Was ist ein Brückengleichrichter?

Der Gleichrichter wandelt ein Wechselsignal in ein unidirektionales Signal um (immer positiv oder immer negativ). In der Elektronik und Elektrotechnik findet er praktische Anwendung als Wellenformtransformator: Er wird verwendet, um elektrischen Strom von Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln.

Er wird oft auch als AC/DC-Wandler oder Graetz-Schaltung bezeichnet, nach dem deutschen Physiker Leo Graetz, der ihn Ende des 19. Jahrhunderts entwickelte.

Ungesteuerte Gleichrichter, die meist aus Dioden bestehen, werden verwendet, wenn die Ausgangsspannung nicht geregelt werden muss.

Zu den gesteuerten Gleichrichtern, deren Ausgangsspannung geregelt werden kann, gehören Thyristoren oder Gruppen von Dioden und Thyristoren. Aufgrund ihrer hohen spezifischen Leistung werden diese Gleichrichter immer dann eingesetzt, wenn es um hohe Leistungen geht und wenn die elektrischen Ausgangsgrößen geregelt oder variiert werden müssen. Bei kleiner und mittlerer Leistung werden thyristorgesteuerte Gleichrichter überflüssig und vorteilhaft durch eine „Kaskade“ aus einem gesteuerten oder ungesteuerten Gleichrichter und einem DC-DC-Wandler ersetzt. Im kleinen Leistungsbereich ist die Steuerung eines Feldeffekttransistors oder eines IGBT einfacher als die eines Thyristor. Andererseits erlauben es die Arbeitsfrequenzen der Chopper, die heute im Bereich von 200 kHz liegen, die Größe der Filterkomponenten (Induktivitäten und Kondensatoren) erheblich zu reduzieren. Schließlich gibt es sinusförmige Absorptionsgleichrichter, die mit Dioden, MOSFET-Vorschaltgeräten oder IGBT-Transistoren realisiert werden und dazu dienen, die Kurvenform des auf der Netzseite verbrauchten Wechselstroms zu verbessern.

Im einphasigen Bereich werden Einweggleichrichtern eingesetzt, die eher zur Leistungsvariation als zur Gleichrichtung verwendet werden. Bei Wärmegeräten wie z. B. Haartrockner ermöglicht er bei sehr geringen Kosten eine Halbierung der von der Last aufgenommenen Leistung.

Ein einphasiger Thyristor-Vollwellengleichrichter ist ein Gleichrichter, der die Gleichrichtung von Strömen ermöglicht, die von einer Wechselspannungsquelle geliefert werden. Das gleich gerichtete Signal hat dann eine Frequenz, die doppelt so hoch ist wie die der Eingangsspannung.

Ein dreiphasiger Gleichrichter bietet einige Vorteile gegenüber einem einphasigen Gleichrichter; da die Ausgangsleistung und damit der Wirkungsgrad hoch sind und auch die Nutzung des Transformators optimiert ist, bietet er im Vergleich eine effizientere und leistungsfähigere Lösung.

Dreiphasenbrücken können daher in industriellen Anwendungen eingesetzt werden, die einen hohen Leistungsbedarf haben.

Da der Brückengleichrichter aus Dioden besteht, verursacht er einen Spannungsabfall von 1,4 Volt, was bedeutet, dass bei einer Wechselspannung von 14 Volt am Eingang eine Gleichspannung von etwa 12.6 Volt am Ausgang anliegt.

Der Prozess der Gleichrichtung eines Wechselstroms umfasst eine Reihe von Schritten, die für ein korrektes Ergebnis unerlässlich sind.

Der Wechselstrom muss in Gleichstrom umgewandelt werden, bevor er zur Versorgung von Stromkreisen verwendet werden kann. Die Gleichrichterbrücke führt zwei wichtige Schritte durch, um die Sinuswelle zu verändern:

• Wenn die positive Halbwelle am Punkt 1 und die negative Halbwelle am Punkt 2 anliegt, wird die Spannung durch die Gleichrichter-Dioden D2 und D3 gleich gerichtet;
• wenn die negative Halbwelle am Punkt 1 und die positive Halbwelle am Punkt 2 anliegt, wird die Spannung durch die Gleichrichter-Dioden D1 und D4 gleich gerichtet.

Dieses Verfahren, bei dem auch die negative Halbwelle genutzt wird, führt zu einer Erhöhung der Frequenz.

Schließt man nämlich einen Transformator an die Netzspannung an, dessen Primärseite 220 V und dessen Sekundärseite eine Spannung unserer Wahl aufweist, so erhöht sich die Frequenz um etwa 50 % von 50 Hz, der Standardnetzfrequenz, auf 100 Hz, wobei auch die negativen Halbwellen genutzt werden.

An dieser Stelle ist es nützlich, sich die Hauptunterschiede zwischen Wechselstrom (AC) und Gleichstrom (DC) in Erinnerung zu rufen.

Gleichstrom ist in der Elektronik weitverbreitet, und zwar in allen Geräten, die mit Zellen und Batterien betrieben werden, die eine niedrige Spannung benötigen und daher nur diese Art von Strom wiedergeben können. Bei hohen Spannungen wird Gleichstrom sehr gefährlich, da die kleinste Änderung einen Stromstoß auslösen kann.

Mit Wechselstrom lassen sich die Energieverluste beim Transport verringern, die von der Spannung des Stroms abhängen. Je höher die Spannung ist, desto geringer sind die Verluste und folglich die Kosten. Der Nachteil des Wechselstroms ist, dass er nicht gespeichert werden kann, weshalb in kleineren Geräten Gleichstrombatterien verwendet werden.

An dieser Stelle greift der Brückengleichrichter ein, um den elektrischen Strom von Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Er wandelt einen Wechselstrom (AC) in einen Gleichstrom (DC) um. Diese Funktion ist für den Betrieb vieler elektronischer Geräte von grundlegender Bedeutung, da sie es ermöglicht, bei beiden Eingangspolaritäten die gleiche Ausgangspolarität zu erhalten. 

Da Dioden der Hauptbestandteil von Gleichrichtern sind, beeinflussen die in ihnen verwendeten Materialien den gesamten Gleichrichter. Siliziumdioden sind zu den am häufigsten verwendeten Gleichrichtern für niedrigere Spannungen geworden, obwohl Germanium einen Vorteil gegenüber Silizium-Niederspannungsschaltungen hat, da es eine viel niedrigere Durchlassspannung (0,3 V gegenüber 0,7 V) aufweist.

Was die in Gleichrichtern verwendeten Metalle betrifft, so ist Silizium das Material der Wahl, da es kompakt ist und Kostenvorteile gegenüber anderen hat. Ein weiterer Vorteil von Gleichrichtern auf Siliziumbasis ist ihre lange Lebensdauer.

Überwachungsrelais sind die wirtschaftliche Lösung für die Kontrolle wichtiger elektrischer und physikalischer Parameter des Systems. Es gibt sowohl Relais für einphasige als auch für dreiphasige Systeme, die die Sicherheit und Zuverlässigkeit der elektrischen Anlagen gewährleisten. Sie überwachen Überspannung, Unterspannung, Überstrom, Strom unter Nennwert, Phasenausfall, Phasenfolge, Phasenasymmetrie, Leistungsfaktor, Wirkleistung sowie Temperatur und Motorwicklungspegel. In diesem Sinne gewährleisten sie den ausfallsicheren Betrieb von Maschinen und Anlagen.

Sie werden zur Überwachung des Betriebs von Klimaanlagen, Kränen, Rolltreppen, Schalttafeln von Industrie-Pumpen, Lüftungsanlagen usw. eingesetzt.

Gleichrichter wandeln Wechselstrom in Dauerstrom um. Das Grundkonzept eines Gleichrichters ist eigentlich recht einfach, denn er nutzt die Halbleitereigenschaften von Dioden. Obwohl vielleicht nicht jeder Verbraucher daran denkt, ist dies ein grundlegendes und sehr verbreitetes Gerät, mit dem wir Geräte an das Stromnetz anschließen können. Er wird jedoch überall dort eingesetzt, wo der Strom umgewandelt werden muss, auch in der Industrie. Für kompliziertere Geräte wie Klimaanlagen oder Rolltreppen werden Überwachungsrelais eingesetzt, um einen kontinuierlichen Betrieb zu gewährleisten. 

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