Ein Gleichrichter wandelt eine Wechselspannung in eine Gleichspannung um. Parameter zur Beurteilung der Qualität einer Lösung sind:
– geringe Welligkeit der Ausgangsspannung
– hoher Wirkungsgrad
– geringe Kosten / Anzahl der Bauelemente
– geringe Belastung des Netzes
Diodengleichrichter
Die einfachsten und damit billigsten Gleichrichter werden mit Dioden realisiert. Das Wirkprinzip veranschaulicht folgendes Schaltbild:
Als Wechselspannung am Eingang UAC setzen wir die Netzspannung mit der Frequenz 50Hz und dem Effektivwert 230V an. Der Spitzenwert beträgt dann etwa 325V. Wenn diese Spannung größer als die Ausgangs-Gleichspannung UDC ist, leitet die Diode D Strom. Dann fällt an der Diode etwa die Flussspannung ab. Der Kondensator wird über die Diode geladen.
Die Spannung am Kondensator entspricht nach einer kurzen Ladezeit also nahezu dem Spitzenwert der Eingangsspannung. Sobald die Eingangsspannung kleiner als die Kondensatorspannung ist, sperrt die Diode. Dann ist die Eingangsquelle durch einen offenen Schalter vom Rest der Schaltung abgetrennt.
Es fließt kontinuierlich Strom in den Lastwiderstand. Der Strom wird entweder aus der Diode oder aus dem Kondensator entnommen. Wenn die Diode keinen Strom leitet, fließt also Strom aus dem Kondensator in den Lastwiderstand. Während dieser Zeit sinkt die Kondensatorspannung.
Nach etwa einer Periodendauer des Sinus der Eingangsspannung ist die Eingangsspannung wieder größer als die Kondensatorspannung. Dann wird die Diode leitend und der Kondensator wird über die Diode nachgeladen. Der Kondensator bis auf eine Flussspannung auf den Spitzenwert der Wechselspannung aufgeladen. In den folgenden Abbildungen sehen Sie dazu einen LT-Spice-Schaltplan und einen Plot:
Die Eingangs-Wechselspannung ist in rot dargestellt. In blau sehen Sie die Ausgangsspannung an Lastwiderstand und Kondensator. Das Ergebnis ist nicht besonders gut. Die Ausgangsspannung zeigt eine zu hohe Welligkeit.
Es hängt vom Lastwiderstand bzw. vom Laststrom ab, wie stark die Ausgangsspannung zwischen den Ladezyklen einbricht. Je größer der Laststrom in den Widerstand, desto stärker sinkt die Kondensatorspannung, denn der Laststrom wird dem Kondensator entnommen. In der Simulation oben hängen 100Ω an 1mF Kapazität. Es gilt
Wir bauen einen Gleichrichter für eine bestimmte Last. Die Last können wir i. A. nicht ändern. Wenn die Kapazität steigt, bricht die Spannung weniger stark ein. Wir können also nur die Kapazität C erhöhen, damit die Spannung am Ausgang weniger wellig ist. Das ist ein sehr teurer Hebel, denn Kondensatoren mit hoher Kapazität kosten viel Geld.
Wir können alternativ noch die dt reduzieren, die der Kondensator entladen wird. Das ist ein vergleichsweiser kostengünstiger Weg zur Reduktion der Welligkeit der Ausgangsspannung. Dafür muss der Kondensator öfter geladen werden.
Wenn wir die Sinus-Frequenz erhöhen können, ist das ein sinnvoller weg. Wenn wir die Netzspannung gleichrichten wollen, dann geht das leider nicht. Deshalb nutzen wir im ersten Schritt nie negative Halbwelle des Sinus. Die Schaltung dazu wird als Brückengleichrichter bezeichnet.
Die Masse legen wir an den unteren Anschluss des Kondensators. Damit ist die Eingangsquelle nicht mehr mit Masse verbunden. Das ist nicht schlimm, denn Masse ist nur ein willkürlicher Bezugspunkt für U = 0V in einer Schaltung. Wenn entweder D2 oder D4 leiten, ist der untere Anschluss der Eingangsquelle etwa auf Massepotential.
Wenn die Eingangs-Wechselspannung größer als die Kondensatorspannung ist, leiten die Dioden D1 und D2. Der Gleichrichter funktioniert wie weiter oben im Kapitel beschrieben. Wenn die Eingangs-Wechselspannung kleiner als die negative Kondensatorspannung ist, leiten die Dioden D3 und D4.
Dann ist das Potential unterhalb der Eingangsquelle größer als das Potential oberhalb des Kondensators. Damit leitet D4. Das Potential oberhalb der Eingangsquelle ist dann negativ. Ist es kleiner als Masse, leitet D3. Der Kondensator wird auf diese Weise von der unteren Halbwelle des Sinus aufgeladen. Sie erkennen dies in der folgenden Simulation:
In der unteren Abbildung sehen Sie die Gleichspannung in blau. Sie bricht nur noch halb so tief ein, weil der Kondensator jetzt zwei Mal pro Periode des Eingangssinus nachgeladen wird. In rot sehen Sie die Eingangswechselspannung. Sie ist nicht auf Masse, sondern auf das Potential unterhalb der Eingangsquelle (Ref) bezogen.
Diese Schaltung benötigt 4 Dioden statt einer Diode. Dafür wird die Welligkeit der Ausgangsspannung halbiert. Das ist viel billiger, als die Kapazität des Kondensators für den gleichen Effekt zu verdoppeln.
3-Phasen Gleichrichter
Das Netz liegt dreiphasig als symmetrisches Drehspannungssystem vor. Deshalb nutzen wir im nächsten Schritt alle drei Phasen, deren Spannungen um jeweils 120° zueinander verschoben sind. Damit erhalten wir noch mehr Zeitpunkte, zu denen der Kondensator nachgeladen wird.
Die Welligkeit kann mit 3 Phasen und jeweils Nutzung der unteren Halbwelle um Faktor 6 gegenüber dem einfachsten Gleichrichter reduziert werden.
Betrachten wir als nächstes die Belastung des Netzes. Wann fließt wie viel Strom aus dem Netz in den Gleichrichter hinein? Der Netzbetreiber wünscht sich einen sinusförmigen Strom, der einen hohen Wirkanteil von mindestens cos(φ) = 0,95 haben sollte. Bei hoher Leistung wird aus diesem Wunsch eine gesetzliche Anforderung.
Betrachten wir dazu nochmal den einfachsten Diodengleichrichter in der Simulation:
In der Simulation sind in grün die Eingangswechselspannung und in blau die Ausgangsgleichspannung dargestellt. In rot sehen Sie den Strom, den die Quelle liefern muss. Offensichtlich ist der Strom nicht sinusförmig. Wenn Sie also hohe Leistungen aus dem Netz ziehen müssen, brauchen Sie eine völlig andere Lösung. Ein Active Frontend mit Power-Factor Correction löst das Problem professionell. Diese Schaltung betrachten wir hier nicht weiter. Mit dieser Schaltung kann auch Leistung ins Netz zurückgespeist werden.
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