Brückengleichrichter

Der Brückengleichrichter

Der Brückengleichrichter: Funktionsweise und Anwendung

Einführung

Ein Brückengleichrichter ist eine Schaltung, die Wechselspannung (AC) in Gleichspannung (DC) umwandelt. Diese Schaltung besteht aus vier Dioden, die in einer Brückenkonfiguration angeordnet sind. Der Brückengleichrichter ist eine der gebräuchlichsten Methoden zur Gleichrichtung, da er den vollen AC-Zyklus nutzt, um eine effizientere und glattere Gleichspannung zu erzeugen.

Aufbau und Funktionsweise

Ein Brückengleichrichter besteht aus vier Dioden, die in einer speziellen Anordnung geschaltet sind. Die Eingangswechselspannung wird an zwei gegenüberliegende Ecken der Brücke angelegt, während die Ausgangsgleichspannung an den verbleibenden zwei Ecken abgegriffen wird.

Hier ist eine Übersicht der Schaltung:

Quelle: Auszug aus dem Amateurfunk-Fragenkatalog

Während des positiven Halbwellenzyklus der Eingangs-AC-Spannung leiten die Dioden D1 und D4, wodurch der Strom durch die Last in einer Richtung fließt. Während des negativen Halbwellenzyklus leiten die Dioden D2 und D3, wodurch der Strom ebenfalls in derselben Richtung durch die Last fließt. Dies führt zu einer pulsierenden DC-Spannung am Ausgang.

Ausgangsspannung ohne Kondensatoren

Ohne Kondensatoren zur Spannungsstabilisierung ergibt sich eine pulsierende Gleichspannung, die in ihrer Amplitude der Eingangsspannung (abzüglich der Dioden-Durchlassspannungen) entspricht. Wenn die Eingangsspannung ( $U_{in}$ ) eine Spitze von ( $\hat{U}$ ) hat, ergibt sich die Spitzenwert der Ausgangsspannung ( $U_{out}$ ) ungefähr zu:

$U_{out}=\hat{U}-2\cdot \Delta U_{BE}$

wobei $\Delta U_{BE}$ die Durchlassspannung (gleich dem Spannungsabfall zwischen Basis und Emitter) einer Diode ist (typischerweise etwa 0,7 V für Siliziumdioden).

Diese Ausgangsspannung ist jedoch nicht konstant. Wenn sie gar nicht stabilisiert wird, schwankt sie zwischen 0 und $U_{out}$. Der sich daraus ergebende Effektivwert der Gleichspannung ist

$\overline{U_{out}}=\frac{U_{out}}{\sqrt{2}}$

Ausgangsspannung mit Kondensatoren

Um die Welligkeit zu verringern und eine stabilere Gleichspannung zu erreichen, werden am Ausgang des Brückengleichrichters Kondensatoren eingesetzt. Diese Kondensatoren speichern Energie während der Spitzen der Ausgangsspannung und geben sie ab, wenn die Spannung absinkt.

Der einfachste Ansatz ist der Einsatz eines Glättungskondensators parallel zur Last. Dieser Kondensator lädt sich auf die Spitzenspannung ( $\hat{U}$ ) auf und entlädt sich langsam durch die Last, wodurch die Spannung stabilisiert wird.

Die effektive Gleichspannung ( $U_{DC}$ ) kann unter Berücksichtigung des Spannungsabfalls an den Dioden und der Restwelligkeit approximiert werden als:

$U_{DC}\approx \hat{U}-2\cdot \Delta U_{BE}$

Die Restwelligkeit

Die Restwelligkeit (Ripple) ( $U_{ripple}$ ) hängt von der Kapazität des Kondensators $C$, dem Laststrom $I_{load}$ und der Frequenz der Eingangsspannung $f$ ab:

$U_{ripple}\approx \frac{I_{load}}{f\cdot C}$

Die Brummfrequenz

Die Brummfrequenz ist die Frequenz, mit der die Restwelligkeit auf der Ausgangsseite des Gleichrichters.

Bei einem Brückengleichrichter werden beide Halbwellen der Wechselspannung verwendet. Das bedeutet, dass die Gleichspannung zweimal pro Zyklus der Eingangsspannung gepulst wird. Dadurch verdoppelt sich die Frequenz der Restwelligkeit. Wenn die Eingangsfrequenz 50 Hz beträgt, ist die Brummfrequenz 100 Hz.

Beispielrechnung

Angenommen, wir haben eine Eingangswechselspannung mit einem Effektivwert $\bar{U}$ von 12 V und einer Frequenz von 50 Hz. Die Spitzenspannung $\hat{U}$ ist dann:

$\hat{U}=\bar{U}\cdot \sqrt{2}\approx 12\cdot 1,414\approx 16,97\text{ V}$

Ohne Kondensator und unter Berücksichtigung der Dioden-Durchlassspannungen ($2\cdot 0,7V$):

$U_{out}\approx 16,97-1,4=15,57\text{ V}$

Mit einem Kondensator von 1000 µF und einem Laststrom von 100 mA:

$U_{ripple}\approx \frac{0,1\text{ A}}{50\text{ Hz}\cdot 1000\times 10^{-6}\text{ F}}=2\text{ V}$

Die Gleichspannung würde dann zwischen etwa 14 V und 16 V schwanken, was eine deutlich stabilere Spannung als ohne Kondensator ist.

Fazit

Ein Brückengleichrichter ist eine effektive Methode zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung. Durch den Einsatz von Kondensatoren zur Spannungsstabilisierung kann die Ausgangsspannung deutlich geglättet und die Welligkeit reduziert werden. Dies ist entscheidend für Anwendungen, die eine stabile Gleichspannung erfordern, wie z.B. in der Elektronik und vielen Netzteilen.

Disclaimer

Teile des Textes wurden durch KI erstellt, und manuell überarbeitet.

Quellen

• https://50ohm.de/A_restwelligkeit.html
• https://de.wikipedia.org/wiki/Restwelligkeit, aufgerufen am 08.07.2024
• https://dl6gl.de/media/files/gleichrichter-berechnungsgrundlagen_2020_08.pdf, aufgerufen am 08.07.2024