Einweggleichrichtung – M1

Einweggleichrichtung ohne Ladungsspeicher

Ein Wechselspannungssignal (AC) mit sinusförmigem Verlauf und andere periodische AC-Signale können mithilfe einer Diode gleichgerichtet werden. Am Ausgang der Schaltung ist je nach Polung der Diode ein nur positiver oder negativer Spannungsverlauf messbar. In einer angeschlossenen Schaltung fließt der Strom nur in eine Richtung ist aber zeitlich nicht konstant. Diese einfachste Gleichrichtschaltung liefert eine Mischspannung, also eine Gleichspannung mit Wechselspannungsanteilen und genügt nur selten den geforderten Ansprüchen. Die Kurzbezeichnung der Schaltung war E für Einweg und wird heute als Einpuls-Mittelpunktschaltung M1 oder M1U bezeichnet. Das U steht für ungesteuert und besagt, dass zur Gleichrichtung keine steuerbaren Dioden wie beispielsweise Thyristoren verwendet werden.

In der dargestellten Schaltung leitet die Diode nur während der positiven Halbwelle der Wechselspannung ue und ist beim Verlauf der negativen Halbwelle gesperrt. Die Durchgangsspannung von 0,7 V bei einer Siliziumdiode soll hier unberücksichtigt bleiben. Die Spannung ua am Lastwiderstand hat die gleiche Periodizität wie die AC-Wechselspannung. Ein analog arbeitendes Drehspulinstrument würde die Ausgangsspannung als arithmetisches Mittel vom Betrag des Signals \(\left| {\overline u } \right|\) anzeigen. Dieser Wert wird Gleichrichtwert genannt. \[\left| {\bar u} \right| = \frac{1}{T}\int\limits_0^T {\left| {u(t)} \right|} \,dt \approx \frac{1}{n}\sum\limits_{i = 1}^n {\left| {{u_i}} \right|} \]

Soll mit der gleichgerichteten sinusförmigen AC eine Leistungsberechnung an derselben reellen Last erfolgen, dann ist der Bezug zum Effektivwert Ueff der Wechselspannung herzustellen. Die effektive Leistung einer AC ist genau gleich zur Leistung einer DC an derselben reellen Last. Mittels Einweggleichrichtung kann die Ausgangsleistung an einem Wirkwiderstand halbiert werden. Diese Methode wird (wurde) in einfachen Sparschaltungen bei Warmhaltegeräten und in einer zweistufigen Helligkeitsschaltung bei Leuchtmitteln angewendet.

Nach der Diode ist der messbare Maximalwert der geglätteten und unbelasteten Gleichspannung um den Wert Durchlassspannung der Diode niedriger als der AC-Spitzenwert vor der Diode. Die Sperrspannung der Diode muss mindestens so groß wie der Spitzenwert der Wechselspannungen sein. Die Einweggleichrichtung eignet sich nur für kleine Leistungen.

Wird die Wechselspannung einem Transformator entnommen, so machen sich Spannungsschwankungen der Primärseite mit dem idealisierten Übertragungsfaktor ü = N1 / N2 auch auf der Sekundärseite bemerkbar. Bei angeschlossener Last fließt auch Gleichstrom durch die Sekundärwicklung und magnetisiert den Eisenkern. Damit bei maximaler Gleichstromleistung der Trafo nicht in die magnetische Sättigung gelangt, muss seine Wechselstromleistung größer als die maximal abzugebende DC-Nutzleistung sein. Sollen sich Lastschwankungen auf der Sekundärseite dort nicht durch proportionale Spannungsänderungen auswirken, so muss der Innenwiderstand der Sekundärwicklung klein sein. Er kann messtechnisch ermittelt werden: \[{R_{i\,Tr}} = ({U_{leer}} - {U_{Last}})/{I_{Last}}\]

Die M1-Gleichrichtschaltung erzeugt eine Mischspannung mit großer Welligkeit.
Die Mischspannung hat die gleiche Periodizität wie die Wechselspannung.
Der Diodenstrom fließt während der gesamten Halbwelle, in der die Diode leitet.
Die Dioden Sperrspannung sollte größer als der Spitzenwert der Wechselspannung sein.

Einweggleichrichtung mit Ladekondensator

Die gleichgerichtete Ausgangsspannung nach der Diode ist zeitlich nicht konstant. Abhilfe schafft ein Ladungsspeicher, der bei gesperrter Diode den Laststrom zur Verfügung stellt. Geeignete sind Elektrolytkondensatoren mit großen Kapazitätswerten oder Akkumulatoren. Letztere sind wartungsintensiv, groß und schwer und werden in IT- und Telefonnetzen zur unabhängigen Stromversorgung bei kurzzeitigen Netzausfällen eingesetzt.

Bei leitender Diode fließt Ladestrom IDi zum Kondensator und kann diesen bei fehlender Belastung bis auf den Spitzenwert der Wechselspannung aufladen. Das gilt annähernd auch für geringe Belastungen durch große Widerstandswerte. Bei gesperrter Diode ist die Wechselspannung U~ vor der Diode niedriger als danach und der Dioden-Stromkreis ist unterbrochen. Im Ausgangsstromkreis wirkt jetzt der Kondensator als Spannungsquelle und wird durch den Lastwiderstand entladen.

Je kleiner der Lastwiderstandswert ist, desto mehr wird die Schaltung belastet und die Ausgangsspannung nimmt stärker ab. Der Ladungsverlust des Kondensators wird erst in der Halbwelle ausgeglichen, wo die Diode erneut leiten kann. Der Ladestrom fließt nur solange, bis die Potenzialdifferenz an der Diode die Schwellenspannung unterschreitet. Die Durchlasszeit wird als Stromflusswinkel Θ (Theta) bezeichnet. Er wird mit zunehmender Belastung größer, da bei gesperrter Diode die Ausgangsspannung am Kondensator weiter abnimmt und während der Leitphase die Diode länger leitend bleibt.

Die M1-Schaltung mit Ladekondensator liefert einen höheren Gleichrichtwert \(\left| {\overline u } \right|\). Im Leerlauf wird der Kondensator auf den AC-Spitzenwert aufgeladen. Je nach Belastung ist der DC-Amplitude additiv von einer AC-Amplitude überlagert. Sie hat die gleiche Frequenz wie die AC-Eingangsspannung und wird auch Brummspannung genannt. Je höher die Ausgangsbelastung bei gleichem Wert des Ladeelkos wird, nimmt die Welligkeit der Ausgangsgleichspannung zu. Wird die Kapazität des Ladekondensators vergrößert, so nimmt die Welligkeit der Ausgangsspannung bei unveränderter Belastung ab. Das interaktive Beispiel verdeutlicht diese Zusammenhänge.

Ladekondensator konstant mit C = 100 μF, variable Belastung:
R = 100 Ω R = 470 Ω R = 2,2 kΩ
Lastwiderstand konstant mit R = 100 Ω, variable Kapazität:
C = 100 μF C = 470 μF C = 2200 μF

Beim Ladebeginn fließt ein maximaler Ladestrom zum Kondensator. Im entladenen oder gering geladenen Zustand wird zum Beginn der Leitphase die Diode kurzzeitig mit dieser hohen Stromspitze belastet. Um den maximal zulässigen Diodenstrom nicht zu überschreiten, sollte die Diode durch einen Strom begrenzenden Vorwiderstand geschützt werden. Die Einweggleichrichtung mit Ladekondensator hat im Leerlauf die DC-Amplitude, die dem Spitzenwert der AC-Spannung entspricht. Ist die Diode gesperrt, so liegt am Eingang der entgegengesetzt gepolte AC-Spitzenwert an. Die Sperrspannung der Diode sollte mindestens für den doppelten AC-Spitzenwert geeignet sein.

Die M1-Gleichrichtschaltung mit Kondensator erzeugt eine Gleichspannung geringer Welligkeit.
Die Frequenz der Brummspannung (Welligkeit) ist gleich der angelegten Wechselspannung.
Nur während eines Stromflusswinkels fließt Diodenstrom zum Nachladen des Kondensators.
Die Sperrspannung der Diode sollte größer als der doppelte Spitzenwert der Wechselspannung sein.
Bei sehr großen Ladekapazitäten sollte der Dioden-Spitzenstrom durch einen Vorwiderstand begrenzt sein.