Er wird in vielen Produkten verwendet und ist de facto der Standardgleichrichter: der Brückengleichrichter. Doch wie funktioniert er?
Brückengleichrichter
Der Brückengleichrichter ist die gängigste Gleichrichterschaltung. Er ermöglicht es, sowohl die negative als auch die positive Halbwelle eines Wechselstromsignals zu nutzen. Wie ist das möglich? Finden wir es heraus!
WARNUNG
Die Experimente in diesem Tutorial wurden mit einem Signalgenerator mit einer Spitze-Spitze-Spannung von 9 V durchgeführt. Verwende beim Experimentieren bitte Spannungen unter 24 V AC.
Das Experimentieren mit Netzspannung kann zu schweren Verletzungen bis hin zum Tod führen.
Die Gleichrichterschaltung
Ein Brückengleichrichter besteht aus vier Dioden: zwei identische Arme mit je zwei Dioden werden durch eine dazwischenliegende Last als Brücke verbunden.
Während der positiven Halbwelle leiten die Dioden D1 und D3 und versorgen die Last. D1 verbindet den Pluspol der oberen Schiene mit dem Pluspol der Last. D3 tut das Gleiche für die untere Schiene und den Minuspol.
Während der negativen Halbwelle leiten die beiden anderen Dioden. D2 bringt die positive Spannung von der unteren Schiene zum positiven Pol der Last und D4 verbindet den negativen Pol mit der oberen Schiene.
Zu Demonstrationszwecken habe ich die Dioden durch LEDs ersetzt und die Frequenz des Wechselstromsignals auf 1 Hz reduziert. So lässt sich die Gleichrichterschaltung bei der Arbeit beobachten.
Die beiden alternativen Strompfade ermöglichen die Versorgung des Gleichstromkreises in beiden Halbwellen. Wenn wir uns das Signal ansehen, sehen wir, dass die negative Halbwelle in eine positive umgewandelt wird, anstatt dass sie wie bei einem Einweggleichrichter entfernt wird.
Wie beim Einweggleichrichter hat das gleichgerichtete Signal etwa die gleiche Amplitude wie das Wechselstromsignal. Erneut gibt es Verluste über die Dioden, die durch die Verwendung von Schottky-Dioden reduziert werden können. Da wir nun zwei Dioden pro Pfad haben, sind die Verluste doppelt so hoch wie bei einem Einweggleichrichter mit nur einer Diode. Da wir jedoch beide Halbwellen nutzen können, haben wir jetzt eine höhere Ausgangsleistung bei gleichem Lastwiderstand. Der Effektivwert der Spannung ist nun \(U_{eff} = {U_{s}\over \sqrt{2}}\). Dies ist nicht zufällig identisch mit der allgemeinen Definition der Effektivspannung für sinusförmige Wechselstromsignale. Abgesehen von den geringen Verlusten können wir mit diesem Gleichrichter die volle Leistung der Wechselstromquelle nutzen.
Spannungsstabilisierung mit einem Kondensator
Um die Ausgangsspannung zu stabilisieren, können wir wieder einen Kondensator verwenden, wie wir es beim Einweggleichrichter gemacht haben:
Der Kondensator stabilisiert die Spannung, verursacht aber Stromspitzen, während er lädt. Wie beim Einweggleichrichter muss man den Kapazitätswert erhöhen, um größere Lasten oder eine geringere Restwelligkeit zu erreichen. Der große Unterschied besteht darin, dass der Kondensator nun nicht mehr eine ganze Halbwelle überbrücken muss. Dadurch verringert sich die Restwelligkeit und es ist einfacher, eine größere Last zu verwenden, ohne dass ein übermäßig großer Kondensator erforderlich ist.
Fazit
Mit einem Brückengleichrichter erhalten wir sowohl in der positiven als auch in der negativen Halbwelle Strom für unseren Gleichstromkreis. Die Last auf der Wechselstromquelle ist gleichmäßig verteilt und liegt nicht nur in einer Halbwelle an. Das gleichgerichtete Signal muss weiterhin stabilisiert werden, um eine konstante Gleichspannung zu erhalten. Bei gleicher Last und Kapazität erzeugt ein Brückengleichrichter jedoch weniger Restwelligkeit als ein Einweggleichrichter. Wenn die Restwelligkeit für den Gleichstromkreis immer noch zu groß ist, kann ein Spannungsregler verwendet werden, um eine stabile Spannung zu erzeugen. Verglichen mit einem Einweggleichrichter ist der Brückengleichrichter in den meisten Fällen die bessere Wahl. Sein Nachteil gegenüber dem Einweggleichrichter sind lediglich die höhere Anzahl an Bauteilen und die doppelt so hohen Verluste aufgrund der zwei Dioden pro Pfad.
