Einstieg in die Elektronik: Gleichrichter

In der Mai/Juni-Ausgabe von Elektor begrüßten wir die Diode als ersten Vertreter der Halbleiterfamilie, die aus der heutigen Elektronik nicht mehr wegzudenken ist. Jetzt rechnen wir mit Gleichrichtern. Schließlich können wir nicht einfach Teile zusammenlöten und hoffen, dass es klappt. Werfen wir zunächst einen Blick auf unseren Einweggleichrichter (Abbildung 1).

Je größer die Kapazität des Elektrolytkondensators ist, desto geringer ist der Spannungsabfall während der negativen Halbperioden der Wechselspannung; Und außerdem wird die Spannung während der negativen Halbperioden stärker abfallen („Zusammenbruch“, sagt der Elektroniker), wenn der Widerstand kleiner wird (und damit der von der Last aufgenommene Strom größer wird). Wir können dies in eine Formel fassen:

Wir haben angenommen, dass der Strom konstant ist. Angenommen, wir haben einen 15-V-Transformator, einen Einweggleichrichter und eine Last mit einer Stromaufnahme von 1 A. Die vom Gleichrichter bereitgestellte Spannung muss durch einen Regler-IC stabilisiert werden, der eine Mindesteingangsspannung von 18 V benötigt, um eine Spannung bereitzustellen stabile Ausgangsspannung von 15 V. (Wir werden in einer späteren Ausgabe auf diesen IC zurückkommen.) Wie groß sollte in diesem Fall der Kondensator sein? Zuerst müssen wir den Spitzenwert der Wechselspannung berechnen; In einem früheren Artikel dieser Serie haben wir gesehen, dass für den Spitzenwert gilt:

Der Einfachheit halber subtrahieren wir 0,7 V von dieser Spitzenspannung (das ist die Durchlassspannung der als Gleichrichter verwendeten Siliziumdiode):

Für die Perfektionisten unter Ihnen: Wir haben das Ergebnis auf eine Dezimalstelle gerundet – das ist in diesem Fall genau genug. Da der IC eine Eingangsspannung von mindestens 18 V benötigt (diese Mindesteingangsspannung finden Sie im Datenblatt des ICs), darf die Spannung während einer Periode maximal um 2,5 V abfallen. Wir schreiben die Formel für die Spannung am Kondensator um und addieren die Strom-, Spannungs- und Frequenzwerte:

Der nächstgrößere Standardwert wäre 10.000 µF, und bei einem Strom von nur 1 A ist das ein ziemlich „sperriger“ Kondensator. Theoretisch gibt es zwei Möglichkeiten, einen niedrigeren Wert (und damit einen kleineren und günstigeren Elektrolytkondensator) zu erreichen:

Diese Vollwellengleichrichtung wird später besprochen; Im Folgenden beschäftigen wir uns zunächst mit der „Erhöhung der Transformatorspannung“. Wenn wir im Beispiel einen 18-V-Transformator anstelle der 15-V-Version verwenden, messen wir an der Diode eine Spitzenspannung von etwa 24,7 V, was eine maximal zulässige Spannungsdifferenz von 6,7 V bedeutet. Die Auswahl des Kondensators kann daher angepasst werden entsprechend kleiner sein; Der berechnete Wert beträgt etwa 3000 µF und der nächstgrößere Standardwert ist entweder 3300 µF oder 4700 µF. Wie ein berühmter niederländischer Fußballphilosoph (Johan Cruijff) einmal sagte, hat jeder Vorteil seinen Nachteil: Diese Lösung bringt einen höheren Stromverbrauch und auch einen höheren Stromverbrauch mit sich Wärmeableitung im Spannungsregler. Hierzu werden wir einen Blick darauf werfenFigur 2.

Bei der Komponente mit der Teilenummer 7815 handelt es sich um einen Festspannungsregler. Im Moment interessiert uns nicht, wie das Ding funktioniert. Entscheidend ist hier, dass dieser IC eine (in gewissen Grenzen) variierende DC-Eingangsspannung in eine (nahezu) konstante DC-Ausgangsspannung umwandelt. Für die Ausgangsleistung gilt in beiden Fällen (Beispiel mit 15-V-Transformator und Beispiel mit des 18-V-Transformators):

Die Verlustleistung im IC (die im IC in Wärme umgewandelte Leistung) ist gleich der Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung mal Strom (in vielen Fällen – und auch hier – können wir den Eigenstromverbrauch des ICs vernachlässigen).

Allerdings ist die Eingangsspannung des ICs nicht konstant; In diesem Fall verwenden wir das arithmetische Mittel der minimalen und maximalen Eingangsspannung (was für unsere Zwecke genau genug ist). Dadurch erhöht sich der Leistungsverlust im Spannungsregler um etwa 50 % – das ist eine Menge überschüssiger Wärme abgeführt werden. Die Tatsache, dass der Transformator nun 22 W statt 20 W liefern muss (also inklusive der Verluste in der Diode und dem Spannungsregler), spielt keine große Rolle, es sei denn, es zwingt uns dazu, einen etwas größeren Transformator zu verwenden.

Wir haben den Vollweggleichrichter schematisch dargestelltFigur 3.

Dank der ausgeklügelten Schaltung mit vier Dioden (auch Brückengleichrichter oder Graetz-Schaltung genannt) werden nun beide Halbperioden der sinusförmigen Wechselspannung am Eingang genutzt. Während der positiven Halbperiode fließt der Ladestrom für den Elektrolytkondensator durch die Dioden oben rechts und unten links, während der negativen Halbperiode durch die Dioden unten rechts und oben links. Der Vorteil besteht darin, dass der Elektrolytkondensator doppelt so oft aufgeladen wird und daher (grob geschätzt) nur etwa halb so „dick“ sein muss. Dadurch ergibt sich dieFigur 4Spannungsverläufe: oben die Eingangsspannung, in der Mitte die Spannung an der Last ohne Kondensator und unten die Spannung am Kondensator.

Für den Spannungsverlauf am Pufferkondensator des Vollweggleichrichters gilt:

Berechnen wir nun unser früheres Beispiel (mit dem 15-V-Transformator) mit einem Vollweggleichrichter. Aufgrund des zusätzlichen Spannungsabfalls an der zweiten Diode haben wir jetzt eine Spitzenspannung von:

Daraus ergibt sich für den Elektrolytkondensator ein Wert von:

Der nächstgrößere Standardwert wäre 6800 µF, es ist jedoch fraglich, ob dieser (flächendeckend) verfügbar ist. Wenn nicht, müssen wir einen Elektrolytkondensator von 10.000 µF verwenden. Bei einer Trafospannung von 18 V kommen wir auf einen errechneten Wert von 1700 µF und einen Standardwert von 2200 µF, der mindestens eine Nummer kleiner ist. Unsere anfängliche Erwartung, dass der Pufferkondensator nur halb so groß sein sollte, wird durch die Durchlassspannung der Gleichrichterdioden aufgehoben. Es ist klar, dass der Strom durch die Last eine entscheidende Rolle spielt: Je größer der Strom, desto größer der Kondensator. Aus diesem Grund finden wir in der Stromversorgung schwerer Leistungsverstärker häufig eine große Anzahl großer Elektrolytkondensatoren.

Für Schaltungen mit Operationsverstärkern („Op-Amps“) benötigen wir häufig eine symmetrische Versorgungsspannung – mit anderen Worten, wir benötigen gleiche positive und negative Spannungen in Bezug auf die gemeinsame Masse. Im Prinzip können wir dies mit zwei Transformatoren erreichen, oder mit einem Transformator mit zwei Sekundärwicklungen, gefolgt von zwei Gleichrichtern. Es lässt sich auch vereinfachen: Es ist möglich, aus einer einzigen Wechselspannung eine positive und eine negative Gleichspannung abzuleiten, z gezeigt inAbbildung 5 . Tatsächlich verwenden wir zwei Einweggleichrichter, von denen einer die positiven Halbperioden der sinusförmigen Eingangswechselspannung nutzt und der andere die negativen Halbperioden. Für die Berechnung der Elektrolytkondensatoren gelten die gleichen Gleichungen wie für „normale“ Einweggleichrichter.

Allerdings erfordert die Größe des Transformators nun etwas mehr Aufmerksamkeit. Angenommen, wir benötigen eine symmetrische Versorgungsspannung von ±15 V für einen Strom von 1 A. Diese Spannungen werden durch Spannungsregler stabilisiert. Der Transformator muss mindestens 20 W (1 A bei einer Spitzenspannung von ca. 20 V) liefern können – allerdings für jede Halbperiode. Insgesamt muss der Transformator mindestens 40 W liefern können. Das war’s für dieses Mal. In der nächsten Folge werden wir Spannungen vervielfachen.

Anmerkung des Herausgebers: Die Artikelserie „Starting Out in Electronics“ basiert auf dem Buch Basiskurs Elektronik von Michael Ebner, das auf Deutsch und Niederländisch bei Elektor erschienen ist.

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