Einweggleichrichter

Dioden werden oft für Gleichrichterschaltungen genutzt. Heute werden wir einen einfachen Einweggleichrichter bauen.

Einweggleichrichter

Ein Einweggleichrichter ist wahrscheinlich die einfachste Gleichrichterschaltung. Um sie aufzubauen, brauchen wir nichts weiter als eine einzelne Diode. Lass uns herausfinden, wie ein Einweggleichrichter funktioniert und welche Eigenschaften er hat.

Die Gleichrichterschaltung

Die Schaltung ist dieses Mal wirklich einfach. Der Gleichrichter besteht aus einer einzigen Diode. Zusätzlich habe ich einen 10 kΩ Lastwiderstand hinzugefügt, über den wir das gleichgerichtete Signal mit einem Oszilloskop messen können.

Wie funktioniert diese Schaltung? Die Diode lässt den Strom nur in eine Richtung fließen. Das gleichgerichtete Signal enthält nur die positive Halbwelle des Wechselstromsignals. In der negativen Halbwelle blockiert die Diode den Stromfluss.

Das gleichgerichtete Signal hat ungefähr die gleiche Amplitude wie das Wechselstromsignal, die halbe Spitze-Spitze-Spannung und eine Effektivspannung von etwa \(U_{eff} = {U_{s} \over 2}\). Der Grund, warum die Amplitude nicht exakt die gleiche ist, sind die Verluste über die Diode. In meinem Beispiel habe ich eine Schottky-Diode verwendet, die bei niedrigen Strömen einen Spannungsabfall von etwa 0,3 V in Durchlassrichtung aufweist. Bei einer normalen Diode liegt der Spannungsabfall bei etwa 0,7 V.

Bei der Gleichrichtung eines Wechselspannungssignals mit niedriger Spannung ist der Spannungsabfall über der Diode leicht zu bemerken. Er wird jedoch besonders wichtig, wenn höhere Spannungen verwendet werden oder eine hohe Ausgangsleistung erforderlich ist. Das Produkt aus Strom und Spannungsabfall bestimmt die Verlustleistung. Eine zu klein dimensionierte Diode kann schnell überhitzen. Rechnen wir das mal für unsere Beispielschaltung aus.

Die Spitzenspannung unseres gleichgerichteten Signals ist:
\(U_{s} = {U_{ss}\over 2} - U_f = {9 V \over 2} - 0,3 V = 4,2 V\)

Die Effektivspannung über der 10 kΩ Last und damit der Effektivstrom unseres Stromkreises sind:
\(U_{eff} = {U_{s}\over 2} = {4,2 V \over 2} = 2,1 V\)
\(I_{eff} = {U_{eff}\over R} = {2,1 V \over 10 kΩ} \approx 0,2 mA\)

Die Verlustleistung des Wiederstandes ist:
\(P_{R_L} = U_{eff} \cdot I_{eff} = 2,1 V \cdot 0,2 mA = 0,42 mW\)

Für die Diode beträgt die Verlustleistung: \(P_{D} = U_f \cdot I_{eff} = 0,2 V \cdot 0,2 mA = 0,04 mW\)

In diesem Fall ist die Verlustleistung der Diode praktisch vernachlässigbar und liegt unter den Limits einer üblichen Diode. Bei einem Strom von mehreren Ampere steigt die Durchlassspannung für eine Schottky-Diode typischerweise auf etwa 0,7 V. Die Verlustleistung steigt auf mehrere Watt an - mehr als genug, um eine normale Diode zu zerstören.

Das größere Problem in unserem Fall ist jedoch, was in der Zeit geschieht, in der kein Strom fließt. Die meisten Gleichstromschaltungen kommen damit nicht zurecht, sie benötigen eine konstante Gleichspannung. LEDs würden sichtbar flackern und die meisten Mikrocontroller würden überhaupt nicht funktionieren. Eine Diode allein ist in diesem Fall nicht ausreichend.

Spannungsstabilisierung mit einem Kondensator

Wie können wir das Problem lösen, dass der Strom nur während der positiven Halbwelle fließt? Wir müssen während der positiven Halbwelle mehr elektrische Energie sammeln, als wir für die Versorgung unserer Last benötigen, und diese speichern, damit wir sie während der negativen Halbwelle nutzen können. Auf diese Weise können wir eine konstante Spannung auf Kosten einer höheren Stromaufnahme während der positiven Halbwelle erreichen. Dazu müssen wir lediglich einen Kondensator parallel zur Last hinzufügen:

Der Kondensator liefert die Energie für die Dauer, in der kein Strom durch die Diode fließt. Die Ausgangsspannung ist nun nahezu identisch mit der Spitzenspannung des Wechselstromsignals. Das Ergebnis ist jedoch immer noch keine vollkommen konstante Gleichspannung. Der Kondensator kann nur eine begrenzte Menge an Energie speichern. Während der negativen Halbwelle, in der er sich entlädt, sinkt die Spannung langsam ab. In der nächsten positiven Halbwelle wird der Kondensator wieder aufgeladen.

Die verbleibenden Spannungsänderungen werden als Restwelligkeit bezeichnet. Je nachdem, wie empfindlich Komponenten sind, können sie mehr oder weniger Restwelligkeit vertragen. Mikrocontroller mit integriertem Spannungsregler zum Beispiel vertragen mehr Restwelligkeit als solche, die eine festen Eingangsspannung benötigen.

Wie kann man die Restwelligkeit minimieren? Der Kapazitätswert muss entsprechend der Last gewählt werden. Je größer die Kapazität des Pufferkondensators, desto geringer die Restwelligkeit. Je größer die Last, desto höher muss die Kapazität sein, um die gleiche Restwelligkeit zu erzielen. Dies hat natürlich seine Grenzen. Für große Lasten ist es besser, einen Brückengleichrichter zu verwenden.

Fazit

Ein Einweggleichrichter ist sehr einfach zu bauen und benötigt nur eine Diode. Mit einem zusätzlichen Kondensator können wir die gleichgerichtete Spannung stabilisieren. Der größte Nachteil eines Einweggleichrichters ist die hohe Restwelligkeit. Sie kann die Komponenten im Gleichstromkreis stören. Ein Einweggleichrichter eignet sich gut für kostengünstige Schaltungen mit wenigen Bauteilen und einer kleinen Last. Für eine größere Last und weniger Restwelligkeit ist es besser, einen Brückengleichrichter zu verwenden.