Aktiver Gleichrichter LT4320

Ein Gleichrichter ist – eigentlich – ein passives Bauteil, welches sich ähnlich wie eine Diode verhält. So ein Bauteil wandelt die AC in DC um, wie sie in elektronischen Geräten benötigt wird. Doch „herkömmliche“ Gleichrichter haben auch Ihre Nachteile (z.B. Spannungsabfall). Deswegen gibt es z.B. von der Firma LT (Linear Technologie) auch sog. aktive (Brücken)-Gleichrichter.


Dabei handelt es sich um 4 FET (z.B. N-FET) Transistoren, welche in einem gemeinsamen Gehäuse unter gebracht sind. Der LT 4320 ist somit ein Controller, welcher zusammen mit den FET Transistoren einen sog. „Ideal Diode Bridge Controller“ ergibt. Es können – je nach Version – Ausgangsspannungen bis ca. 72 V verarbeitet werden, bei Eingangsfrequenzen bis ca. 600 Hz. Auch Gleichspannung kann bei Bedarf problemlos am Eingang verarbeitet werden.

Interessant sind dabei auch die sehr geringen Spannungsabfälle am Bauteil selber. So sind z.B. die Flussspannungen teilweise um bis zu 2 Volt kleiner, als bei herkömmlichen Bauteilen. Am Ausgang kommt also mehr (Gleichspannung) raus. Im Chip sind sogar eigene „Ladungspumpen“ integriert, welche für die nötige höhere Steuerspannung der FET Transistoren sorgen.

LT4320, aktiver Gleichrichter
Bild; 4 Dioden – hier als FET – sind in einem gemeinsamen Gehäuse verschaltet untergebracht. Der LT4320. Oben sieht man natürlich nur das Funktionsprinzip. Enthalten ist natürlich weitere zusätzliche Steuerelektronik.
Die moderne Variante eines (geregelten) Brückengleichrichters für AC bis 600 Hz.

Ich weiß, Ihr ahnt es schon. Dieser Beitrag ist hier erstmal wieder zu Ende 🙂

Freundliche Grüße, Jürgen Blumenkamp

Neuer (Schaltregler) Ersatz für die Linearregler 78xx / 79xx

Nach langem warten liefert CUI Inc. aus dem US Bundesstaat Oregon (Westküste, Nähe Washington) nun einen schaltenden Kleinstregler, welcher zu 78xx und 79xx kompatibel ist.


Wer kennt das nicht? Man entwickelt eine kleine Schaltung, z.B. im embeddet Bereich. Platz ist nicht da, und Verluste in Form von Wärme soll auch nicht groß auftreten. Doch wie macht man das, wenn man von einer rel. hohen DC Spannung auf eine recht kleine DC Spannung kommen will, und dabei auch noch einige hundert Milliampere am Ausgang benötigt? Mit herkömmlichen Längsreglern ein echtes Problem.

Lineare Spannungsregler (Linearregler / Längsregler, z.B. die Dreibeiner 78xx für pos. Spannung und 79xx für neg. Spannung) sind in fast jeder Schaltung. Doch diese sehr alten Längsregler gehen nicht gerade ökonomisch mit der Energie um. Schnell wird sehr viel in Wärme umgesetzt. Oft ist es schwierig, die Wärme abzuführen.

Schaltregler können es besser. Die hereingesteckte Energie kommt meist zu über 90% auch wieder raus – egal wie groß die Diff. zwischen U in und U out ist. Wärme tritt dann auch kaum auf. Doch diese Regler erforderten bisher immer ein mehr oder weniger spezielles Schaltungslayout Design. Einsatz fand diese Technik meist nur bei höheren Leistungen, z.B. im Bereich von Prozessorstromversorgungen, oder auch allgemein in Schaltnetzteilen, welche Leistungen von wenigen Watt bis hin zu mehreren Kilowatt abgeben können.

Doch CUI stellt nun eine Weiterentwicklung von derartigen Schaltreglern vor, welche auch für Kleinstleistungen nutzbar sind. Die P7805-S Typen sind z.B. 100% pinkompatibel zum altbewährten L78xx. Man kann also direkt 1:1 austauschen. Andere oder zusätzliche Bauteile sind in aller Regel nicht erforderlich. Genau genommen ist alles integriert im Gehäuse, incl. der Induktivität. Lediglich bei besonderen Anforderungen an die EMV sollen noch Filter am Eingang und/oder Ausgang geschaltet werden.

Schaltregler statt LinearreglerLinks eine Abbildung der neuen kleinen Schaltregler, welcher pinkompatibel z.B. zur bekannten 78xx und 79xx Serie ist.
Der neue Schaltregler als pinkompatibler Baustein.

Der Ausgangsstrom kann bis zu 0,5 A betragen – völlig ohne Kühlung, auch bei sehr kleinen Ausgangsspannungen und sehr großer Eingangsspannung. Ausgangsspannungen sind von 1,5 V bis 15 V in 9 Abstufungen (feste Werte) verfügbar. Die Eingangsspannung muss jeweils min. ein paar Volt über die Ausgangsspannung liegen, darf aber auch bis zu 32 V betragen! Die Wirkungsgrade gehen bis auf Werte von ca. 96%. Da ziehen wir doch unseren Hut 🙂 Das muss man erstmal (noch) besser hinkriegen!

Die Restwelligkeit ist schaltungsbedingt größer als bei linearen Reglern, und beträgt bis zu ca. 30 mVss. Schön ist, das die Teile praktisch unkaputtbar sind, da kurzschlussfest und übertemperatursicher. Super!

Fazit; mit diesen neuartigen Reglern in einen so kleinen Gehäuse sind nun endlich auch ökonomische, energiebewusste Schaltungen im „Miniaturbereich“ realisierbar.

So Leute, ich danke für´s lesen.

Freundliche Grüße, Jürgen Blumenkamp

Der Transistor

Transistoren haben üblicherweise 3 Anschlüsse, und sind aktive Bauteile. Der Steueranschluss ist die Basis (B) oder das Gate (G). Ein Transistor kann vereinfacht ausgedrückt auch als Verstärker bezeichnet werden. Gelegentlich spricht man beim Transistor auch von einer Halbleitertriode.


Ein Transistor ist ein sog. aktives Bauteil. Dies bedeutet, das über einen „Steueranschluss“ (die Basis oder das Gate) die Leitfähigkeit der Stromführenden Anschlüsse (z.B. E = Emitter und C = Collektor) gesteuert werden kann. Ein Transistor wird auch als Verstärker bezeichnet, wobei das nicht ganz korrekt ist. Allerdings kann mit einem Transistor und einiger ergänzender Bauteile eine Verstärkerschaltung (z.B. für Tonsignale, aber auch für alle anderen Arten von Signalen) aufgebaut werden.

Transistoren können (und das ist oft auch der Fall) auch in sog. „integrierten Schaltungen“ (dazu folgt hier noch ein Beitrag) in hoher Zahl und in bestimmter Zusammenschaltung zusammen gefasst sein. Denn der Transistor selber ist sehr klein – er wird nur durch das Gehäuse (absichtlich) groß gemacht.

Neben den hier beschriebenen Bipolaren Transistor (Germanium, Silizium, oder anderes (Misch)Kristall) gibt es auch noch unipolare Transistoren, nämlich die Feldeffekttransistoren, die später noch beschrieben werden.

Transistor bedeutet „transfer Resistor“, also wie oben beschrieben, ein steuerbarer Widerstand. Diese Wirkungsweise ist ähnlich wie die einer bekannten Elektronenröhre, und zwar der Triode. Das ist der Grund, warum ein Transistor auch gelegentlich als Halbleitertriode bezeichnet wird. Mittels des Stromes der durch die Basis fliest, wird also der Strom, der durch Kollektor und Emitter fliesst, eingestellt. In welche Richtung jeweils die Ströme fließen sollen/müssen, wird über den Typ des Transistors (NPN / PNP) bestimmt.

Hintergrund Triode: die „original Triode“ ist eine Röhre, welche eine Heizspannung benötigt und eine (hohe) Anodenspannung. Sie ist kein Halbleiter. Zum Thema „Röhre“ folgt hier noch ein Beitrag.

Wissen: Was kaum jemand weiß; Bipolare Transistoren sind später entwickelt worden als Feldeffekttransistoren, zu denen wir später noch in einem Artikel kommen werden.

Typen: als die gängigsten Transistortypen (Reihenfolge Ihrer Entwicklung) können genannt werden;

1.) Feldeffekttransistoren, FET, (werden heute eingesetzt), ca. 1934

2.) Germaniumtransistoren Bipolar (werden heute praktisch nicht mehr eingesetzt), ca. 1942

3.) Siliziumtransistoren Bipolar (werden heute eingesetzt), ca. 1956 (Patent zumindest).

4.) Isolatet Gate Bipolar Transistor, IGBT (werden heute eingesetzt), ca. 1990

Hinweis: Feldeffekttransistoren, sowie  IGBT werden in separaten Artikeln abgehandelt (folgt hier noch).

Germaniumtransistoren werden heute praktisch nicht mehr eingesetzt, und werden aktuell auf dieser Website auch nicht weiter behandelt. Vereinfacht kann man sagen, dass die ersten (eingesetzten) Transistoren überwiegend Germaniumtransistoren waren. Diese Typen lösten als Massenbauteil die Röhre ab.

Aufbau eines TransistorsGängige Bauformen der TransistorenGängige Schaltzeichen von Transistoren
Prinzipaufbau eines Transistors. Dargestellt sind zwei unterschiedliche Darstellungsarten, die nur zufällig oben links den NPN Transistor und unten rechts den PNP Transistor zeigen. Bauformen verschiedener Transistoren, die heute am häufigsten anzutreffen sind.Schaltzeichen des Transistors (Bipolarer Transistor). Der Kreis wird oft auch weg gelassen. Der hereinzeigende Pfeil kennzeichnet den PNP Transistor, der herauszeigende Pfeil den NPN Transistor.
Tabelle der Transistoren

Zur linken obigen Spalte: Es handelt sich um drei Halbleiterschichten, wobei die mittlere, die Basis, sehr dünn ist. Als Ersatzschaltbild für die drei Schichten werden manchmal auch zwei in Reihe geschaltete Dioden verwendet. Jedoch können zwei solche Dioden in der Praxis nicht einen Transistor ersetzen, da „normale“ Dioden nicht steuerbar sind.

Transistoren (heutige Bipolare) haben also einen PNP bzw. NPN Übergang. Die „mittlere“ Schicht stellt vereinfacht gesagt den Steueranschluss dar – die Basis. Die beiden äußeren sind die Anschlüsse der zu steuernden Stromstrecke (Emitter und Collektor / Kollektor).

Eigenschaft NPN: beim NPN Transistor wird üblicherweise der E an negatives Potenzial (Schaltungsmasse) angeschlossen. Zwischen C bzw. K (Collektor / Kollektor) und pos. Betriebsspannung liegt der Verbraucher, angenommen eine Glühlampe. An der Basis wird nun ein Vorwiderstand zwecks Begrenzung des Basisstromes angeschlossen. Wird die Basis um ca. mehr als 0,5 V positiver als der Emitter, beginnt der Transistor zu leiten. Da der Basisstrom meist sehr gering ist, bzw. sehr gering sein muss, um den Transistor nicht zu zerstören, wird der Vorwiderstand an der Basis verwendet.

Eigenschaft PNP: Genauso ist es beim PNP Transistor, nur das hier der Emitter an pos. Betriebsspannung geklemmt wird, der Verbraucher (z. B. Glühlampe) zwischen Kollektor und Masse liegt, und der Vorwiderstand an der Basis ebenfals an neg. Potenzial. Wird die Basis des PNP Transistors um ca. mehr als 0,5 V negativer als der Emitter, beginnt der Transistor zu leiten. Auch hier muss darauf geachtet werden, den Basisstrom zu begrenzen.

Ergänzung: von Emitter nach Basis liegt beim Transistor eine Silizium Schicht, die ähnlich wie eine Diode arbeitet. Deshalb fällt in Flussrichtung vom Emitter nach Basis nie mehr als ca. 0,5 bis 0,7 Volt ab. Die gleiche Spannung fällt in Flussrichtung auch auf eine „normale“ Diode ab. Flussrichtung = leitende Richtung des Stromes.

Das Besondere am Transistor ist jedoch, dass der Hauptstromkreis des Transistor, nämlich die Kollektor-Emitter Strecke, extrem niederohmig werden kann. Es gibt Transistoren, die können im leitenden Zustand selbst bei vielen Ampere Strom so niederohmig sein, dass auf dieser Strecke weniger Spannung abfällt, als auf einen mechanischen Schalter. In der Praxis können Werte von wenigen Millivolt erreicht werden. In so einem Schaltzustand erzeugt der Transistor natürlich auch extrem wenig Wärme, also extrem wenig Verlustleistung.

Merke: NPN leitet, wenn Basis ca. 0,5 V positiver ist als Emitter.

Merke: PNP leitet, wenn Basis ca. 0,5 V negativer ist als Emitter.

Einleitung zu Formeln und Gesetze: es gibt massenweise Formeln zur Berechnung von Transistoren. Das Thema ist recht komplex und soll hier zu einem späteren Zeitpunkt in einem separaten Artikel ergänzt werden.

Formeln auflisten; folgt.

Nun Diagramme zum Bauteil. Die Kennlinien des Transistors sind generell sehr umfangreich und nicht einfach zu verstehen. Damit die Zusammenhänge zwischen den einzelnen Strömen und Spannungen der verschiedenen Anschlüsse des Transistors nicht in zig Diagrammen (über 20) dargestellt werden muss, verwendet man ein sog. 4 Quadranten Diagramm. Es zeigt die Verhältnisse der Spannungen und Ströme.

Kennlinie von gängigen Transistoren
Kennlinie
Kennlinie Bipolarer Transistor

Erläuterung zu den Kennlinien; Das sog. 4 Quadranten Kennlinienfeld ist nicht ganz einfach zu verstehen.

Oben links ist das Verhältnis vom IC (Kollektorstrom) zum IB (Basisstrom).

Oben rechts sind verschiedene Basisströme dargestellt, und zeigen den Einfluss auf die Spannung zwischen Kollektor und Emitter, sowie dem Kollektorstrom.

Unten links wird das Verhältnis von Basisstrom und Kollektor/ Emitterspannung separat dargestellt.

So, weiter möchte ich dieses Thema „Transistor“ hier in den Grundlagen nicht ausführen 🙂

Die Diode

Dioden gibt es wie Sand am Meer 🙂 Dioden leiten – üblicherweise – den Strom nur in eine Richtung…


Von jeder Bauteilgruppe gibt es verschiedene Typen. Das ist auch bei Dioden der Fall. Es gibt Zehner-Dioden (Suppressordioden, gehören zur Gruppe der Avalanche-Dioden), Stromregeldioden (was eigentlich nicht wirklich eine Diode ist, sondern eine integrierte Schaltung), Leucht-Dioden, Schottky-Dioden, Schutz-Dioden, Kapazitäts-Dioden, Silizium-Dioden, Germanium-Dioden, Photo-Dioden – und vermutlich weitere (sprachbegrifflliche Konstruktionen).

Lassen Sie sich nicht von diesen vielen Begriffen beindrucken. Denn alles sind auch „nur“ Dioden 🙂 Die kochen sozusagen auch alle nur mit Wasser – ähh mit Strom :-). Dioden können nach Ihrer Bauart, bzw. nach dem Baumaterial (Germanium, Silizium) oder auch nach Ihrer Eigenschaft (Zehnerdiode, Schottydiode, Photodiode….) eingestuft werden.

Die Diode ist ein sog. aktives Bauteil. Das bedeutet, dass dieses Bauteil eine verstärkende und/oder steuernde Wirkung eines Signales hat. Meist bestehend aus Silizium, und hat grundsätzlich die Eigenschaft, Strom nur in eine Richtung fliessen zu lassen. Natürlich gibt es auch Aussnahmen (dazu später mehr). Wenn der Strom durchfliesst, spricht man davon, dass die Diode in (Durch)Flussrichtung betrieben wird. Die beiden Anschlüsse der Diode werden als Kathode und Anode bezeichnet.

Aufbau einer DiodeBauformen von DiodenSchaltzeichen bzw. Symbol einer Diode
Prinzipaufbau einer DiodeBauformen von DiodenSchaltzeichen von Dioden.
Tabelle der Diode

Bei Dioden gibt es verschiedene Dinge zu beachten, damit eben die Diode ein möglichst langes Leben hat, und Ihre Dienste auch mit guter Effektivität ausüben kann. Denn es sich um „Halbleiter“ (Bauteile, die eben nicht sehr gut und nicht sehr schlecht leiten, wobei diese (alte) Aussage heute nur noch bedingt korrekt ist).

Mit Formeln wird üblicherweise bei der Berechnung von Dioden eher nicht bis nur sehr selten gearbeitet. Um eine Diode zu einer Schaltung auswählen zu können, müssen natürlich elektrische Werte bekannt sein. Eine Diode kann nur einen bestimmten Strom (ID, Strom in Durchlassrichtung) verarbeiten. Wird eine Diode auch in Sperrichtung betrieben – z.B. in einer Gleichrichterschaltung, so muss die Sperrspannung (UR, Spannung in Reversebetrieb) beachtet werden. Weiter ist die Flussspannung an der Diode (UF) zu beachten. Dabei handelt es sich um die Spannung, die in Flussrichtung auf die Diode abfällt, wobei es sich regelmässig um Spannungen im Bereich von 1 Volt und weniger handelt. Auch eine Diode hat einen Widerstand, und zwar den Bahnwiderstand (RB). Dabei handelt es sich um den ohmschen Widerstand des Halbleitermaterials der Diode.

Den (ohmschen) Widerstand einer Diode könnte man auch (nach dem ohmschen Gesetz) berechnen…..

…..Widerstand (Formelzeichen R für engl. Resistor, in Ohm)

gleich…..

…..Spannung (Formelzeichen U für lat. ugure, in Volt)

…..geteilt durch……

…..Strom (Formelzeichen I für Intensität, in Ampere).

Das Ergebnis der Berechnung ist der Widerstand (Formelzeichen R, in Ohm).

Formel: R = U / I   ( Widerstand  = Spannung durch Strom ).

Beispiel Widerstandsberechnung der Diode: an einer Diode fällt die UF von 0,7 V ab, und es fliesst ein Strom von sagen wir 3,5 A. Dann beträgt der Widerstand 0,7 V / 3,5 A = 0,2 Ohm.

Ergänzung Leistung, Verlustleitung: an der Diode darf natürlich nur eine begrenzte Leistung „verbraten“ werden, denn sie kann ja nicht beliebig viel Leistung abführen. Leistung P ist Spannung U mal Strom I, macht also dann 0,7 V mal 3,5 A = 2,45 Watt.

Wichtig ist weiterhin noch die zulässige Frequenz, mit der die Diode betrieben werden darf. Übliche Dioden sind sog. Gleichrichterdioden, jedoch nur für Netzfrequenz bis hin zu wenigen hundert Herz. Soll eine Gleichrichtung in Hochfrequenzanwendungen (z.B. Schaltnetzteil SMPS, Switch Mode Power Supply) realisiert werden, sind entsprechende Eigenschaften der Diode erforderlich. Eine „normale“ Gleichrichterdiode würde in einer solchen Schaltung, in der Frequenzen oberhalb von 20.000 Herz (20 kHz) eingesetzt werden, schnell zerstört werden, und im übrigen dort auch einen schlechten Wirkungsgrad haben.

Abschliessend sei hier noch die Diodenkapazität (CD) erwähnt, welche in aller Regel – bis auf wenige Ausnahmen – nicht von großer Bedeutung ist.

Spannungsverlauf an einer Diodekein Bild
Kennlinie, Spannungsverlauf
Kennlinie einer Diode

Erläuterung zu der Kennlinie; in Flussrichtung (normaler Betrieb einer Diode) fällt wenig Spannung auf die Diode ab, und der Betrieb ist unkritisch. In Sperrichtung, z.B. beim Betrieb als Gleichrichterdiode an einer Wechselspannung, kann die Diode nur eine bestimmte – hier ca. 70 V – Sperrspannung verkraften, ehe sie „durchbricht“ und damit zerstört wird.

Wird also eine Diode in Sperrichtung (also Plus an Anode, Minus an Kathode (der Strich ist Kathode)) betrieben, so darf die anliegende Spannung nicht höher sein, als die zulässige Sperrspannung UR.

So, weiter möchte ich dieses Thema „Diode“ hier in den Grundlagen nicht ausführen 🙂

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