Halbwellengleichrichter-Experiment: Aufbau, Messung und Simulation einer einfachen AC-DC-Motorschaltung

Überblick

In diesem praxisnahen Labor bauen Sie einen Halbwellengleichrichter, der eine Niederspannungs-AC-Versorgung in ein DC-vorverzerrtes Signal umwandelt, um einen kleinen Permanentmagnet-Motor anzutreiben. Sie lernen, den resultierenden DC-Anteil und die Rippelspannung zu messen, den Rippel mit einem Audio-Detektor hörbar zu machen und das Verhalten mit einer SPICE-Simulation zu verifizieren.

Bauteile & Materialien

• Niederspannungs-AC-Netzteil (6-V-Ausgang)
• 6-V-Batterie
• Eine 1N4001-Gleichrichterdiode (oder jede 1N400X-Serie)
• Kleiner Hobby-Motor, Permanentmagnet-Typ (z. B. Radio Shack #273-223)
• Audio-Detektor mit Kopfhörern
• 0,1-µF-Kopplungskondensator (z. B. Radio Shack #272-135)

Der 0,1-µF-Kondensator koppelt den Audio-Detektor an den Kreis, sodass nur AC den Detektor erreicht. Der genaue Wert ist nicht kritisch; wir haben 0,27 µF bis 0,015 µF erfolgreich eingesetzt. Ein niedrigerer Wert dämpft Niederfrequenzanteile und reduziert die Kopfhörerlautstärke; wählen Sie einen höheren Wert, falls der Ton zu leise ist.

Querverweise

Lessons In Electric Circuits, Band 3, Kapitel 3: „Diodes and Rectifiers“.

Lernziele

• Rolle einer Diode als Gleichrichter verstehen
• Motorverhalten bei AC- vs. DC-Betrieb vergleichen
• Rippelspannung mit Digitalvoltmeter messen

Schaltplan

 

 

Aufbauillustration

 

 

Anleitung

1. Verbinden Sie den Motor über die Gleichrichterdiode mit der 6-V-AC-Versorgung wie im Schaltplan gezeigt. Die Diode lässt nur während der positiven Halbwelle Strom flusso, wodurch ein pulsierender Gleichstrom entsteht, der den Motor in eine Richtung antreibt.
2. Kurzschließen Sie die Motoranschlüsse kurzzeitig mit einem Brückenleiter, um den Effekt des vollständigen AC-Signals am Motor zu beobachten. Der Motor wird stocken oder schlecht laufen.
3. Entfernen Sie die Brücke und kehren Sie die Diodenpolarität um. Beobachten Sie die Verhaltensänderung; der Motor sollte nun gleichmäßig in entgegengesetzter Richtung laufen.
4. Messen Sie die DC-Spannung an den Motoranschlüssen mit dem Voltmeter im DC-Modus. Dieser Wert spiegelt den mittleren Bias des halbwellengleichgerichteten Signals wider.
5. Schalten Sie das Messgerät auf AC, um die Rippelspannung zu messen. Der Wert repräsentiert die auf dem DC-Bias aufliegende AC-Komponente. Typische Werte für eine 6-V-Quelle mit 10-kΩ-Last liegen bei 3–4 V Spitzen-Spitzen.
6. Vergleichen Sie diese Werte mit denen bei Betrieb des Motors mit einer 6-V-Batterie. Die Batterie sollte ein fast reines DC-Signal mit vernachlässigbarem Rippel liefern; gemessene AC-Anteile stammen dann vom Kommutator des Motors.

Rippel mit Audio-Detektor hören

Drehen Sie die Detektoreempfindlichkeit auf eine niedrige Einstellung und schließen Sie ihn über einen 0,1-µF-Kondensator an die Motoranschlüsse an. Der Kondensator wirkt als Hochpassfilter, blockiert DC und lässt Sie den AC-Rippel hören.

Bei Batteriebetrieb erzeugt der Detektor ein hochfrequentes Summen. Ersetzen Sie die Batterie durch AC-Versorgung und Gleichrichter, sinkt die Tonhöhe, was die halbwellige Natur des gleichgerichteten Signals widerspiegelt.

Computersimulation

Schaltplan mit SPICE-Knotennummern:

 

 

Netlist (kopieren Sie Folgendes in eine Textdatei):

Halfwave rectifier
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

Die Simulation zeigt die Eingangssinuswelle und den Ausgang als Reihe positiver „Höcker“. Die AC-Quelle ist mit 8,485 V Scheitelwert spezifiziert, um einer 6-V-Effektivwert-Sinuswelle zu entsprechen.

Zugehöriges Arbeitsblatt

• Precise Diode Circuits Worksheet