Gleich- und Wechselrichter

An haushaltsüblichen Steckdosen liegt eine Wechselspannung mit einer effektiven Spannung von U_{\mathrm{eff}} = \unit[230]{V} an. Diese Spannung kann mit eingebauten oder externen Transformatoren (“Netzteilen”) leicht auf den gewünschten Spannungswert angepasst werden.

Viele elektronische Bauteile (beispielsweise Elektrolytkondensatoren, LEDs, Dioden und Transistoren) sind jedoch nicht auf den Betrieb mit Wechselspannung beziehungsweise Wechselstrom ausgelegt. Zum Betrieb von Schaltungen mit derartigen Bauteilen muss die Wechselspannung in eine entsprechend große Gleichspannung umgewandelt werden. Dies geschieht mit so genannten Gleichrichtern.

Umgekehrt kann eine Gleichspannung auch in eine Wechselspannung umgewandelt werden. Dies ist beispielsweise im Radio- und Fernsteuerungs-Bereich nötig, um Lautsprecher oder Lichtschranken mit bestimmten Spannungsfrequenzen anzusteuern. Eine weitere Anwendung ergibt sich im Photovoltaik-Bereich, wo man die von Solarzellen bereitgestellte Gleichspannung häufig in das allgemeine Stromnetz einspeisen möchte. Allgemein werden derartige Schaltungen, die eine Gleichspannung in eine entsprechend große Wechselspannung umwandeln, Wechselrichter genannt.

Gleichrichter-Schaltungen

Gleichrichter wandeln Wechselspannung in Gleichspannung um. Dazu sind Bauteile nötig, die den Strom nur in einer Richtung passieren lassen und in der anderen Richtung sperren. Früher wurden zu diesem Zweck Elektronenröhren eingesetzt, inzwischen werden fast ausschließlich Halbleiter-Dioden verwendet.

Die folgenden Schaltungen setzen zum sicheren Experimentieren eine Wechselspannung von ungefähr \unit[9]{V} < U_{\mathrm{eff}} <
\unit[12]{V} voraus, wie sie von Labornetzteilen bereitgestellt wird.[1]

Der Einweg-Gleichrichter

Am einfachsten lässt sich ein Gleichrichter durch die folgende Schaltung realisieren:

fig-gleichrichter-einweg

Schaltplan eines Einweg-Gleichrichters.

Die Schaltung funktioniert folgendermaßen:

  • Liegt am oberen Pol der Wechselspannungsquelle eine positive Spannung an, so leitet die Diode. Der Kondensator lädt sich vollständig auf, gleichzeitig fließt Strom durch den Lastwiderstand.
  • Liegt am unteren Pol der Wechselspannungsquelle eine positive Spannung an, so sperrt die Diode. Der Kondensator entlädt sich und hält so den Stromfluss durch den Lastwiderstand kurzzeitig aufrecht.
fig-gleichrichter-einweg-funktionsweise

Stromfluss im Einweg-Gleichrichter in Abhängigkeit von der Polung der Stromquelle.

Ist der Lastwiderstand sehr groß, so kann nur eine sehr geringe Stromstärke auftreten. Der Kondensator entlädt sich folglich nur langsam und kann die Nennspannung bis zum nächsten Umpolen (weitgehend) aufrecht erhalten. In der Praxis ist der Lastwiderstand begrenzt, so dass die am Lastwiderstand anliegende Spannung zwischenzeitlich stark, eventuell sogar auf null absinken kann.

Zweiweg-Gleichrichter

Durch den Einsatz von vier Dioden lassen sich – anders als beim Einweg-Gleichrichter – beide Polungen der Stromquelle, d.h. beide Halbbögen der sinusförmigen Wechselspannung nutzen. Der grundlegende Schaltplan sieht folgendermaßen aus:

fig-gleichrichter-zweiweg

Schaltplan eines Zweiweg-Gleichrichters.

Die Schaltung funktioniert folgendermaßen:

  • Liegt am oberen Pol der Wechselspannungsquelle eine positive Spannung an, so fließt im Stromfluss-Diagramm eines Zweiweg-Gleichrichters (linkes Bild) Strom durch die obere linke Diode zum Kondensator beziehungsweise Lastwiderstand und über die untere rechte Diode zum unteren Pol der Wechselspannungsquelle zurück.
  • Liegt am unteren Pol der Wechselspannungsquelle eine positive Spannung an, so fließt im Stromfluss-Diagramm eines Zweiweg-Gleichrichters (rechtes Bild) Strom durch die obere rechte Diode zum Kondensator beziehungsweise Lastwiderstand und über die untere linke Diode zum oberen Pol der Wechselspannungsquelle zurück.
fig-gleichrichter-zweiweg-funktionsweise

Stromfluss im Zweiweg-Gleichrichter in Abhängigkeit von der Polung der Stromquelle.

Als Ausgangsspannung entsteht eine pulsierende Gleichspannung, die wie beim Einweg-Gleichrichter durch den Kondensator mehr oder weniger geglättet wird.

Zweiweg-Gleichrichter werden oftmals in Netzteilen für elektronische Kleingeräte eingesetzt. Die besondere Anordnung der vier Dioden, auch “Grätz-Schaltung” genannt, gibt es auch als fertiges Bauelement (“Brückengleichrichter”) zu kaufen.

Wie in der folgenden Abbildung zu sehen ist, ist der Betrag der von einem Brückengleichrichter bereitgestellten Gleichspannung zeitlich nicht konstant; vielmehr ist deutlich ein “Pulsieren” der Spannung zu erkennen. Um die “Spannungstäler” auszugleichen, kann man einen Kondensator parallel zum eigentlichen Verbraucher-Stromkreis schalten.

Der Kondensator wird geladen, während die anliegende Spannung hoch ist, und hält wiederum diesen Wert aufrecht, während die anliegende Spannung gering ist. Als Faustregel sollten hinter einem Brückengleichrichter je \unit[1]{A} an Ausgangs-Stromstärke etwa \unit[100]{\mu F} an Kondensator-Kapazität eingebaut werden.

Wechselrichter-Schaltungen

Wechselrichter wandeln Gleichspannung in Wechselspannung um. Hierzu werden Polwechsler eingesetzt, die mit einer bestimmten Frequenz die Pole der Eingangs-Gleichspannung abwechselnd mit den Ausgängen (beispielsweise Buchsen) verbinden.

Im einfachsten Fall ist der Polwechsler ein Wechselschalter, der von Hand oder elektronisch mit Hilfe eines Relais betätigt wird. Die Frequenz der Wechselspannung entspricht hierbei der Schaltfrequenz des Polwechslers.

... to be continued ...


Anmerkung:

[1]Niemals mit Netzstrom aus der Steckdose experimenteren, das ist lebensgefährlich!