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Wissenswertes rund um Brückengleichrichtern

Brückengleichrichter sind immer dann sinnvoll, wenn Wechselstrom (AC) in möglichst konstanten Gleichstrom (DC) umgewandelt werden soll. Im Gegensatz zum klassischen Einweggleichrichter mit nur einer Diode nutzen Brückengleichrichter beide Halbwellen des einphasigen Wechselstroms: Sie liefern eine pulsierende, nichtsinusförmige Spannung mit doppelter Frequenz der Eingangsspannung.



Das Prinzip des Brückengleichrichters

Dioden gehören zu den traditionellen Bauelementen der Elektronik.
Sie verwandeln Wechselstrom in Gleichstrom, indem sie nur die positive Halbwelle des sinusförmigen Wechselstroms durchlassen und die negative Halbwelle sperren. Nachteil:
Es entsteht ein pulsierender Strom mit großer Welligkeit, der die Wechselstromquelle – in der Regel ein Netztransformator – bei hohen Stromstärken stark belasten kann.

Gleichrichter in Bückenschaltung umgehen dieses Handicap durch einen einfachen Trick:
Sie enthalten gleich vier Dioden, die abwechselnd sowohl die positive als auch die negative Halbwelle gleichrichten und am Ausgang addieren. Eine nach wie vor eingesetzte Version der Brückenschaltung ist die Graetz-Schaltung, benannt nach dem deutschen Physiker Leo Graetz, der diese1897 entwickelte.



Die Funktion im Detail

Während des ersten Halbzyklus der Eingangsspannung ist das obere Ende der Transformator-Sekundärwicklung gegenüber dem unteren Ende positiv. Daher lässt die rot gekennzeichnete Diode (D1) den Strom durch. Über die blau gekennzeichnete Diode (D4) fließt der Strom zurück.

Nachteilig an dieser Schaltung ist jedoch die nach wie vor existierende Welligkeit. Die pulsierenden Ströme erzeugen Abwärme in den Gleichstromkomponenten und können Brummen und Verzerrungen verursachen. Abhilfe schaffen eine Reihe von Bandpass- oder Bandsperrfiltern beziehungsweise Spannungsreglern. Diese nehmen den größten Teil der Welligkeit auf und verwandeln sie in eine glattere und konstante Gleichstromleistung.

Die einfachste Form eines solchen Glättungsfilters ist ein ausreichend großer Kondensator, der parallel zu den beiden Gleichstromausgängen geschaltet wird. Wenn die Brummspannung ansteigt, speichert der Kondensator die Blindleistung, wodurch sich die Spannung verringert. Fällt die Brummspannung, entlädt der Kondensator die Blindleistung und erhöht damit die Ausgangsspannung. Zu guter Letzt sollte die Gleichrichtung um einen Spannungsregler auf Basis einer Z-Diode erweitert werden, die Restwelligkeit wird damit fast vollständig eliminiert.

Während des zweiten Halbzyklus der Eingangsspannung ist das untere Ende der Transformator-Sekundärwicklung positiv. Dadurch fließt der Strom durch die rote Diode D2 und kehrt über die blaue Diode D3 zur Quelle zurück.



Auf einen Blick: Die Vorteile

  • Der Wirkungsgrad eines Brückengleichrichters ist doppelt so hoch wie bei einem Halbwellengleichrichter. Grund: Ein Halbwellengleichrichter nutzt nur die Hälfte des Eingangssignals. Ein Gleichrichter in Brückenschaltung nutzt dagegen beide Hälften und erzielt damit den doppelten Wirkungsgrad.

  • Die Restwelligkeit des Wechselstroms (vor der Filterung) ist am Ausgang eines Brückengleichrichters relativ gering, bei einem Halbwellen-Gleichrichter dagegen sehr hoch. Ein einfacher Filter wie ein Kondensator reicht bereits aus, um eine konstante Gleichspannung aus dem Brückengleichrichter zu erhalten.

  • Da der Wirkungsgrad eines Brückengleichrichters doppelt so hoch ist wie die eines Halbwellengleichrichters, liefert er im direkten Vergleich eine deutlich höhere Ausgangsspannung. Zudem erhöht sich auch der Transformator-Nutzungsgrad, was insgesamt zu einer höheren Gesamtleistung führt.


Typische Anwendungsbereiche

Viele Anwendungen, wie zum Beispiel die Stromversorgung für Radio-, Fernseh- und Computergeräte, erfordern eine konstante Gleichspannung. Gerade so, wie sie auch eine Batterie liefern würde. In diesen Anwendungen wird der Ausgang des Gleichrichters durch einen elektronischen Filter geglättet, der einen Kondensator, eine Drossel oder einen Satz von Kondensatoren, Drosseln und Widerständen sein kann, möglicherweise gefolgt von einem Spannungsregler zur Erzeugung einer konstanten Spannung.

Bei der Entwicklung von Schaltungen oder im Bereich Reparatur und Wartung sind Gleichrichter in Brückenschaltung leicht zu handhaben. Wesentliche Unterscheidungsmerkmale sind neben Baugröße und Montageart vor allem die maximalen Belastungsdaten. Dabei sind grundsätzlich Werte zu bevorzugen, die deutlich größer sind als eigentlich notwendig. Typische Kenngrößen sind der Strom (I) und die Spannung (U). So gibt es Brückengleichrichter, die Ströme bis zu 174 A und Spannungen bis zu 1800 V verarbeiten. In Netzteilen für elektrische Kleingeräte kommen üblicherweise Brückengleichrichter zum Einsatz, die für maximal 400 V Wechselspannung und 1 oder 2 A Stromstärke ausgelegt sind.



FAQ – häufig gestellte Fragen

Gibt es auch mehrphasige Brückengleichrichter?

Einphasige Brückengleichrichter werden häufig für Stromversorgungen für Haushaltsgeräte verwendet. Für die meisten industriellen und Hochleistungsanwendungen sind jedoch dreiphasige Gleichrichterschaltungen die Norm. Wie bei Einphasengleichrichtern können Dreiphasengleichrichter die Form einer Halbwellenschaltung, einer Vollwellenschaltung mit einem Transformator mit Mittelanzapfung oder einer Vollwellen-Brückenschaltung besitzen.

Anstelle von Dioden sind üblicherweise Thyristoren im Einsatz, um die Ausgangsspannung zu regulieren. Viele Geräte, die Gleichstrom liefern, erzeugen tatsächlich dreiphasigen Wechselstrom. Zum Beispiel enthält ein Wechselstromgenerator in einem Auto sechs Dioden, die als Vollweggleichrichter für die Batterieladung fungieren.

Was steckt hinter der so genannten Snubber-Schaltung?

Snubber-Schaltungen werden häufig in elektrischen Systemen mit induktiver Last eingesetzt, bei denen die plötzliche Unterbrechung des Stromflusses zu einem starken Spannungsanstieg am Stromschaltgerät führt. Dieser „Kick“ kann eine Quelle elektromagnetischer Interferenzen (EMI) sein oder sogar zu Schäden in anderen Schaltungen führen. Der Snubber bietet hier einen kurzzeitigen alternativen Strompfad um das Stromschaltgerät herum, so dass das induktive Element sicher entladen werden kann.

Worauf ist beim Einsatz von Brückengleichrichtern in Niedervolt-Anwendungen zu achten?

Die meisten Gleichrichter zeigen einen Spannungsabfall von etwa 0,7 V zwischen der Spitzeneingangsspannung und der Spitzenausgangsspannung. Wenn eine sehr niedrige Wechselspannung gleichgerichtet werden muss, kann dieser Abfall dazu führen, dass die Dioden unterhalb dieser Spannung nicht mehr durchgehend leitend sind. Der Spitzenwertverlust ist sehr wichtig für die Niederspannungsgleichrichtung und sollte unbedingt beachtet werden.



Praxistipp

Ein oft wünschenswerter Nebeneffekt des Brückengleichrichters ist dessen Sperrfunktion. Die lässt sich nämlich als Verpolungsschutz nutzen: Werden beispielsweise bei einem mit Batterien betriebenen Gerät diese verkehrtherum eingesteckt, kann das zu Schäden an der Elektronik führen. Da sich bei einem Brückengleichrichter die Polarität am Ausgang aber nie ändert, kann dieser Gleichrichter gegen eine solche Verpolung schützen.

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