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Leistungsdioden und Gleichrichter

Leistungsdioden und Gleichrichter

Leistungsdioden sind Halbleiter-pn-Übergänge, die große Ströme mit hohen Spannungswerten zur Verwendung in Gleichrichterschaltungen durchlassen können

In den vorangegangenen Tutorials haben wir gesehen, dass eine Halbleiter-Signaldiode nur Strom in einer Richtung von ihrer Anode zu ihrer Kathode (Vorwärtsrichtung) leitet, aber nicht in der Gegenrichtung, die ein wenig wie ein elektrisches Einwegventil wirkt.

Eine weit verbreitete Anwendung dieser Eigenschaft und Dioden im Allgemeinen ist die Umwandlung einer Wechselspannung (AC) in eine Dauerspannung (DC). Mit anderen Worten: Gleichrichtigung.

Kleine Signaldioden können aber auch als Gleichrichter in Anwendungen mit niedriger Leistung und niedrigem Strom (weniger als 1 Ampere) verwendet werden, aber wenn es sich um größere Vorwärtsvorspannungsströme oder höhere Sperrspannungen handelt, würde der PN-Übergang einer kleinen Signaldiode schließlich überhitzen und schmelzen, so dass größere, robustere Leistungsdioden verwendet werden.

Die Leistungshalbleiterdiode, kurz Power Diode genannt, hat eine viel größere PN-Übergangsfläche im Vergleich zur kleineren Signaldiode, was zu einer hohen Durchlassfähigkeit von bis zu mehreren hundert Ampere (KA) und einer Sperrspannung von bis zu mehreren tausend Volt (KV) führt.

Da die Leistungsdiode einen großen PN-Übergang hat, ist sie nicht für Hochfrequenzanwendungen oberhalb von 1MHz geeignet, aber spezielle und teure Hochfrequenz-Hochstromdioden sind verfügbar. Für Hochfrequenzgleichrichteranwendungen werden Schottky-Dioden wegen ihrer kurzen Reverse-Recovery-Zeit und des geringen Spannungsabfalls in ihrem Vorwärtsspannungs-Zustand verwendet.

Leistungsdioden sorgen für eine unkontrollierte Gleichrichtung der Leistung und werden in Anwendungen wie Batterielade- und Gleichstromversorgungen sowie Wechselrichtern eingesetzt. Aufgrund ihrer hohen Strom- und Spannungseigenschaften können sie auch als Freilaufdioden und Snubber-Netzwerke eingesetzt werden.

Leistungsdioden sind so konzipiert, dass sie einen Vorwärtswiderstand von Bruchteilen eines Ohm haben, während ihr Sperrwiderstand im Mega-Ohm-Bereich liegt. Einige der größeren Leistungsdioden sind so konzipiert, dass sie auf Kühlkörpern montiert werden können, um ihren thermischen Widerstand auf 0.1 bis 1oC/Watt zu reduzieren.

Wenn eine Wechselspannung über eine Leistungsdiode angelegt wird, leitet die Diode während des positiven Halbzyklus den Durchlassstrom und während des negativen Halbzyklus wird die Diode den Stromfluss nicht blockieren. Die Leitung durch die Leistungsdiode erfolgt dann nur während des positiven Halbzyklus und ist somit unidirektional, d.h. DC wie abgebildet.

Leistungsdioden-Gleichrichter

Leistungsdioden-Gleichrichter

Leistungsdioden können einzeln wie oben beschrieben eingesetzt oder miteinander verbunden werden, um eine Vielzahl von Gleichrichterschaltungen wie “Halbwellen-“, “Vollwellen-” oder “Brückengleichrichter” herzustellen. Jede Art von Gleichrichterschaltung kann entweder als ungeregelt, halbgesteuert oder vollständig geregelt klassifiziert werden, wobei ein ungeregelter Gleichrichter nur Leistungsdioden verwendet, ein vollgeregelter Gleichrichter Thyristoren (SCRs) und ein halbgesteuerter Gleichrichter eine Mischung aus Dioden und Thyristoren ist.

Die gebräuchlichste individuelle Leistungsdiode für grundlegende Elektronikanwendungen ist die 1N400x Serie von glaspassivierten Gleichrichterdioden mit Standardwerten für kontinuierlichen Gleichstrom von 1,0 Ampere und Sperrspannungen von 50V für den 1N4001 bis 1000V für den 1N4007, wobei der kleine 1N4007GP die beliebteste Version für die allgemeine Netzspannungsgleichrichtung ist.

Halbwellengleichrichtung

Ein Gleichrichter ist eine Schaltung, die die Wechselstrom-Eingangsleistung (AC) in eine Gleichstrom-Ausgangsleistung (DC) umwandelt. Das Eingangsnetzteil kann entweder einphasig oder mehrphasig sein, wobei die einfachste aller Gleichrichterschaltungen die des Halbwellengleichrichters ist.

Die Leistungsdiode in einer Halbwellen-Gleichrichterschaltung durchläuft nur eine Hälfte jeder kompletten Sinuswelle der Wechselstromversorgung, um sie in eine Gleichstromversorgung umzuwandeln. Daher wird diese Art von Schaltung als “Einweggleichrichter” bezeichnet, weil sie nur die Hälfte der ankommenden Wechselstromquelle passiert, wie unten gezeigt.

Halbwellen-Gleichrichter-Schaltung

Halbwellen-Gleichrichter-Schaltung

Während jedes “positiven” Halbzyklus der AC-Sinuswelle wird die Diode vorwärts vorgespannt, da die Anode gegenüber der Kathode positiv ist, was dazu führt, dass Strom durch die Diode fließt.

Da die DC-Last resistiv ist (Widerstand, R), ist der Strom, der in den Lastwiderstand fließt, daher proportional zur Spannung (Ohmsches Gesetz), und die Spannung über den Lastwiderstand wird daher die gleiche sein wie die Versorgungsspannung, Vs (minus ), d.h. die “DC”-Spannung über der Last ist sinusförmig für den ersten Halbzyklus nur so Vout = Vs.

Während jedes “negativen” Halbzyklus der sinusförmigen Eingangswellenform des Wechselstromes wird die Diode invers vorgespannt, da die Anode in Bezug auf die Kathode negativ ist. Daher fließt KEIN-Strom durch die Diode oder den Schaltkreis. Daher fließt im negativen Halbzyklus der Versorgung kein Strom im Lastwiderstand, da keine Spannung darüberliegt, also also Vout = 0.

Der Strom auf der DC-Seite des Stromkreises fließt nur in eine Richtung, wodurch der Stromkreis unidirektional wird. Da der Lastwiderstand von der Diode eine positive Hälfte der Wellenform, null Volt, eine positive Hälfte der Wellenform, null Volt usw. empfängt, wäre der Wert dieser unregelmäßigen Spannung gleichwertig mit einer äquivalenten Gleichspannung von 0,318*VMAX der sinusförmigen Eingangswellenform oder 0,45*VEFF der sinusförmigen Eingangswellenform.

Die äquivalente Gleichspannung, VDC über den Lastwiderstand wird wie folgt berechnet.

half-wave rectifier waveform

rectified dc voltage equation

VDC und den Strom IDC, der durch einen 100Ω Widerstand fließt, der an einen 240 Vrms Einphasen-Halbwelle-Gleichrichter angeschlossen ist, wie oben gezeigt. Berechnen Sie auch die von der Last verbrauchte DC-Leistung.

power diodes current equation

Während des Gleichrichtprozesses sind die resultierenden Ausgangsgleichspannungen und -ströme daher bei jedem Zyklus sowohl “ON” als auch “OFF”. Da die Spannung am Lastwiderstand nur während der positiven Hälfte des Zyklus (50% der Eingangswellenform) anliegt, ergibt sich ein niedriger DC-Mittelwert, der der Last zugeführt wird.

Die Variation der gleichgerichteten Ausgangswellenform zwischen dieser “ON”- und “OFF”-Bedingung erzeugt eine Wellenform, die große Mengen an “Ripple” aufweist, was ein unerwünschtes Merkmal ist. Die resultierende Gleichstromwelligkeit hat eine Frequenz, die derjenigen der AC-Netzfrequenz entspricht.

Sehr oft wollen wir bei der Gleichrichtung einer Wechselspannung eine “stetige” und kontinuierliche Gleichspannung erzeugen, die frei von Spannungsschwankungen und Welligkeit ist. Eine Möglichkeit, dies zu tun, besteht darin, einen Kondensator mit großem Wert über die Ausgangsspannungsklemmen parallel zum Lastwiderstand anzuschließen, wie unten gezeigt. Dieser Kondensatortyp wird allgemein als “Reservoir” oder Glättungskondensator bezeichnet.

Einweggleichrichter mit Glättungskondensator

Einweggleichrichter mit Glättungskondensator

Wenn die Gleichrichtung verwendet wird, um eine Gleichspannung (DC) aus einer Wechselstromquelle (AC) bereitzustellen, kann die Höhe der Welligkeitsspannung durch die Verwendung von Kondensatoren mit größerem Wert weiter reduziert werden, aber es gibt Grenzen sowohl bei den Kosten als auch bei der Größe der verwendeten Glättungskondensatoren.

Bei einem gegebenen Kondensatorwert wird ein größerer Laststrom (kleinerer Lastwiderstand) den Kondensator schneller entladen und damit die Welligkeit erhöhen. Daher ist es für einphasige, halbwellige Gleichrichterschaltung mit einer Leistungsdiode nicht sehr praktisch, die Welligkeitsspannung durch Kondensatorglättung allein zu reduzieren. In diesem Fall wäre es sinnvoller, stattdessen die “Vollwellen-Gleichrichtung” zu verwenden.

In der Praxis wird der Einweggleichrichter wegen seiner großen Nachteile am häufigsten in Low-Power-Anwendungen eingesetzt. Die Ausgangsamplitude ist kleiner als die Eingangsamplitude, es gibt keinen Ausgang während des negativen Halbzyklus, so dass die Hälfte der Leistung vergeudet wird und der Ausgang gepulst DC ist, was zu einer übermäßigen Welligkeit führt.

Um diese Nachteile zu beseitigen, werden mehrere Leistungsdioden zu einem Vollwellengleichrichter zusammengeschaltet, wie im nächsten Tutorial beschrieben.

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