Präzisionsgleichrichter

Die Halbleitergleichrichter haben keine lineare Kennlinie. Um in die Leitphase zu gelangen, sind bei Siliziumdioden 0,7 Volt, bei Germaniumdioden 0,3 Volt und beim Kupferoxydulgleichrichter im besten Fall 0,2  Volt zu überschreiten. Mit Eingangsspannungen unterhalb dieser Diffusions- oder Schleusenspannung bleiben die Halbleiter praktisch gesperrt. Der analogen Zeigermessgeräten lange Zeit eingesetzte Kupferoxydulgleichrichter besteht aus einer Kupferelektrode mit einer Kupfer(I)-Oxid Beschichtung. Sie wirkt als Sperrschicht und eine Bleielektrode bildet den Gegenpol. Der Nachteil des Kupferoxydulgleichrichters ist ein im Sperrbereich schon bei sehr niedrigen Spannungen schnell zunehmender Sperrstrom von 10 ... 500 μA.

Die in dieser Hinsicht besseren Kenndaten hat die Schottkydiode, ein Metall-Halbleiter-Kontakt mit einer Schwellenspannung von 0,3 Volt. Der Nachteil aller Gleichrichter ist die zu überwindende kleine Diffusions- oder Schwellenspannung. Sie können daher in passiven Schaltungen kleine Wechselspannungssignale entweder gar nicht oder nur mit nicht tolerierbaren Verzerrungen verarbeiten.

Spitzenwert-Präzisionsgleichrichter

Ein Operationsverstärker (OPV) kann mit seiner hohen Leerlaufverstärkung die Eigenschaften einer Diode idealisieren. In aktiven Schaltungen werden Wechselspannungssignale ohne Lücken um den Nulldurchgang verzerrungsfrei verarbeitet. Die einfachste Anwendung ist der Spitzenwertgleichrichter mit einer Diode und einem OPV. Wechselspannungen sehr kleiner Amplituden unter 300 mV lassen sich entweder nur mit einem Oszilloskop oder mit Multimeter messen, die über eigene Messverstärker verfügen. In der Nachrichtentechnik werden amplitudenmodulierte Signale am einfachsten an einer Diode demoduliert. Das setzt aber eine Mindestamplitude der Trägerfrequenz voraus, die dauerhaft deutlich oberhalb der Dioden Flussspannung bleibt muss.

Das folgende Beispiel zeigt mit den Oszillogrammen die Funktionsweise eines aktiven Spitzenwertgleichrichters. Der OPV wird am E+ Eingang nicht invertierend von einer Wechselspannung Ue mit kleiner Amplitude, mit der die nachfolgende Diode eigentlich nicht leitend werden kann. Der OPV verstärkt das Eingangssignal der positiven Halbwelle mit seiner Leerlaufverstärkung. Die Ausgangsspannung U* (rot) direkt am Ausgang des OPVs lässt die Diode leitend werden und koppelt die Spannung an den invertierenden Eingang zurück. Für die positive Halbwelle ist die Eingangsdifferenzspannung am OPV 0 Volt. Die Ausgangsspannung Ua am Widerstand folgt daher exakt der Eingangsspannung.

Für die negative Halbwelle der Eingangsspannung wird die direkte Ausgangsspannung U* (rot) ebenfalls bis zur Aussteuergrenze des OPVs verstärkt. Da U* negativ ist, bleibt die Diode gesperrt und am Ausgangswiderstand werden 0 V gemessen. Die Schaltung arbeitet ab 0 V als idealer Halbwellengleichrichter. Voraussetzung für ein optimales Arbeiten der Schaltung sind kurze Umschaltzeiten der Diode. Die eingesetzte 1N 4148 ist eine kleine Schaltdiode.

Die Simulation zeigt die korrekte Arbeitsweise des aktiven Spitzenwertgleichrichters bei der Demodulation eines sehr kleinen amplitudenmodulierten Signals. Die Amplitude der Ausgangsspannung folgt der Eingangsspannung und lädt den Kondensator auf den jeweiligen Spitzenwert des AM-Signals auf. Bei negativen Eingangsamplituden bleibt die Diode gesperrt. Der Last- oder Entladewiderstand am Ausgang verhindert ein Aufladen des Kondensators auf den maximalen Eingangsspitzenwert. Sein Wert muss so groß sein, dass der Kondensator während der Demodulation auch nicht zu weit entladen wird.

In diesem Beispiel war die modulierte Trägerfrequenz mit 500 Hz sehr niedrig und das modulierende NF-Signal hatte 10 Hz. Das Demodulationssignal zeigt daher sehr deutlich das Auf- und Entladen des Kondensators mit der noch vorhandenen Trägerfrequenz im NF-Signal. Im analogen Mittelwellen AM-Rundfunkbereich liegt die Trägerfrequenz zwischen 525 kHz bis 1605 kHz und die höchste zu übertragende NF-Frequenz ist etwas kleiner als 4 kHz. Nach der Demodulation wurden die HF-Reste mit einer RC-Siebkette weiter gedämpft.

Einweg-Präzisionsgleichrichter

Die beschriebene einfache Schaltung hat den Nachteil, dass der OPV bei einer Halbwelle in den übersteuerten Zustand gelangt. Die folgende erweiterte Schaltung eines invertierenden aktiven Einweggleichrichters verhindert das. Der Eingangswiderstand der Schaltung R1 ist niedriger als beim nicht invertierenden OPV und kann in manchen Anwendungen die Quelle belasten. Für die normgerechte Bauteilkennzeichnung in Schaltungen gilt für Dioden der Buchstabe R.

Der OPV invertiert die negative Sinushalbwelle am Eingang, wodurch die Diode RD2 leitet und RD1 sperrt. Als Ausgangsspannung erscheint die positive Signalhalbwelle mit dem Verstärkungsfaktor R2 / R1. Bei der positiven Eingangshalbwelle sperrt die Diode RD2. Das Ausgangssignal ist null. Die Arbeitsweise der Schaltung ist von der Diffusionsspannung der Dioden unabhängig. Der in der Simulation gemessene Gleichspannungswert am Ausgang betrug 31,8 mV und stimmt mit dem errechneten Gleichrichtwert, dem absoluten arithmetischen Mittelwert einer Einweggleichrichtung gut überein.

Vollweg-Präzisionsgleichrichter

Wird die zuvor beschriebene Schaltung des Einweg-Präzisionsgleichrichter mit einem als Umkehraddierer arbeitenden zweiten OPV erweitert, dann erzeugt die Schaltung aus einer sinusförmigen Eingangsspannung die Ausgangsspannung einer Vollweggleichrichtung. Das Ergebnis entspricht einer passiven M2U-Gleichrichterschaltung und benötigt keinen Trafo mit sekundärer Mittelanzapfung. Die Eingangsamplitude ist mit nur 1 V bewusst niedrig gewählt. Die mittels Simulationsprogramm erstellten Oszillogramme verdeutlichen die Arbeitsweise der Schaltung. Das mittlere Diagramm zeigt den Verlauf der Eingangsspannung 0,5·Ue am Eingang von R4.

Liegt am 1. OPV die positive Halbwelle der Eingangsspannung Ue an, dann leitet die Diode RD2. Die negative Halbwelle seiner Ausgangsspannung U1 (hellblau) liegt am Eingangswiderstand R5 des 2. OPV. Gleichzeitig liegt am oberen Eingangswiderstand R4 die halbe Eingangsspannung Ue. Beide Spannungen addieren sich zu U1 + 0,5·Ue. Sie ergeben die positive Halbwelle der Ausgangsspannung Ua im unteren Diagramm. Für die am 1. OPV folgende negative Halbwelle von Ue bleibt die Diode RD2 gesperrt. Am Eingang des Umkehraddierers liegt nur am Eingangswiderstand R4 die halbe Amplitude der Ue. Die Ausgangsspannung Ua erscheint als positive Halbwelle.

Mit einem zum R6 parallel geschalteten Kondensator kann die Ausgangsspannung zur Gleichspannung geglättet werden. Der DC-Wert errechnet sich aus dem halben Gleichrichtwert einer normalen Zweiweggleichrichtung. Wurde die Simulation mit der Sinus-Eingangsspannung 10 V Spitze durchgeführt, so erreichte die DC-Ausgangsspannung 3,183 V.

Das Verhältnis zwischen dem Effektivwert und dem arithmetischen Mittelwert beträgt 1,111. Soll mit dem Präzisionsgleichrichter in einem DC-Spannungsmessgerät der Effektivwert der angelegten Sinusspannung angezeigt werden, so kann mit dem Widerstandsverhältnis des Umkehraddierers der notwendige Korrekturfaktor eingestellt werden. Es gilt R6/R4 = R6/R5 = 2,222. Mit R6 = 22,220 kΩ wurde für Ue spitze  = 10 V die DC-Ausgangsspannung 7,073 V gemessen.