Historisch gesehen war es rentabler und billiger, Strom in Form von Wechselstrom zu beziehen, der von Generatoren von Kraftwerken erzeugt wurde. Eine solche Darstellung ermöglichte eine effektive Übertragung über große Entfernungen. Auf der Empfangsseite wurde es in eine für Verbraucher bequeme Einphasenspannung umgewandelt und in dieser Form in die Stromleitung eingespeist. Die internen Stromkreise der meisten modernen elektrischen Verbraucher benötigen jedoch eine konstante Stromversorgung, deren Wert aus dem Standardbereich von 5, 9, 12, 24, 36 oder 48 Volt ausgewählt wird. Um sie zu erhalten, musste ein spezieller Spannungsgleichrichter (z. B. für 24 Volt) in den Stromkreis elektronischer Geräte eingebaut werden.
Funktionsprinzip des Gleichrichters
Für ein klares Verständnis der Funktionsweise eines Gleichstromgleichrichters muss zunächst berücksichtigt werden, dass zur Gleichrichtung von Wechselspannung Halbleiterelemente (Dioden) verwendet werden. Ihre Besonderheit ist die Fähigkeit, Strom nur in eine Richtung zu leiten. Aufgrund dieser Eigenschaft wird die am Ausgang an sie angelegte Wechselspannung die Form von positiven Welligkeiten haben, wobei die unteren Hälften der Halbperiode der Schwingungen abgeschnitten werden. Bei positiven Halbwellen fließt ein Strom durch die Diode, der die Grundlage für die Bildung einer konstanten Stromversorgung ist. Um es zu erhalten, sind zusätzliche elektrische Elemente erforderlich.
Jeder Stromgleichrichter umfasst die folgenden Haupteinheiten:
- Ein Abwärtstransformator, der 220 Volt in den gewünschten Wert umwandelt;
- ein Satz von Dioden (Brücke);
- Glättungs-(Filter-)Kondensator;
- Stabilisator auf der Basis von Transistorelementen.
Es sind viele Varianten elektronischer Gleichrichter bekannt, die sich in der Anzahl und Art des Anschlusses von Dioden sowie in ihren Betriebsparametern unterscheiden. Von besonderem Interesse sind verschiedene Ansätze zur Einbeziehung von Diodenelementen in die Schaltung. Die Stabilisierungsstufe des Gleichrichters ist auf Transistorschaltern montiert, die als elektronische Relais bezeichnet werden.
Gleichrichtertypen
Je nach Art des Einschaltens von Halbleiterdioden werden alle AC-Gleichrichter in folgende Typen unterteilt:
- Halbwelle (Halbwelle);
- Vollwelle (Vollwelle mit Mittelpunkt oder Mitkevich-Schemata);
- Brücken- oder Gretz-Gleichrichter;
- Gleichrichter mit einer Verdoppelung der Betriebsspannung und andere weniger gebräuchliche Schaltungen.
Die Halbwelle ist die einfachste Methode zur AC-Gleichrichtung. Ein anderer Name ist Nullgleichrichterschaltung.
Mit Hilfe von Geräten dieser Klasse ist es möglich, nur einen pulsierenden (nur halben) Ausgangsstrom zu erhalten. Schaltungen nach dem Halbwellenprinzip zeichnen sich durch einen geringen Wandlungswirkungsgrad aus und werden selten verwendet. Ihre Vollwellen-Gegenstücke haben zwei Dioden in ihrer Zusammensetzung und sorgen für die Gleichrichtung von Halbwellen beider Polaritäten. Sie sind effizienter und werden in den einfachsten Netzteilen verwendet.
Einphasige Brückengleichrichter, die sogenannten 4-Dioden-Gretz-Schaltungen, zeichnen sich durch einen hohen Wirkungsgrad aus, der als Wirkungsgrad der Nutzung der vom Transformator empfangenen Leistung verstanden wird.
Die Spannung am Ausgang von Halbleiter-Gleichrichterbrücken ist eine gute Grundlage für die anschließende Glättung und Stabilisierung - Gewinnung von Gleichstrom.
Sie werden häufig in Geräten mit erhöhter Energieintensität wie Generatoren mit Ausgangsspannungen von mehreren zehn bis mehreren hundert Volt verwendet. Zu ihren Vorteilen zählen:
- niedrige Sperrspannung (Bruchteil eines Volts);
- kleine Größe;
- hohe Effizienz bei der Verwendung des Transformators (im Vergleich zum Mitkevich-Schema).
Ein wesentlicher Nachteil von Brückenschaltungen ist der doppelte Spannungsabfall an den Dioden, was es erforderlich macht, die Ausgangsparameter des Transformators während ihrer Entwicklung mit Spielraum zu wählen. Dieser Teil der nutzbaren Leistung geht dann an den Verbindungsstellen der vier Dioden verloren.
Gleichrichtertypen nach Funktionalität
Nach ihrem Zweck und ihrer Funktionalität werden bekannte Gleichrichtermuster in einphasige und dreiphasige Geräte unterteilt. Erstere werden in den Stromnetzen von Mehrfamilienhäusern und Privathäusern eingesetzt und dienen der Stromversorgung von Haushaltsgeräten. Das zweite ist ein elektronisches Modul von 3 Einheiten des gleichen Typs, das nach einem der folgenden Schemata hergestellt wird:
- Single-Ended-Gleichrichter;
- Push-Pull-Systeme;
- Kombimodule: mit zwei Drehstromwicklungen mit Parallel- und Reihenschaltung von Dioden.
Die Verwendung von Single-Ended-Transformationsschaltungen ist aufgrund der geringen Effizienz der gleichgerichteten Spannung begrenzt. Ihre Zweitakt-Analoga werden häufig in Gleichstrommotoren und anderen elektrischen Maschinen verwendet, die in ihrer Konstruktion Bürstenanordnungen enthalten. Neben klassischen Gleichrichtern für den Einbau in Kollektormotoren gibt es Schaltungen, die die Ausgangsspannung um ein Vielfaches erhöhen können. Ein Sonderfall solcher Lösungen ist ein Spannungsverdoppelungsgleichrichter.
Die Gleichrichterschaltung mit Spannungsverdopplung unterscheidet sich nur in Details von den bereits betrachteten Möglichkeiten. Solche Geräte werden in der Regel Multiplikatoren genannt, die leicht von Hand zusammengebaut werden.
Grundlegende Zusammenhänge bei der Berechnung eines Gleichrichters
- Eingangsspannung, die in der Sekundärwicklung des Transformators wirkt;
- der Strom in den Dioden, der im Stromkreis fließt, unter Berücksichtigung der Last;
- die Kapazität des Elektrolytkondensators, ausgewählt basierend auf dem angegebenen Welligkeitsglättungsfaktor;
- maximale Spannung darauf.
Es ist wichtig, den Spannungsabfall über Halbleiterdioden im geöffneten Zustand zu berücksichtigen.
Die berechneten Verhältnisse für diesen Fall werden in der folgenden Form dargestellt.
- Der Strom in der Transformatorwicklung ist betragsmäßig gleich seinem Maximalwert in der Last (Iwind = Iload).
- Die Spannung in der Sekundärwicklung im Leerlauf beträgt U2 ≈ 0,75ULast.
- Es wird empfohlen, Gleichrichterdioden mit den folgenden Parametern zu verwenden: Uev> 3,14Uload und Imax> 1,57Iload.
Gleichrichter sind in verschiedenen Bereichen der Elektrotechnik und Elektronik, einschließlich moderner Steuerungssysteme, weit verbreitet. Daher ist es so wichtig zu verstehen, was Gleichrichter sind und welche Arten von ihnen verwendet werden, um die effizientesten Schaltungen zu bauen.
