Ensretter

Silikone bro ensretter ; nederst til venstre en selen -ensretter i fladt design

Ensretter inden for elektroteknik og elektronik til at konvertere AC -spænding til brugt DC -spænding . Ud over invertere og omformere danner de en undergruppe af effektomformere .
For at bekæmpe vekslende komponenter (resterende halvbølger ) udglattes normalt en udbedret spænding.

En berigtigelse bruges f.eks

at forsyne jævnstrøm-drevne elektriske forbrugere fra vekselstrømnettet
til tilslutning af fjerntliggende net eller tilkobling af ikke-synkrone net via højspændingsstrømstransmission (HVDC)
til måleformål,
til applikationer inden for telekommunikation , f.eks. til kuvertdemodulation .

Udbedringen er normalt ukontrolleret af halvlederdioder . Aktive elektroniske komponenter som f.eks B. tyristorer tillader kontrolleret rektificering ved fasestyring . Felteffekttransistorer ( MOSFET'er ) bruges i synkrone ensrettere - især ved udbedring af små spændinger og store strømme - og tillader på grund af deres lavere fremspænding større effektivitet, end det ville være muligt med halvlederdioder.

historie

I 1873 opdagede Frederick Guthrie , at et positivt ladet elektroskop ville aflade, hvis du bragte et jordet, glødende stykke metal i nærheden af det. Når elektroskopet er negativt ladet, sker der ikke noget, hvilket betyder, at den elektriske strøm kun kan strømme i en retning.

Krystal detektor fra tidligere detektor modtagere

I 1874 opdagede Karl Ferdinand Braun retningsbestemt elektrisk ledning i visse krystaller. ^[1] Han fik krystalretteren patenteret i 1899. ^[2] Coherer, en tidlig form for dioden, stammer fra omtrent samme tid.

Den indiske forsker Jagadish Chandra Bose var den første til at bruge krystaller til at opdage elektromagnetiske bølger i 1894. ^[3] ^[4] Den første praktisk anvendelige krystaldetektor fremstillet af silicium blev udviklet i 1903 til radiotekniske applikationer af Greenleaf Whittier Pickard , som fik den patenteret i 1906. ^[5] I den følgende periode blev der dog brugt mere almindeligt blysulfid , fordi det var billigere og lettere at bruge.

Thomas Edison genopdagede Guthries observation i 1880, mens han eksperimenterede med glødelamper og fik effekten patenteret i 1884 uden at kende en mulig anvendelse. Owen Willans Richardson beskrev senere effekten videnskabeligt, hvorfor den nu kaldes Edison-Richardson-effekten . Omkring tyve år senere indså John Ambrose Fleming , der først var ansat i Edison og senere en videnskabelig rådgiver for Marconi Wireless Telegraph Company , at Edison-Richardson-effekten kunne bruges til at detektere svage radiosignaler. Han havde den første anvendelige applikation, rørdioden ("Fleming ventil") patenteret i 1904 ^[6] .

Alle de hidtil beskrevne effekter var kun egnede til meget lave strømme. Den stigende spredning af elektrisk energi krævede imidlertid kraftfulde ensrettere, fordi den fortrinsvis genereres af generatorer . Da de elektriske processer i halvledere først blev afklaret efter omkring 1950 (efter opfindelsen af den bipolare transistor ), blev der anvendt forskellige andre ensretterprincipper.

Fysiske principper

Mekanisk ensretter

Historisk mekanisk højspændingsretter med roterende hjul

I begyndelsen af det 20. århundrede blev der kun brugt elektromekaniske ensrettere til at konvertere vekselstrøm til jævnstrøm:

I tilfælde af tilsvarende omformere sidder en vekselstrømsmotor og en jævnstrømsgenerator på en fælles aksel. Disse omformere blev ofte brugt til spændingstransformation og elektrisk isolation fra netværket på samme tid.
Såkaldte choppere blev brugt som invertere af jævn spænding til efterfølgende transformation ved hjælp af en transformer. De kombinerede en selv-oscillerende inverter, der arbejder med kontaktkontakter (f.eks. Med en Wagner-hammer ) og et andet sæt kontakter, der er kombineret med den til synkron udbedring. På grund af slid på kontakterne var disse designet til at kunne udskiftes (plug-in base).
Roterende mekaniske ensrettere havde et hjul med elektriske kontakter, der gjorde det muligt at skifte AC -spændingen på præcise tidspunkter. Hjulet blev drevet af en synkron motor, hvilket sikrede synkronisering mellem rotationsbevægelsen og ændringen i polariteten af vekselstrømmen. Konstruktionen blev leveret med vekselstrømsspænding fra en højspændingstransformator, for eksempel for at generere den høje jævnspænding for elektrostatiske udfældere. Kontaktomformeren var en videreudvikling af dette princip. ^[7]
Indtil omkring 1970 blev ladestrømmen til akkumulatorerne i motorkøretøjer genereret af jævnstrømsgeneratorer med mekaniske ensrettere ( kommutatorer ). Udviklingen af kraftfulde halvlederdioder gjorde brugen af mere kraftfulde trefasede generatorer mulig.

Ulemper ved mekanisk udbedring er kontakt erosion , især med højere strømme, synkroniseringsproblemer og begrænsning til frekvenser under omkring 500 Hz.Den store fordel ved den forsvindende lave fremspænding og tilsvarende meget lave effekttab er først for nylig blevet opnået igen med kontrollerede MOSFET -ensrettere .

Elektrolytisk ensretter

Princippet om anodisk oxidation , som spillede en rolle i de tidlige dage med elektrisk telegrafi og telefoni, åbnede en mulighed for udbedring. To elektroder nedsænket i en elektrolyt , f.eks. Fortyndet svovlsyre , kan have ensretterlignende egenskaber. Den ene elektrode skal være fremstillet af et ædelmetal, for eksempel platin , den anden af et metal, der danner et tykt oxidlag gennem anodisk oxidation, såsom niob , tantal eller aluminium . Med dette arrangement kan strøm kun flyde, hvis det anodisk oxiderbare metal fungerer som en katode. Disse ensrettere er også kendt som våde ensrettere eller elektrolytiske ensrettere og kan bruges op til spændinger på omkring 300 V. ^[8] De største ulemper - positionsfølsomhed og giftige eller ætsende dampe - begrænsede antallet af applikationer.

Kviksølvdamp -ensretter

En anden udvikling var kviksølvdampensretteren, som også kunne bruges til højere output, f.eks. Til at fodre en luftledning på en sporvogn. Den består af en glaspære i den nedre ende, hvoraf der er en katode med tilførsel af kviksølv (damkatode). Glaspæren, som kviksølv kondenserer på, bukker igen over den. Arme med grafitelektroder som anoder er fusioneret til siderne. Elektroner kan kun strømme fra damkatoden til grafitelektroderne. For at gøre dette skal tændspændingen for gasudladningen opnås, og UV -lys genereres som en bivirkning.

Tør ensretter

Plade ensretter

Selen -ensretter i typisk pladekonstruktion

Et par årtier senere blev de første halvleder -ensrettere, såsom selen -ensrettere og kobberoxid -ensrettere, opfundet. Da der ikke blev brugt væsker, blev de også omtalt som tørrettere . De består af en metalplade, hvorpå et lag selen eller kobberoxid, forsynet med tin og en kontaktfjeder, påføres. Pladestørrelsen på en selen -ensretter er mellem en kvadratmillimeter og over 100 kvadratcentimeter, afhængigt af strømstyrken. Den maksimalt tilladte omvendte spænding for en sådan selen -ensretterplade er kun 15 til 50 V , fremspændingen er relativt høj ved 0,7 til 1,5 V; kobberoxid -ensretteren har en lavere fremspænding, men også en lavere omvendt spænding på kun ca. 10 V. For at rette op på højere spændinger blev pladerne stablet, dvs. forbundet i serie . Balancering er ikke påkrævet. Antallet af plader bestemmer den maksimale omvendte spænding. Såkaldte selenstænger indeholdt et stort antal små selen-ensretterdiske og blev indtil 1970'erne blandt andet brugt til at rette anodespændingen på billedrør i sort-hvide fjernsynsapparater. De havde blokerende spændinger op til over 20 kV; På grund af det store antal individuelle elementer var fremspændingen imidlertid også tilsvarende høj.

På grund af den typiske peberrod eller hvidløglignende lugt, når en selen-ensretter er overbelastet, blev ordet "ensretter" ofte udtalt som "det lugter det samme" i teknisk jargon.

Tipdioder

I begyndelsen af det 20. århundrede, detektor krystaller fremstillet af galena eller pyrit blev primært anvendt i detektor -modtagere - en halvleder - metal junction, som bestod af en halvleder krystal og en taktil metalspids, som passende steder til demodulering AM blev søgt udsendelser . Dette mekanisk meget følsomme og ineffektive eksperimentelle arrangement blev meget hurtigt erstattet af den hurtigt fremskridende udvikling af elektronrøret , hvilket muliggjorde kredsløb, der kunne forstærke og rette op på samme tid ( Audion ).

Ulemper er de lave blokeringsspændinger på omkring 15 V og frem for alt det lave forhold mellem blokeringsmodstand og fremadrettet modstand, som er lidt over 1 og ikke længere opfylder nutidens standarder.

Senere blev tipdioder baseret på germanium fremstillet i stor skala, hvis formål stadig var udbedring af høje frekvenser ned til centimeterbølgeområdet.

Moderne halvlederensrettere

SMD Schottky -diode i ca. 1 A

Gennembruddet i udviklingen af ensrettere kom efter forskning i pn -krydset efter opfindelsen af den bipolare transistor i 1947 og fremstilling af flade dioder ved hjælp af diffusion eller epitaxy .

Germaniumdioder blev brugt i en længere periode, indtil siliciumdioder senere blev udviklet, som er forbundet med højere temperaturbestandighed.

Schottky -dioderne , som havde været kendt længe, blev videreudviklet for at kunne bruge dem som ensrettere til store strømme og lave spændinger. Deres egenskaber er den lave fremspænding, den lave omvendte spænding og den relativt høje reststrøm. I denne henseende kan de sammenlignes med germaniumdioder, men har ingen hukommelseseffekt og kan derfor bruges ved meget høje frekvenser.

For at opnå høje blokeringsspændinger med korte opbevaringstider, bliver siliciumcarbid- dioder i stigende grad brugt til at rette op på switchede strømforsyninger med højere spændinger.

Funktioner ved nutidens halvlederdioder inkluderer lavterskelspændingen på et godt stykke under en volt (germanium og Schottky-dioder typisk 0,3-0,4 V, siliciumdioder 0,6 V), det store forhold mellem strømning og omvendt strøm og det meget lille design.

Skiftestrømforsyninger , DC-spændingsomformere og frekvensomformere blev først driftssikre og vedligeholdelsesfrie efter opfindelsen af halvlederdioder.

Diode -ensretters blokeringsspændinger er mellem 50 og 1500 V. Højere spændinger kan opnås ved at forbinde dem i serie.

Udbredte ensretterdioder til små strømme i lavfrekvensområdet er ensretterdioder af type 1N4001 til 1N4007 (omvendt spænding fra 50 til 1000 V)^[9] for strømme op til 1 A og ensretterdioder af typerne 1N5400 til 1N5408 ^{[10 ]} for strømme op til 3 A.

Ulempen i forhold til historiske ensretterstyper er følsomheden over for overbelastning. Årsagen er krystalets lave masse. Det er derfor, krystalltemperaturen stiger så meget efter meget kort tid (et par millisekunder), at PN -laget ødelægges irreversibelt i tilfælde af en overstrøm. Hvis den omvendte spænding overskrides, er det kun få typer dioder, der er i stand til at forhindre lokal overophedning ved hjælp af en kontrolleret nedbrydning ( lavinedioder ).

Rørdioder

En rørdiode eller vakuumdiode er et elektronrør med en opvarmet katode og en eller to (sjældent mere end en) anode (r). I de tidlige dage med broadcast-teknologi var rørdioder standardkomponent i rørmodtagere til at rette op på forsyningsspændingen og demodulere det amplitude-modulerede signal. Ulemper er det voluminøse og skrøbelige glashus, katodens nødvendige varmeeffekt og den høje fremspænding på omkring 40 V med strømme omkring 100 mA. I modsætning hertil er de høje tilladte blokeringsspændinger på op til over 100 kV og den ekstremt høje blokeringsmodstand uovertruffen.

Glød ensretter

I slutningen af 1920'erne blev der også udført forsøg med ensrettere baseret på lysudladninger og specielle designs af glødelamper . ^[11] Processen ligner den for rørdioden, men røret er fyldt med en gas, og katoden opvarmes ikke. Ensrettereffekten er baseret på en asymmetrisk formning af de to udladningselektroder eller på elektrodebelægninger for at reducere katodefaldet. Glødensretteren var ikke i stand til at etablere sig på grund af dets meget dårlige forhold mellem strøm til fremad / tilbage (<100: 1), den lave maksimale strøm og den uforligneligt høje fremspænding på omkring 70 V; brugen af kondensatorer til spændingsudjævning øgede omvendt strøm endnu mere.

Flamme -ensretter

En endnu ikke fuldt ud forstået rektifikationseffekt opstår, når to elektroder er placeret på forskellige punkter på en flamme ( flammeopretning ). ^[12] Effekten bruges i gasdrevne enheder til ionisering af flammeovervågning . ^[13]

Ensretter kredsløb

Ukontrolleret ensretter

Ukontrollerede dioder

I disse kredsløb bruges kun dioder , hvis ledningsevne afhænger af polariteten af den påførte spænding:

Hvis katoden er mere negativ end anoden, og den nødvendige låsespænding (ca. 0,6 V for silicium) overskrides, leder dioden.
Hvis tegnet vendes, blokerer dioden, så længe nedbrydningsspændingen ikke overskrides.

I begge tilfælde skal strømmen begrænses, ellers ødelægges dioden. I det følgende er nogle typiske ensretterkredsløb skitseret, den tekniske forkortelse er angivet i parentes.

Halvbølge-ensretter (E1) (E1U); også enkeltpuls midtpunktskredsløb (M1U)

Sådan fungerer E1 -ensretteren

Med en ukontrolleret halvbølge- ensretter (også enkeltarmskredsløb) udbedres kun en halvbølge af vekselstrømsspændingen, den anden bruges ikke. I løbet af den halve cyklus, hvor dioden drives i fremadgående retning, er der spænding til stede ved udgangen, i den anden halvcyklus blokerer dioden. Ulemper er den forholdsvis store restkrusning på DC -spændingssiden, den dårlige effektivitet og den asymmetriske belastning af AC -spændingskilden. Som følge heraf magnetiseres fodertransformatoren, fordi strømmen kun strømmer gennem den i en retning, hvorfor den skal være designet til ensrettet udligning ( luftspalte ). En sådan ensretter behøver kun en enkelt diode til dette. Den pulserende DC -spænding skal normalt jævnes . Krusningen har frekvensen af indgangsspændingen.

Halvbølge-udbedring kommer fra en tid, hvor ensrettere stadig var meget dyre. I dag kan de kun findes i flyback -omformere eller til at generere hjælpespændinger, når der kun kræves meget lidt strøm. Ellers betragtes envejsrettelse som forældet. Sort-hvide fjernsynsapparater havde en envejs højspændingsretter til at generere billedrørets anodespænding fra flyback-impulserne i flyback-transformeren. Strømradioer og fjernsyn med fuld strøm har en halvbølge -ensretter lavet af selen, senere lavet af silicium, for at rette op på lysnettet og generere anodespændingen . En netværkspæl blev brugt som jordpotentiale; rørvarmere, der drives direkte på nettet, blev forbundet i serie .

Bro ensretter (B2) (B2U)

Kredsløbsdiagram over en B2 -ensretter

Standard ensretter til enfaset vekselstrøm er broens ensretter , også kendt som Graetz kredsløb, Graetz bro eller to-puls bro kredsløb. Navnebroren er den tyske fysiker Leo Graetz . Kredsløbet består af fire dioder: AC -spændingen til venstre, som for eksempel kommer direkte fra en transformer , omdannes til en pulserende DC -spænding (vist til højre).

Da dette er en tovejs-korrektion, forekommer halv-oscillationerne af vekselstrømmen i jævnstrømskredsløbet ved forbrugeren R lige polariseret. Uden en udjævningskondensator forbliver spændingens rms -værdi omtrent den samme. I modsætning til andre typer ensrettere, i dette ensretterkredsløb behøver omvendt spænding for ensretterdioderne kun at være lige så høj som spidsen for vekselspændingen. Af sikkerhedsmæssige årsager vælges den dog lidt højere (til netrettere på 230 volt netværket, for eksempel over 400 V).

Krusningen har to gange frekvensen af indgangsspændingen; Den efterfølgende filterindsats reduceres ved at halvere periodens varighed.

Bro-ensrettere til vekselstrøm og trefaset strøm tilbydes ofte som dioder, der allerede er forbundet til hinanden i et fælles hus. Versioner til højere strøm indeholder en køleoverflade og et hul til montering på en køleplade .

Midtpunktsretter (M2)

Kredsløbsdiagram for en M2 -ensretter

Med midtpunktsretteren bliver begge halvoscillationer af vekselstrømmen også udbedret. Dette kræver imidlertid en transformer med en centerhane, som samtidig danner en pol af den udbedrede udgangsspænding.

Fordelene ved denne midtpunkt forbindelse er, at kun to dioder _D1 og _{D2, kan anvendes,} og at spændingen kun reduceres med en diode fremad spænding. Ulempen er, at det kræver en særlig transformer med større dimensioner, da kun halvdelen af kobberet altid bidrager til strømmen. Med et givet kobbervolumen har hver halvdel af den sekundære vikling omtrent det dobbelte af den interne modstand på grund af den tyndere ledning (der skal være plads til to gange antallet af omdrejninger), hvilket afspejles i effekttabet ( $P=R\cdot I^{2}$ ${\ displaystyle P = R \ cdot I ^ {2}}$ $P = R \ cdot I ^ {2}$ ) modtages.

Det skal også bemærkes, at diodernes omvendte spænding skal være mindst to gange udgangsspændingen. Mens den ene diode blokerer og den anden leder, påføres den fulde transformatorspænding i begge viklingshalvdele på den blokerede.

Krusningen har dobbelt så høj frekvens som indgangsspændingen, hvilket, analogt med brokredsløbet, reducerer den efterfølgende filterindsats sammenlignet med halvbølge-udbedring. Kredsløbet bruges hovedsageligt til lave spændinger (under 10 V) og til switchede strømforsyninger, da fordelene opvejer ulemperne her. I tidligere tider blev midtpunktet kredsløb anvendes ofte i rørindretninger at generere anodespænding, da det eneste der kræves et dyrt ensretterenhed anvendelse duo dioder, ensretter rør med to anoder og en fælles katode- eller multi-anode kviksølvdamp ensrettere.

I dag bruges ofte dobbelte dioder (silicium- eller Schottky -dioder) med en fælles katode. De består af en chip, der indeholder to dioder, og hvis bagside som en almindelig katode er loddet til en køletappe.

Ensretter til trefaset vekselstrøm

Trefaset ensretter i seks-pulsbrokredsløb (B6)

For gennemsnitsudgange på et par kilowatt opad rettes den trefasede vekselstrømsspænding fra elnettet, fordi krusningsspændingen på likspændingssiden derefter er lavere, og der er en lille indsats for at udjævne jævnspændingen.

Trefaset ensrettere bruges inden for elektroteknik såsom sporvogne , der hovedsagelig drives med jævnstrømsspændinger på 500–750 V; ingen udglatning er påkrævet. Det bruges også i nutidens almindelige trefasede generatorer i motorkøretøjer . Udjævningen udføres af startbatteriet .

Før halvlederens ensretters tid blev der også fremstillet flerfasede kviksølvdampsrettere , som var karakteriseret ved en fælles damkatode og flere anoder, der stak opad.

Ensretter kredsløb til spænding multiplikation

Specielle ensretter kredsløb bruges til at multiplicere spændingen. Kombinationer af dioder og kondensatorer er forbundet på en sådan måde, at en påført vekselstrøm resulterer i en multipliceret jævnspænding. Typiske kredsløb er spændingsdobleren , højspændingskaskaden og Greinacher-kredsløbet . Disse kredsløb bruges blandt andet i fjernsynsmodtagere med billedrør til at generere anodespændingen i området fra 18 til 27 kV.

Kontrollerbare ensrettere

Effektregulering på den regulerbare ensretter ved at ændre tyristorens tilkoblingstider (fasestyring); Tid vist ca. 20 ms

Kontrollerede ensretter tårne til 250 kV og 2000 A, der hver består af 96 tyristorer

Alle hidtil beskrevne ensrettere er ukontrollerede . Omskiftningsprocessen finder sted uden yderligere kontrolelektronik, kun på grund af tegn på de elektriske spændinger, der påføres dioderne. Kontrollerbare ensrettere bruges inden for energi og drivteknologi. De tillader ikke kun udbedring, men også effektstyring gennem fasestyring , for med disse komponenter kan du angive det tidspunkt, hvorfra ensretteren bliver elektrisk ledende - den isolerer på forhånd.

På billedet modsat er tyristorernes triggerpuls vist nedenfor som et blåt rektangel. Efter at kontrolpulsen er slukket, fortsætter strømmen (vist med rødt) indtil den næste nulovergang. Ved at ændre tilkoblingstiden kan energien (gråzone), der strømmer til forbrugeren, ændres. Anvendelsesområder er f.eks. Hastighedsregulering af jævnstrøm og universalmotorer i industrisystemer eller små enheder som f.eks. Boremaskiner, i moderne elektriske lokomotiver til opladning af mellemspændingen for jævnspænding og i systemer til højspændings jævnstrømstransmission . Kontrollerede ensrettere i omformere muliggør meget effektiv frekvens- og effektstyring af trefasede motorer i valseværker , elektriske lokomotiver og vaskemaskiner .

Tidligere blev gitterkontrollerede kviksølvdamprettere, såsom thyratrons og ignitrons , der er store, dyre og tabende, brugt til dette formål. I dag bruges thyristorer, isolerede gate bipolare transistorer (IGBT) og i nogle tilfælde power MOSFET'er, som kræver meget mindre køling.

Der findes også såkaldte GTO-thyristorer , som tillader en ventil at blive blokeret af en puls. Disse har imidlertid ringere elektriske værdier og erstattes i stigende grad af IGBT.

Hvis en bro-ensretter har fuldt kontrollerbare grene, er fire-kvadrantdrift mulig med den, dvs. med passende styring kan den levere energi fra vekselstrømssiden til jævnstrømssiden og omvendt. Det tilsvarende kredsløb i form af en H-bro kaldes en firkvadrant- controller og bruges blandt andet i invertere til at generere en vekselstrøm fra en direkte spænding.

De kontrollerbare ensrettere er opdelt i flere kredsløbstopologier, herunder B2HZ, B2HK, B2C og B6C ensrettere. Wien -ensretteren er et kontrollerbart ensretterkredsløb med en særlig lav harmonisk komponent . ^[14]

Derudover er en kontrolleret ensretter vigtig inden for måleteknologi , for eksempel i vekselstrømsbroen .

Synkron ensretter

Synkron ensretter med MOS-FET'er; de uundgåelige inverse dioder (vist i gråt) på MOS-FET'erne forårsager udbedringen, her forbundet som en midtpunktsretter ; gennem den synkrone kontrol forbedrer MOS-FET'erne adfærden for deres egne inverse dioder så at sige

Udbedringen af meget lave spændinger er problematisk, fordi der ikke er nogen ukontrollerede dioder med låsespændinger under 0,2 V ( Schottky -diode ). Lavspændinger kan slet ikke udbedres, med højere spændinger er der bivirkninger:

Med kuvertdemodulatorer forvrænges den demodulerede spænding.
Effektiviteten falder betydeligt ved lave spændinger, og ensretteren bliver varm ved højere strømme.

Derfor bruges blandt andet højtydende synkrone ensrettere i switchede strømforsyninger med lav udgangsspænding.

I denne type ensretter anvendes der ingen komponenter, som i sig selv kun tillader strøm at strømme i en retning; I stedet bruges MOSFET'er , som styres af kontrolelektronik på en sådan måde, at de fungerer som halvlederdioder med en meget lav fremspænding.

Eksempel: Processorer siden omkring år 2000 kræver driftsspændinger på mindre end 2 V, mobile processorer i mellemtiden mindre end 1 V. Denne effekt genereres i den bærbare computer fra 19 V af synkrone omformere, der bruger MOSFET -ensrettere . Fordi forspændingsfaldet i disse komponenter kun er et par snesevis af millivolt, har disse ensrettere en effektivitet på godt 90 procent og kan implementeres uden aktiv køling.

I kredsløbsdiagrammet vist til højre som en del af en omskifterregulator transformeres vekselstrømsspændingen til det krævede spændingsniveau via en transformer, udbedret via de to MOSFET'er, og udgangsspændingen U ₀ udjævnes ved hjælp af spole L og kondensator C . MOS-FET'erne styres af det samme styrekredsløb, der også genererer indgangsfrekvensen; timingen af MOS-FET-kontrollen er således ubegrænset. Styringskredsløbet mangler i kredsløbsdiagrammet af klarhedsgrunde.

Synkrone ensrettere til lave strømme findes i chopperforstærkere , auto-zero-forstærkere og lock-in-forstærkere .

udjævning

Retet vekselstrøm (stiplede grå) udglattes (rød)

Den justerbare serieregulator med OPV reducerer den resterende krusning

Hver ensretter forvandler den originale spændingsbølgeform (ofte sinusformet) til en periodisk svingende DC -spænding; det vil sige, at der stadig er en vekselstrømskomponent tilbage. Viele Verbraucher (beispielsweise elektronische Geräte wie Computer) benötigen aber sehr konstante Gleichspannungen, weshalb die Schwankungen ausgeglichen werden müssen. Diesen Vorgang bezeichnet man als Glättung. Im ersten Schritt erfolgt die Glättung meist durch einen parallel zum Verbraucher geschalteten Kondensator ausreichender Kapazität. Dieser Kondensator wird durch kurze Strompulse aufgeladen, die einsetzen, wenn der Gleichrichterausgang die Ladespannung des Kondensators übersteigt, und die durch den geringen Stromflusswinkel erhebliche Momentanwerte annehmen können. Alternativ kann die Glättung auch durch Induktivitäten in Reihe zum Verbraucher erfolgen, wodurch der Stromfluss durch den Gleichrichter gleichförmiger wird. Der nach der Glättung übrigbleibende Wechselanteil, auch Brummspannung oder Restwelligkeit genannt, kann durch nachgeschaltete Siebglieder weiter reduziert werden. Filter zur Glättung sind Tiefpassfilter .

Eine weitergehende Glättung erfolgt mit einer Spannungsregelung , die Schwankungen der Ausgangsspannung ausgleicht. Diese elektronische Stabilisierung beseitigt die Restwelligkeit der Ausgangsspannung fast vollständig, wodurch auch hohe Ansprüche an die Qualität der Gleichspannung (z. B. bei Labornetzteilen ) befriedigt werden können.

Der Aufwand zur Glättung verringert sich mit steigender Frequenz der Wechselspannung, weshalb immer häufiger Schaltnetzteile eingesetzt werden; sie arbeiten mit Frequenzen deutlich über der Netzfrequenz (z. B. über 40 kHz) und verdrängen vielfach traditionelle Netzteilkonzepte, die noch mit wenig effizienten Längsreglern arbeiten. Für höchste Ansprüche kommt Längsregelung aber nach wie vor in Frage. Evtl. wird sie auch mit Schaltnetzteilen kombiniert, wodurch eine bessere Effizienz ermöglicht wird. Sehr leistungsstarke Gleichrichter werden immer mit Dreiphasenwechselstrom betrieben, weil dabei vom Netz eine sich zeitlich nicht ändernde Gesamtleistung abrufbar ist; die Ausgangs-Gleichspannung bei Verwendung eines Zwölfpulsgleichrichters besitzt auch ohne Glättung oft eine ausreichend geringe Brummspannung.

In älteren Netzteilen für Elektronenröhren wurden Siebdrosseln (zum Beispiel in Form der Feldspule des Geräte-Lautsprechers) eingesetzt. Induktivitäten sind jedoch schwer und teuer, weshalb man sie möglichst vermeidet. Diese beiden Nachteile schwinden mit zunehmender Arbeitsfrequenz, weshalb bei Schaltnetzteilen der Einsatz von Induktivitäten der Regelfall ist: Pi-Filter (zwei Querkondensatoren, dazwischen eine Längsinduktivität) filtern hierbei hochfrequente Anteile.

Gleichrichter in der Messtechnik

Präzisions-Gleichrichtung

In der elektrischen Messtechnik und in der analogen Audiotechnik sind präzise Gleichrichter für kleine Spannungen und kleine Stromstärken notwendig. Sie dienen nicht der Energieversorgung von elektronischen Baugruppen, sondern zur Verarbeitung von Messsignalen .

Phasenempfindliche Gleichrichtung

Im Gegensatz zur einfachen ungesteuerten Gleichrichtung kann sich für die Wechselspannungsmesstechnik bei einer Gleichrichtung, welche synchron zu einem äußeren Vorgang abläuft, das Vorzeichen der Ausgangsspannung umkehren.

Spitzenwert-Gleichrichtung

Bei ständig veränderlicher Spannung kann ihr Maximalwert oder je nach Ausführung ihr Minimalwert erfasst, gespeichert und zur weiteren Verarbeitung bereitgehalten werden. Das ermöglicht sowohl die Scheitelwertmessung als auch die Erfassung außerordentlicher Ereignisse.

Gleichrichter in der Nachrichtentechnik

Detektorradio

Gleichrichter werden in der Nachrichtentechnik zum Nachweis oder zur Demodulation von Hochfrequenzsignalen eingesetzt. Ein einfaches Beispiel ist die Hüllkurvengleichrichtung amplitudenmodulierter Signale bei Detektor-Empfängern . Sie ist in nebenstehender Schaltskizze abgebildet.

Die Spule und der Drehkondensator stellen dabei einen Schwingkreis dar, der auf die gewünschte hochfrequente Trägerfrequenz abgestimmt ist. Die empfangene Spannung, deren Amplitude in Abhängigkeit vom Nutzsignal schwankt, wird über die Diode gleichgerichtet, wodurch am Kopfhörer als Spannungsverlauf die Hüllkurve des Nutzsignals anliegt – die höheren Frequenzanteile der Sendefrequenz werden durch die Induktivität des Kopfhörers unterdrückt.

Diese Form eines Empfängers ist nicht besonders empfindlich und nur für den Empfang naher und starker Sender geeignet. Die Materialien für die Diode bestanden früher unter anderem aus Bleiglanz oder Pyrit und wurden durch eine feine Metallspitze kontaktiert (was eher als Schottky-Diode anzusehen ist), wodurch eine kapazitätsarme gleichrichtende Wirkung erzielt wurde. Später wurden dafür Germaniumdioden verwendet.

Das zugrundeliegende Prinzip wird auch in heutigen Rundfunkempfängern beim Empfang von amplitudenmodulierten Signalen verwendet.

Gleichrichter als nichtlineare Schaltung

Alle Gleichrichter sind nichtlineare Schaltungen, die bei sinusförmigem Spannungsverlauf in Stromversorgungen einen nicht sinusförmigen Stromverlauf auf der Gleichspannungsseite verursachen. Die Nichtlinearität ist bedingt durch die nichtlineare Betragsfunktion und die Effekte infolge der Glättung auf der Gleichspannungsseite.

Der Strom auf der Wechselspannungsseite setzt sich aus mehreren Frequenzkomponenten zusammen, sogenannten Oberschwingungen , die in Wechselspannungsnetzen Störungen verursachen können. Um diese Oberschwingungen klein zu halten, müssen Netzteile mit Gleichrichtern von bestimmten Leistungen an über eine Leistungsfaktorkorrektur verfügen, um die Verzerrungsblindleistung zu minimieren. Das ist eine spezielle Form der Filterung, welche den erwünschten sinusförmigen Stromverlauf auf der Wechselstromseite nachbildet.

Außerdem tritt bei Gleichrichtern, wie bei allen nichtlinearen Schaltungen, eine spezielle Form der Blindleistung auf, die in der Literatur uneinheitlich als Verzerrungsblindleistung oder Verzerrungsleistung bezeichnet wird und sich ähnlich wie die Blindleistung auswirkt. Dabei handelt es sich im Gegensatz zu der Blindleistung, welche auch Verschiebungsblindleistung genannt wird und sich durch eine bestimmte Phasenverschiebung zwischen Spannung und Strom in der Grundschwingung auszeichnet, um eine Form der Blindleistung, die durch starke Oberschwingungen hervorgerufen wird, die durch den meist kleinen Stromflusswinkel entstehen. Diese Verzerrungsblindleistung belastet ebenso wie die Verschiebungsblindleistung die Leitungen und ist unerwünscht, da damit keine Arbeit am Verbraucher verrichtet wird.

Am 1. Januar 2001 trat eine EMV-Norm in Kraft, die Vorschriften über das zulässige niederfrequente Störspektrum (Oberwellen) für elektronische Verbraucher ab 75 Watt festlegt.

Sonstiges

Quecksilberdampfgleichrichter der HGÜ Nelson-River-Bipol 1

Die größten jemals zum Einsatz gekommenen Quecksilberdampfgleichrichter befanden sich in der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage Nelson-River-Bipol 1. Sie wiesen eine Sperrspannung von 150 kV und einen maximalen Durchlassstrom von 1800 A auf. Mitte der 1990er-Jahre wurden sie durch gesteuerte Gleichrichter auf Thyristorbasis ersetzt.
Mit Schottky-Dioden können Gleichrichter mit niedrigerer Flussspannung als mit herkömmlichen Dioden gebaut werden. Die Flussspannung oder Vorwärtsspannung beschreibt den Spannungsabfall an der Diode im leitfähigen Zustand und ist bei Gleichrichtern unerwünscht. Schottky-Dioden kommen vor allem in Schaltnetzteilen zur Anwendung.
Hochspannungsgleichrichter, wie sie in Hochspannungslabors, Röhrenfernsehern , bei Laserdruckern zum Auftragen des Toners oder bei Hochspannungs-Gleichstromübertragungen eingesetzt werden, bestehen aus einer Reihenschaltung von herkömmlichen Dioden. Das ist notwendig, weil Siliziumdioden eine maximale Sperrspannung von nur wenigen Kilovolt haben und es bei Überschreitung dieser Spannung zum Durchbruch kommt. Die Herstellung von Halbleiterbauteilen mit Sperrspannungen von mehr als einigen Kilovolt ist nicht möglich.

Literatur

Manfred Seifart: Analoge Schaltungen. 6. Auflage, Verlag Technik, Berlin 2003, ISBN 3-341-01298-2 .
Ulrich Tietze, Christoph Schenk: Halbleiter-Schaltungstechnik. 12. Auflage, Springer, Berlin 2002, ISBN 3-540-42849-6 .
Otmar Kilgenstein: Schaltnetzteile in der Praxis. 3. Auflage, Vogel, Würzburg 1992, ISBN 3-8023-1436-0 .
Ulrich Nicolai, Tobias Reimann, Jürgen Petzoldt, Josef Lutz: Applikationshandbuch IGBT- und MOSFET-Leistungsmodule . Isle, Ilmenau 1998, ISBN 3-932633-24-5 .

Weblinks

Wiktionary: Gleichrichter – Bedeutungserklärungen, Wortherkunft, Synonyme, Übersetzungen

Commons : Gleichrichter – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

Einzelnachweise

↑ Historical lecture on Karl Braun ( Memento vom 11. Februar 2006 im Internet Archive )
↑ Diode . Encyclobeamia.solarbotics.net. Archiviert vom Original am 26. April 2006. Abgerufen am 6. August 2010.
↑ DT Emerson: The work of Jagadish Chandra Bose: 100 years of mm wave research . In: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 45, Nr. 12, Dezember 1997, S. 2267–2273. bibcode : 1997ITMTT..45.2267E . doi : 10.1109/22.643830 . Abgerufen am 19. Januar 2010.
↑ Tapan K. Sarkar: History of wireless . John Wiley and Sons, USA 2006, ISBN 0-471-71814-9 , S. 94, 291–308.
↑ [US patent 836531]
↑ Road to the Transistor . Jmargolin.com. Abgerufen am 22. September 2008.
↑ Alexander Goldstein: Die Theorie der Kontaktumformer mit Schaltdrosseln. Diss. techn. Wiss. ETH Zürich, 1948, e-collection.ethbib.ethz.ch .
↑ Hermann Goetsch: Lehrbuch der Fernmeldetechnik . 7. Auflage. R. Oldenbourg, 1938.
↑ 1N4001…1N4007 1.0A Rectifier. (PDF; 49 kB) Diodes , 2. Februar 2009, abgerufen am 8. Juli 2013 (englisch).
↑ 1N5400 thru 1N5408 Axial-Lead Standard Recovery Rectifiers. (PDF; 115 kB) ON Semiconductor , 28. Mai 2008, abgerufen am 9. Juli 2013 (englisch).
↑ Nentwig, Geffcken, Richter: Die Glimmröhre in der Technik. Deutsch-Literarisches Institut J. Schneider, Berlin-Tempelhof 1939, S. 110 ff.
↑ HRN Jones: The Application of Combustion Principles to Domestic Gas Burner Design . Routledge , 1990, ISBN 9780419148005 , S. 161.
↑ Die Flammenüberwachung , Arbeitsblatt-Flammenüberwachung, Infoblatt der Steirischen Rauchfangkehrergesellen . Abgerufen im September 2020
↑ JW Kolar, H. Ertl, FC Zach: Design and Experimental Investigation of a Three-Phase High Power Density High Efficiency Unity Power Factor PWM (Vienna) Rectifier Employing a Novel Integrated Power Semiconductor Module. In: Proceedings of the 11th IEEE Applied Power Electronics Conference. San Jose (CA), USA, 3. bis 7. März 1998, Ausgabe 2, S. 514–523.

[1] Historical lecture on Karl Braun ( Memento vom 11. Februar 2006 im Internet Archive )

[2] Diode . Encyclobeamia.solarbotics.net. Archiviert vom Original am 26. April 2006. Abgerufen am 6. August 2010.

[3] DT Emerson: The work of Jagadish Chandra Bose: 100 years of mm wave research . In: IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques . 45, Nr. 12, Dezember 1997, S. 2267–2273. bibcode : 1997ITMTT..45.2267E . doi : 10.1109/22.643830 . Abgerufen am 19. Januar 2010.

[Sarkar-4] Tapan K. Sarkar: History of wireless . John Wiley and Sons, USA 2006, ISBN 0-471-71814-9 , S. 94, 291–308.

[5] [US patent 836531]

[6] Road to the Transistor . Jmargolin.com. Abgerufen am 22. September 2008.

[7] Alexander Goldstein: Die Theorie der Kontaktumformer mit Schaltdrosseln. Diss. techn. Wiss. ETH Zürich, 1948, e-collection.ethbib.ethz.ch .

[8] Hermann Goetsch: Lehrbuch der Fernmeldetechnik . 7. Auflage. R. Oldenbourg, 1938.

[Datenblatt_1N4001-9] 1N4001…1N4007 1.0A Rectifier. (PDF; 49 kB) Diodes , 2. Februar 2009, abgerufen am 8. Juli 2013 (englisch).

[Datenblatt_1N5400-10] 1N5400 thru 1N5408 Axial-Lead Standard Recovery Rectifiers. (PDF; 115 kB) ON Semiconductor , 28. Mai 2008, abgerufen am 9. Juli 2013 (englisch).

[11] Nentwig, Geffcken, Richter: Die Glimmröhre in der Technik. Deutsch-Literarisches Institut J. Schneider, Berlin-Tempelhof 1939, S. 110 ff.

[isbn9780419148005-12] HRN Jones: The Application of Combustion Principles to Domestic Gas Burner Design . Routledge , 1990, ISBN 9780419148005 , S. 161.

[13] Die Flammenüberwachung , Arbeitsblatt-Flammenüberwachung, Infoblatt der Steirischen Rauchfangkehrergesellen . Abgerufen im September 2020

[14] JW Kolar, H. Ertl, FC Zach: Design and Experimental Investigation of a Three-Phase High Power Density High Efficiency Unity Power Factor PWM (Vienna) Rectifier Employing a Novel Integrated Power Semiconductor Module. In: Proceedings of the 11th IEEE Applied Power Electronics Conference. San Jose (CA), USA, 3. bis 7. März 1998, Ausgabe 2, S. 514–523.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10 ]

[11]

[12]

[13]

[14]