Gleichrichter

Ein (Brücken)Gleichrichter besteht letztlich aus einer oder bis zu 4 Dioden, welche die Wechselspannung gleichrichten.


Ein Gleichrichter ist ein passives Bauteil, welches sich ähnlich wie eine Diode verhält. Es gibt auch gesteuerte Gleichrichter, die dann zu den aktiven Bauteilen zählen. Vor über 100 Jahren (1890, Stromkrieg) hat sich die Wechselspannung durchgesetzt. Möchte man jedoch diese Wechselspannung in Gleichspannung umwandeln, wie sie in elektronischen Geräten benötigt wird, wird ein Gleichrichter eingesetzt.

Im einfachsten Fall wird eine einzelne Diode als Gleichrichter verwendet. So kann jedoch nur eine Halbwelle, die pos. ODER die neg. „gleichgerichtet“ werden. Hier redet man dann von einer „Einweggleichrichtung“, eine jedoch etwas irreführende Bezeichnung. Sollen beide Halbwellen der Wechselspannung gleichgerichtet werden, wird ein sog. Brückengleichrichter verwendet. Hier spricht man dann von einer „Vollweggleichrichtung“, was ebenfalls eine etwas irreführende Bezeichnung ist. Dabei handelt es sich um 4 einzelne Dioden (in einem Gehäuse), dann spricht man von einem „Brückengleichrichter“. Machmal werden auch 4 einzelnde Dioden in einer Schaltung zu einem Brückengleichrichter verschaltet. Rein technisch ist beides das Gleiche. Lediglich die Gehäuseform unterscheidet sich. Vereinzelt kann man auch auf Gleichrichter mit 6 Dioden treffen. Diese können dann eine dreiphasige Wechselspannung gleichrichten. Sowas findet min z.B. in Industrieumrichter für Asynchronmotoren.

Vereinzelt werden in speziellen Schaltungen auch MosFET Transistoren, welche gesteuert werden, als Gleichrichterdioden eingesetzt. Auch Thyristoren können – ebenfalls gesteuert – als Gleichrichter eingesetzt werden. Dann handelt es sich um aktive Bauteile.

vor ca. 100 Jahren hat man natürlich noch keine modernen Siliziumhalbleiter gehabt. So wurden mechanische Gleichrichter verwendet. Eine Variante ist ein Rad, welches Kontakte an den Enden der Speichen hatte. Nach den mechanischen Gleichrichtern wurden elektrolytische entwickelt. Hier sind zwei Elektroden in einer Flüssigkeit getaucht. Als nächstes kamen die Quecksilberdampfgleichrichter, in denen Quecksilber kondensierte und sich an Anoden absetzte. Erst in den 1950er Jahren kamen die ersten Halbleitergleichrichter auf dem Markt, dabei ist z.B. der „Selengleichrichter“ zu nennen.

4 (einzelne) Dioden sind ein einem Gehäuse verschaltet und unter gebracht.Gleichrichter, Brückengleichrichter, BauformenGleichrichter, Symbol im Schaltbild
Prinzipaufbau des Brückengleichrichters. Kein Bild, sondern Textbeschreibung.Bauformen der diversen Gleichrichter.Schaltzeichen und Prinzipverschaltung.
Tabelle der Gleichrichter, Brückengleichrichter

Generell müssen die techn. Daten der Diode beachtet werden. Bei einem Brückengleichrichter ist in Klarschrift aufgedruckt, für welche Betriebsspannung dieser verwendet werden darf, und welche Stromstärke er bereit stellen kann.

Gleichrichter, Brückengleichrichter, Kurvenform der Spannungen
Kurvenverlauf. Bei der Vollweggleichrichtung, oder auch Brückengleichrichtung werden beide Halbwellen gleichgerichtet. Gleichgerichtet bedeutet also, auf gleiches Polarität gebracht. In dem obigen Beispiel wird also jede zweite (jede negative) Halbwelle nach oben geklappt. Welche Polarität das jeweils ist (Plus oder Minus) hängt davon ab, ob die Kathode oder die Anode der Dioden als Ausgang verwendet werden. Bei einer Einweggleichrichtung (also nur eine Diode statt 4 Stück in Brückenschaltung) wird nur die pos. ODER die neg. Halbkurve gleichgerichtet. Somit ist nur jede zweite Halbwelle vorhanden, da ja abwechselt bei der Wechselspannung eine pos. und eine neg. Halbwelle vorhanden ist.
Tabelle der Gleichrichter, Kurvenverlauf

Erläuterung zu den Kennlinien: aktuell keine weitere Erläuterung.

So, weiter möchte ich dieses Thema „Gleichrichter“ 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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