Elektrische Energie wird bequem in Form einer Wechselspannung transportiert und umgewandelt. In dieser Form wird es an den Endverbraucher geliefert. Viele Geräte benötigen jedoch nach wie vor eine Gleichspannung zur Versorgung.
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Gleichrichter in der Elektrotechnik
Gleichrichter werden verwendet, um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Dieses Gerät ist weit verbreitet und die Hauptanwendungsgebiete von Gleichrichtern in der Radio- und Elektrotechnik:
- Bildung von Gleichstrom für elektrische Energieanlagen (Traktionsunterwerke, Elektrolyseanlagen, Erregungssysteme für Synchrongeneratoren) und leistungsstarke Gleichstrommotoren;
- Stromversorgungen für elektronische Geräte;
- Erkennung von modulierten Funksignalen;
- Erzeugung einer Gleichspannung proportional zum Eingangssignalpegel für den Aufbau automatischer Verstärkungsregelungssysteme.
Die Anwendungsmöglichkeiten von Gleichrichtern sind so vielfältig, dass es nicht möglich ist, sie alle in einer Übersicht aufzuführen.
Grundsätze des Gleichrichters
Gleichrichtergeräte beruhen auf dem Prinzip der unidirektionalen Leitfähigkeit der Elemente. Dies kann auf unterschiedliche Weise geschehen. Viele Wege für industrielle Anwendungen gehören der Vergangenheit an - zum Beispiel der Einsatz von mechanischen Synchronmaschinen oder Elektrovakuumgeräten. Heutzutage werden Ventile verwendet, die den Strom zu einer Seite leiten. Vor nicht allzu langer Zeit wurden Quecksilbergeräte für Hochleistungsgleichrichter verwendet. Heute sind diese praktisch durch Halbleiterelemente (Silizium) ersetzt worden.
Typische Gleichrichterdiagramme
Gleichrichtergeräte können nach verschiedenen Prinzipien aufgebaut sein. Bei der Analyse von Gleichrichterdiagrammen ist zu bedenken, dass die Spannung am Ausgang eines Gleichrichters nur konventionell als konstant bezeichnet werden kann. Dieses Gerät erzeugt eine pulsierende unidirektionale Spannung, die in den meisten Fällen durch Filter geglättet werden muss. Einige Verbraucher benötigen auch eine Stabilisierung der gleichgerichteten Spannung.
Einphasige Gleichrichter
Der einfachste Wechselstromgleichrichter ist eine einzelne Diode.
Er gibt die positive Halbwelle der Sinuswelle an den Verbraucher weiter und "schneidet" die negative Halbwelle ab.
Der Anwendungsbereich eines solchen Geräts ist klein - hauptsächlich, Gleichrichter in getakteten StromversorgungenDer Gleichrichter hat einen begrenzten Anwendungsbereich, hauptsächlich in Gleichrichtern für Schaltnetzteile, die mit relativ hohen Frequenzen arbeiten. Sie liefert zwar Strom, der in eine Richtung fließt, hat aber erhebliche Nachteile:
- eine hohe Restwelligkeit - ein großer und unhandlicher Kondensator wäre erforderlich, um den Strom zu glätten und konstant zu halten;
- Unzureichende Ausnutzung der Kapazität von Abwärts- (oder Aufwärts-) Transformatoren, was zu erhöhten Gewichts- und Größenanforderungen führt;
- Die durchschnittliche Ausgangs-EMK beträgt weniger als die Hälfte der Eingangs-EMK;
- höherer Diodenbedarf (andererseits wird nur ein Ventil benötigt).
Die am weitesten verbreitete Methode ist daher Doppelte Halbperiodenschaltung (Brücke).
Hier fließt der Strom zweimal pro Periode in der gleichen Richtung durch die Last:
- Die positive Halbwelle entlang des durch die roten Pfeile gekennzeichneten Pfades;
- die negative Halbwelle entlang der durch die grünen Pfeile gekennzeichneten Strecke.
Die negative Halbwelle geht nicht verloren und wird ebenfalls genutzt, so dass die Leistung des Eingangstransformators besser ausgenutzt wird. Der durchschnittliche EMF ist doppelt so hoch wie bei der einfachen Halbwellenversion. Die pulsierende Stromwellenform kommt einer geraden Linie sehr viel näher, aber ein Glättungskondensator ist immer noch erforderlich. Die Kapazität und die Abmessungen sind kleiner als im vorherigen Fall, da die Brummfrequenz doppelt so hoch ist wie die Frequenz der Netzspannung.
Wenn ein Transformator mit zwei identischen Wicklungen vorhanden ist, die in Reihe geschaltet werden können, oder wenn die Wicklung sich in der Mitte verjüngt, kann ein Doppelhalbperioden-Gleichrichter in einer anderen Schaltung gebaut werden.
Es handelt sich eigentlich um eine Verdoppelung des einfachen Halbperiodengleichrichters, hat aber den Vorteil der doppelten Halbperiode. Der Nachteil ist, dass ein Transformator eine bestimmte Konstruktion haben muss.
Wenn der Transformator von einem Laien gebaut wird, ist es kein Hindernis, die Sekundärwicklung nach Bedarf zu wickeln, aber das Eisen muss etwas überdimensioniert sein. Anstelle von 4 Dioden werden nur 2 Dioden verwendet. Dadurch wird der Masseverlust kompensiert und sogar ein Gewinn erzielt.
Wenn der Gleichrichter für hohe Ströme ausgelegt ist und die Ventile auf Kühlkörpern montiert werden müssen, kann man durch den Einbau der halben Anzahl von Dioden eine erhebliche Einsparung erzielen. Beachten Sie auch, dass dieser Gleichrichter im Vergleich zu einer Brückenschaltung einen doppelt so hohen Innenwiderstand hat, so dass die Erwärmung der Transformatorwicklungen und die damit verbundenen Verluste ebenfalls höher sind.
Dreiphasen-Gleichrichter
Ausgehend vom vorherigen Diagramm ist es logisch, zu einem Gleichrichter für Dreiphasenspannung überzugehen, der nach einem ähnlichen Prinzip aufgebaut ist.
Die Form der Ausgangsspannung ist viel näher an einer Geraden, die Restwelligkeit beträgt nur 14 % und die Frequenz entspricht dem Dreifachen der Netzspannungsfrequenz.
Die Quelle dieser Schaltung ist jedoch ein einphasiger Gleichrichter, so dass viele der Nachteile auch bei einer dreiphasigen Spannungsquelle nicht vermieden werden können. Der größte Nachteil besteht darin, dass der Transformator nicht voll ausgelastet ist und die durchschnittliche EMF 1,17⋅E beträgt.2eff (effektive sekundäre EMK des Transformators).
Die besten Parameter sind durch die dreiphasige Brückenschaltung gegeben.
Hier beträgt die Welligkeit der Ausgangsspannung 14 %, aber die Frequenz ist gleich der Unterfrequenz der Eingangswechselspannung, so dass die Kapazität des Filterkondensators die kleinste aller vorgestellten Optionen ist. Und die Ausgangs-EMK wird doppelt so hoch sein wie in der vorherigen Schaltung.
Dieser Gleichrichter wird mit einem Ausgangstransformator mit Stern-Sekundärwicklung verwendet, aber die gleiche Ventilanordnung ist wesentlich weniger effizient, wenn sie mit einem Dreieck-Ausgangstransformator verwendet wird.
Hier sind Amplitude und Frequenz der Welligkeit die gleichen wie bei der vorherigen Anordnung. Die durchschnittliche EMK ist jedoch um den Faktor zwei geringer als bei der vorherigen Schaltung. Daher wird diese Verbindung nur selten genutzt.
Gleichrichter mit Spannungsvervielfachung
Es ist möglich, einen Gleichrichter zu konstruieren, dessen Ausgangsspannung ein Vielfaches der Eingangsspannung ist. So gibt es beispielsweise Schaltungen mit Spannungsverdopplung:
Hier wird der Kondensator C1 während der negativen Halbwelle aufgeladen und mit der positiven Welle der Eingangssinuswelle in Reihe geschaltet. Der Nachteil dieser Konstruktion ist die geringe Belastbarkeit des Gleichrichters und die Tatsache, dass der Kondensator C2 unter dem doppelten Spannungswert liegt. Daher wird ein solches Schema in der Funktechnik zur Gleichrichtung mit Verdopplung von Signalen geringer Leistung für Amplitudendetektoren, als Messkörper in automatischen Verstärkungsregelkreisen usw. verwendet.
In der Elektrotechnik und Leistungselektronik wird eine andere Variante der Verdopplungsschaltung verwendet.
Ein nach der Latour'schen Schaltung aufgebauter Verdoppler hat eine große Ladekapazität. Jeder der Kondensatoren liegt unter der Eingangsspannung, so dass diese Variante auch in Bezug auf Masse und Abmessungen gegenüber der vorherigen gewinnt. Der Kondensator C1 wird während der positiven Halbperiode und C2 während der negativen Halbperiode geladen. Die Kondensatoren sind in Reihe und parallel zur Last geschaltet, so dass die Spannung an der Last die Summe ist aus der Spannungen der geladenen Kondensatoren. Die Frequenz der Welligkeit ist gleich der doppelten Frequenz der Netzspannung, und die Höhe der Welligkeit hängt ab von über den Wert der Kapazität. Je höher die Kapazität ist, desto geringer ist die Restwelligkeit. Auch hier gilt es, einen vernünftigen Kompromiss zu finden.
Der Nachteil dieser Schaltung ist, dass einer der Lastanschlüsse nicht geerdet sein darf - in diesem Fall wird eine der Dioden oder Kondensatoren kurzgeschlossen.
Diese Schaltung kann beliebig oft kaskadiert werden. Durch zweimaliges Wiederholen des Schaltprinzips ist es also möglich, eine Schaltung mit Spannungsvervierfachung zu erhalten, usw.
Der erste Kondensator in der Schaltung muss der Spannung der Stromversorgung standhalten, die anderen müssen dem Doppelten der Versorgungsspannung standhalten. Alle Tore müssen für die doppelte Sperrspannung ausgelegt sein. Damit die Schaltung zuverlässig funktioniert, müssen natürlich alle Parameter einen Spielraum von mindestens 20 % haben.
Stehen keine geeigneten Dioden zur Verfügung, können diese in Reihe geschaltet werden, wodurch sich die maximal zulässige Spannung um ein Vielfaches erhöht. Parallel zu jeder Diode müssen jedoch Ausgleichswiderstände eingefügt werden. Dies ist notwendig, da sonst die Sperrspannung aufgrund der Variation der Gate-Parameter ungleichmäßig auf die Dioden verteilt werden kann. Dies kann dazu führen, dass der Höchstwert für eine der Dioden überschritten wird. Und wenn jedes Kettenelement mit einem Widerstand überbrückt wird (ihre Nennwerte müssen gleich sein), dann wird die Sperrspannung genau gleich verteilt. Der Widerstand der einzelnen Widerstände sollte etwa 10 Mal kleiner sein als der Sperrwiderstand der Diode. In diesem Fall werden die Auswirkungen zusätzlicher Elemente auf den Betrieb der Schaltung minimiert.
Eine Parallelschaltung von Dioden ist in dieser Schaltung kaum erforderlich, die Ströme sind nicht hoch. Sie können jedoch in anderen Gleichrichterschaltungen nützlich sein, wenn die Last viel Strom verbraucht. Die Parallelschaltung vervielfacht zwar den zulässigen Strom durch das Ventil, bringt aber die Variation der Parameter durcheinander. Das hat zur Folge, dass eine Diode den meisten Strom aufnehmen und nicht verarbeiten kann. Um dies zu vermeiden, wird mit jeder Diode ein Widerstand in Reihe geschaltet.
Der Widerstand ist so bemessen, dass bei maximalem Strom der Spannungsabfall an ihm 1 Volt beträgt. Bei einem Strom von 1 A sollte der Widerstand also 1 Ohm betragen. Die Leistung muss in diesem Fall mindestens 1 W betragen.
Theoretisch kann die Spannungsvervielfachung bis ins Unendliche gesteigert werden. In der Praxis ist zu beachten, dass die Belastbarkeit solcher Gleichrichter mit jeder weiteren Stufe stark abnimmt. Dies kann dazu führen, dass der Spannungsabfall an der Last das Vielfache der Multiplikation übersteigt und den Gleichrichter überflüssig macht. Dieser Nachteil ist allen diesen Schaltungen gemeinsam.
Häufig werden diese Spannungsvervielfacher als ein einziges Modul in guter Isolierung hergestellt. Solche Geräte wurden zum Beispiel zur Erzeugung von Hochspannung in Fernsehgeräten oder Oszilloskopen mit einer Kathodenstrahlröhre als Monitor verwendet. Verdopplungsschaltungen mit Induktivitäten sind ebenfalls bekannt, haben sich aber nicht durchgesetzt, da die Wicklungsteile schwierig herzustellen und nicht sehr zuverlässig sind.
Es gibt eine ganze Reihe von Gleichrichtermodellen. Angesichts der vielfältigen Einsatzmöglichkeiten dieses Geräts ist es wichtig, bei der Auswahl der Schaltung und der Berechnung der Elemente bewusst vorzugehen. Nur dann ist ein langer und zuverlässiger Betrieb gewährleistet.
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