Gleichrichterschaltungen: Von Halbwelle bis Polyphasen-Vollwelle

Was ist Gleichrichtung?

Gleichrichtung ist die Umwandlung von Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) mithilfe von Bauelementen, die Strom nur in eine Richtung fließen lassen. Die Halbleiterdiode ist das gängigste Element, das diese Funktion in modernen Netzteilen übernimmt.

Halbwellengleichrichtung

Bei einem Halbwellengleichrichter erreicht nur eine Hälfte jedes AC-Zyklus die Last, was ein pulsierendes DC-Signal mit erheblichem Oberwellenanteil erzeugt. Diese einfache Topologie eignet sich für Niedrigleistungs- oder Demonstrationsanwendungen, wie einen Zweistufen-Lampendimmer, der in der "Hell"-Stellung volle AC-Leistung und in der "Dim"-Stellung halbwellengleichgerichtete Leistung liefert (siehe Abbildung).

In der "Dim"-Position erhält der Glühfaden etwa die Hälfte der Leistung, die er unter vollem AC erhalten würde. Da die thermische Zeitkonstante des Fadens groß ist, verursachen die schnellen Leistungspulse kein sichtbares Flackern; stattdessen arbeitet der Faden bei einer niedrigeren stationären Temperatur, was reduzierte Lichtausbeute ergibt.

Vollwellengleichrichter

Vollwellengleichrichter erfassen beide Hälften des AC-Zyklus und liefern eine geglättete DC-Wellenform. Zwei gängige Konfigurationen sind Mittenanzapfung und Brückenschaltung.

Mittenanzapf-Design

Mit einem Transformator mit mittig angezapfter Sekundärwicklung und zwei Dioden treibt jede Hälfte der Sekundärwicklung die Last während abwechselnder Halbzyklen an (siehe Abbildung). Diese Topologie erfordert einen dedizierten Mittenanzapf-Transformator, der für Hochleistungsanwendungen kostspielig sein kann.

Während des positiven Halbzyklus leitet die obere Diode und die untere sperrt; während des negativen Halbzyklus kehren sich die Rollen um. In beiden Fällen sieht die Last eine positivpolarige Wellenform.

Brückenschaltung

Die Vier-Dioden-Brücke eliminiert den Bedarf an einem Mittenanzapf-Transformator. Strom fließt für jede Polarität durch zwei Dioden in Reihe, was zu einem 1,4 V Abfall bei Siliciumdioden führt – ein Nachteil bei sehr niedrigen Ausgangsspannungen.

Diodenstromrichtungen für die positiven und negativen Hälften der Eingabe sind unten dargestellt.

Zur besseren Merkfähigkeit zeigt ein alternatives Layout alle Dioden in horizontaler Ausrichtung, alle in dieselbe Richtung zeigend.

Polyphasen-Vollwellen-Brückengleichrichter

Die Erweiterung des Brückenkonzepts auf Mehrphasennetze ergibt geglättetere DC-Ausgänge, da phasenversetzte Pulse sich überlappen. Eine Dreiphasen-Brücke erzeugt sechs Pulse pro AC-Zyklus; eine Sechsphasen-Brücke zwölf Pulse, was die Rippelspannung signifikant reduziert.

Rippelspannung

Alle Gleichrichter erzeugen eine AC-Komponente – Rippelspannung genannt – überlagert auf dem DC-Ausgang. In Hochleistungs- oder Präzisionsanwendungen werden Filternetzwerke eingesetzt, um diesen Rippel zu unterdrücken.

Pulskonventionen

Gleichrichter werden oft nach der Anzahl der DC-Pulse beschrieben, die sie pro elektrischer Umdrehung erzeugen: 1-Puls (Halbwelle), 2-Puls (Vollwelle), 6-Puls (dreiphasig vollwelle), usw. Die Standardnotation 1Ph1W1P, 1Ph1W2P, 1Ph2W2P, 3Ph2W6P usw. erfasst prägnant Phase, Stromrichtung und Pulszahl.

Jenseits von sechs Pulsen: 12-Puls-Konfigurationen

Durch Einsatz von Transformatoren mit 30° Phasenversatz (Y-Δ oder Δ-Y-Schaltungen) können zwei 3-Phasen-Brückengleichrichter parallelgeschaltet werden, um 12 Pulse pro Zyklus zu erzeugen und den Rippel weiter zu reduzieren. Diese Technik ist in großen industriellen Netzteilen üblich.

Wichtigste Erkenntnisse

• Gleichrichtung wandelt AC in DC um mithilfe von Bauelementen, die einrichtenden Stromfluss erlauben.
• Halbwellengleichrichter sind einfach, aber erzeugen stark pulsierenden DC.
• Vollwellengleichrichter – Mittenanzapfung oder Brücke – liefern geglätteten DC und eignen sich für die meisten Netzteile.
• Polyphasengleichrichtung ergibt noch geglätteteren DC mit geringerem Rippel, vorteilhaft für Hochleistungs-, Niedrigrusch-Anwendungen.

Verwandte Arbeitsblätter

• Gleichrichterdioden Arbeitsblatt