Die gebräuchlichsten AC-zu-DC-Gleichrichtungsschemata

Ein Gleichrichter ist ein elektronisches Gerät, das elektrische Energie von Wechselstrom in Gleichstrom umwandelt. Gleichrichter basieren auf Halbleiterbauelementen mit einseitiger Leitung – Dioden und Thyristoren.

Bei geringer Lastleistung (bis zu mehreren hundert Watt) erfolgt die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom über einphasige Gleichrichter. Solche Gleichrichter dienen zur Versorgung verschiedener elektronischer Geräte mit Gleichstrom, Erregerwicklungen von Gleichstrommotoren kleiner und mittlerer Leistung usw.

Zum besseren Verständnis der Funktionsweise von Gleichrichterschaltungen gehen wir von der Berechnung aus, dass der Gleichrichter mit einer ohmschen Last arbeitet.

Einphasige Halbwellen-Gleichrichterschaltung (Einzelzyklus).

Abbildung 1 zeigt die einfachste Gleichrichterschaltung. Der Stromkreis enthält einen Gleichrichter, der zwischen die Sekundärwicklung des Transformators und die Last geschaltet ist.

Abbildung 1 – Einphasen-Einweggleichrichter: a) Stromkreis – Diode offen, b) Stromkreis – Diode geschlossen, c) Zeitdiagramme des Betriebs

Die Spannung u2 ändert sich sinusförmig, d.h.enthält positive und negative Halbwellen (Halbperioden). Der Strom im Lastkreis fließt nur in positiven Halbwellen, wenn an der Anode der Diode VD ein positives Potential angelegt wird (Abb. 1, a). Bei umgekehrter Polarität der Spannung u2 ist die Diode geschlossen, der Strom in der Last fließt nicht, aber an der Diode liegt die Sperrspannung Urev an (Abb. 1, b).

Che. An der Last wird nur eine Halbwelle der Sekundärwicklungsspannung abgegeben. Der Strom in der Last fließt nur in eine Richtung und ist Gleichstrom, obwohl er pulsierenden Charakter hat (Abb. 1, c). Diese Form der Spannung (Strom) wird als Gleichstromimpuls bezeichnet.

Gleichgerichtete Spannungen und Ströme enthalten einen Gleichstromanteil (Nutzanteil) und einen Wechselstromanteil (Welligkeit). Die Qualität des Gleichrichterbetriebs wird anhand des Verhältnisses zwischen Nutzkomponente und Spannungs- und Stromerregung beurteilt. Der Welligkeitsfaktor dieser Schaltung beträgt 1,57. Der Mittelwert der korrigierten Spannung für den Zeitraum Un = 0,45U2. Der Maximalwert der Sperrspannung der Diode Urev.max = 3,14Un.

Der Vorteil dieser Schaltung liegt in ihrer Einfachheit, die Nachteile: schlechte Ausnutzung des Transformators, große Sperrspannung der Diode, hohes Welligkeitsverhältnis der gleichgerichteten Spannung.

Einphasige Brückengleichrichterschaltung

Es besteht aus vier in Brückenschaltung geschalteten Dioden. An einer Diagonale der Brücke ist die Sekundärwicklung des Transformators angeschlossen, an der anderen die Last (Abb. 2). Der gemeinsame Punkt der Kathoden der Dioden VD2, VD4 ist der Pluspol des Gleichrichters, der gemeinsame Punkt der Anoden der Dioden VD1, VD3 ist der Minuspol.

Abbildung 2 – Einphasen-Brückengleichrichter: a) positive Einweg-Gleichrichtungsschaltung, b) negative Einweg-Gleichrichtung, c) Zeitdiagramme des Betriebs

Die Polarität der Spannung in der Sekundärwicklung ändert sich mit der Frequenz des Versorgungsnetzes. Die Dioden in dieser Schaltung arbeiten paarweise in Reihe. In der positiven Halbwelle der Spannung u2 leiten die Dioden VD2, VD3 Strom, an den Dioden VD1, VD4 liegt die Sperrspannung an und diese schließen. Während der negativen Halbwelle der Spannung u2 fließt der Strom durch die Dioden VD1, VD4 und die Dioden VD2, VD3 sind geschlossen. Der Laststrom fließt immer in eine Richtung.

Die Schaltung ist Vollwellenschaltung (Push-Pull), da sich beide Halbperioden der Netzspannung Un = 0,9U2, der Welligkeitskoeffizient — 0,67 über die Last verteilen.

Die Verwendung einer Diodenschaltbrückenschaltung ermöglicht die Verwendung eines einphasigen Transformators zur Gleichrichtung von zwei Halbwellen. Darüber hinaus ist die an der Diode anliegende Sperrspannung um das Zweifache geringer.

Mittel- und Hochleistungsverbraucher werden mit Gleichstrom versorgt Dreiphasengleichrichter, deren Einsatz die Strombelastung der Dioden reduziert und den Welligkeitsfaktor verringert.

Dreiphasen-Brückengleichrichterschaltung

Die Schaltung besteht aus sechs Dioden, die in zwei Gruppen unterteilt sind (Abb. 2.61, a): Kathode – Dioden VD1, VD3, VD5 und Anode – VD2, VD4, VD6. Die Last wird zwischen den Verbindungspunkten der Kathoden und Anoden der Dioden angeschlossen, d.h. zur Diagonale der Stehbrücke. Der Stromkreis ist an ein Drehstromnetz angeschlossen.

Abbildung 3 – Dreiphasen-Brückengleichrichter: a) Schaltung, b) Zeitdiagramme des Betriebs

Zu jedem Zeitpunkt fließt der Laststrom durch zwei Dioden.In der Kathodengruppe arbeitet in jedem Drittel der Periode die Diode mit dem höchsten Anodenpotential (Abb. 3, b). In der Anodengruppe arbeitet in diesem Teil der Periode die Diode, deren Kathode das größte negative Potenzial hat. Jede der Dioden arbeitet für ein Drittel der Periode. Der Welligkeitsfaktor dieser Schaltung beträgt nur 0,057.

Gesteuerte Gleichrichter – Gleichrichter, die neben der Korrektur der Wechselspannung (Strom) auch den Wert der korrigierten Spannung (Strom) regeln.

Gesteuerte Gleichrichter werden zur Steuerung der Drehzahl von Gleichstrommotoren, der Helligkeit des Glühens von Glühlampen, beim Laden von Batterien usw. verwendet.

Gesteuerte Gleichrichterschaltungen basieren auf Thyristoren und basieren auf der Steuerung des Öffnungsmoments der Thyristoren.

Abbildung 4a zeigt ein Diagramm eines einphasig gesteuerten Gleichrichters. Für die Möglichkeit, zwei Halbwellen der Netzspannung zu korrigieren, wird ein Transformator mit einer zweiphasigen Sekundärwicklung verwendet, in dem zwei Spannungen mit entgegengesetzten Phasen gebildet werden. In jeder Phase ist ein Thyristor eingeschaltet. Die positive Halbwelle der Spannung U2 richtet den Thyristor VS1 gleich, die negative - VS2.

Der CS-Steuerkreis erzeugt Impulse zum Öffnen der Thyristoren. Der Zeitpunkt des Öffnungsimpulses bestimmt, wie viel von der Halbwelle in die Last abgegeben wird. Der Thyristor öffnet, wenn an der Anode eine positive Spannung und an der Steuerelektrode ein Öffnungsimpuls anliegt.

Trifft der Impuls zum Zeitpunkt t0 ein (Abb. 4, b), ist der Thyristor für die gesamte Halbwelle geöffnet und die maximale Spannung an der Last, wenn zu den Zeitpunkten t1, t2, t3, dann nur ein Teil der Netzspannung in die Ladung abgegeben.

Abbildung 4 – Einphasengleichrichter: a) Schaltung, b) Zeitdiagramme des Betriebs

Der Verzögerungswinkel, gemessen ab dem Moment der natürlichen Zündung des Thyristors, ausgedrückt in Grad, wird als Steuer- oder Einstellwinkel bezeichnet und mit dem Buchstaben α bezeichnet. Durch Ändern des Winkels α (Phasenverschiebung der Steuerimpulse relativ zur Spannung der Anoden der Thyristoren) ändern wir die Zeit des offenen Zustands der Thyristoren und dementsprechend die korrigierte Spannung in der Last.