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Gleichrichterbrücken sind ein integraler Bestandteil der Stromversorgungspfade von Netzgeräten – informieren Sie sich über ihren Aufbau, die wichtigsten Parameter und Anwendungen.
Wechselstrom und Gleichstrom aus Sicht der Energie und der Elektronik
Die moderne Stromerzeugung beruht in erster Linie auf Wechselspannungen, die uns in den meisten Geräten begegnen. Dies ist vor allem darauf zurückzuführen, dass sich die Höhe dieser Spannung mit Hilfe von Transformatoren leicht verändern lässt und so eine effiziente Energieübertragung über große Entfernungen möglich ist (bei Hochspannung sind die Leitungsverluste geringer). Darüber hinaus erzeugen die meisten Generatoren aufgrund ihrer Bauweise nur Wechselstrom, was sie praktischer und wirtschaftlicher macht.
Auch in Bezug auf die biologischen Auswirkungen gilt Wechselstrom als etwas sicherer als Gleichstrom. Die Stromversorgung elektronischer Schaltungen basiert jedoch fast ausschließlich auf Gleichspannungen – aus diesem Grund werden Gleichrichterbrücken zur Umwandlung der (zuvor reduzierten) Netzwechselspannung in Gleichspannung notwendig.
Aufbau und Funktionsweise einer Gleichrichterbrücke
Die klassische Gleichrichterbrücke besteht aus vier Siliziumdioden, die in einer bestimmten Konfiguration geschaltet sind, die an die in der Messtechnik verwendete Wheatstone-Brücke erinnert. Die schematische Darstellung einer Gleichrichterbrücke ist ein um 45 Grad gedrehtes Quadrat, bei dem die Dioden auf jeder Seite in der entsprechenden Weise angeordnet sind. Bei dieser Topologie bilden die Verbindungen der einzelnen Elektroden der “benachbarten” Dioden vier Knotenpunkte.
Zwei der Knoten (in den gegenüberliegenden Ecken des Quadrats) sind mit einer Wechselspannungsquelle verbunden (in der Regel mit dem Ausgang eines Transformators, der die Spannung auf einen sicheren Wert, z. B. 12 V oder 24 V, reduziert), und die anderen Knoten sind mit einer Last verbunden, die mit Gleichstrom versorgt werden sollen.
Es ist zu beachten, dass die Kathoden von zwei Dioden mit der mit “+” gekennzeichneten Leitung verbunden sind, während die Anoden der beiden anderen Bauteile mit “-” verbunden sind. Diese Anordnung bedeutet, dass während einer Wechselstromperiode zwei Dioden den Strom in der richtigen Richtung durchlassen und die anderen den Strom sperren (da sie in umgekehrter Richtung gepolt sind). In der zweiten Hälfte des Zyklus kehrt sich die Situation um: Die Dioden, die zuvor den Strom durchließen, sperren ihn nun, und die Elemente, die in der vorangegangenen halben Periode eingeschaltet waren, leiten keinen Strom.
Gleichrichterbrücke in der Praxis - "Layoutumgebung"
Durch den oben beschriebenen Betrieb des Brückengleichrichters ähnelt die Ausgangsspannung einer Sinuskurve, deren negative Hälften invertiert und über die horizontale Achse des Diagramms “gespiegelt” wurden. Diese “Zwei-Bit”-Wellenform wird in jeder Periode der Netzspannung wiederholt, daher bezeichnen wir die Ausgangsspannung der Brücke als zweispannungsgleichgerichtet. Man kann also schlecht sagen, dass es sich um eine reine Gleichspannung handelt – schließlich haben wir es hier nicht mit einem stabilen Spannungswert (z. B. 5 VDC) zu tun, sondern mit einem stark pulsierenden Signal, das sich beispielsweise nicht sehr gut für die Versorgung elektronischer Schaltungen eignet, insbesondere wenn diese auf Mikrocontrollern oder empfindlichen Operationsverstärkern basieren.
Keine Sorge, es genügt, die Ausgangsspannung der Brücke mit einer Batterie aus mehreren großen Elektrolytkondensatoren zu filtern, die die Spannung erfolgreich “glätten” und sie unserem Traumideal näher bringen. In vielen Schaltkreisen wird sich selbst eine solche einfache Filterung als unzureichend erweisen – ein gutes Beispiel hierfür sind Analog-Digital-Wandler, die für einen korrekten Betrieb eine stabile Spannung mit sehr geringer Wellenlänge und geringem Rauschen benötigen. Aus diesem Grund verwenden wir in der Praxis – nach der Filterkondensatorbank – einen linearen Stabilisator, der den Rest der Störungen effektiv “ausblendet” und eine “reine” Gleichspannung mit sehr guten Parametern an die gespeisten Schaltungen liefert.
Bei der Verwendung von Gleichrichterbrücken in Trafostromversorgungen (und nicht nur dort) ist auch an einen entsprechenden Überlastschutz zu denken – um Schäden an der Brücke, aber auch am Transformator (z.B. bei versehentlichem Ausgangskurzschluss) zu vermeiden, sollte eine Sicherung mit einem Wert, der sich nach der zu erwartenden Leistungsaufnahme und dem Typ des Transformators richtet, vor der Primärwicklung angebracht werden (dieses Thema sprengt jedoch den Rahmen unseres Artikels).
Wichtige Parameter von Gleichrichterbrücken
Die Parameter einer Gleichrichterbrücke, wie sie vom Hersteller im Datenblatt angegeben werden, sind entscheidend für die korrekte Auswahl und Verwendung dieser Bauteile bei der Entwicklung elektronischer Geräte. Betrachten wir kurz die wichtigsten davon:
- Maximale Sperrspannung (Vrrm)
Dies ist die maximale (Spitzen-)Spannung, die die Gleichrichterbrücke bei Betrieb in Sperrrichtung aushalten kann. Ein Überschreiten dieser Spannung kann zu einer Beschädigung der Brücke führen (Diodendurchschlag). In der Regel ist die maximale Effektivspannung (Vrms), die offensichtlich niedriger ist als die Spitzenspannung, ebenfalls in den Katalogdaten zu finden. - Maximaler Leitungsstrom (If(av))
Dieser Parameter gibt den maximalen Strom an, den die Brücke im leitenden Zustand leiten kann, ohne die Siliziumdioden in ihrer Struktur zu beschädigen (Überhitzung). Es sollte hinzugefügt werden, dass die Hersteller den Ausgangsstrom in diesem Fall gewöhnlich als Durchschnittswert des bipolar gleichgerichteten Stroms angeben. - Maximale Leistung (Pd)
Dies ist die höchste Leistung, die die Gleichrichterbrücke ohne Schaden (Überhitzung) umwandeln kann. Sie hängt sowohl von den Parametern der Dioden als auch von der Wärmeleitfähigkeit und dem Design des Gehäuses und damit von dessen Größe ab. Die Art der Befestigung der Brücke und die Umgebungstemperatur sind natürlich wichtig. - Betriebstemperatur (Tj)
Bestimmt den Temperaturbereich, in dem die Gleichrichterbrücke ordnungsgemäß funktionieren kann. Eine Überschreitung der Höchsttemperatur kann zu einer Überhitzung der Brückendioden führen, aber auch zu niedrige Temperaturen sind nicht ratsam, da sie die Haltbarkeit der Bauteilmaterialien beeinträchtigen können. - Rückstrom (IR)
Maximalwert des Stroms, der durch Dioden fließt, die mit Sperrpolarität arbeiten. Er liegt in der Regel zwischen einem Dutzend und mehreren hundert Mikroampere.
Anwendungen mit Gleichrichterbrücken
Gleichrichterbrücken werden, wie am Anfang erwähnt, (fast ausschließlich) in den Netzkreisen von AC/DC-Stromversorgungen eingesetzt – aber es ist wichtig zu wissen, dass dies nicht nur für herkömmliche Trafonetzteile gilt. Geeignete Brücken können jedoch auch in Schaltnetzteilen und sogar in einfachen transformatorlosen Konstruktionen verwendet werden – dabei ist jedoch zu beachten, dass letztere keine Isolationsbarriere zum Schutz des Benutzers vor elektrischen Schlägen aufweisen. Sie werden daher nicht in Geräten verwendet, bei denen die Möglichkeit eines direkten Kontakts zwischen dem Körper des Benutzers und leitenden Teilen des Geräts besteht!
