Einweggleichrichtung – M1

Die Einweggleichrichtung ohne Ladungsspeicher

Diese einfachste Gleichrichtschaltung verwendet eine Diode. Die Kurzbezeichnung der Schaltung war E (Einweg) und wird heute als Einpulsmittelpunktschaltung M1 oder M1U bezeichnet. Das U steht für ungesteuert und besagt, dass zur Gleichrichtung keine steuerbaren Dioden wie Thyristoren verwendet werden.

Am Ausgang der Schaltung kann Gleichstrom entnommen werden, der eine vorgegebene Flussrichtung hat aber zeitlich nicht konstant ist. Die M1-Schaltung liefert eine Mischspannung, also eine Gleichspannung mit Wechselspannungsanteilen. Die Qualität dieser Gleichspannung genügt nur selten den geforderten Ansprüchen.

In der dargestellten Schaltung leitet die Diode während der positiven Halbwelle der Wechselspannung Ue und bleibt bei den negativen Halbwellen gesperrt. Die Spannung am Lastwiderstand hat die gleiche Periodizität wie die Wechselspannung. Ein Drehspulinstrument würde als Ausgangsspannung den absoluten Gleichwert, auch Gleichrichtwert genannt UAV anzeigen. Ist die Ausgangsspannung Grundlage einer Leistungsberechnung, so wird der Bezug zum Effektivwert Ueff der Wechselspannung hergestellt. Der Wert U− ist höher als der Gleichrichtwert.

Mittels Einweggleichrichtung kann die Ausgangsleistung an einem ohmschen Verbraucher halbiert werden. Diese Methode wird in Sparschaltungen bei Warmhaltegeräten und in einer zweistufigen Helligkeitsschaltung bei Leuchtmitteln angewendet.

Der messbare Maximalwert der geglätteten Gleichspannung ist nach der Diode um den Wert der Diodenschwellenspannung niedriger als der Spitzenwert der Wechselspannung vor der Diode. Die Sperrspannung der Diode muss mindestens so groß wie der Spitzenwert der Wechselspannungen sein. Die Einweggleichrichtung eignet sich nur für kleine Leistungen.

Wird die Wechselspannung einem Transformator entnommen, so machen sich Spannungsschwankungen der Primärseite mit dem Übertragungsfaktor ü = N1 / N2 auch der Sekundärseite bemerkbar. Bei angeschlossener Last fließt der Gleichstrom auch durch die Sekundärwicklung und magnetisiert den Eisenkern. Damit bei maximaler Gleichstromleistung der Trafo nicht in die magnetische Sättigung kommt, muss seine Wechselstromleistung wesentlich größer als die abzugebende Nutzleistung sein.

Nur wenn der Innenwiderstand der Sekundärwicklung klein ist, bleiben bei Lastschwankungen die Spannungsänderungen am Ausgang gering. Der Innenwiderstand kann messtechnisch ermittelt werden: Ri Tr = (Uleer−ULast) / ILast

Die M1-Gleichrichtschaltung erzeugt eine Mischspannung mit großer Welligkeit.
Die Mischspannung hat die gleiche Periodizität wie die Wechselspannung.
Der Diodenstrom fließt während der gesamten Halbwelle, in der die Diode leitet.
Die Dioden Sperrspannung sollte größer als der Spitzenwert der Wechselspannung sein.

Einweggleichrichtung mit Ladekondensator

Die Ausgangsspannung nach der Diode ist zeitlich nicht konstant. Abhilfe schafft ein Ladungsspeicher, der bei gesperrter Diode den Laststrom zur Verfügung stellt. Geeignete sind Elektrolytkondensatoren mit großen Kapazitätswerten oder Akkumulatoren. Letztere sind wartungsintensiv, groß und schwer und werden in IT- und Telefonnetzen zur unabhängigen Stromversorgung bei kurzzeitigen Netzausfällen eingesetzt.

Bei leitender Diode fließt Ladestrom IDi zum Kondensator und kann diesen unbelastet bis auf den Spitzenwert der Wechselspannung aufladen. Das gilt annähernd auch für geringe Belastungen durch große Widerstandswerte. Bei gesperrter Diode ist die Wechselspannung U~ vor der Diode niedriger als danach und der Diodenstromkreis ist unterbrochen. Im Ausgangsstromkreis wirkt jetzt der Kondensator als Spannungsquelle und wird durch den Lastwiderstand entladen.

Je kleiner der Lastwiderstandswert ist, desto mehr wird die Schaltung belastet und desto geringer ist die Ausgangsspannung. Der Ladungsverlust des Kondensators wird erst in der Halbwelle ausgeglichen, wo die Diode erneut leiten kann. Der Ladestrom fließt nur solange, bis die Potenzialdifferenz an der Diode die Schwellenspannung unterschreitet. Die Durchlasszeit wird als Stromflusswinkel Θ angegeben. Er nimmt mit zunehmender Belastung zu, da während der Halbwelle, wo die Diode gesperrt ist, die Ausgangsspannung am Kondensator geringere Werte erreicht. Während der Leitphase bleibt die Diode folglich länger leitend.

Die M1-Schaltung mit Ladekondensator liefert einen höheren Gleichrichtwert UAV. Bei Leerlauf erreicht die Spannung den Spitzenwert der Wechselspannung. Bei Belastung ergeben sich Spannungsschwankungen, auch Brummspannung UBr genannt. Die überlagerte Wechselspannung hat die gleiche Frequenz wie die versorgende Wechselspannung. Mit zunehmender Belastung bei gleichem Wert des Ladeelkos nimmt auch die Welligkeit der Ausgangsgleichspannung zu. Je größer die Kapazität des Ladekondensators ist, desto geringer wird bei gleicher Last die Brummspannung oder Welligkeit. Das folgende interaktive Beispiel verdeutlicht diese Zusammenhänge.

Ladekondensator konstant mit C = 100 μF, variable Belastung:
R = 100 Ω R = 470 Ω R = 2,2 kΩ
Lastwiderstand konstant mit R = 100 Ω, variable Kapazität:
C = 100 μF C = 470 μF C = 2200 μF

Kondensatoren hoher Kapazität haben einen von der Frequenz abhängigen sehr kleinen Blindwiderstandswert. Im entladenen oder gering geladenen Zustand wird zum Beginn der Leitphase die Diode wie mit einem Kurzschluss belastet. Um den maximal zulässigen Diodenstrom nicht zu überschreiten, sollte die Diode durch einen zu berechnenden Vorwiderstand geschützt werden.

Eine Einweggleichrichtung mit Ladespeicher liefert am Ausgang eine Gleichspannung, die im Leerlauf gleich dem Spitzenwert der Wechselspannung ist. Bei gesperrter Diode erreicht die Spannung am Diodeneingang ebenfalls den Spitzenwert der Wechselspannung. Die Diode muss daher für eine Sperrspannung geeignet sein, die mindestens dem doppelten Spitzenwert der Versorgungsspannung entspricht.

Die M1-Gleichrichtschaltung mit Kondensator erzeugt eine Gleichspannung geringer Welligkeit.
Die Frequenz der Brummspannung (Welligkeit) ist gleich der angelegten Wechselspannung.
Nur während eines Stromflusswinkels fließt Diodenstrom zum Nachladen des Kondensators.
Die Dioden Sperrspannung sollte größer als der doppelte Spitzenwert der Wechselspannung sein.
Bei großen Ladekapazitäten muss der Diodenspitzenstrom begrenzt werden.