Ein Gleichrichter soll Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandeln. Aber was hat das mit Leuchtdioden zu tun? Darum geht es in diesem Beitrag.
Leuchtdioden lassen den Strom nur in eine Richtung fließen. Genau wie „normale“ Dioden. Nur mit dem Unterschied, dass sie dabei leuchten. Warum also sollte man sie nicht auch als Gleichrichter einsetzen können.
Ob und wie das geht, habe ich ausprobiert. Bevor ich aber dazu komme, möchte ich auf die Funktion eines (Brücken-) Gleichrichters eingehen.
Die Diode als Grundbaustein für den Gleichrichter
Ein Einweggleichrichter besteht aus einer Diode. Hier kurz zur Funktion der Diode eine Erklärung:
Eine Diode lässt den Stromfluss nur in einer Richtung zu. Sie funktioniert ähnlich wie ein Ventil, indem sie den elektrischen Strom in einer Richtung durchlässt und ihn in der entgegengesetzten Richtung blockiert. Dank dieser Eigenschaft werden Dioden häufig verwendet, um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, da sie nur eine der beiden Halbwellen einer Wechselspannung durchlassen.
Es gibt Dioden in einer Vielzahl von Ausführungen, die für unterschiedliche Spannungsbereiche und maximale Strombelastungen geeignet sind. Die folgende Abbildung zeigt, was herauskommt, wenn eine Diode von einem Wechselstrom durchflossen wird.
Eine Halbwelle des Wechselstroms wird praktisch abgeschnitten. Hier tritt die Ventilwirkung der Diode zutage. Eine Halbwelle kann passieren, die andere sperrt die Diode.
Was bedeutet das für die Wechselspannung?
Es entsteht eine sogenannte pulsierende Gleichspannung. Pulsierend deshalb, weil kein gleichmäßiger Strom fließt. Zwischen den „Wellenbergen“ befinden sich Lücken. Diese sind in der Skizze oben sehr gut zu sehen.
Der Brückengleichrichter oder Graetz-Gleichrichter
Etwas besser funktioniert die Gleichrichtung mithilfe des Brückengleichrichters, der aus vier Dioden besteht. Der Unterschied:
Hier fließt immer ein Strom, sowohl bei der positiven Halbwelle als auch bei der negativen. Die nächste Abbildung zeigt, was damit gemeint ist und wie der Strom in einem Brückengleichrichter fließt. Dieser Brückengleichrichter wird auch als Graetz-Gleichrichter oder als Graetz-Brücke bezeichnet.
Die Schaltung wurde erstmals von Karl Pollak entwickelt und im Dezember 1895 in Großbritannien sowie im Januar 1896 in Deutschland zum Patent angemeldet. Unabhängig davon konzipierte Leo Graetz im Jahr 1897 eine ähnliche Schaltung und ist Namensgeber.
Diese Gleichrichterschaltung ist äußerst vielseitig und wird in zahlreichen Anwendungen eingesetzt. Sie kommt unter anderem in Stromversorgungen, Ladegeräten, Spannungsregelungssystemen und überall dort zum Einsatz, wo Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt werden muss. Es gibt sie als Schaltung aus vier Einzeldioden und als kompaktes Bauteil mit vier Anschlüssen, zwei Eingänge (Wechselspannung) und zwei Ausgänge (Plus und Minus für die Gleichspannung).
Doch nun zur Funktion der Graetz-Schaltung:
Die linke Abbildung:
Der Strom fließt vom Pluspol der Spannungsversorgung durch die Diode D2, dann zum Ausgang, der den Pluspol der gleichgerichteten Spannung bildet (rote Pfeile).
Vom Verbraucher kommend, fließt der Strom zurück (blaue Pfeile) über die Diode D3 zum Minuspol der Spannungsquelle.
Zur rechten Abbildung:
Während die Wechselspannung im negativen Bereich ist (negative Halbwelle), ist der Stromfluss umgekehrt, die Spannungsquelle hat eine entgegengesetzte Polarität wie vorher. Der Strom fließt jetzt vom Pluspol der Spannungsquelle durch die Diode D4 zum Ausgang (rot).
Wieder vom Verbraucher kommend, fließt er durch die Diode D1 zurück (blau).
Liegt am Eingang eine Wechselspannung an, ändert sich die Polarität bekanntermaßen mehrere Male in der Sekunde. Der Strom fließt dann in sehr schnell wechselnder Folge immer abwechselnd durch die Dioden D2 und D3 oder durch die Dioden D1 und D4.
Der Unterschied zur Einweg-Gleichricherschaltung:
Sowohl die positive als auch die negative Halbwelle kommen am Ausgang an. Nur beide Halbwellen mit Ausschlag in nur eine Richtung. Deshalb handelt es sich auch hierbei um eine pulsierende Gleichspannung.
Einen wesentlichen Unterschied gibt es aber:
Da beide Halbwellen des Wechselstroms genutzt werden können, sind die Lücken zwischen den Spannungsimpulsen geringer. Dadurch arbeitet der Brücken- oder Graetz-Gleichrichter auch wesentlich effektiver als ein Einweggleichrichter.
In der Abbildung können Sie sehen, dass die Lücken zwischen den Impulsen wesentlich kleiner sind. Die negativen Halbwellen sind quasi nach oben geklappt worden.
Diese pulsierende Gleichspannung lässt sich mithilfe eines Elektrolytkondensators glätten und so zum Betrieb von elektronischen Schaltungen nutzen. Mehr zum Thema Spannungsstabilisierung finden Sie übrigens m velinkten Beitrag.
Aber funktioniert ein solcher Gleichrichter auch mit Leuchtdioden?
Wie funktioniert der LED-Brückengleichrichter?
Die Schaltung für den Gleichrichter ist mit der „normaler“ Dioden identisch. Die Dioden werden einfach durch LEDs ersetzt. Die folgende Abbildung zeigt den Stromfluss, genauso wie bei der ersten Brückengleichrichter-Schaltung.
Der jeweilige Stromfluss ist identisch mit dem bei der ersten Brückengleichtrichter-Schaltung. Einen Unterschied gibt es aber: Die LEDs zeigen jeweils an, wenn ein Strom fließt.
Es leuchten also je nach aktueller Polarität immer zwei der vier LEDs auf.
Ob die Schaltung mit den LEDs einen praktischen Zweck erfüllt, sei dahingestellt. Aber es lässt sich auf diese Weise sehr gut der Stromfluss in einem Brückengleichrichter demonstrieren.
Die folgende Abbildung zeigt einen Versuchsaufbau der Gleichrichterschaltung mit vier LEDs und einer weiteren als Verbraucher am Ausgang, die eine Spannung mit immer gleicher Polarität erhält, egal, wie herum die Spannungsquelle am Eingang des Gleichrichters gepolt ist. Wäre das nicht so, würde sie in einer Richtung sperren und weder die LED am Ausgang noch zwei der Gleichrichter-LEDs würden aufleuchten, wenn die Gleichspannungsquelle (hier eine Batterie) nicht richtig herum angeschlossen ist oder während einer Halbwelle bei einer anliegenden Wechselspannung.
Die beiden Schaltbilder zeigen, ebenso wie die LEDs in den Abbildungen, den jeweiligen Stromfluss an. Das folgende Video auf YouTube zeigt das Ganze während des Betriebs. Hier wurde die LED am Ausgang des Brückengleichrichters durch einen Widerstand ersetzt.
Als „Wechselspannungsquelle“ dient eine NE555-Schaltung, die eine Rechteckspannung mit sich ständig ändernder Polarität erzeugt. Ich habe mir beim Aufbau dieser NE555-Schaltung die Tatsache zunutze gemacht, dass der NE555 den Ausgang an Pin 3 entweder auf Plus oder auf Masse schaltet.
Die beiden NE555-ICs arbeiten in dieser Schaltung quasi entgegengesetzt. Schaltet der erste NE555 den Ausgang auf Plus (die Betriebsspannung, an der die Schaltung angeschlossen ist), schaltet der andere auf Masse und umgekehrt.
Die beiden Ausgänge der NE555-ICs habe ich auf den Eingang des LED-Gleichrichters gelegt, natürlich mit einem Widerstand zur Strombegrenzung. Die NE555-Schaltung demonstriert sehr gut die Funktionsweise der LED-Gleichrichterschaltung.
Andere Arten von Gleichrichterschaltungen
Es gibt noch weitere Arten von Gleichrichterschaltungen. Unter anderem sind dies die sogenannten Mittelpunktgleichrichter oder Gleichrichter für Dreiphasen-Wechselstrom.
Mittelpunktgleichrichter
Für den Mittelpunktgleichrichter verwendet man einen Transformator mit einem Mittelpunktabgriff der Sekundärwicklung.
Beim Mittelpunktgleichrichter verwendet man ebenfalls beide Halbwellen der Wechselspannung. Die Anzapfung am Trafo dient gleichzeitig als einer der beiden Anschlüsse für die gleichgerichtete Ausgangsspannung.
Ein großer Vorteil dieser Schaltung ist, dass sie lediglich zwei Dioden (D1 und D2) benötigt. Dadurch verringert sich der Spannungsverlust, da nur die Spannung einer einzigen Diode abfällt (die sogenannte Durchflussspannung).
Allerdings hat die Mittelpunktschaltung auch Nachteile:
Der Transformator muss hierfür ausgelegt sein und eine Mittelpunktanzapfung haben, sonst funktioniert es nicht. Dabei wird nur eine Hälfte der Sekundärwicklung des Transformators gleichzeitig genutzt, was bedeutet, dass bei gleicher Bauweise des Trafos der Draht der Sekundärwicklungen dünner sein muss, um genügend Wicklungen unterzubringen. Dies erhöht den Innenwiderstand, was wiederum zu höheren Verlusten führt.
Ein weiteres Kriterium bei dieser Schaltung ist die Belastung der Dioden. Während eine Diode Strom leitet, sperrt die andere. Dabei muss die sperrende Diode einer Spannung standhalten, die der gesamten Trafospannung beider Wicklungshälften entspricht. Deshalb müssen die verwendeten Dioden so ausgelegt sein, dass sie mindestens die doppelte Ausgangsspannung aushalten können.
Diese Schaltungsart wird vor allem bei niedrigen Ausgangsspannungen unter 10 Volt oder in Schaltnetzteilen eingesetzt, da die Vorteile hier die Nachteile überwiegen. Eine Ausnahme davon sind alte Röhrenschaltungen:
In der Vergangenheit wurde die Mittelpunktschaltung häufig in Röhrengeräten zur Erzeugung der Anodenspannung verwendet, weil sie mit nur einer teuren Gleichrichtereinheit auskam. Dafür nutzte man dann Röhrendioden oder Gleichrichterröhren mit zwei Anoden und gemeinsamer Kathode.
Gleichrichtung von Dreiphasen-Wechselstrom
Dreiphasen-Wechselstrom lässt sich mit einem geeigneten Gleichrichter ebenfalls in Gleichstrom umwandeln. Am einfachsten funktioniert das auch hier mithilfe einer Einweggleichrichtung. Hier natürlich mit drei Phasen, die durch drei verschiedene Dioden gleichgerichtet werden. Das sieht dann so aus wie in der folgenden Abbildung.
Das Ergebnis ist wie bei der Einphasen-Wechselspannung oben eine pulsierende Gleichspannung, die sich ganz einfach mit einem Elektrolytkondensator glätten lässt.
Dann gibt es noch die Dreiphasen-Wechselspannungsgleichrichtung mithilfe zweier Dioden pro Phase. Klassisches Beispiel dafür ist der Generator im Auto, der ebenfalls einen Dreiphasen-Wechselstrom erzeugt, der mithilfe einer Diodenschaltung in einen Gleichstrom umgewandelt wird. Das folgende Schaltbild zeigt, wie die Schaltung aufgebaut ist.
Die Ausgangsspannung ist eine pulsierende Gleichspannung, diesmal aber wie bei der Brückengleichrichterschaltung mit wesentlich kleineren Lücken zwischen den Wellenbergen der dreiphasigen Wechselspannung. Auch hier ist eine zusätzliche Glättung mithilfe einer Kapazität wie einem Elektrolytkondensator hilfreich. Im Kfz-Bereich übernimmt diese Aufgabe die Fahrzeugbatterie.
Die folgende Abbildung zeigt den Verlauf der drei Ströme während der einzelnen Phasen des Dreiphasen-Wechselstroms.
Gleichrichter lassen sich also auf unterschiedliche Art und Weise realisieren. Außerdem können sie sowohl für Einphasen- als auch für Dreiphasen-Wechselströme eingesetzt werden. Nach der Umwandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung sind natürlich noch weitere Schritte notwendig, ob mit einer oder mehreren Phasen.
Sie haben ja selbst gesehen, dass das Ergebnis in der Regel eine pulsierende Gleichspannung ist, also keine gleichmäßige Spannung, die diese zum Beispiel aus einer Batterie kommt. In der Regel folgt eine Siebung beziehungsweise Glättung mithilfe eines Elektrolytkondensators.
Sollen empfindliche elektronische Schaltungen oder Geräte mithilfe eines Netzteils betrieben werden, kommen häufig noch Schaltung zur Spannungsstabilisierung zum Einsatz, um mögliche Störungen durch eine sogenannte Restwelligkeit (eben jene Reste der Wechselspannung, die Sie oben gesehen haben) zu vermeiden.
Ich hoffe, dieser Beitrag konnte Ihnen die Funktionsweise verschiedener Arten von Gleichrichtern näher bringen. Falls Sie mehr zum Thema Spannungsstabilisierung erfahren möchten, schauen Sie sich auch den verlinkten Beitrag an.
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