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Ratgeber
Viele elektrische Verbraucher benötigen eine stabile Gleichspannung, damit sie funktionieren. Aus der Steckdose kommt allerdings eine Wechselspannung. Damit die Geräte dennoch verwendet werden können, gibt es in der Elektronik sogenannte Gleichrichter, die eine Wechselspannung in eine Gleichspannung umwandeln. In unserem Ratgeber erfahren Sie, wie ein Gleichrichter funktioniert und was es beim Kauf zu beachten gilt.
Die Versorgungsspannung kommt gewöhnlich als Wechselspannung aus der heimischen Steckdose. Wie hoch die Spannung letztlich ist, unterscheidet sich in vielen Ländern. In deutschen Haushalten liegt die Versorgungsspannung zum Beispiel bei 230 Volt bei einer Frequenz von 50 Hertz. Viele elektrische Geräte können direkt mit dieser Spannung betrieben werden. Spätestens wenn elektronische Regelkomponenten mit Strom versorgt werden müssen, ist aber zwingend eine Gleichspannung erforderlich.
Für eine Umwandlung der Spannung sorgen Gleichrichter, die zur Gruppe der Stromrichter gehören. Ebenfalls dieser Gruppe zugehörig sind Wechselrichter und Umrichter. Damit eine Gleichrichter-Schaltung realisiert werden kann, sind Bauelemente nötig, die für den Strom nur in einer bestimmten Richtung durchlässig sind. Exemplarisch seien hier Dioden, Thyristoren oder Elektronenröhren genannt. Typische Anwendungsgebiete von Gleichrichtern sind unter anderem Computer, TV-Geräte und Radio-Geräte.
Bei einer Gleichrichterschaltung werden meist Halbleiterdioden eingesetzt. Man spricht in diesem Fall auch von einem Einweg-Gleichrichter. Eine Diode ermöglicht den Stromfluss immer nur in eine Richtung, die andere Richtung ist gesperrt. Da sich bei einer Wechselspannung der Stromfluss stetig ändert, ist die Spannungskurve sinusförmig. Abhängig von der Richtung der Diode wird entweder nur die positive Halbwelle oder nur die negative Halbwelle der Wechselspannung durchgelassen. Die jeweils andere Halbwelle darf die Diode nicht passieren. Immer wenn die gesperrte Halbwelle auftritt, kommt es zu einem kurzen Rückgang der Spannungsversorgung, der durch Kondensatoren aufgefangen wird. Auf diese Weise erhält man eine pulsierende Ausgangsspannung, die durch einen nachgeschalteten Kondensator (Glättungskondensator) geglättet wird.
Ein Brückengleichrichter weist einen anderen Aufbau auf als ein Einweg-Gleichrichter: Eine Brückenschaltung besteht aus vier Halbleiterdioden, die im Viereck verschaltet (Graetz-Schaltung) sind, wobei jede Diode als einzelner Gleichrichter fungiert. Die positive und die negative Halbwelle werden abwechselnd gleichgerichtet und am Ausgang addiert. Da von einem Brückengleichrichter beide Halbwellen einer Wechselspannung genutzt werden, tritt keine Belastung der Spannungsquelle durch Anteile des Gleichstroms auf.
Bei einer Gleichrichtung durch einen Brückengleichrichter kommt es zwischen der Spitzeneingangsspannung und der Spitzenausgangsspannung in den meisten Fällen zu einem Spannungsabfall von etwa 0,7 Volt. Bei höheren Spannungen hat dies gewöhnlich keine negativen Auswirkungen. Soll dagegen eine sehr kleine Wechselspannung gleichgerichtet werden, kann der Spannungsabfall dazu führen, dass die Dioden nicht mehr durchgehend leitend sind.
Mithilfe eines Brückengleichrichters kann zum Beispiel die Dimensionierung von Transformatoren kleiner ausfallen. Die Bauteile bieten aber noch weitere Vorteile: Im Vergleich zu einem Halbwellengleichrichter fällt der Wirkungsgrad bei einem Brückengleichrichter doppelt so hoch aus. Hinzu kommt, dass durch den hohen Wirkungsgrad eine deutlich höhere Ausgangsspannung zur Verfügung steht.
Beim Kauf eines Brückengleichrichters sind die Höhe von IF, URRM und UF sowie der Sperrstrom relevant. Bei der Konfiguration des Gleichrichters finden Sie im Handel einphasige und dreiphasige Modelle sowie Bauteile mit Z-Diode.
Ebenfalls zu beachten ist die Montageart: Sie erhalten Gleichrichter für die Oberflächenmontage und für die Installation mit Durchführungsloch. Weiterhin gibt es Modelle mit einer Vielzahl unterschiedlicher Gehäuseformen.
Wozu werden Gleichrichter-Dioden-Arrays benötigt?
Wenn sich mehrere Dioden in einem Gehäuse befinden, spricht man auch von einem Gleichrichter-Dioden-Array. Die Einsatzgebiete von Dioden-Arrays sind vielfältig: Neben linearen Netzteilen werden sie zum Beispiel in Schaltnetzteilen und Wandlern verbaut. Sie kommen zudem als Freilaufdioden für induktive Lasten zum Einsatz. Die Vorteile eines Arrays liegen unter anderem in der einfacheren Montage und der verbesserten Wärmeabfuhr.
Was ist der p-n-Übergang bei einer Diode?
Eine Halbleiterdiode hat in ihrem Inneren entweder einen p-n-Übergang oder einen Metall-Halbleiter-Übergang (Schottky-Diode). Wenn bei Halbleiterkristallen zwei Bereiche mit einer entgegengesetzten Dotierung (p und n) aufeinandertreffen, entsteht ein Materialübergang, der auch p-n-Übergang oder Grenzschicht genannt wird.
Was ist ein MOSFET?
MOSFET steht für Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor. Dabei handelt es sich um ein elektronisches Bauteil, mit dessen Hilfe sich hohe Ströme mit einem geringen Steuerstrom schalten lassen. Am Gehäuse eines MOSFETs befinden sich immer die drei Anschlüsse Gate, Drain und Source. Der Stromfluss verläuft stets zwischen Source und Drain. Das Gate ist dagegen für die Steuerung zuständig; wenn hier keine Spannung anliegt, kann auch kein Strom fließen.