Ratgeber
In der modernen Elektronik ist Gleichstrom die bevorzugte Energiequelle. Doch das Stromnetz liefert uns Wechselstrom. Um diese Diskrepanz zu überbrücken, kommen Gleichrichter ins Spiel. Unter ihnen nehmen die Brückengleichrichter eine Schlüsselrolle ein.
Ein Brückengleichrichter ist eine elektronische Schaltung, die Wechselstrom in pulsierenden Gleichstrom umwandelt. Dabei wird die negative Hälfte der Wechselspannung so umgepolt, dass sie die positive Hälfte verstärkt.
Das Ergebnis ist ein pulsierender Gleichstrom, der anschließend geglättet werden kann, um eine nahezu reine Gleichspannung zu erhalten.
Die Funktionsweise eines Brückengleichrichters basiert auf der Eigenschaft von Dioden, den Strom nur in eine Richtung durchzulassen. Durch geschickte Anordnung von vier Dioden in einer Brückenschaltung wird der Wechselstrom effektiv gleichgerichtet.
In diesem Ratgeber gehen wir detailliert auf die Funktionsweise und die verschiedenen Typen von Brückengleichrichtern ein. Wir erläutern die Vorteile dieser Schaltung gegenüber anderen Gleichrichterschaltungen und zeigen, wo Brückengleichrichter in der Praxis eingesetzt werden. Ob in Netzgeräten, Ladegeräten oder anderen elektronischen Geräten – Brückengleichrichter sind allgegenwärtig.
Wie bereits erwähnt, verwandeln Brückengleichrichter Wechselstrom in Gleichstrom. Er besteht typischerweise aus vier Dioden (D1 bis D4), die in einer Brückenschaltung angeordnet sind. Da Dioden nur in einer Richtung für Strom durchlässig sind, lassen sich die positiven und negativen Halbwellen des Wechselstroms zu einem pulsierenden Gleichstrom umformen. Zur Glättung der Welligkeit dient in der Regel ein nachgeschalteter Kondensator (C). Haupteinsatzgebiet eines Brückengleichrichters sind Stromversorgungsschaltungen in elektronischen Geräten und Netzteilen.
Positive Halbwelle am Eingang
Die Schaltung besteht aus vier Dioden (D1, D2, D3, D4), die in Form einer Brücke angeordnet sind. An zwei gegenüberliegenden Ecken der Brücke wird der Wechselstrom eingespeist, die anderen beiden Ecken sind der Ausgang, an dem der gleichgerichtete Strom abgenommen wird.
Die Funktionsweise einer Diode haben wir in unserem Ratgeber zur Diode 1N4148 genau erklärt.
Negative Halbwelle am Eingang
Liegt die positive Halbwelle der wechselnden Eingangsspannung an, leiten die Dioden D1 und D2 den Strom, während D3 und D4 gesperrt sind (Abbildung 1). Während der negativen Halbwelle sind die Dioden D3 und D4 unter Strom, während D1 und D2 gesperrt sind (Abbildung 2). In beiden Halbwellen wird der Strom durch die Last in derselben Richtung geleitet, was zu einer pulsierenden Gleichspannung führt. Der Brückengleichrichter addiert beide Halbwellen des Wechselstroms effizient und sorgt dafür, dass der Strom in der Last immer in dieselbe Richtung fließt.
Schottky-Dioden-Brückengleichrichter verwendet Schottky-Dioden anstelle von Standard-Siliziumdioden. Schottky-Dioden zeichnen sich durch einen niedrigeren Spannungsabfall im Vergleich zu normalen Dioden aus.
Damit erreichen sie eine höhere Effizienz, insbesondere bei niedrigen Spannungen und höheren Frequenzen. Es gibt aber auch Brückengleichrichter vollkommen ohne Dioden. Die Gleichrichterbrücke mit aktiver Steuerung zum Beispiel. Sie verwendet gesteuerte Schalter wie MOSFETs anstelle von Dioden. Vorteile sind ein ebenfalls sehr niedriger Spannungsabfall und eine hohe Effizienz, da die Schalter im aktiven Zustand kaum Widerstand leisten.
Thyristor-Brückengleichrichter wiederum nutzen Thyristoren, steuerbare Halbleiterbauelemente, die bei Erreichen eines bestimmten Spannungswerts leitend werden.Sie finden sich oft in Phasenanschnittsteuerungen und Gleichrichtern mit geregelter Ausgangsspannung, dazu gehören beispielsweise Dimmer für steuerbare LED-Leuchten.
Einphasen-Brückengleichrichter
Er ist der am häufigsten eingesetzte Typ zur Gleichrichtung von Wechselstrom und besteht typischerweise aus vier Dioden in Brückenschaltung.
Er funktioniert wie oben dargestellt und lässt sich am normalen, einphasigen Stromnetz betreiben.
Dreiphasen-Brückengleichrichter
Ein Dreiphasen-Brückengleichrichter ist speziell für ein dreiphasiges Stromnetz gedacht. Diese Art von Gleichrichter wird häufig in Anwendungen eingesetzt, die eine höhere Leistung erfordern, wie zum Beispiel in industriellen Anlagen, Motorantrieben und größeren elektrischen Geräten.
Im Gegensatz zum einphasigen Typ besteht der dreiphasige Gleichrichter in der Regel aus sechs Dioden, die in einer speziellen Konfiguration angeordnet sind, um die drei Phasen des Wechselstroms gleichzurichten. Jede Phase des dreiphasigen Eingangs ist mit zwei Dioden verbunden – eine für die positive Halbwelle und eine für die negative Halbwelle.
Durch die Nutzung aller drei Phasen des Wechselstroms wird der Ausgangsstrom deutlich glatter als bei einem Einphasen-Brückengleichrichter, da der resultierende Gleichstrom weniger Schwankungen aufweist. Das macht den Dreiphasen-Brückengleichrichter effizienter und geeigneter für Hochleistungsanwendungen.
Ein Brückengleichrichter bietet mehrere Vorteile gegenüber anderen Arten von Gleichrichtern. Er nutzt wie beschrieben sowohl die positive als auch die negative Halbwelle der Wechselspannung, wodurch eine effizientere Umwandlung in Gleichspannung erreicht wird.
Und da beide Halbwellen sich addieren, ist die durchschnittliche Ausgangsspannung höher als bei einem Einweggleichrichter, der nur eine Halbwelle nutzt. Zudem enthält der Ausgang des Brückengleichrichters weniger Schwankungen als bei einem Einweggleichrichter, was zu einer glatteren Gleichspannung führt. Wichtig ist dieser Vorteil besonders für Anwendungen, die eine stabile Gleichspannung benötigen.
Obwohl der Brückengleichrichter vier Dioden benötigt, ist er immer noch relativ kompakt und benötigt weniger Platz als andere Gleichrichterschaltungen mit vergleichbarer Leistung. Da alle vier Dioden während der Wechselstromperiode gleichmäßig belastet werden, reduziert sich die Belastung der einzelnen Dioden. Ergebnis ist eine längere Lebensdauer. Die Verwendung von vier Dioden bietet außerdem eine gewisse Redundanz und Schutz gegen Spannungsspitzen und andere Störungen im Stromnetz.
Hinsichtlich der Montage existieren gleich mehrere Optionen. Neben der klassischen Durchsteckmontage stehen auch Ausführungen mit Durchführungsloch und zur Oberflächenmontage zur Verfügung.
Netzteile für elektronische Geräte
In fast allen elektronischen Geräten, die über das normale Stromnetz betrieben werden, sind Brückengleichrichter Bestandteil des Netzteils. Sie wandeln die Wechselspannung des Stromnetzes in die erforderliche Gleichspannung um, die von den Geräten benötigt wird. Beispiele sind Computer und Fernsehgeräte, aber auch die Ladegeräte für die Akkus von Mobiltelefonen und Digitalkameras.
Gleichspannungsantriebe
Brückengleichrichter versorgen Gleichstrommotoren mit der notwendigen Gleichspannung. Sie spielen eine wichtige Rolle in industriellen Anwendungen, in denen präzise Motorsteuerungen erforderlich sind. Dazu gehören Fördersysteme, Hebezeuge und andere industrielle Maschinen.
Wechselrichter
In Wechselrichtern, die in Photovoltaikanlagen oder unterbrechungsfreien Stromversorgungen verwendet werden, wandelt der Brückengleichrichter den von den Solarmodulen erzeugten Wechselstrom in Gleichstrom um, bevor dieser wieder in Wechselstrom mit der benötigten Frequenz und Spannung umgewandelt wird.
Elektrowärmeanwendungen
In Heizsystemen auf Gleichstrombasis wie Induktionsheizgeräte und Lichtbogenöfen sind ein Brückengleichrichter im Einsatz, um den benötigten Strom bereitzustellen.
Steuerungselektronik
In Steuerungskreisen ist häufig eine stabile Gleichspannung erforderlich. Brückengleichrichter sorgen hier für eine zuverlässige Spannungsversorgung beispielsweise für Steuergeräte in der Automatisierungs- und Regelungstechnik.
Audiogeräte
Auch Audiogeräte wie Verstärker oder Mischpulte benötigen eine stabile Gleichspannung, bereitgestellt durch Brückengleichrichter.
LED-Beleuchtung
In LED-Treibern wird ein Brückengleichrichter verwendet, um die Wechselspannung des Stromnetzes in genau die Gleichspannung umzuwandeln, die von den LEDs benötigt wird.