Informations- und Kommunikationstechnik

Präzisionsgleichrichter

Die Halbleitergleichrichter haben keine lineare Kennlinie. Um in die Leitphase zu gelangen, sind bei Siliziumdioden 0,7 Volt, bei Germaniumdioden 0,3 Volt und beim Kupferoxydulgleichrichter im besten Fall 0,2  Volt zu überschreiten. Mit Eingangsspannungen unterhalb dieser Diffusions- oder Schleusenspannung bleiben die Halbleiter gesperrt. Der in Messgeräten lange Zeit eingesetzte Kupferoxydulgleichrichter besteht aus einer Kupferelektrode mit einer Kupfer(I)-Oxid Beschichtung. Sie wirkt als Sperrschicht und eine Bleielektrode bildet den Gegenpol. Der Nachteil des Kupferoxydulgleichrichters ist ein im Sperrbereich schon bei sehr niedrigen Spannungen schnell zunehmender Sperrstrom von 10 ... 500 µA.

Die in dieser Hinsicht besseren Kenndaten hat die Schottkydiode, ein Metall-Halbleiter-Kontakt mit einer Schwellenspannung von 0,3 Volt. Der Nachteil aller Gleichrichter ist die zu überwindende kleine Diffusions- oder Schwellenspannung. In passiven Schaltungen können sie kleine Wechselspannungssignale entweder gar nicht oder nur mit nicht tolerierbaren Verzerrungen verarbeiten.

Spitzenwert-Präzisionsgleichrichter

Ein Operationsverstärker kann mit seiner hohen Leerlaufverstärkung die Eigenschaften einer Diode idealisieren. In aktiven Schaltungen werden Wechselspannungssignale ohne Lücken um den Nulldurchgang verzerrungsfrei verarbeitet. Die einfachste Anwendung ist der Spitzenwertgleichrichter mit einer Diode und einem OPV. Wechselspannungen sehr kleiner Amplituden unter 300 mV lassen entweder nur mit einem Oszilloskop oder mit Multimetern messen, die über eigene Messverstärker verfügen. In der Nachrichtentechnik werden amplitudenmodulierte Signale am einfachsten an einer Diode demoduliert. Das setzt aber eine Mindestamplitude der Trägerfrequenz voraus, die deutlich oberhalb der Diodenflussspannung bleibt.

Das folgende Beispiel zeigt mit den Oszillogrammen die Funktionsweise eines aktiven Spitzenwertgleichrichters. Der OPV wird nicht invertierend vom Eingangssignal Ue angesteuert und verstärkt ein positives Signal mit seiner Leerlaufverstärkung. Die Ausgangsspannung U* direkt am Ausgang des OPVs lässt die Diode leitend werden und koppelt die Spannung an den invertierenden Eingang zurück. Für die positive Halbwelle ist die Eingangsdifferenzspannung am OPV 0 Volt. Die Ausgangsspannung Ua am Widerstand folgt daher exakt der Eingangsspannung.

aktiver Spitzenwertgleichrichter

Für die negative Halbwelle der Eingangsspannung wird die direkte Ausgangsspannung U* bis zur Aussteuergrenze des OPVs negativ. Die Diode bleibt gesperrt und am Ausgangswiderstand werden 0 V gemessen. Die Schaltung arbeitet ab 0 V als idealer Halbwellengleichrichter. Voraussetzung für ein optimales Arbeiten der Schaltung sind kurze Umschaltzeiten der Diode.

Das folgende Beispiel zeigt die optimale Arbeitsweise des aktiven Spitzenwertgleichrichters bei der Demodulation eines sehr kleinen amplitudenmodulierten Signals. Die Amplitude der Ausgangsspannung folgt der Eingangsspannung und lädt den Kondensator auf den jeweiligen Spitzenwert des AM-Signals auf. Bei negativen Eingangsamplituden bleibt die Diode gesperrt. Der Last- oder Entladewiderstand am Ausgang verhindert, dass sich der Kondensator auf den maximalen Eingangsspitzenwert konstant aufladen kann.

AM Demodulation mit aktivem Spitzenwertgleichrichter

Einweg-Präzisionsgleichrichter

Die beschriebene einfache Schaltung hat den Nachteil, dass der OPV bei einer Halbwelle in den übersteuerten Zustand gelangt. Die folgende erweiterte Schaltung eines invertierenden aktiven Einweggleichrichters verhindert diesen Zustand. Der Eingangswiderstand der Schaltung, mit dem die Quelle belastet wird, ist viel niedriger als beim nicht invertierenden OPV und wird vom Eingangswiderstand R1 bestimmt.

aktiver Einweggleichrichter

Der OPV invertiert die positive Sinushalbwelle, wodurch die Diode G1 leitet und G2 sperrt. Die Ausgangsspannung bleibt auf 0 Volt. Mit negativer Sinushalbwelle wird der direkte Ausgang des OPVs positiv und die Diode G2 leitet Strom über R2 an den invertierenden Eingang zurück. Der Signalverlauf der gesamten negativen Halbwelle wird mit dem Widerstandsverhältnis R2 / R1 verstärkt und erscheint als invertierte Ausgangsspannung Ua. Den Ausgangswiderstand der Schaltung bestimmt R2. Die Arbeitsweise der Schaltung ist unabhängig von der Diffusionsspannung der Diode. Die in der Simulation gemessene Gleichspannung am Ausgang stimmt mit dem errechenbaren Gleichrichtwert, dem absoluten arithmetischen Mittelwert einer Einweggleichrichtung überein.

Zweiweg-Präzisionsgleichrichter

Die Schaltung erweitert mit einem zusätzlichen Umkehraddierer, erzeugt mit einer Sinusspannung am Eingang die Ausgangsspannung einer Zweiweggleichrichtung. Die Eingangsspannungen des Umkehraddierers sind die invertierte Spannung der Einweggleichrichtung und die zur Eingangsspannung phasengleiche halbe Amplitude der Sinusspannung. Die dargestellten Oszillogramme der einzelnen Spannungen verdeutlichen die Arbeitsweise der Schaltung. Die Reihenschaltung aus R3 und R4 halbiert die Eingangsspannung. Der Umkehraddierer verstärkt beide Eingangsspannungen mit dem gleichen Faktor R5 / R4.

aktiver Zweiweggleichrichter

Das zur positiven Halbwelle der Eingangsspannung am Eingang des Umkehraddierers anliegende Signal der Einweggleichrichtung ist negativ. Hinzu addiert wird die halbe Amplitude der positiven Sinushalbwelle von Ue. Der Umkehraddierer wird mit der halben Amplitude der negativen Summenspannung angesteuert und invertiert diese zur ersten positiven Halbwelle der Ausgangsspannung. Während der negativen Halbperiode der Eingangsspannung erzeugt die Einweggleichrichtung kein Ausgangssignal. Der Umkehraddierer wird nur mit der halben Signalamplitude des Eingangssignals angesteuert. Er invertiert das Signal zur zweiten positiven Halbwelle von Ua.

Ein zum R5 parallel geschalteter Kondensator von 2,2 µF würde für eine geglättete Ausgangsgleichspannung ausreichen sein. Der DC-Wert errechnet sich schaltungsbedingt aus dem halben Gleichrichtwert einer normalen Zweiweggleichrichtung. Bei der zur Simulation gewählten Sinusspannung mit 10 V Spitze konnten 3,183 V DC gemessen werden. Die Gleichspannung ist bis zum Erreichen des maximal erlaubten Ausgangsstroms von der Belastung unabhängig.

Soll die Schaltung in einem Spannungsmessgerät als Präzisionsgleichrichter den Effektivwert der angelegten Sinusspannung anzeigen, so kann mit dem Widerstandsverhältnis der notwendige Korrekturfaktor eingestellt werden. Das Verhältnis zwischen dem Effektivwert und arithmetischen Mittelwert beträgt 1,111. Mit R5 / R4 = 2,222 wird der Effektivwert einer Sinusspannung angezeigt.