Gleichrichter

Gleichrichter werden in der Elektrotechnik zur Umwandlung von (meist sinusförmiger) Wechselspannung in Gleichspannung verwendet. Für eine Gleichrichtung kann es verschiedene Gründe geben:

• Versorgung von elektrischen Bauteilen, die Gleichstrom benötigen, aus Wechselstromnetzen.
• Verbindung weit entfernter Stromnetze oder Kopplung asynchroner Stromnetze über Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung.
• Messzwecke.

Handelsübliche elektronische Gleichrichter aus Halbleiterdioden

Elektrische Energieumwandlung

Die Gleichrichtung erfolgt meist durch aktive elektronische Bauteile wie Halbleiterdioden, Thyristoren oder spezielle Elektronenröhren, die eine Wechselspannung in ihrem Verlauf so umschalten, dass eine Gleichspannung resultiert.

Anwendung finden Gleichrichter beispielsweise in Netzteilen für die Versorgung von elektronischen Geräten, oder auch, um Gleichstrommotoren an Wechselspannungsnetzen betreiben zu können. Des Weiteren gibt es Anwendungen in der Nachrichtentechnik als Hüllkurvendetektor oder in der elektrischen Messtechnik als präziser Messwertgleichrichter.

Geschichte

Historischer mechanischer Hochspannungsgleichrichter mit rotierendem Rad.

Quecksilberdampfgleichrichter

Selengleichrichter in typischer Plattenbauweise

Die ersten Gleichrichter zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung am Anfang des 20. Jahrhunderts waren mechanische Vorrichtungen, welche die gleichrichtende Wirkung durch eine umschaltende rotierende Bewegung synchron zum Verlauf der Wechselspannung erzielten. Ein solcher mechanischer Gleichrichter ist der auch heute noch eingesetzte rotierende Kommutator bei Gleichstromgeneratoren und Umformern. Der Kommutator ist auf der Generatorachse montiert und besitzt dadurch den synchronen Bezug zum Verlauf der Wechselspannung in den Rotorspulen. Da bei Kommutatoren ein relativ hoher Verschleiß an den Kohlebürsten auftritt, werden solche Gleichstromgeneratoren heute nur noch bei kleiner Leistung eingesetzt bzw. der mechanische Kommutator durch elektronische Halbleiter ersetzt.

Elektrische Luftfilter, welche eine hohe Gleichspannung für die elektrostatische Anziehung von Staubpartikeln benötigen, wurden früher mit mechanischen Gleichrichtern ausgestattet. Dabei wurde die mechanische Konstruktion zur Gleichrichtung aus einem Hochspannungstransformator mit Wechselspannung versorgt. Ein rotierendes Rad mit elektrischen Kontakten ermöglichte die zeitgenaue Umschaltung der Wechselspannung. Angetrieben wurden dieses Gleichrichterrad durch einen Synchronmotor, der den zeitlichen Bezug zwischen der Drehbewegung und der Änderung der Wechselspannung sicherstellte.

Eine weitere Entwicklung war der Quecksilberdampfgleichrichter, welcher auch bei größeren Leistungen eingesetzt werden konnte. Ein Quecksilberdampfgleichrichter besteht aus einem Glaskolben, an dessen unterem Ende sich eine Kathode mit einem Quecksilbersee befindet. Darüber wölbt sich der Glaskolben, an dem das Quecksilber wieder kondensiert. Seitlich sind Glaskolben wie Arme mit Graphitelektroden als Anoden angeschmolzen. Elektronen können nur durch das bei Entladungen verdampfte Quecksilber vom See zu den Graphitelektroden fließen.

Einige Jahrzehnte später wurden die ersten Halbleitergleichrichter in Form von Selen-Plattengleichrichtern erfunden. Eine Selenplatte hat je nach Herstellung eine Sperrspannung von 15 bis 50 V und einen relativ hohen Flusswiderstand von ca. 30 Ohm. Um große Spannungen gleichzurichten und die Abwärme abzuleiten, wurden die Selenplatten gestapelt und mit Kühlflächen versehen, was diesen Gleichrichtern ein charakteristisches Aussehen verlieh.

Mitte des 20. Jahrhunderts wurden vor allem in Detektor-Empfängern 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.

Arten von Gleichrichtern

Es gibt aktiv gesteuerte und ungesteuerte Gleichrichterschaltungen.

• Gesteuerte Gleichrichter müssen über eine zusätzliche Steuerung verfügen, welche festlegt, zu welchen Zeiten welcher Schalter geöffnet und geschlossen sein muss, um eine gleichrichtende Wirkung zu erzielen. Manche dieser elektronischen Schalter können den Strom auch 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 und daher fast trägheitslosen Schaltelementen wie Thyristoren und MOSFETs. Früher gab es Gleichrichter mit mechanischen Kontakten ähnlich einem Relais, welche 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 der anliegenden elektrischen Spannungen (Potentialdifferenz) an den Dioden. Dabei wird die Eigenschaft von Dioden ausgenutzt, elektrischen Strom nur in eine Richtung fließen zu lassen. Beispiele ungesteuerter Gleichrichter sind die heute meist üblichen Halbleiterdioden, zu denen auch spezielle Halbleiterdioden wie Schottky-Dioden zählen. Die mittlerweile weniger gebräuchlichen Elektronenröhren (Röhrendiode), Quecksilberdampfgleichrichter und Selengleichrichter zählen auch zu dieser Gruppe.

Glättung

Durch Gleichrichtung entstehen aufgrund der ursprünglichen Wellenform der Spannung (zum Beispiel einer Sinuskurve) Unregelmäßigkeiten. Geglättet werden können sie durch einen parallel zum Verbraucher geschalteten Kondensator, der die Wellentäler ausgleicht. Alternativ dazu kann die Glättung auch durch Induktivitäten erfolgen, welche in Serie zum Verbraucher geschaltet werden müssen. Die Glättung mit Induktivitäten wird vor allem bei größeren Leistungsgleichrichtern angewendet. Den nach der Glättung übrig bleibenden Wechselanteil bezeichnet man auch als Brummspannung. Weiter reduziert werden kann die Brummspannung durch nachgeschaltete so genannte Siebglieder (Filter).

Die Glättung ist umso besser, je höher die Kapazität des Kondensators bzw. je höher die Induktivität der Spule und je geringer der Laststrom sind. Zu beachten ist, dass die entstehende Brummspannung ein ganzzahliges Vielfaches der Frequenz der Wechselspannung aufweist. Wird beispielsweise eine Wechselspannung mit der Frequenz von 50 Hz mittels Zweiweggleichrichter (Brückengleichrichter) gleichgerichtet, so hat die dabei entstehende Brummspannung überwiegend die doppelte Frequenz von 100 Hz.

Gleichrichterschaltungen zur Gleichstromversorgung

Im Folgenden sind einige typische Gleichrichterschaltungen mit Dioden skizziert, welche vor allem im Bereich von Netzteilen mit kleinerer bis mittlerer Leistung Einsatz finden. Sie dienen zur Gewinnung von Gleichspannung aus der Wechselspannung des öffentlichen Stromversorgungsnetzes.

Brückengleichrichter

Der heute vermutlich bedeutendste Gleichrichter ist der Brückengleichrichter, auch Graetzschaltung genannt. Benannt ist diese Diodenschaltung nach dem deutschen Physiker Leo Graetz.

Die Schaltung wird von vier Dioden gebildet: Die links anliegende Wechselspannung, welche 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 Halbwelle der Wechselspannung im Gleichstromkreis am Verbraucher R ausschließlich positiv. Wie bei allen Gleichrichtertypen muss auch bei dieser Gleichrichterschaltung eine Sperrspannung der Gleichrichterdioden gewählt werden, die mindestens doppelt so groß ist wie wie die Spitzenspannung der Wechselspannung.

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

Mittelpunktgleichrichter

Beim Mittelpunktgleichrichter werden ebenfalls beide Halbwellen der Wechselspannung gleichgerichtet. Allerdings ist dazu ein Transformator mit einer Mittelpunktanzapfung notwendig, die gleichzeitig einen Pol der gleichgerichteten Ausgangsspannung bildet. Der Vorteil dieser Schaltung liegt darin, nur mit zwei Dioden D1 und D2 auszukommen. Ihr Nachteil ist, dass sie einen speziellen Transformator erfordert.

Einweggleichrichter

Bei einem Einweggleichrichter wird nur eine Halbwelle der Wechselspannung gleichgerichtet, die andere Halbwelle wird nicht verwendet. Ein solcher Gleichrichter besteht dafür nur aus einer einzigen Diode. Der Nachteil der Einweggleichrichtung ist, dass die Welligkeit auf der Gleichspannungsseite vergleichsweise groß und der Wirkungsgrad schlecht ist.

In der Halbperiode, in der die Diode in Durchlassrichtung betrieben wird, wird eine Spannung am Ausgang aufgebaut. In der zweiten Halbperiode wird die Diode in Sperrrichtung betrieben. Es fließt kein Strom durch die Diode und so kann keine negative Spannung aufgebaut werden.

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

Wert der Brummspannung bei Einweggleichrichtung: $U_{BS}\approx {I_{L} \over {C\cdot f}}$

Gleichrichter für Dreiphasenwechselstrom

Für mittlere Leistungen von einigen Kilowatt aufwärts werden auch Gleichrichterschaltungen eingesetzt, welche die Dreiphasenwechselspannung aus dem öffentlichen Stromversorgungsnetz gleichrichten. Der Vorteil dieser Schaltung besteht darin, dass die Brummspannung (unten rechts in rot gezeichnet) auf der Gleichspannungsseite kleiner ist und daher nur reduzierte Maßnahmen zur Glättung der Gleichspannung benötigt werden. Die Schaltung kann zur weiteren Reduktion der Brummspannung auch zur Gleichrichtung von mehr als drei Phasen erweitert werden.

Anwendung findet diese Gleichrichterschaltung beispielsweise bei elektrischen Straßenbahnen, welche fast immer mit Gleichspannungen von 500 V bis 750 V betrieben werden. Sie wird auch bei Lichtmaschinen von Kraftfahrzeugen eingesetzt. Die Lichtmaschine ist heute fast immer als Drehstromgenerator ausgeführt, dessen Wechselspannung für das Laden der Autobatterie erst in Gleichspannung umgewandelt werden muss.

Gleichrichterschaltung für Drehstrom.

Spannungsverlauf beim Drehstrom-Vollweggleichrichter

Synchrongleichrichter

Synchroner Gleichrichter mit MOS-FETs

Synchrongleichrichter werden bevorzugt in Schaltreglern (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 anstelle von Dioden MOSFETs in den Gleichrichterschaltungen 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 man zur synchronen Ansteuerung der MOSFETs zusätzliche Schaltungsteile benötigt. 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. In der Darstellung fehlt der Übersichtlichkeit wegen 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.

Gleichrichterschaltungen zur Spannungsvervielfachung

Spezielle Gleichrichterschaltungen können auch zur Spannungsvervielfachung verwendet werden. 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 Farbbildröhren zur Erzeugung der Anodenspannung im Bereich von 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 zeitliche Verschiebung der Schaltpunkte auch eine Leistungsregelung. Einsatzbereiche sind beispielsweise die Drehzahlsteuerung von Gleichstrom- bzw. 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 für diesen Zweck 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. Auch 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 Halbwelle abermals neu gezündet werden. Es gibt allerdings auch GTO-Thyristoren, die das Sperren eines Ventils durch einen Impuls erlauben. Allerdings weisen GTO-Thyristoren vergleichsweise schlechte elektrische Parameter 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 wird auch als H-Brücke bezeichnet.

Präzisionsgleichrichter in der Messtechnik

Vereinfachter Präzisionsgleichrichter

In der elektrischen Messtechnik sind Gleichrichter zur präzisen Gleichrichtung auch 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.

Präzisionsgleichrichter in der Messtechnik sind analoge Schaltungen, welche 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 welchen 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 auch in der Nachrichtentechnik eingesetzt und dienen der Umformung von Signalen wie bei der Demodulation von amplitudenmodulierten Funksignalen. Ein einfaches Anwendungsbeispiel von Gleichrichtern in der Nachrichtentechnik ist ein Funkempfänger, wie er bei den ersten Detektor-Empfängeren eingesetzt wurde. Er ist in nebenstehender Schaltskizze abgebildet.

Die Spule und der Drehkondensator stellen dabei einen Resonanzkreis dar, welcher auf die hochfrequente Trägerfrequenz abgestimmt ist. Diese empfangene Spannung, deren Amplitude in Abhängigkeit des Nutzsignals variiert, wird über die Diode gleichgerichtet, wodurch am Kopfhörer als Spannungsverlauf die Hüllkurve des Nutzsignals anliegt – die höheren Frequenzanteile der Sendefrequenz werden durch parasitäre Kapazitäten im Kopfhörer 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, wodurch eine kapazitätsarme gleichrichtende Wirkung wie bei den später dafür verwendeten Germaniumdioden erzielt wurde.

Das zugrundeliegende Prinzip kommt auch noch in heutigen Rundfunkempfängern beim Empfang von amplitudenmodulierten Signalen zum Einsatz.

Gleichrichter als nichtlineare Schaltung

Alle Gleichrichter sind nichtlineare Schaltungen, welche vor allem in Kombination mit der oben erwähnten Glättung bei sinusförmigem Spannungsverlauf in Stromversorgungen einen nicht sinusförmigen Stromverlauf auf der Wechselspannungsseite verursachen. Dieser Strom setzt sich aus mehreren Frequenzkomponenten zusammen, so genannten Oberwellen, welche in Wechselspannungsnetzen Störungen verursachen können. Um diese Oberwellen klein zu halten, müssen daher Netzteile mit Gleichrichtern von bestimmten Leistungen an eine Leistungsfaktorkorrektur vornehmen. Dies 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 Grundwelle auszeichnet, um eine Form der Blindleistung, die durch Oberwellen gebildet wird. Diese Verzerrungsblindleistung ist nicht durch eine einzige Phasenverschiebung zu beschreiben, belastet allerdings ebenso wie die Verschiebungsblindleistung ohne Nutzen die Leitungen und ist daher im allgemeinen unerwünscht. Durch die Leistungsfaktorkorrektur in Netzteilen wird auch die Verzerrungsblindleistung minimiert.

Sonstiges

• Die größten jemals zum Einsatz gekommenen Gleichrichter sind die steuerbaren Quecksilberdampfgleichrichter der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage Nelson River Bipol 1. Sie besitzen eine Sperrspannung von 150 kV und einen maximalen Durchlassstrom von 1800 A.

• 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 einem Refraktärmetall 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 an sich unerwünscht. Schottky-Dioden kommen vor allem in Schaltnetzteilen zur Anwendung.

• Hochspannungsgleichrichter, wie sie in TV-Empfängern, Hochspannungslabors, in Laserdruckern zum Auftragen des Toners, aber auch bei Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen eingesetzt werden, bestehen aus einer Reihenschaltung von herkömmlichen Dioden bzw. Thyristoren. Dies ist deswegen notwendig, weil eine Diode (Thyristor) eine maximale Sperrspannung hat und es bei Überschreitung dieser Spannung zu einem so genannten Durchbruch kommt. Die Herstellung von Halbleiterbauteilen mit Sperrspannungen von mehr als einigen kV ist nicht möglich.

Trivia

Halbleitermaterial für Gleichrichter war ursprünglich das Material Selen(→Selen-Gleichrichter). Ab Anfang der 1970er-Jahre wurde dann Germanium verwendet, welches später durch Silizium ersetzt wurde. Wegen der Geruchsbelästigung bei Überlast war die Aussprache von „Gleichrichter“ deshalb „Gleich riecht er“.

Literaturquellen

• 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

Weblinks

• Präzisions- und Mess-Gleichrichter
• Glättung und Siebglieder
• Quecksilberdampfgleichrichter
• Quecksilberdampfgleichrichter in Aktion

Siehe auch

• Umrichter | Wechselrichter