Gleichrichter

Wusstest Du, dass an Deiner Steckdose eine Wechselspannung anliegt, obwohl fast alle alltäglichen Geräte, wie Smartphone oder Laptop, nur mit Gleichstrom funktionieren? Um aus einem Wechsel- einen Gleichstrom zu erzeugen, werden sogenannte Gleichrichter verwendet.

Deren zugrundeliegendes Bauteil ist die Gleichrichterdiode. Mit ihr wird in einer Gleichrichterschaltung ein Einweggleichrichter oder Brückengleichrichter gebaut. Dadurch ergeben sich verschiedene Schaltpläne, die aber die gleiche Funktion erfüllen und die gleichen Schaltzeichen beinhalten.

Gleichrichter – Funktion

Nimmst Du das Wort „Gleichrichter“ auseinander, bekommst Du „Richter“ – von Ausrichten – und „gleich“. Der Gleichrichter ist somit ein Bauteil oder Gerät, das Eingaben gleich ausrichtet. Das kannst Du auf die Elektrotechnik beziehen:

Diese grundsätzliche Funktion kannst Du sogar im Symbol erkennen.

Gleichrichter Schaltzeichen

Da sich hinter einem Gleichrichter auch etwas kompliziertere Schaltungen verbergen können (siehe weiter unten beim Brückengleichrichter), ist es sinnvoll, ein einheitliches Schaltzeichen zu verwenden.

Das Schaltzeichen ist ein Quadrat, das von der rechten oberen Ecke zur linken unteren Ecke halbiert ist. Auf der linken, oberen Seite ist ein Wellensymbol. Es bedeutet in der Elektrotechnik, dass Wechselspannung – oder allgemein eine Wechselgröße – anliegt.

Auf der anderen Seite befindet sich ein Zeichen ähnlich dem Gleichheitszeichen, jedoch hat der untere Strich eine Unterbrechung. Das Gleichheitszeichen oder allgemeiner ein durchgängiger Strich bedeutet, dass es sich um Gleichspannung handelt.

Die Leserichtung ist von links nach rechts, also von Wechselspannung zu Gleichspannung. Das Schaltzeichen spiegelt also die Funktion des Gleichrichters wider.

Egal, welche noch so komplizierte Schaltung sich hinter dem Schaltzeichen verbirgt, ein gewisses Bauteil wird dabei immer verwendet: die Gleichrichterdiode.

Gleichrichter – Gleichrichterdiode

Eine der wichtigsten Charakteristiken einer Diode ist, dass sie eine Sperr- und eine Durchlassrichtung besitzt. Im Gleichstromkreis bedeutet das: Je nach Stromrichtung ist die Diode entweder ein sehr geringer Widerstand (Durchlassrichtung) oder ein fast unendlicher Widerstand (Sperrrichtung).

Diese Funktion hat mit dem Aufbau zu tun.

Gleichrichter Aufbau

Eine Gleichrichterdiode besteht zunächst aus drei Bereichen (p-n-Übergang):

• p-Bereich: viele positive Ladungsträger

• n-Bereich: viele negative Ladungsträger

• dazwischen: neutraler Bereich, nicht leitfähig

n- und p-Bereich sind durch einen neutralen Bereich elektrisch getrennt und bilden gleichzeitig die Anschlüsse der Gleichrichterdiode.

Gleichrichterdiode Funktion

Die Gleichrichterdiode hat zwei Betriebsarten: Durchlass- und Sperrrichtung.

Beim Betrieb in der Durchlassrichtung legst Du eine Spannung so an, dass der Pluspol am p-Bereich und der Minuspol am n-Bereich anliegt. Die Ladungsträger werden dadurch so beschleunigt, dass der neutrale Bereich in der Mitte aufgehoben wird und ein Strom fließen kann.

Legst Du stattdessen eine Spannung genau entgegengesetzt an, also Pluspol am n-Bereich und Minuspol am p-Bereich, vergrößert sich dadurch der nicht leitfähige mittlere Teil. Es ist kein Stromfluss möglich. Die Gleichrichterdiode befindet sich in Sperrrichtung.

Das Verhalten der Gleichrichterdiode kannst Du am Schaltzeichen ablesen.

Gleichrichterdiode Schaltzeichen

Im Schaltzeichen der Gleichrichterdiode kannst Du im Prinzip 2 Teile finden:

• horizontaler „Trichter“ (p-Seite)

• vertikaler Strich am dünnen Ende des „Trichters“ (n-Seite)

Dass sich hinter den beiden Teilen p- bzw. n-Seite verbergen, wird oft nicht direkt im Schaltzeichen eingetragen.

Auch hier kannst Du die Funktion aus dem Schaltzeichen ablesen.

Du kannst erkennen, dass die Gleichrichterdiode selbst schon die Wirkung eines Gleichrichters erzielt. Wird dieses Prinzip angewandt, sprichst Du oftmals aber nicht mehr von einer Gleichrichterdiode, sondern vom Einweggleichrichter.

Gleichrichter – Einweggleichrichter

Das Wort „Einweg“ bedeutet hier keineswegs, dass der Einweggleichrichter nur ein einziges Mal verwendet werden soll (nicht wie Einwegflaschen oder ein Einweggrill). Einweg bezieht sich hier auf den Anteil des Stromes, der durchgelassen wird (ein Weg = eine Richtung).

Die allgemeine Funktion scheint also gleich der einer Gleichrichterdiode zu sein. Der Unterschied der beiden liegt darin, dass es sich beim Einweggleichrichter um eine Schaltung handeln kann, die zwar die gleiche Funktion besitzt, aber anders aufgebaut ist als eine einzelne Gleichrichterdiode.

Gleichrichter Schaltung: Einweggleichrichter

Im einfachsten Fall besteht die Schaltung vom Einweggleichrichter grundlegend aus einer Gleichrichterdiode. Dort wird dann ein Verbraucher \(R\) und eine Wechselspannungsquelle \(u \text{~} \) in Reihe angeschlossen.

Wie kann jetzt aber ein Gleichstrom entstehen, wenn sich die Wechselspannung \(u \text{~} \) ständig ändert?

Einweggleichrichter Funktion

Ein Stromfluss kann in einem Leiter nur in zwei Richtungen erfolgen. Er trifft somit auf eine Gleichrichterdiode, die entweder in Durchlassrichtung oder in Sperrrichtung betrieben wird. Wechseln Spannung und Strom ständig die Richtung (Wechselstromkreis), kannst Du dementsprechend zwei Situationen betrachten.

Entspricht die sich ständig verändernde Polung die der Durchlassrichtung der Gleichrichterdiode, wird ein Strom \(i \text{~} \) fließen. Im nächsten Moment dreht sich die Polung um. Jetzt befindet sich die Gleichrichterdiode in Sperrrichtung und es kann kein Strom fließen.

Der Einweggleichrichter bewirkt also, dass der Strom \(i \text{~} \) den Verbraucher \(R\) entweder nur in eine Richtung, oder gar nicht durchfließt.

Das kannst Du auch in einem Diagramm festhalten, indem Du den sinusförmigen Stromfluss \(i \text{~} \) zunächst so aufträgst, als ob kein Gleichrichter verwendet werden würde. Dann kannst Du die Teile, in denen die Stromrichtung nicht der Durchlassrichtung des Einweggleichrichters entspricht, auf null setzen.

Abbildung 7: Stromfluss beim Einweggleichrichter (Diagramm)

Du kannst gut erkennen, dass dadurch etwa die Hälfte des möglichen Stromflusses gesperrt wird. Das ist nicht besonders sinnvoll, da dann auch nur in etwa der Hälfte der Zeit überhaupt ein Strom fließt. Geht das mit einem anderen Gleichrichter besser?

Gleichrichter – Brückengleichrichter

Ein Brückengleichrichter unterscheidet sich vom Einweggleichrichter, indem er die komplette Wechselspannung – nicht nur etwa die Hälfte – in Gleichspannung umwandelt.

Für diese Art von Gleichrichter reicht eine einzelne Gleichrichterdiode nicht mehr aus.

Gleichrichter Schaltplan: Brückengleichrichter

Beim standardmäßigen Aufbau des Brückengleichrichters kommen gleich vier Gleichrichterdioden \(D_{1-4}\) in Einsatz. Diese werden zusammen mit einem Verbraucher \(R\) und einer Wechselspannungsquelle \(u \text{~} \) in einer Brückenschaltung zusammengeschaltet.

Wie funktioniert nun die Umwandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung?

Brückengleichrichter Funktion

Um die Funktionsweise des Brückengleichrichters zu verstehen, kann es sinnvoll sein, sich wieder die beiden Fälle der unterschiedlichen Polung der Wechselspannung (Versorgungsspannung) \(u \text{~} \) anzuschauen.

Im ersten Fall ist die Wechselspannung \(u \text{~} \) so gepolt, dass der Strom \(i \text{~} \) zunächst zum Knotenpunkt zwischen \(D_1\) und \(D_2\) fließt. Der Gleichrichter \(D_2\) sperrt hier, \(D_1\) aber nicht. Der Strom fließt also zum Knotenpunkt zwischen \(D_1\) und \(D_3\). \(D_3\) sperrt und der Strom fließt durch den Verbraucher \(R\). Merke Dir hier die Stromrichtung durch den Verbraucher.

Jetzt trifft der Strom auf den Knotenpunkt zwischen \(D_2\) und \(D_4\). Theoretisch sperrt hier \(D_2\) nicht, jedoch ist am anderen Ende von \(D_2\) der Pluspol. Elektrischer Strom fließt aber zum Minuspol, weg vom Pluspol. Demnach fließt er durch den durchlassenden Gleichrichter \(D_4\). Ab hier könnte der Strom wieder theoretisch durch \(D_3\) fließen, jedoch ist auch hier auf der anderen Seite vom Gleichrichter der Pluspol näher als der Minuspol, also fließt der Strom zurück zur Quelle.

Ist die Polung der Spannungsquelle gerade andersherum, nimmt der Strom einen anderen Weg. Am ersten Knotenpunkt zwischen \(D_3\) und \(D_4\) fließt er durch \(D_3\) und von dort durch den Verbraucher \(R\). Der Strom durchfließt dabei den Verbraucher in der gleichen Richtung, wie bei umgekehrter Polung der Spannungsversorgung. Danach fließt der Strom durch \(D_2\) zurück zur Spannungsquelle.

Die Funktion eines Gleichrichters wird durch den Brückengleichrichter also hervorragend umgesetzt. Betrachtest Du jedoch wieder das Diagramm zum Stromfluss \(i \text{~} \), kannst Du eine Schwachstelle erkennen.

Abbildung 10: Stromfluss beim Brückengleichrichter (Diagramm)

Der gesamte Strom ist zwar gleich gerichtet, jedoch gibt es extrem starke, periodische Schwankungen in der Stromstärke. Diese Schwankungen können durch kompliziertere Schaltungen ausgeglichen werden, jedoch auf Kosten der maximalen Stromstärke.

Du siehst, Wechselspannung in Gleichspannung umzuwandeln ist zwar möglich, jedoch nicht perfekt. Dennoch finden Gleichrichter im Alltag ständig Verwendung, weil das Stromnetz aufgrund der Sicherheit und effektiverer Übertragung auf Wechselspannung basiert.