Synchrongleichrichter

Gleichrichter werden in der Elektrotechnik und Elektronik zur Umwandlung von Wechselspannung in pulsierende Gleichspannung verwendet. Sie stellen, neben Wechselrichtern und Umrichtern, eine Untergruppe der Stromrichter dar. Um reine Gleichspannung zu erhalten, muss die Spannung nach dem Gleichrichter noch geglättet werden.

Silizium-Brückengleichrichter; links unten ein Selen-Gleichrichter in Flachbauweise

Für eine Gleichrichtung gibt es verschiedene Gründe:

• die Versorgung von Gleichstrom benötigenden elektrischen Verbrauchern aus dem mit Wechselstrom betriebenen Stromnetz;
• die Verbindung weit entfernter Stromnetze oder Kopplung nicht synchroner Stromnetze über Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung;
• Messzwecke und
• für Anwendungen in der Nachrichtentechnik, speziell zur Demodulation.

Die Gleichrichtung erfolgt meist ungesteuert durch Halbleiterdioden bei einem Wirkungsgrad bis 95 %. Aktive elektronische Bauteile, wie Thyristoren, erlauben durch Phasenanschnittsteuerung eine gesteuerte Gleichrichtung. Feldeffekttransistoren (MOSFETs) werden bei Synchrongleichrichtern verwendet, insbesondere bei der Gleichrichtung kleiner Spannungen und großer Ströme und gestatten eine höhere Effizienz als mit Halbleiterdioden möglich wäre.

Geschichte

Historischer mechanischer Hochspannungsgleichrichter mit rotierendem Rad

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts gab es nur elektromechanische Methoden zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung:

• bei entsprechenden Umformern sitzen ein Wechselstrommotor und ein Gleichstromgenerator auf einer gemeinsamen Welle. Diese Umformer dienten oft gleichzeitig zur Spannungstransformation und zur galvanischen Trennung vom Netz.
• Sogenannte Zerhacker wurden als Wechselrichter von Gleichspannung zur nachfolgenden Transformation mittels eines Transformators verwendet. Sie vereinen einen selbstschwingenden, mit Schaltkontakten arbeitenden Wechselrichter und einen damit gekoppelten zweiten Kontaktsatz zur Synchrongleichrichtung in sich. Sie waren aufgrund des Kontakt-Verschleißes auswechselbar gestaltet (Stecksockel).
• Rotierende mechanische Gleichrichter besitzen ein Rad mit elektrischen Kontakten, welches die zeitgenaue Umschaltung der Wechselspannung ermöglicht. Das Rad wurde von einem Synchronmotor angetrieben, der die Synchronisation zwischen der Drehbewegung und der Polaritätsänderung der Wechselspannung sicherstellte. Die Konstruktion wurde beispielsweise aus einem Hochspannungstransformator mit Wechselspannung versorgt, um die hohe Gleichspannung für Elektrofilter zu erzeugen.

Eine andere Möglichkeit der Gleichrichtung eröffnete das Prinzip der anodischen Oxidation. Zwei in einen Elektrolyten getauchte Elektroden können auch als Gleichrichter fungieren. Eine Elektrode muss dazu aus einem Edelmetall (zum Beispiel Platin) bestehen, die andere Elektrode aus einem Metall, welches durch anodische Oxidation eine dicke Oxidschicht bildet (wie Niob). Bei dieser Anordnung kann nur ein Strom fließen, wenn das anodisch oxidierbare Metall als Kathode fungiert. Diese Gleichrichter wurden auch Nassgleichrichter genannt.

Quecksilberdampfgleichrichter

Eine weitere Entwicklung war der Quecksilberdampfgleichrichter, der auch bei größeren Leistungen eingesetzt werden konnte. Ein Quecksilberdampfgleichrichter besteht aus einem Glaskolben, an dessen unterem Ende sich eine Kathode mit einem Quecksilbervorrat (Teichkathode) befindet. Darüber wölbt sich der Glaskolben, an dem das Quecksilber wieder kondensiert. Seitlich sind Arme mit Graphitelektroden als Anoden angeschmolzen. Elektronen können nur von der Teichkathode zu den Graphitelektroden fließen.

Ebenso besitzt die Röhrendiode, die einfachste Variante der Elektronenröhre, Gleichrichterwirkung. Diese Einrichtung wurde lange Zeit in Radio- und Fernsehempfängern und verwandten Geräten für die Umformung der Netzspannung in die notwendige Betriebsgleichspannung verwendet, als auch zur Rückgewinnung des Ursprungssignales aus modulierten Signalen.

Ende der 1930er-Jahre wurde auch mit Gleichrichtern auf Basis von Glimmentladungen experimentiert.^[1]. Die Gleichrichterwirkung basiert auf einer unsymmetrischen Formung der beiden Entladungselektroden oder auch auf Elektrodenbeschichtungen zur Reduktion des Kathodenfalles. Der Glimmgleichrichter konnte sich in der Praxis allerdings wegen seines recht schlechten Verhältnisses von Durchlass- zu Sperrstrom (< 100:1) nicht durchsetzen; der Einsatz von Kondensatoren zur Spannungsglättung erhöhte den Sperrstrom noch zusätzlich.

Selengleichrichter in typischer Plattenbauweise

Einige Jahrzehnte später wurden die ersten Halbleitergleichrichter (Selen-Gleichrichter und Kupferoxydul-Gleichrichter) erfunden. Sie bestehen aus einer Metallplatte, auf der eine Schicht aus Selen bzw. Kupferoxid aufgebracht ist. Die Sperrspannung beträgt nur etwa 15…50 V, die Durchlassspannung ist relativ hoch. Um große Spannungen gleichzurichten und die Abwärme abzuleiten, wurden die Selenplatten gestapelt. Die Plattenfläche bestimmt den Strom, die Plattenanzahl die maximale Sperrspannung. Sogenannte Selenstäbe enthielten eine große Anzahl kleiner Selengleichrichterscheiben und dienten bis in die 1970er Jahre u. a. zur Gleichrichtung der Anodenspannung von Bildröhren in Schwarzweiß-Fernsehern. Sie hatten Sperrspannungen bis über 20 kV.

Diverse Gleichrichterröhren

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden vor allem in Detektorempfängern Detektorkristalle aus Bleiglanz oder Pyrit benutzt: ein Halbleiter-Metall-Übergang, der aus einem Halbleiterkristall und einer tastenden Metallspitze bestand und durch die gleichrichtende Eigenschaft dieses Übergangs zur AM-Demodulation für den Rundfunkempfang eingesetzt werden konnte. Diese mechanisch sehr empfindliche und wenig effektive Einrichtung wurde sehr schnell durch die rasch voranschreitende Entwicklung der Elektronenröhre verdrängt, die Schaltungen ermöglichte, die verstärken und gleichzeitig gleichrichten konnten (Audion).

Die ursprünglich verwendeten elektrolytischen Gleichrichter (Nassgleichrichter) wurden durch Halbleitermaterial wie Kupferoxydul und später Selen ersetzt, die Trockengleichrichter genannt wurden. Wegen des typischen meerrettich- oder knoblauchartig zu beschreibenden Geruchs bei Überlast eines Selengleichrichters sprach man das Wort „Gleichrichter“ auch als „Gleich riecht er“ aus. Über einen längeren Zeitraum, beginnend in den 1950er Jahren, wurden dann Germanium-Dioden verwendet, sie wurden später durch die temperaturbeständigen Silizium-Dioden ersetzt.

Arten von Gleichrichtern

Gesteuerte Gleichrichtertürme bestehend aus je 96 Thyristoren für 250 kV und 2000 A

Es gibt aktiv gesteuerte und ungesteuerte Gleichrichterschaltungen.

• Gesteuerte Gleichrichter benötigen eine Steuerspannung, die festlegt, zu welchen Zeiten welcher Schalter geöffnet und geschlossen sein muss, um eine gleichrichtende Wirkung zu erzielen. Manche dieser elektronischen Schalter können den Strom in beide Richtungen fließen lassen – erst durch die zeitlich genaue Ansteuerung der Schalterstellung synchron zur Änderung der Wechselspannung wird die gleichrichtende Eigenschaft realisiert. Sie werden daher Synchrongleichrichter genannt. Gesteuerte Gleichrichter bestehen heute aus elektronischen Schaltelementen wie Thyristoren und MOSFETs. Früher gab es Gleichrichter mit mechanischen Kontakten ähnlich einem Relais, die eine wechselspannungssynchrone Schwingung ausführten. Diese Kontaktgleichrichter zählten ebenfalls zur Gruppe der Synchrongleichrichter. Weiterhin waren zur Realisierung von Phasenanschnittsteuerungen unter anderem Thyratrons im Einsatz.

• Bei ungesteuerten Gleichrichtern erfolgt der Umschaltvorgang ohne eine zusätzliche Steuerelektronik, nur aufgrund des Vorzeichens der anliegenden elektrischen Spannung an den Dioden. Dabei wird deren Eigenschaft ausgenutzt, elektrischen Strom nur in eine Richtung fließen zu lassen. Beispiele ungesteuerter Gleichrichter sind die heute meist üblichen Halbleiterdioden mit speziellen Bauarten wie Schottky-Dioden. Kaum noch verwendet werden Röhrendioden, Quecksilberdampfgleichrichter und Selengleichrichter.

Glättung

oben: Wechselspannung,
darunter pulsierende Gleichspannung, nach Halb- und Vollweggleichrichtung

Durch Gleichrichtung entstehen Unregelmäßigkeiten aufgrund der ursprünglichen Wellenform der Spannung (zum Beispiel einer Sinuskurve). Geglättet werden können diese durch einen parallel zum Verbraucher geschalteten Kondensator, der die Wellentäler ausgleicht. Allerdings muss dann der Kondensator durch kurze Strompulse aufgeladen werden, die erhebliche Werte annehmen können. Alternativ kann diese Glättung auch durch Induktivitäten in Reihe zum Verbraucher erfolgen. Die Glättung mit Induktivitäten wird vor allem bei größeren Leistungsgleichrichtern sowie bei Schaltnetzteilen angewendet. Den nach der Glättung übrigbleibenden Wechselanteil bezeichnet man als Brummspannung oder Restwelligkeit. Diese kann durch nachgeschaltete sogenannte Siebglieder weiter reduziert werden (weitere Kondensatoren bilden einen Tiefpass).

Die Glättung verbessert sich mit zunehmender Kapazität des Kondensators und Induktivität der Spule. Zu beachten ist, dass die entstehende Brummspannung ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Wechselspannung aufweist. Wird Netzspannung der Frequenz von 50 Hz mittels Zweiweggleichrichter oder Brückengleichrichter gleichgerichtet, hat die dabei entstehende Brummspannung überwiegend die doppelte Frequenz von 100 Hz.

Gleichrichterschaltungen zur Gleichstromversorgung

Im folgenden sind einige typische Gleichrichterschaltungen mit Dioden skizziert, die vor allem im Bereich von Netzteilen mit kleinerer bis mittlerer Leistung Einsatz finden, in Klammern ist jeweils die technische Kurzbezeichnung angegeben. Sie dienen zur Gewinnung von Gleichspannung aus der Wechselspannung des öffentlichen Stromversorgungsnetzes, aus Netztransformatoren oder in Schaltnetzteilen.

Einweggleichrichter (E1)(M1U)

So funktioniert der E1-Gleichrichter

Bei einem Einweggleichrichter (auch Einzweigschaltung) wird nur eine Halbwelle der Wechselspannung gleichgerichtet, die andere wird nicht verwendet.

Während der Halbperiode, in der die Diode in Durchlassrichtung betrieben wird, steht am Ausgang Spannung an, in der zweiten Halbperiode sperrt die Diode. Nachteile der Einweggleichrichtung ist die vergleichsweise große Restwelligkeit auf der Gleichspannungsseite und der schlechte Wirkungsgrad. Des Weiteren wird der vorgeschaltete Transformator magnetisiert, da er nur in eine Richtung vom Strom durchflossen wird. Dafür besteht ein solcher Gleichrichter nur aus einer einzigen Diode.

Die Gleichspannung muss bei der Einweggleichrichtung im Regelfall noch entsprechend geglättet werden. Die Welligkeit hat die Frequenz der Eingangsspannung.

Einweggleichrichtung findet heute am häufigsten bei Sperrwandlern Verwendung. Schwarzweiß-Fernsehgeräte hatten einen Einweg-Hochspannungsgleichrichter zur Erzeugung der Bildröhren-Anodenspannung aus den Zeilen-Rückschlagimpulsen des Zeilentransformators. „Allstrom“-Röhrenradios und -Fernseher hatten einen Einweggleichrichter aus Selen, später aus Silizium zur Netzgleichrichtung und zur Gewinnung der Anodenspannung. Ein Netzpol wurde als Massepotential verwendet, um für die direkt am Netz betriebenen Röhrenheizungen eine Reihenschaltung aufbauen zu können. Bei den störempfindlichsten Röhren konnte die Heizwendel nahe am Massepotential liegen.

Brückengleichrichter (B2)(B2U)

Schaltbild eines B2-Gleichrichters

Standardgleichrichter für Zweiphasenwechselstrom ist der Brückengleichrichter, auch Graetzschaltung oder Zweipuls-Brückenschaltung genannt. Namensgeber ist der deutsche Physiker Leo Graetz. Die Schaltung wird von vier Dioden gebildet: Die links anliegende Wechselspannung, die beispielsweise direkt von einem Transformator kommt, wird in eine pulsierende Gleichspannung (rechts dargestellt) umgewandelt. Da es sich dabei um eine Zweiweggleichrichtung handelt, erscheint die negative Halbschwingung der Wechselspannung im Gleichstromkreis am Verbraucher R ausschließlich positiv. Im Gegensatz zu anderen Gleichrichtertypen muss bei dieser Gleichrichterschaltung die Sperrspannung der Gleichrichterdioden nur so groß wie die Spitzenspannung der Wechselspannung sein. Man wählt sie aus Sicherheitsgründen jedoch etwas höher (bei Netzgleichrichtern am 230-Volt-Netz beispielsweise über 400 Volt).

Die Welligkeit hat die doppelte Frequenz der Eingangsspannung, dadurch verringert sich der nachfolgende Filteraufwand.

Brückengleichrichter für Wechsel- und Drehstrom werden oft als bereits miteinander verschaltete Dioden im gemeinsamen Gehäuse angeboten. Bei höheren Strömen enthalten sie eine Kühlfläche sowie eine Bohrung zur Befestigung auf einem Kühlkörper.

Anmerkung: Der in der Abbildung dargestellte Wechselspannungsverlauf ist nicht exakt sinusförmig.

Mittelpunktgleichrichter (M2)

Schaltbild eines M2-Gleichrichters

Beim Mittelpunktgleichrichter werden ebenfalls beide Halbschwingungen der Wechselspannung gleichgerichtet. Allerdings ist dazu ein Transformator mit einer Mittelpunktanzapfung notwendig, die gleichzeitig einen Pol der gleichgerichteten Ausgangsspannung bildet.

Der Vorteil dieser Mittelpunktschaltung liegt darin, mit nur zwei Dioden D1 und D2 auszukommen und dass die Spannung nur um eine Diodenflussspannung reduziert wird. Ihr Nachteil ist, dass sie einen speziellen Transformator erfordert. Dieser muss stärker dimensioniert sein, da immer nur die Hälfte des Kupfers zum Stromfluss beiträgt. Bei gegebenem Kupfervolumen hat jede Hälfte der Sekundärwicklung wegen des dünneren Drahtes (doppelte Windungszahl muss Platz finden) in etwa den doppelten Innenwiderstand, der in die Verlustleistung (P=R·I²) eingeht.

Die Welligkeit hat die doppelte Frequenz der Eingangsspannung, dadurch verringert sich der nachfolgende Filteraufwand.

Die Schaltung wird hauptsächlich bei geringer Spannung (unter 10 V) sowie bei Schaltnetzteilen verwendet, da hier die Vorteile die Nachteile überwiegen. Früher verwendete man sie in Röhrengeräten zur Erzeugung der Anodenspannung. Hierfür gab es Gleichrichterröhren mit zwei Anoden und gemeinsamer Kathode. Bei direkt geheizten Gleichrichterröhren war eine separate Heizwicklung auf dem Transformator nötig.

Heute verwendet man häufig Doppeldioden (Silizium- oder Schottkydioden) mit gemeinsamer Kathode. Sie bestehen aus einem Chip, der zwei Dioden enthält und dessen Rückseite, als gemeinsame Kathode, auf eine Kühlfahne gelötet ist.

Gleichrichter für Dreiphasenwechselstrom

Spannungsverlauf beim Drehstrom-Vollweggleichrichter

Für mittlere Leistungen von einigen Kilowatt aufwärts wird die Dreiphasenwechselspannung aus dem Stromnetz gleichgerichtet, weil dann die Brummspannung (rechts rot gezeichnet) auf der Gleichspannungsseite kleiner ist und nur geringer Aufwand zur Glättung der Gleichspannung entsteht.

Anwendung findet diese Gleichrichterschaltung beispielsweise bei Straßenbahnen, die meist mit Gleichspannungen von 500…750 V betrieben werden. Sie wird auch bei den heute üblichen Drehstrom-Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen eingesetzt. In beiden Fällen ist keine Glättung erforderlich.

Um die Brummspannung weiter zu reduzieren, werden auch 12, 18 und 24-Phasen-Gleichrichterschaltungen (Zwölfpulsschaltung) eingesetzt. Häufig kann dadurch der Glättungskondensator ganz entfallen. Ein weiterer großer Vorteil ist der nahezu sinusförmige Eingangsstrom und die dadurch geringe Netz- / Trafo-Belastung mit Verzerrungsblindleistung. Nachteil ist der komplizierter zu wickelnde Transformator, der sekundär eine Dreieck- und eine Sternwicklung mit jeweils gleicher Polspannung besitzt. Durch diese Anordnung ergibt sich eine Phasenverschiebung von 30° (12 Phasen). Für die Phasenverschiebung von 20° (18 Phasen) und 15° (24 Phasen) müssen zwei benachbarte Phasen entsprechend addiert werden, der Trafo wird damit noch aufwendiger.

Vor der Zeit der Halbleitergleichrichter fertigte man auch mehrphasige Quecksilberdampfgleichrichter, die durch eine gemeinsame Teichkathode und mehrere nach oben ragende Anoden gekennzeichnet waren.

Dreipuls-Sternschaltung (M3): 3-Phasen-Gleichrichter ähnlich einem Einweggleichrichter am Drehstromtransformator

Sechspuls-Sternschaltung (M6): 6-Phasen-Gleichrichter mit Mittelpunktanzapfungen am Drehstromtransformator

Sechspuls-Brückenschaltung (B6): Gleichrichterschaltung für Drehstrom

Sechspuls-Brückenschaltung (B6), bestehend aus 48 Siliziumdioden (460 V mit 125 A

Synchrongleichrichter

Synchroner Gleichrichter mit MOS-FETs

Synchrongleichrichter werden bevorzugt in Schaltnetzteilen mit niedriger Ausgangsspannung im Bereich von unter 4 V eingesetzt. Bei diesen kleinen Spannungen wirkt sich die Vorwärtsspannung (Verlustspannung) an den Gleichrichterdioden im Bereich von 0,5 V bis 1 V bereits merklich aus und reduziert den Wirkungsgrad. Daher werden als Gleichrichterelement anstelle von Dioden MOSFETs eingesetzt, da bei diesen Bauteilen die Verlustspannungen im Bereich von einigen 10 mV liegen und damit um mehr als eine Zehnerpotenz kleiner sind als bei Dioden. Der Nachteil ist der höhere Bauelementeaufwand, da zur synchronen Ansteuerung der MOSFETs zusätzlicher Schaltungsaufwand betrieben werden muss. Meist sind diese zusätzlichen Schaltungsteile für die zeitlich genaue Ansteuerung fertig in integrierten Schaltungen zusammengefasst.

In der rechts dargestellten Schaltskizze als Teil eines Schaltreglers wird links die Wechselspannung über einen Transformator auf das benötigte Spannungsniveau transformiert, über die beiden MOSFETs gleichgerichtet und die Ausgangsspannung U₀ mittels Spule L und Kondensator C geglättet. Der Übersichtlichkeit wegen fehlt die Ansteuerschaltung für die beiden MOSFETs.

Eingesetzt werden solche Synchrongleichrichter beispielsweise auf PC-Hauptplatinen zur Versorgung des Hauptprozessors (CPU). In diesen Schaltreglern werden Spannungen im Bereich von 0,5 V bis 2 V bei Strömen über 40 A gleichgerichtet.

Weitere Anwendungen des Synchrongleichrichters findet man in Chopper-Verstärkern und Lock-in-Verstärkern.

Gleichrichterschaltungen zur Spannungsvervielfachung

Spezielle Gleichrichterschaltungen dienen zur Spannungsvervielfachung. Dabei werden Kombinationen von Dioden und Kondensatoren so verschaltet, dass eine angelegte Wechselspannung eine vervielfachte Gleichspannung ergibt. Typische Schaltungen sind der Spannungsverdoppler, die Hochspannungskaskade und die Greinacher-Schaltung. Anwendung finden diese Schaltungen unter anderem in Fernsehempfängern mit Bildröhren zur Erzeugung der Anodenspannung im Bereich von 18 bis 24 kV.

Steuerbare Gleichrichter

Leistungsregelung am steuerbaren Gleichrichter durch Verschiebung der Thyristor-Einschaltzeitpunkte

Steuerbare Gleichrichter finden vor allem im Bereich der Energie- und Antriebstechnik Verwendung. Mit ihnen ist nicht nur eine Gleichrichtung möglich, sondern durch Phasenanschnittsteuerung auch eine Leistungsregelung. Einsatzbereiche sind beispielsweise die Drehzahlsteuerung von Gleichstrom- und Universalmotoren in Industrieanlagen oder Haushaltsgeräten, in modernen Elektrolokomotiven zur Beaufschlagung des Gleichspannungs-Zwischenkreises und in Anlagen der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung. Früher wurden für diesen Zweck gittergesteuerte Quecksilberdampfgleichrichter wie Thyratrons und Ignitrons eingesetzt. Heute werden Thyristoren, Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) und teilweise Leistungs-MOSFETs verwendet.

Steuerbare Gleichrichter mit Thyristoren als Ventile sperren den Strom in beide Richtungen, bis an der Steuerelektrode eines Ventils ein Zündimpuls erfolgt. In nebenstehender Grafik ist der Zündimpuls der Thyristoren unten als blaues Rechteck eingezeichnet. Nach Erlöschen des Steuerpulses bleibt der Stromfluss (rot eingezeichnet) bestehen und nur durch die Verschiebung des Einschaltzeitpunktes ist eine Leistungsregelung möglich. Erst wenn der Strom unter einen bestimmten Schwellwert (Haltestrom) sinkt, sperrt der Thyristor wieder und muss in der nächsten Halbschwingung abermals neu gezündet werden. Es gibt allerdings GTO-Thyristoren, die das Sperren eines Ventils durch einen Impuls erlauben. Allerdings weisen diese schlechtere elektrische Werte auf und werden zunehmend durch IGBTs ersetzt.

Hat ein Brückengleichrichter voll steuerbare Zweige, ist mit ihm Vier-Quadrantenbetrieb möglich, d. h., er kann bei entsprechender Steuerung sowohl Energie aus der Wechselstromseite in die Gleichstromseite liefern als auch umgekehrt. Die entsprechende Schaltung in Form einer H-Brücke wird als Vierquadrantensteller bezeichnet und unter anderem in Wechselrichtern zur Erzeugung einer Wechselspannung aus einer Gleichspannung eingesetzt.

Die Einteilung der steuerbaren Gleichrichter erfolgt in mehrere Schaltungstopologien, dazu zählen B2HZ-, B2HK-, B2C- und B6C-Gleichrichter

Präzisionsgleichrichter in der Messtechnik

Vereinfachter Präzisionsgleichrichter

In der elektrischen Messtechnik sind Gleichrichter zur präzisen Gleichrichtung von kleinen Spannungen notwendig. Diese Gleichrichter dienen nicht der Energieversorgung von elektronischen Baugruppen, sondern zur Gewinnung von Messsignalen. Eingesetzt werden diese Gleichrichterschaltungen beispielsweise bei der Betragsbildung von Wechselspannungen in Multimetern. Bei einfachen Messgeräten werden dafür Diodenschaltungen eingesetzt, man erkennt das an der im unteren Bereich stark nichtlinearen Skalenteilungen der Wechselspannungs-Messbereiche.

Präzisionsgleichrichter in der Messtechnik sind heute analoge Schaltungen, die als aktives Bauelement einen oder mehrere Operationsverstärker umfassen. Mit Hilfe der Reglereigenschaft und der Möglichkeit zu Rückkopplungen können mit herkömmlichen, verlustbehafteten Dioden funktionell ideale Dioden ohne Spannungsverlust am Gleichrichter gebildet werden.

Nebenstehende Abbildung zeigt einen vereinfachten Einweggleichrichter für messtechnische Anwendungen, mit den Eingangsklemmen „Vi“ für den Wechselspannungsanschluss und den Ausgangsklemmen „Vo“, an denen die Gleichspannung ausgegeben wird. Der Operationsverstärker dient dazu, die Vorwärtsspannung der Diode zu kompensieren. Die eigentliche Gleichrichtung erfolgt weiterhin durch die Diode. Diese einfache Schaltung hat in der Praxis allerdings einige Nachteile wie Sättigungsprobleme des Operationsverstärkers, weshalb in angewandten Präzisionsgleichrichtern meist kompliziertere Schaltungen zum Einsatz kommen.

Gleichrichter in der Nachrichtentechnik

Detektorradio

Gleichrichter werden in der Nachrichtentechnik zum Nachweis oder zur Demodulation von Hochfrequenzsignalen eingesetzt. Ein einfaches Beispiel ist die Hüllkurvengleichrichtung amplitudenmodulierter Signale bei Detektor-Empfängern. Sie ist in nebenstehender Schaltskizze abgebildet.

Die Spule und der Drehkondensator stellen dabei einen Schwingkreis dar, der auf die gewünschte hochfrequente Trägerfrequenz abgestimmt ist. Die empfangene Spannung, deren Amplitude in Abhängigkeit vom Nutzsignal schwankt, wird über die Diode gleichgerichtet, wodurch am Kopfhörer als Spannungsverlauf die Hüllkurve des Nutzsignals anliegt – die höheren Frequenzanteile der Sendefrequenz werden durch die Induktivität des Kopfhörers unterdrückt.

Diese Form des Empfängers ist nicht besonders empfindlich und nur für den Empfang naher und starker Sender geeignet. Die Materialien für die Diode bestanden früher unter anderem aus Bleiglanz oder Pyrit und wurden durch eine feine Metallspitze kontaktiert (was eher als Schottky-Diode anzusehen ist), wodurch eine kapazitätsarme gleichrichtende Wirkung erzielt wurde. Später wurden dafür Germaniumdioden verwendet.

Das zugrundeliegende Prinzip wird auch in heutigen Rundfunkempfängern beim Empfang von amplitudenmodulierten Signalen verwendet.

Gleichrichter als nichtlineare Schaltung

Alle Gleichrichter sind nichtlineare Schaltungen, die vor allem in Kombination mit der oben erwähnten Glättung, bei sinusförmigem Spannungsverlauf in Stromversorgungen einen nicht sinusförmigen Stromverlauf auf der Wechselspannungsseite verursachen. Die Nichtlinearität ist bedingt durch die nichtlineare Betragsfunktion und die Effekte zufolge der Glättung auf der Gleichspannungsseite.

Der Strom auf der Wechselspannungsseite setzt sich aus mehreren Frequenzkomponenten zusammen, sogenannten Oberschwingungen, die in Wechselspannungsnetzen Störungen verursachen können. Um diese Oberschwingungen klein zu halten, müssen daher Netzteile mit Gleichrichtern von bestimmten Leistungen an über eine Leistungsfaktorkorrektur verfügen, um die Verzerrungsblindleistung zu minimieren. Das ist eine spezielle Form der Filterung, welche den erwünschten sinusförmigen Stromverlauf auf der Wechselstromseite nachbildet.

Außerdem tritt bei Gleichrichtern, wie bei allen nichtlinearen Schaltungen, eine spezielle Form der Blindleistung auf, die in der Literatur uneinheitlich als Verzerrungsblindleistung oder Verzerrungsleistung bezeichnet wird und sich ähnlich wie die Blindleistung auswirkt. Dabei handelt es sich im Gegensatz zu der Blindleistung, welche auch Verschiebungsblindleistung genannt wird und sich durch eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom in der Grundschwingung auszeichnet, um eine Form der Blindleistung, die durch starke Oberschwingungen hervorgerufen wird, die durch den meist kleinen Stromflusswinkel entstehen. Diese Verzerrungsblindleistung belastet ebenso wie die Verschiebungsblindleistung ohne Nutzen die Leitungen und ist daher unerwünscht.

Sonstiges

Quecksilberdampfgleichrichter der HGÜ Nelson-River Bipol 1

• Die größten jemals zum Einsatz gekommenen Quecksilberdampfgleichrichter befanden sich in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage Nelson-River-Bipol 1. Sie besaßen eine Sperrspannung von 150 kV und einen maximalen Durchlassstrom von 1800 A. Mitte der 1990er Jahre wurden sie durch gesteuerte Gleichrichter auf Thyristorbasis ersetzt.

• Taucht man in verdünnte Schwefelsäure eine Platinelektrode und eine Niobelektrode ein und legt an diese eine Spannung, so kann nur Strom fließen, wenn die Niobelektrode die Kathode ist. Man spricht hier von einem elektrolytischen Gleichrichter. Solche Gleichrichter können auch mit anderen Elektrolyten und Metallen realisiert werden. Wichtig ist, dass eine Elektrode aus Metall mit hoher Neigung zu Passivierung wie Niob, Tantal oder Aluminium besteht.

• Mit Schottky-Dioden können Gleichrichter mit niedrigerer Flussspannung als mit herkömmlichen Dioden gebaut werden. Die Flussspannung oder Vorwärtsspannung beschreibt den Spannungsabfall an der Diode im leitfähigen Zustand und ist bei Gleichrichtern unerwünscht. Schottky-Dioden kommen vor allem in Schaltnetzteilen zur Anwendung.

• Hochspannungsgleichrichter, wie sie in TV-Empfängern, Hochspannungslabors, in Laserdruckern zum Auftragen des Toners oder bei Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen eingesetzt werden, bestehen aus einer Reihenschaltung von herkömmlichen Dioden. Dies ist deswegen notwendig, weil Siliziumdioden eine maximale Sperrspannung von nur wenigen Kilovolt haben und es bei Überschreitung dieser Spannung zum Durchbruch kommt. Die Herstellung von Halbleiterbauteilen mit Sperrspannungen von mehr als einigen kV ist nicht möglich.

Literatur

• Manfred Seifart: Analoge Schaltungen, Berlin: VEB Verlag Technik, 1989. ISBN 3-341-00740-7
• Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik, Berlin: Springer, 2002. ISBN 3-540-42849-6
• Otmar Kilgenstein: Schaltnetzteile in der Praxis, Würzburg: Vogel, 1992. ISBN 3-8023-1436-0
• Ulrich Nicolai, Tobias Reimann, Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Applikationshandbuch IGBT- und MOSFET-Leistungsmodule. 1. Auflage. ISLE Verlag, 1998, ISBN 978-3-9326-3324-9 (PDF-Version). 

Weblinks

• Synchron-Gleichrichter ohne Dioden: Präzisions- und Mess-Gleichrichter
• Glättung und Siebglieder
• Quecksilberdampfgleichrichter
• Quecksilberdampfgleichrichter in Aktion
• Interaktive Java-Simulation einer Gleichrichterbrückenschaltung

Referenzen

1. ↑ Nentwig, Geffcken, Richter: Die Glimmröhre in der Technik, 1939, Deutsch-Literarisches Institut J. Schneider, Berlin-Tempelhof, S. 110ff