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Gleichrichter

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:

Der Gleichrichter in der Elektrotechnik ist ein Bauteil (oder eine Bauteilgruppe), das Wechselgrößen (Wechselspannung und -strom) in Gleichgrößen (Gleichspannung und -strom) umwandelt.

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).

Die Erklärung zur „Diode“ und die dazugehörigen weiterführenden Erklärungen beschreiben Dir, warum das überhaupt so funktioniert.

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.

Die Erklärung „Energiebändermodell“ geht tiefer auf die Funktionsweise einer (Gleichrichter-) Diode ein.

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.

Stelle Dir vor, Du begibst Dich in die Sicht vom elektrischen Strom.

Fließt Du von links – also in die große Öffnung des Trichters – in die Gleichrichterdiode, hast Du viel Platz, um hinein- und schließlich hindurchzufließen (Durchlassrichtung). Von der anderen Richtung hingegen stößt Du gegen die vertikale Wand und kannst nicht fließen (Sperrrichtung).

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).

Der Einweggleichrichter ist ein Gleichrichter, der nur eine Stromrichtung eines Wechselstroms passieren lässt und die andere sperrt. Dadurch wird periodisch unterbrochener Gleichstrom aus einem Wechselstrom erzeugt.

Es gibt komplizierte Schaltungen, bei denen Einweggleichrichter zwar einen geringeren, dafür aber fast konstanten Gleichstrom liefern.

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.

Wenn elektrische Größen wie Strom oder Spannung mit Kleinbuchstaben oder einer Wellenlinie („Tilde“ ~) geschrieben werden, ist das ein Indiz dafür, dass es sich um Wechselspannung/-strom handelt.

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.

Gleichrichter Einweggleichrichter Strom Diagramm Verlauf StudySmarterAbbildung 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.

Der Brückengleichrichter ist ein Gleichrichter, der beide Richtungen einer Wechselspannung gleich richtet.

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.

Der Strom durch den Verbraucher ist, ungeachtet der aktuellen Polung der Versorgung, mithilfe des Brückengleichrichters immer gleich gerichtet.

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.

Gleichrichter Brückengleichrichter Strom Diagramm Verlauf StudySmarterAbbildung 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.

Gleichrichter – Das Wichtigste

  • Der Gleichrichter in der Elektrotechnik ist ein Bauteil, das Wechselgrößen in Gleichgrößen umwandelt.
  • Das zugrundeliegende Bauteil des Gleichrichters ist die Gleichrichterdiode. Sie lässt Strom in nur eine Richtung (Durchlassrichtung) passieren und sperrt die andere Richtung (Sperrrichtung).
  • Der Einweggleichrichter ist ein Gleichrichter, der nur eine Stromrichtung eines Wechselstroms passieren lässt und die andere sperrt. Ein Einweggleichrichter kann, muss aber nicht, aus einer einzelnen Gleichrichterdiode bestehen.
  • Der Brückengleichrichter ist ein Gleichrichter, der beide Richtungen eines Wechselstroms gleich richtet.

Nachweise

  1. Technische Universität Dresden Professur für Grundlagen der Elektrotechnik (2013). Elektrische und magnetische Felder. iee.et.tu-dresden.de (18.05.2015)
  2. Technische Universität Dresden Professur Elektronische Bauelemente und Integrierte Schaltungen (2013). Technologien und Bauelemente der Mikroelektronik. iee.et.tu-dresden.de (11.02.2016)

Häufig gestellte Fragen zum Thema Gleichrichter

Ein Gleichrichter wandelt Wechsel- in Gleichstrom um. Der Anteil eines Wechselstroms, der anders gerichtet ist, wird durch eine Diode blockiert oder durch eine komplizierte Diodenschaltung umgedreht. Am Ende kommt nur eine Stromrichtung (Gleichstrom) am Verbraucher an.

Der Gleichrichter in der Elektrotechnik ist ein Bauteil (oder eine Bauteilgruppe), das Wechselgrößen (Wechselstrom und -spannung) in Gleichgrößen (Gleichstrom und -spannung) umwandelt.

Überall da, wo ein Wechselstrom in einen Gleichstrom gewandelt wird. Etwa beim Laden von Smartphone oder Laptop.

Das kommt auf die Art des Gleichrichters und des Verbrauchers an, weil die Gleichrichterdioden im Inneren eines Gleichrichters bestimmte Betriebsrichtungen haben.

Finales Gleichrichter Quiz

Frage

Erkläre die grundsätzliche Funktion eines Gleichrichters.

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Gleichrichter wandelt elektrische Wechselgrößen in Gleichgrößen um.

Frage anzeigen

Frage

Nenne die Betriebsart / Betriebsrichtung einer Gleichrichterdiode, wenn sie einen Stromfluss zulässt.

Antwort anzeigen

Antwort

Durchlassrichtung

Frage anzeigen

Frage

Wähle aus, wie groß der Widerstand einer Gleichrichterdiode ist, wenn sie in Sperrrichtung betrieben wird.

Antwort anzeigen

Antwort

sehr geringer Widerstand

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, an welcher Seite (p- und/oder n-Seite) der Gleichrichterdiode Plus- bzw. Minuspol der Spannungsversorgung anliegen müssen, damit diese in Durchlassrichtung betrieben wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Damit die Gleichrichterdiode Strom durchlässt, muss der Pluspol am p-Bereich und der Minuspol am n-Bereich anliegen.

Frage anzeigen

Frage

Gib an, inwiefern ein Einweggleichrichter einen Wechselstrom passieren lässt.

Antwort anzeigen

Antwort

lässt eine Stromrichtung durch, die andere wird gesperrt

Frage anzeigen

Frage

Gib an, inwiefern ein Brückengleichrichter einen Wechselstrom passieren lässt.

Antwort anzeigen

Antwort

sperrt beide Stromrichtungen

Frage anzeigen

Frage

Der Einweggleichrichter lässt nur eine Stromrichtung passieren.

Zeige und erkläre anhand eines Diagramms, was mit dem Strom der nicht hindurch gelassenen Richtung passiert.

Antwort anzeigen

Antwort


Der Strom, der gesperrt wird, wird nicht hindurchgelassen. Am Verbraucher kommt dieser Anteil des Stroms somit nie an. In diesem Zeitraum fließt kein Strom durch den Verbraucher.

Frage anzeigen

Frage

Der Brückengleichrichter lässt beide Richtungen eines Wechselstroms zu.


Erkläre anhand eines Diagramms, was dabei mit der Stromrichtung nach dem Brückengleichrichter passiert.

Antwort anzeigen

Antwort


Beide Richtungen des Quellstroms werden durch den Brückengleichrichter gleich gerichtet.

Frage anzeigen

Frage

Erkläre, warum es zu Problemen kommen kann, wenn ein Gerät einen konstanten Gleichstrom benötigt, aber ein einfacher Gleichrichter verwendet wird.

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Gleichrichter verändert nur die Richtung, aber nicht die Periodizität eines Wechselstroms. Dadurch entstehen extrem starke, periodische Schwankungen im Stromfluss.

Frage anzeigen

Frage

Sei kreativ und überlege Dir, wie Du die periodische Schwankung des Stromes nach einem Brückengleichrichter ein wenig ausgleichen könntest.


Hinweise: Es gibt mehrere Wege, das zu erreichen.

Antwort anzeigen

Antwort

Ein Strom bedeutet auch immer das Vorhandensein einer Spannung. Du könntest also parallel zum Verbraucher einen Kondensator einbauen.


Steigt die Spannung zunächst an (Einschalten), wird der Kondensator aufgeladen.


Danach sinkt die Spannung wieder ab. In dieser Zeit wirkt der Kondensator wie eine Ersatzquelle, da er sich über den Verbraucher entlädt. Der Entladestrom ist aber nicht ganz so stark wie der vorherige Maximalstrom. Das geht so lange, bis die Spannung wieder fast maximal ist und der Kondensator wieder lädt.


Damit das so funktioniert, muss der Kondensator so dimensioniert werden, dass er während den Spannungsspitzen – die während den Stromspitzen auftreten – genug geladen wird und bei etwas geringerer Spannung einen Teil dieser Ladung abgibt.


Das hat den Effekt, dass am Ende der Stromfluss durch den Verbraucher insgesamt zwar geringer, jedoch nicht mehr so stark periodisch schwankend fließt.

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