Ratgeber
Gleichrichter, d.h. Schaltungen, die zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom dienen, werden mit Silizium- oder Schottkydioden aufgebaut. Je nach Schaltung werden dafür mehrere Dioden verwendet, die heute oft in einem gemeinsamen Gehäuse eingebaut sind. Erfahren Sie über diese mehr in unserem Ratgeber.
Welche Arten von Gleichrichter-Dioden-Arrays gibt es?
Die Gleichrichter-Dioden-Arrays werden oft auch als „Dioden-Modul“ bezeichnet. Eine solche Kombination von mehreren Bauelementen hat gegenüber diskreten Komponenten Vorteile, z. B. einfachere Montage, verbesserte Abführung der Verlustwärme sowie symmetrische Ausgangsspannungen. Mit solchen Modulen lassen sich verschiedene Schaltungen realisieren, z. B. ein- oder mehrphasige Brückengleichrichter oder geschaltete Gleichrichter.
Das breite Spektrum der möglichen Anwendungen, Schaltungsversionen und Leistungsbereiche führt zu eine großen Zahl unterschiedlicher mechanischer und elektronischer Ausführungen von Gleichrichter-Dioden-Arrays.
Die in den Arrays eingebauten aktiven Bauelemente unterscheiden sich nach deren Technologie: einerseits klassische Silizium-Halbleiter, andererseits Metall-Kontakt-Gleichrichter, d.h. Schottky-Dioden. Standarddioden sind klassische Silizium-Halbleiter, die eine PN-Sperrschicht haben, an der eine Schleusen- oder auch Flussspannung von etwa 0,7 Volt abfällt. Der durchfließende Strom erzeugt hier eine Verlustleistung, die das Bauteil punktuell erwärmt und damit die maximale Strombelastbarkeit begrenzt.
Bei Schottky-Dioden ist die Schleusenspannung geringer und damit auch die Verlustleistung im Durchlassbetrieb. Allerdings sind die bei Siliziumdioden erreichbaren zulässigen Sperrspannungen höher als die von Schottky-Dioden. Ein weiterer Vorteil der Metall-Kontakt-Gleichrichter ist, dass in der Sperrschicht keine Speicherladung auftritt, die die Umschaltzeit vom Durchlass- auf den Sperrzustand verlängert. Schottky-Dioden eignen sich daher für die verlustarme Gleichrichtung von höherfrequenten Spannungen.
In einigen Gleichrichter Dioden Arrays sind an Stelle von Dioden Thyristoren eingebaut. Es handelt sich um Halbleiterschalter, mit denen sich gesteuerte Gleichrichter oder Umrichter aufbauen lassen.
Die kleinsten Dioden-Arrays sind in oberflächenmontierbaren Gehäusen
Schottky-Dioden-Array mit gemeinsamen Kathoden im TO-220-Gehäuse
Dioden-Arrays gibt es für einen weiten Bereich der Strom- und Spannungsbelastbarkeit. Daher sind auch die Bauformen sehr unterschiedlich. Die kleinsten Ausführungen werden in oberflächenmotierbaren Gehäusen (SMD), z.B. TO-236, TO-252 oder TO-263, aber auch in den sehr kleinen Ausführungen SC-61, SC-70, SC-85 und SC-89 untergebracht. Kleiner Bauform bedeutet allerdings nicht, dass die Gleichrichter nur für geringe Leistung ausgelegt sind: In einem oberflächenmontierbaren Gehäuse TO-263 lassen sich durchaus Dioden-Arrays für Strombelastungen bis 15 Ampere unterbringen. Diese kleine Bauform erlaubt die Konstruktion von sehr kompakten Geräten.
Allerdings muss insbesondere bei den kleinen Bauformen sorgfältig durch konstruktive Maßnahmen gewährleistet sein, dass es ausreichende Möglichkeiten zur Abführung der Verlustwärme gibt. Typen für mittlere Leistungen sind die Dioden-Arrays in Kunststoffgehäusen eingebaut, ähnlich den für Leistungstransistoren, z. B. TO-220. Diese werden in konventioneller Through-Hole-Technik (THT) auf die Platine montiert.
Größere Strom- und Spannungsbelastbarkeit, z. B. bis zu 100 A / 1.600 V bieten die Leistungs-Gleichrichter, die in einem blockförmigen Gehäuse vom Typ TO-240 oder ähnlich (z.B. „Semipack“) eingebaut sind.
Diese Ausführungen sind für die Montage in Schaltschränken geeignet, wo sie auf die für die hohen Verlustleistungen erforderlichen Kühlkörper oder -flächen mit Schraubverbindungen befestigt werden. Auch die Verdrahtungen erfolgt über Schraubanschlüsse an der Oberseite des Gehäuseblocks.
In den meist dreipoligen Gehäusen befinden sich zwei Silizium- oder zwei Schottky-Dioden, bei denen entweder die Kathoden über einen Anschluss gemeinsam herausgeführt werden oder die beiden Dioden in Reihe geschaltet sind, d. h. „serielle Verbindung“. Neben den Zweifach-Arrays gibt es auch Dreifach- und Vierfach-Arrays.
Standarddioden-Array im "Semipack"-Gehäuse mit serieller Verbindung
Gleichrichter-Dioden-Arrays lassen sich in praktisch allen Anwendungen einsetzen, in denen Wechselstrom in Gleichstrom verwandelt werden soll. Das sind nicht nur klassische lineare Netzteile zur Stromversorgung elektronischer Systeme, sondern auch Schaltnetzteile sowie Wandler, die zur Umsetzung unterschiedlicher Betriebsspannung intern in eine elektronische Schaltung integriert sind. Weitere Anwendungen sind Freilaufdioden für induktive Lasten wie Motoren oder Spulen. So reicht das Spektrum von Anwendungen im Milliwatt-Bereich bis zu Leistungselektronik-Systemen für viele Kilowatt.
Der Vorteil von Dioden-Arrays im Vergleich zu diskreten Dioden, mit denen Gleichrichter natürlich auch aufgebaut sein können, ist, dass die Module mit mehrere Dioden nicht nur eine kompaktere Konstruktion von Geräten ermöglichen, sondern dass die Dioden in einem Array gleichartige elektrische Eigenschaften aufweisen. So erzielen Brückenschaltungen, die mit Arrays aufgebaut sind, wesentlich symmetrischere Ausgangsspannungen, weil die Schleusenspannungen der einzelnen Dioden sich kaum unterscheiden und gleiches thermisches Verhalten zeigen. Wenn die Amplituden der gleichgerichteten Halbwellen gleichmäßige Höhen haben, ist der Aufwand der nach dem Gleichrichter vorzusehenden Lade- und Siebschaltung geringer, um die zulässigen Ripple-Werte einhalten zu können.
Die richtige Auswahl von Gleichrichter-Dioden-Arrays hängt in erster Linie von den Anforderungen der bei der Anwendung auftretenden elektrischen Leistungsdaten wie maximale Strom- und Spannungswerte in Durchfluss- sowie Sperrrichtung ab. Dabei sind sowohl die im Betrieb auftretenden Dauerlasten als auch mögliche Spitzenwerte von Strom und Spannung unter Berücksichtigung der thermischen Vorgaben zu beachten. Die zulässigen elektrischen und thermischen Werte finden sich in den Datenblättern. Die Leistungsparameter bestimmen letztendlich auch die Bauform des gewählten Typs.
Für Gleichrichter, bei denen es auf hohen Wirkungsgrad ankommt, werden Typen mit Schottky-Dioden verwendet. Diese sind ebenso zu bevorzugen für Schaltungen zur Gleichrichtung von Wechselspannungen höherer Frequenz, wie sie z. B. in Schaltnetzteilen vorkommen. Die heute erhältlichen Gleichrichter-Dioden-Arrays erfüllen die Anforderungen der RoHS-Konformität.