Das Stromversorgungsnetz liefert eine Wechselspannung von 230 Volt mit der Netzfrequenz von 50 Hertz an der häuslichen Steckdose. In einigen Ländern sind andere Spannungen (110 Volt) und Netzfrequenzen (60 Hertz) üblich.
Damit lassen sich viele Hausgeräte direkt betreiben, sofern sie für diese Spannung ausgelegt sind. Kommen jedoch elektronische Regelkomponenten ins Spiel, wird Gleichspannung benötigt. Auch der Betrieb von diversen Elektrogeräten wie verschiedenartige Verstärker und elektronische Steuerungen erfordern Gleichspannung.
Als Endverbraucher bekommt man davon in der Regel nicht viel mit, da die benötigte Versorgungsspannung der Art und der Höhe nach durch Komponenten in den betreffenden Geräten mittels Netzteilen bereitgestellt wird. Von der sinusförmigen Netzspannung ausgehend wird dazu mittels eines Transformators die benötigte Spannungshöhe bereitgestellt. Um diese immer noch sinusförmige Wechselspannung in die erforderliche Gleichspannung umzuwandeln, kommen Gleichrichter in Kombination mit weiteren elektronischen Bauelementen zum Einsatz.
Die ersten Gleichrichter, die von verschiedenen Wissenschaftlern bereits im ausgehenden 19. Jahrhundert entwickelt und patentiert wurden, taugten nur für kleine Stromstärken. Um den Anforderungen des wachsenden Einsatzes der Elektroenergie gerecht zu werden, wurden im Laufe der Zeit allerhand Methoden ausprobiert, um Wechselspannung in Gleichspannung umzuwandeln. Dazu gehörten elektromechanische Lösungen mit Wechsel- und Gleichstrommotoren auf einer Welle, Schalttechniken, die ihre Schwächen durch Kontaktabbrand offenbarten.
Über viele, zum Teil experimentelle Wege, unter anderem unter Verwendung von Röhren und Glimmlampen, entstanden die Trockengleichrichter mit ihrer typischen Plattenbauweise, basierend auf dem chemischen Element Selen.
Erst mit der Erfindung des Transistors kurz nach dem Zweiten Weltkrieg, wurde der sogenannte p-n-Übergang (positiv-negativ) nutzbar, indem eine angelegte Spannung nur in einer Richtung durch den Halbleiter-Kristall fließen kann, während der Stromfluss in die entgegengesetzte Richtung gesperrt ist. Damit wurden sehr kleine Gleichrichter-Bauelemente auf Halbleiterbasis möglich, zuerst in Form von Germanium- dann Silizium-Dioden. Letztere sind temperaturbeständiger ist als ihre chemischen „Verwandten“.
Die angelegte Wechselspannung kann – je nach Richtung der Gleichrichterdiode – zum Beispiel mit der positiven Halbwelle den Gleichrichter passieren, während die negative Halbwelle gesperrt wird (Pause). Um die „Pausen“ in der Stromversorgung zu puffern, werden auf der Gleichstromseite Kondensatoren eingesetzt, die „einspringen“, wenn die negative Halbwelle gesperrt ist.
Um den Gleichrichter-Vorgang effektiver zu gestalten, entwickelte der deutsche Physiker Leo Graetz den Brückengleichrichter, der nach ihm als Graetz-Schaltung benannt und mit vier definiert verschalteten Dioden versehen ist.
Dabei kommen nach der Gleichrichtung nur die positiven Halbwellen ohne Pause durch negative Halbwellen an. Dadurch hat die Welligkeit die doppelte Frequenz der ursprünglichen Wechselspannung, was den Aufwand an Glättung verringert.
Einen ähnlichen Effekt bietet der sogenannte Mittelpunkt-Gleichrichter, bei dem allerdings ein Transformator mit Mittelpunktanzapfung benötigt wird. Diese Form des Gleichrichtens hat den Vorteil, dass nur zwei Dioden benötigt werden.
Bei Dreiphasen-Wechselstrom kommen Dreiphasengleichrichter zum Einsatz, beispielsweise in Kfz-Lichtmaschinen, wo die Glättung durch die Autobatterie übernommen wird.
Werden die Gleichrichterdioden mit einer Steuerung versehen, die ihnen „mitteilt“, wann sie die jeweilige Halbwelle durchlassen sollen, lassen sich Spannungsregelungen realisieren. Die rangieren unter dem Fachbegriff „Phasenanschnitt-Steuerung“. Die Bauelemente dafür heißen Thyristor.
Durch gezielte Verschaltung von Dioden und Kondensatoren sind zudem Spannungsverdopplungen und -vervielfachungen möglich. Diese Technologie wurde zum Beispiel in TV-Geräten mit Bildröhren genutzt, um hohe Anodenspannungen zu erzeugen.
Unser Praxistipp
Halbleiterbauelemente sind temperaturempfindlich. Achten Sie deshalb beim Verlöten der Gleichrichter darauf, dass die Dioden nicht thermisch überlastet werden und dass kein mechanischer Stress auf den Anschlüssen liegt. Im Hobbybereich empfiehlt sich der Einsatz von Lötstationen, mit denen eine zuverlässige Löttemperatur eingestellt werden kann.
Brückengleichrichter
Brückengleichrichter vereinen in einem Gehäuse die zuvor genannte Graetz-Schaltung. Sie sind für Spannungen von 40 bis 1.800 Volt verfügbar. Unter dem Menüpunkt „Konfiguration (Diode)“ sind die Anzahl und die Verschaltung der Dioden aufgeführt. Es gibt diverse Gehäusebauformen.
Gleichrichter-Dioden-Arrays
Gleichrichter-Dioden-Arrays vereinen ebenso mehrere Dioden in einem Gehäuse, allerdings sind diese nicht in Brückenschaltung aufgebaut, sondern stehen über die Außenanschlüsse für die Nutzung nach Erfordernissen der jeweiligen elektronischen Schaltung zur Verfügung. Für diese Gleichrichter gibt es ebenfalls viele unterschiedliche Gehäuseformen.
Zu erwähnen ist die „Schottky-Diode“. Sie besteht aus einem Metall-Halbleiter-Übergang, der sich vor allem bei hochfrequenten Anwendungen bewährt – beispielsweise in Schaltnetzteilen. Benannt wurde diese Entwicklung nach dem deutschen Physiker Walter Schottky. Viele dieser Bauelemente sind für industrielle Verarbeitungstechniken konzipiert.
Beim Einsatz von Gleichrichter-Elementen sind die landesspezifischen Gesetze und Verordnungen einzuhalten. Darüber hinaus sind diverse Dioden für den Einsatz in Büromaschinen, Kommunikationseinrichtungen, Messgeräten und Haushaltsanwendungen geeignet. Für die Verwendung in Bereichen mit besonderen Sicherheitsanforderungen, zum Beispiel in Flugzeugen, Kraftfahrzeugen und Lebensrettungsausrüstung, bieten viele Hersteller gesonderte Bauelemente an.
Wichtig ist, die Gleichrichter immer mit den passenden elektrischen Parametern einzusetzen. Beachten Sie außerdem die Datenblätter der Hersteller, um Einschränkungen oder Einsatzbedingungen einhalten zu können. Die Datenblätter stehen auf der jeweiligen Produktseite kostenlos zum Download bereit.
Nutzen Sie zum Experimentieren mit Gleichrichtern nur kleine Spannungen aus speziellen Netzteilen und keine 230-Volt-Netzspannung.