Gleichrichter – Teil 1

In der Elektrotechnik haben Gleichrichter die Aufgabe, Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln. Spezielle Kondensatoren sollen dabei die gleichgerichtete Spannung glätten. Die Gleichrichter gehören zu der Gruppe der Stromrichter. Die Gleichrichtung erfolgt in fast allen Fällen ungesteuert durch Halbleiterdioden, die über einen Wirkungsgrad von fast 95 % verfügen. Eine gesteuerte Gleichrichtung dagegen erfolgt mit Hilfe von sogenannten Halbleiterbauelementen, den Thyristoren. Für Synchrongleichrichter werden Feldeffekttransistoren (MOSFETs) eingesetzt, die kleine Spannungen und größere Ströme gleichrichten.

Gleichrichter und ihre Anwendung

Die Gleichrichtung von Wechselstrom aus dem Netz soll elektrische Verbraucher mit Gleichstrom versorgen. Weitere Anwendung finden Gleichrichter zum Betrieb von weit entfernten Stromnetzen oder auch bei nicht synchronen Stromnetzen. Außerdem dienen Gleichrichter zu bestimmten Messzwecken und für die Hüllkurvendemodulation auf dem Gebiet der Nachrichtentechnik.

Gesteuerte und ungesteuerte Gleichrichter

Die Gleichrichter gibt es in zwei Arten. Die gesteuerten Gleichrichter werden in gesteuerten Gleichrichterschaltungen verwendet, während die ungesteuerten Gleichrichter in ungesteuerten Gleichrichterschaltungen eingebaut sind.

So funktionieren gesteuerte Gleichrichter:

Die gesteuerten Gleichrichter sind Schaltelemente aus der Elektronik, die Thyristoren und MOSFETs sein können. Sie arbeiten mit einer Steuerspannung, welche die Schalterzeiten zum Öffnen und Schließen regelt. Bei einigen Schaltern fließt der Strom in beide Richtungen. Sie werden auch Synchrongleichrichter genannt, weil die Schalterstellung synchron zur Änderung der Wechselspannung angesteuert wird. Auf diese Weise kann der Strom gleichgerichtet werden.

So funktionieren ungesteuerte Gleichrichter:

Die ungesteuerten Gleichrichter arbeiten ohne Steuerelektronik. Der Umschaltvorgang wird allein durch die anliegende Spannung an den Dioden geregelt. Dioden haben nämlich den Vorteil, dass sie den Strom immer nur in eine Richtung fließen lassen. Anwendungsbeispiele von ungesteuerten Gleichrichtern sind unter anderem Halbleiterdioden, die Namen wie Schottky-Dioden tragen. In den Hintergrund geraten sind dagegen Röhrendioden, Selengleichrichter und Quecksilberdampfgleichrichter.

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DC-Converter

In der Elektrotechnik werden DC-Converter auch als analoge Gleichstromwandler oder Gleichstromsteller bezeichnet. Sie haben die Aufgabe, eine konstante Eingangsspannung in eine andere Ausgangsspannung umzuwandeln. Diese selbstgeführten Stromrichter finden in der Praxis in der elektrischen Antriebstechnik Anwendung. Die drei Grundarten lauten hier Hochsetzsteller, Sperrsteller und Tiefsetzsteller. Alle drei Typen funktionieren nach dem Prinzip des Gleichspannungswandlers.

Regelung eines DC-Converters

Für die Regelung eines DC-Converters oder Gleichstromstellers sind verschiedene Verfahren möglich, um eine gewünschte Ausgangsspannung zu erhalten. Gleichstromsteller schalten den Eingangsstrom grundsätzlich permanent ein und aus, so dass am Ausgang kein reiner Gleichstrom vorhanden sein kann. Außerdem ermöglichen in der Schaltung von DC-Convertern eingebaute Induktivitäten keine sofortige Abschaltung der Stromversorgung. Aus diesem Grund baut man antiparallel zum Schalter eine sogenannte Schutzdiode ein, die für die Zeit der Abschaltung den Stromfluss übernimmt und auf diese Weise die magnetische Feldenergie abgebaut werden kann. Oft kommen in elektrischen Verbrauchern zusätzlich Glättungskondensatoren zum Einsatz, um mögliche Störungen der Ausgangsspannung zu verhindern.

Verfahren zur Regelung eines DC-Converters

Für die Einstellung der gewünschten Ausgangsspannung werden bei DC-Convertern oder Schaltnetzteilen unterschiedliche Verfahren angewandt. Diese Verfahren sollen die erforderlichen Schaltzeitpunkte des Schalters regeln. Die Steuerung kann nach bestimmten Kriterien unterschieden werden, die je nach Kombination mehr oder weniger vorteilhaft sind.

Es gibt drei Größen, um Steuerungen von DC-Convertern zu charakterisieren:

  1. Regelgröße: Voltage Mode, Current Mode, Hysteretic Mode
  2. Frequenz: Pulsweitenmodulation (PWM), Pulsfrequenzmodulation (PFM), Hysteretic Mode
  3. Strom/Spulenzustand: Unterbrochener Stromfluss (DCM), Kontinuierlicher Stromfluss (CCM)
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Vorteile von Hutschienen Netzteilen

Die Hutschienen Netzteile sind Netzteile, die an einer Hutschiene befestigt werden können. Im Elektrohandwerk werden diese Hutschienen auch Tragschienen genannt. Sie sind praktisch und vielseitig einsetzbar. Verwendet werden diese Schienen, um an ihnen Hutschienen Netzteile oder andere elektrische Bauteile in Verteilerkästen oder Schaltschränken zu montieren. Meist werden die Bauteile von der Seite aufgeschoben oder von vorne praktisch befestigt. Vorteilhaft sind diese Hutschienen daher für die schnelle und sichere Montage. Die Hutschienen sind aus unterschiedlichen Materialien gefertigt und können aus Aluminium, Kupfer oder Stahl bestehen.

Hutschienen im Detail

Die Hutschienen sind sogenannte Tragschienen für Netzteile, die ein U-förmiges Profil aufweisen. Sie haben meist die Maße 35 mm x 7,5 mm oder 35 mm x 15 mm und entsprechen in beiden Fällen der Norm EN 50022. Eine Variante zu den Hutschienen (engl. DIN Rail) sind die G-Schienen, die ein G-förmiges Profil tragen. Oft werden sie auch C-Schienen genannt und tragen die Norm EN 50035 mit den Maßen 35 mm x 10 mm x 8 mm.

Von Vorteil können für Hutschienen Netzteile die Materialien Aluminium oder Kupfer sein. Hutschienen aus diesen Materialien haben außer der Befestigungsfunktion auch die Wirkung als Schutzleiter (PE-Leiter) oder Schutzleiter sowie Neutralleiter (PEN-Leiter). Das Material Stahl kann als PE-Schiene verwendet werden, sollte allerdings aufgrund der verminderten Leitfähigkeit nicht als PEN-Schiene dienen.

Mehr zu Elektrotechnik auf der Seite des ETI – Elektrotechnisches Institut.

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DC-DC Wandler

Der DC-DC Wandler, oder auch Gleichstromsteller genannt, ist ein selbstgeführter Stromrichter, der elektrischen Strom unter Verwendung von z.B. Transistoren in eine andere Stromart umwandeln kann. Der DC-DC Wandler hat die Aufgabe, durch periodisches Schalten die Ausgangsspannung zu verändern. Anwendung findet der Gleichstromsteller in der Elektrotechnik auf dem Gebiet der Antriebstechnik. Wissenswert ist in diesem Zusammenhang, dass das Prinzip des Gleichstromstellers mit dem des Gleichspannungsreglers identisch ist und nur das Einsatzgebiet der beiden Wandler variiert.

Der Gleichspannungswandler

Der Gleichspannungswandler ist ebenfalls ein DC-DC Wandler und somit ein selbstgeführter Stromrichter. Die Schaltung soll die Spannung übersetzen und durch periodisches Schalten Spannung oder Strom regeln. Zur Energiespeicherung dient dabei eine Spule oder ein Wandler-Transformator. Es können in diesem Fall aber auch Ladungspumpen zum Einsatz kommen, wenn keine Induktivität zur Verfügung steht oder nur eine geringe Ausgangsleistung erforderlich ist. Diese Ladungspumpen sind eine günstige Alternative zu DC-DC Wandlern.

Anwendung von DC-DC Wandlern

Die DC-DC Wandler oder Gleichspannungswandler werden in Schaltnetzteilen für den Betrieb von elektrischen Verbrauchern verwendet. Diese Verbraucher können Notebooks, PC-Netzteile oder Mobiltelefone sein. Die Schaltnetzteile haben gegenüber linear geregelten Netzteilen einige positive Eigenschaften. Sie verfügen über einen hohen Wirkungsgrad und eine geringe Wärmebildung. In der elektrischen Antriebstechnik kommen Gleichstromsteller bzw. DC-DC Wandler im Bereich des Elektroantriebs zum Einsatz. Beispielsweise wird in Elektrofahrzeugen unter anderem über einen DC-DC Wandler das Bordnetz mit Strom aus der Batterie versorgt.

Wandler, welche galvanisch nicht getrennt sind, können auf Rechnerplatinen als Wandler dienen. Diese werden zur Stabilisierung des Prozossors / CPU zum Einsatz gebracht. Hier geben sie dem Kern die nötige Strom Stabilität. Ein weiteres Beispiel für den Einsatz befindet sich in den 24V Bordnetzen von LKWs, in denen 24V in 12V gewandelt werden. Man nennt Geräte zur Wandlung einer höheren Ausgangsspannung Transverter.

Mehr zum Thema: Leistungselektronik der Uni Stuttgart

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