Gleichrichter

Gleichrichter werden in der Elektrotechnik zur Umwandlung des elektrischen Wechselstroms zu Gleichstrom verwendet.

Einweggleichrichter
Inhaltsverzeichnis
1 Gleichrichtertypen
2 Bauarten
3 Geschichte
4 Brückengleichrichter
5 Glättung
6 Weitere Gleichrichterschaltungen
7 Steuerbare Gleichrichter
8 Sonstiges
9 Weblinks
10 Siehe auch

Gleichrichtertypen

Einweggleichrichtungen
Die negative Halbwelle des Wechselstromes wird unterdrückt.
Zweiweg-/Doppelweggleichrichtungen
Die negative Halbwelle wird ebenfalls genutzt.

Gleichrichter müssen je nach Verwendungszweck, also auch eingehende Phasen und Belastung, dimensioniert sein.

Bauarten

Es gibt verschiedene Möglichkeiten zur Realisierung der Gleichrichtung. Beim so genannten Kontaktgleichrichter wird ein Kontakt mit Hilfe eines Relais synchron zur Frequenz der gleichzurichtenden Wechselspannung bewegt. Taucht man in verdünnte Schwefelsäure eine Platinelektrode und eine Niobelektrode ein und legt an diese eine Spannung, so kann nur Strom fließen, wenn die Niobelektrode Kathode ist. Man spricht hier von einen elektrolytischen Gleichrichter. Solche Gleichrichter können auch mit anderen Elektrolyten und Metallen realisiert werden. Wichtig ist, dass eine Elektrode aus einem Metall mit hoher Neigung zu Passivierung, wie einem Refrektärmetall oder Aluminium besteht. Früher häufig verwendet war auch die Röhrendiode. Sie funktioniert durch Glühemission von Elektronen aus der beheizten Kathode einer Elektronenröhre. Die Kathode kann nur Elektronen emitieren, wenn sie Minuspol ist. Beim Quecksilberdampfgleichrichter übernimmt eine Kathode aus flüssigem Quecksilber diese Funktion. Sie kann Elektronen leichter emittieren als die aus Eisen, Wolfram oder Graphit gefertigten Elektroden des Quecksilberdampfgleichrichters. Heute wird nur noch der Halbleitergleichrichter verwendet. Er besteht aus einem n-dotierten und einem p-dotierten Material. Strom kann nur fließen, wenn das p-dotierte Material am positiven Pol und das n-dotierte Material am negativen Pol hängt. Andernfalls befinden sich in der Mitte des Gleichrichters zu wenig Ladungsträger und es fließt (im Idealfall!) kein Strom.

Geschichte

Die erste Vorrichtung zur Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom war der Kommutator einer rotierenden elektrischen Maschine (Umformer). Da an Kommutatoren relativ hoher Verschleiß an den Kohlebürsten auftritt, versuchte man bald andere Wege zur Gleichrichtung von Strom zu finden.

Der erste Schritt für hohe Spannungen bei kleineren Strömen war der Quecksilberdampfgleichrichter. Ein Quecksilberdampfgleichrichter besteht aus einem Glaskolben in dem unten eine Kathode mit einem Quecksilbersee ist. Darüber wölbt sich ein Glaskolben, der das Quecksilber wieder kondensiert. Seitlich sind wie Arme Glaskolben mit Graphitelektroden als Anoden angeschmolzen. Der Strom kann nur durch das bei Entladungen verdampfte Quecksilber vom See zu den Graphitelektroden fließen, in die andere Richtung fehlt das leitende Quecksilber.

Später wurden die ersten Halbleitergleichrichter in Form von Selen-Plattengleichrichtern erfunden. - Eine Selenplatte hat gewöhnlich eine Sperrspannung von 17 V und einen relativ hohen Flusswiderstand. Um große Spannungen gleichzurichten, wurden die Selenplatten gestapelt, was dem Verfahren ein charakteristisches Aussehen verlieh. Zum Beispiel für die Gleichrichtung der 17 kV Beschleunigungsspannung am Zeilentrafo des Fernsehers kamen sie zum Einsatz.

Im Niederspannungsbereich wurden die Detektorkristalle erfunden: Ein Halbleiter-Metall-Übergang der aus einem Halbleiterkristall und einer tastenden Metallspitze bestand.

Brückengleichrichter

Der heute vermutlich bedeutendste Gleichrichter ist der Brückengleichrichter (Graetzschaltung), der aus einer Schaltung von vier Dioden gebildet wird, die je nach Sperrrichtung der Diode nur eine Halbwelle des Wechselstromes durchlassen. So erscheint die negative Halbwelle des Wechselstromes im Gleichstromkreis ebenfalls positiv.

Zweiweggleichrichtung mit Brückengleichrichter
(Dioden-Schaltung nach Graetz)

Glättung

Durch Gleichrichtung entstehen aufgrund der ursprünglichen Wellenform der Spannung Unregelmäßigkeiten. Geglättet werden können diese durch einen parallel zum Verbraucher geschalteten Kondensator, der die Wellentäler ausgleicht. Die ab hier vorhandene Restwelligkeit bezeichnet man als Brummspannung. Weiter reduziert werden kann die Brummspannung durch nachgeschaltete so genannte Siebglieder (Filter).

Gleichrichter mit Glättungskondensator
(Dioden-Schaltung nach Graetz mit Glättungskondensator)

Weitere Gleichrichterschaltungen

Bei einem Einweggleichrichter wird nur eine Halbwelle der Wechselspannung gleichgerichtet. Ein solcher Gleichrichter besteht aus einer Diode. In der Halbperiode, in der die Diode in Durchlassrichtung betrieben wird, wird eine Spannung am Ausgang aufgebaut. Die Diode wird in der zweiten Halbperiode in der Sperrrichtung betrieben. Es fließt also kein Strom durch die Diode und es kann so keine negative Spannung aufgebaut werden. Somit ist die Wechselspannung gleichgerichtet. Die Gleichspannung wird in der Regel noch geglättet. Der Nachteil von Einweggleichrichtern ist, dass die Welligkeit der Ausgangsspannung mit zunehmender Belastung zunimmt. Die Welligkeit hat die Frequenz der Eingangsspannung.
thumb|Zweiweggleichrichtung mit Mittelpunktschaltung
Bei einem Mittelpunktgleichrichter werden beide Halbwellen der Wechselspannung gleichgerichtet. Verwendet wird dazu ein Transformator mit Mittelabgriff, der als gemeinsame Masse dient. An die beiden anderen Anschlüsse des Transformators werden je eine Diode in gleicher Durchlassrichtung geschaltet.

Steuerbare Gleichrichter

Steuerbare Gleichrichter sperren den Strom in beide Richtungen, bis an der Steuerelektrode ein Zündimpuls erfolgt. Auch nach Erlöschen des Steuerpulses bleibt der Stromfluss bestehen. Erst wenn der Strom unter einen bestimmten Schwellwert (Haltestrom) sinkt, sperrt er wieder. Steuerbare Gleichrichter finden Anwendung in Dimmern, Drehzahlsteuerung von Gleichstrom- bzw. Universalmotoren (z.B. in Lokomotiven, Industrieanlagen oder Haushaltsgeräten) und in Anlagen der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung. Früher wurden für diesen Zweck gittergesteuerte Quecksilberdampfgleichrichter, wie Thyratrons und Ignitrons eingesetzt. Heute werden für diesen Zweck nur noch Thyristoren verwendet.

Sonstiges

thumb|Quecksilberdampfgleichrichter von Siemens, für 560 V 1330 A Die größten jemals zum Einsatz gekommenen Gleichrichter sind die steuerbaren Quecksilberdampfgleichrichter der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungsanlage Nelson River Bipol 1. Sie besitzen eine Sperrspannung von 150kV und einen maximalen Durchlassstrom von 1800 Ampere.

Weblinks

Siehe auch

See also: Gleichrichter, Aluminium, Anode, Effektgerät, Eisen, Elektrische Spannung, Elektrischer Strom, Elektrode, Elektrolyt, Elektron