Gleichrichter

Gleichrichter werden in der Elektrotechnik und Elektronik zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung verwendet. Sie bilden, neben Wechselrichtern und Umrichtern, eine Untergruppe der Stromrichter. Um Wechselanteile zu bedämpfen, wird die gleichgerichtete Spannung üblicherweise mit Hilfe von Kondensatoren geglättet.

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

Eine Gleichrichtung dient zum Beispiel

• zur Versorgung gleichstrombetriebener elektrischer Verbraucher aus dem Wechselstromnetz;
• zur Verbindung weit entfernter Stromnetze oder der Kopplung nicht synchroner Stromnetze über Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung;
• zu Messzwecken oder
• für Anwendungen in der Nachrichtentechnik, zum Beispiel zur Hüllkurvendemodulation.

Die Gleichrichtung erfolgt meist ungesteuert durch Halbleiterdioden bei einem Wirkungsgrad bis zu 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 aufgrund der geringeren Durchlassspannung eine höhere Effizienz, als mit Halbleiterdioden möglich wäre.

Geschichte

Mechanische Gleichrichter

Historischer mechanischer Hochspannungsgleichrichter mit rotierendem Rad

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts gab es nur elektromechanische Gleichrichter 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. Diese 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 Weiterentwicklung dieses Prinzips verkörperte der Kontaktumformer.^[1]

Elektrolytischer Gleichrichter

Eine Möglichkeit der Gleichrichtung eröffnete das Prinzip der anodischen Oxidation, welche in den Anfängen der elektrischen Telegrafie und Telefonie eine Rolle spielte. Zwei in einen Elektrolyten getauchte Elektroden können auch als Gleichrichter fungieren. Eine Elektrode muss dazu aus einem Edelmetall, zum Beispiel Platin, bestehen, die andere aus einem Metall, das durch anodische Oxidation eine dicke Oxidschicht bildet, wie Niob. Bei dieser Anordnung kann nur Strom fließen, wenn das anodisch oxidierbare Metall als Kathode fungiert. Diese Gleichrichter werden auch als Nassgleichrichter oder als elektrolytischer Gleichrichter bezeichnet und konnten bis zu den Spannungen um 300 V eingesetzt werden.^[2]

Quecksilberdampfgleichrichter

Quecksilberdampfgleichrichter

→ Hauptartikel: Quecksilberdampfgleichrichter

Eine weitere Entwicklung war der Quecksilberdampfgleichrichter, der auch bei größeren Leistungen eingesetzt werden konnte. Er 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.

Trockengleichrichter

Selengleichrichter in typischer Plattenbauweise

Einige Jahrzehnte später wurden die ersten Halbleitergleichrichter wie Selen-Gleichrichter und Kupferoxydul-Gleichrichter erfunden. Sie wurden, da dabei keine Flüssigkeiten zum Einsatz kamen, auch als Trockengleichrichter bezeichnet. 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.

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).

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 temperaturbeständigeren Silizium-Dioden ersetzt.

Röhrendioden

→ Hauptartikel: Röhrendiode

Eine Röhrendiode oder auch Vakuumdiode ist eine Bauform einer Elektronenröhre mit zwei Elektroden ohne Steuermöglichkeit und mit beheizter Kathode. Sie wurden unter anderem in der Anfangszeit der Rundfunktechnik in Röhrenempfängern zur Gleichrichtung der Versorgungsspannung eingesetzt.

Glimmgleichrichter

Ende der 1930er-Jahre wurde auch mit Gleichrichtern auf Basis von Glimmentladungen und speziellen Bauformen der Glimmlampe experimentiert.^[3] Das Verfahren ähnelt dem der Röhrendiode, es wird die Röhre aber mit einem Gas gefüllt und die Kathode nicht beheizt. 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.

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. Insbesondere bei Netzteilen für Elektronenröhren sind Pi-Filter (zwei Querkondensatoren, dazwischen eine Längsinduktivität) gebräuchlich. 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 benötigt ein solcher Gleichrichter nur eine einzige 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 Einphasenwechselstrom 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.

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.

Weiters ist zu beachten, dass die Sperrspannung der Dioden mindestens die doppelte Ausgangsspannung sein muss. Wenn eine Diode sperrt und die andere leitet, liegt auf der gesperrten die volle Trafospannung an.

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

Die Schaltung wird hauptsächlich bei geringen Spannungen (unter 10 V) sowie bei Schaltnetzteilen verwendet, da hier die Vorteile die Nachteile überwiegen. Die Mittelpunktschaltung wurde in früherer Zeit häufig in Röhrengeräten zur Erzeugung der Anodenspannung angewandt, da man bei ihr unter Einsatz von Duodioden, Gleichrichterröhren mit zwei Anoden und gemeinsamer Kathode oder bei mehranodigen Quecksilberdampfgleichrichtern nur eine teure Gleichrichtereinheit benötigte.

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

Dreiphasengleichrichter in Sechspuls-Brückenschaltung (B6)

→ Hauptartikel: Dreiphasengleichrichter

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

Anwendung finden Dreiphasengleichrichter in der elektrischen Energietechnik wie beispielsweise bei Straßenbahnen, die meist mit Gleichspannungen von 500…750 V betrieben werden. Auch bei den heute üblichen Drehstrom-Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen wird sie eingesetzt. In beiden Fällen ist keine Glättung erforderlich.

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

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.

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 im Bereich der Energie- und Antriebstechnik Verwendung. Mit ihnen ist nicht nur eine Gleichrichtung möglich, sondern durch Phasenanschnittsteuerung auch eine Leistungssteuerung. 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, eine Leistungssteuerung ist nur durch Verschiebung des Einschaltzeitpunktes möglich. Erst wenn der Strom unter einen bestimmten Schwellwert (Haltestrom) sinkt, sperrt der Thyristor wieder und muss in der nächsten Halbschwingung neu gezündet werden. Es gibt auch sogenannte 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. Eine steuerbare Gleichrichterschaltung mit besonders geringem Oberschwingungsanteil stellt der Vienna-Gleichrichter dar ^[4].

Darüber hinaus hat ein gesteuerter Gleichrichter Bedeutung in der Messtechnik, z. B. bei der Wechselstrombrücke.

Gleichrichter in der Messtechnik

Präzisions-Gleichrichtung

In der elektrischen Messtechnik sind präzise Gleichrichter für kleine Spannungen und kleine Ströme notwendig. Sie dienen nicht der Energieversorgung von elektronischen Baugruppen, sondern zur Verarbeitung von Messsignalen. Eingesetzt werden diese Gleichrichter in Schaltungen beispielsweise zur Betragsbildung von Wechselspannungen in Multimetern. Bei einfachen Messgeräten erkennt man den Diodeneinfluss an der im unteren Bereich nichtlinearen Skalenteilung in den Wechselgrößen-Messbereichen.

Für die in der Messelektronik üblicherweise eingesetzten Siliziumdioden sind die zwei wichtigsten Abweichungen vom idealen Verhalten (in Klammern Richtwerte für 25 °C)

* Sperrstrom IR	(< 25 nA)
* Durchlassspannung UF	(≈ 0,7 V, abhängig vom durchfließenden Strom)

wobei der Sperrstrom in aller Regel als Ursache für Messabweichungen unbeachtet bleiben kann, die Durchlassspannung aber sehr verfälschend wirkt. Mit Hilfe von rückgekoppelten Operationsverstärkern können reale Dioden aber funktionell als ideale Dioden angesehen werden. Diese übernehmen weiterhin die Gleichrichtung. Der Operationsverstärker kompensiert dabei die Durchlassspannung der Diode durch eine erhöhte Spannung an seinem Ausgang.

Präzisions-Einweggleichrichter

Präzisions-Brückengleichrichter

Mit den fast immer zulässigen Näherungen des nicht übersteuerten idealen Operationsverstärkers

$u_d=0\quad ; \qquad i_n=0$

erzeugt die obere Messschaltung ein Spannungs-Signal

$u_a=\begin{cases} |u_e| & \text{wenn }u_e <0\\ \ 0 & \text{wenn }u_e >0 \end{cases}$

unabhängig von U_F , selbst wenn |u_e | < U_F .

Die untere Messschaltung erzeugt ein Strom-Signal

$i_a =|u_e|/R\$

unabhängig von U_F und vom Innenwiderstand des Strommessgerätes.

Phasenempfindliche Gleichrichtung

Für Gleichrichtung, die synchron zu einem äußeren Vorgang abläuft und dabei auch das Vorzeichen der Ausgangsspannung umkehren kann, siehe gesteuerter Gleichrichter.

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 eines 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 bei sinusförmigem Spannungsverlauf in Stromversorgungen einen nicht sinusförmigen Stromverlauf auf der Wechselspannungsseite verursachen. Die Nichtlinearität ist bedingt durch die nichtlineare Betragsfunktion und die Effekte infolge 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 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. Das ist 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

 Wiktionary: Gleichrichter – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

 Commons: Gleichrichter – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

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

Referenzen

1. ↑ Goldstein, Alexander. Die Theorie der Kontaktumformer mit Schaltdrosseln. Diss. techn. Wiss. ETH Zürich, 1948. PDF
2. ↑ Hermann Goetsch: Lehrbuch der Fernmeldetechnik. 7. Auflage. R. Oldenbourg, 1938.
3. ↑ Nentwig, Geffcken, Richter: Die Glimmröhre in der Technik, 1939, Deutsch-Literarisches Institut J. Schneider, Berlin-Tempelhof, S. 110ff
4. ↑ J. W. Kolar, H. Ertl, F. C. Zach: Design and Experimental Investigation of a Three-Phase High Power Density High Efficiency Unity Power Factor PWM (Vienna) Rectifier Employing a Novel Integrated Power Semiconductor Module, in Proceedings of the 11th IEEE Applied Power Electronics Conference, San Jose (CA), USA, 3. bis 7. März 1998, Ausgabe 2, Seiten 514 bis 523

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