagert ist. Vergleichen Sie diese DC- und AC-Messungen mit Spannungsmessungen am Motor, während er von einer Batterie versorgt wird:

Batterien liefern sehr „reinen“ Gleichstrom, und daher sollte in diesem Stromkreis am Motor nur sehr wenig Wechselspannung gemessen werden. Welche Wechselspannung auch immer ist gemessen am Motor ist auf die pulsierende Stromaufnahme des Motors zurückzuführen, wenn die Bürsten den Kontakt mit den rotierenden Kommutatorstäben herstellen und unterbrechen.

Dieser pulsierende Strom führt dazu, dass pulsierende Spannungen über alle Streuwiderstände im Stromkreis abfallen, was zu pulsierenden Spannungs-„Einbrüchen“ an den Motorklemmen führt. Eine qualitative Bewertung der Welligkeitsspannung kann mit dem empfindlichen Audiodetektor erhalten werden, der im Kapitel AC-Experimente beschrieben wird (das gleiche Gerät, das im Kapitel DC-Experimente als „empfindlicher Spannungsdetektor“ beschrieben wird).

Verringern Sie die Empfindlichkeit des Detektors für geringe Lautstärke und verbinden Sie ihn über einen kleinen (0,1 µF) Kondensator wie folgt über die Motorklemmen:

Der Kondensator fungiert als Hochpassfilter, der verhindert, dass die Gleichspannung den Detektor erreicht, und ermöglicht ein leichteres „Abhören“ der verbleibenden Wechselspannung. Dies ist genau die gleiche Technik, die in Oszilloskop-Schaltkreisen für die „AC-Kopplung“ verwendet wird, bei der DC-Signale durch einen in Reihe geschalteten Kondensator an der Anzeige gehindert werden.

Mit einer Batterie, die den Motor mit Strom versorgt, sollte die Welligkeit wie ein hohes „Summen“ oder „Jaulen“ klingen. Versuchen Sie, die Batterie durch das Wechselstromnetzteil und die Gleichrichtungsdiode zu ersetzen, und „hören“ Sie mit dem Detektor auf das tiefe „Summen“ der gleichgerichteten Halbwellenleistung:

COMPUTER-SIMULATION

Schema mit SPICE-Knotennummern:

Netzliste (erstellen Sie eine Textdatei mit dem folgenden Text, wörtlich):

Einweggleichrichter v1 1 0 sin(0 8.485 60 0 0) rload 2 0 10k d1 1 2 mod1 .model mod1 d .tran .5m 25m .plot tran v(1,0) v(2,0) .end 

Diese Simulation stellt die Eingangsspannung als Sinuswelle und die Ausgangsspannung als eine Reihe von „Höckern“ dar, die den positiven Halbwellen der AC-Quellenspannung entsprechen. Die Dynamik eines Gleichstrommotors ist leider viel zu komplex, um mit SPICE simuliert zu werden.

Die AC-Quellenspannung wird mit 8,485 anstelle von 6 Volt angegeben, da SPICE AC-Spannung als Spitze versteht nur Wert. Eine Sinusspannung von 6 Volt RMS beträgt tatsächlich 8,485 Volt Spitze. In Simulationen, bei denen die Unterscheidung zwischen RMS- und Spitzenwert nicht relevant ist, werde ich mich nicht mit einer solchen RMS-zu-Spitze-Umrechnung beschäftigen.

Um ehrlich zu sein, die Unterscheidung ist in dieser Simulation nicht besonders wichtig, aber ich bespreche sie hier zu Ihrer Erbauung.

VERWANDTES ARBEITSBLATT:

• Arbeitsblatt für präzise Diodenschaltungen