". . . Die Stromversorgung besteht aus wenig mehr als einem Gleichrichter mit Ladeelko . . .". Mit diesem Standardsatz ist es jetzt möglichwerweise nicht mehr getan: Neue Gleichrichterschaltungen verdienen etwas mehr Aufmerksamkeit.

Nach einer Idee von D.A.J. Harkema in Elektor 09/1990

Die neue Gleichrichterschaltung, die Anlaß für diesen Beitrag war, ist inzwischen auch schon wieder zwei Jahre alt. Zuweilen dauert es eben, bis so etwas inmitten all der anderen Informationen auffällt, zumal man in diesem Bereich Innovationen eigentlich kaum noch erwartet. Diesmal war es ein Leser, der uns auf eine neue Schaltung aufmerksam machte und eine eigene Variante dazu erfand.
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Zunächst einmal etwas über die Grundschaltung mit einer einzelnen Diode und einem Ladekondensator sowie die damit verwandten Schaltungen. In Bild 1 ist die einfachste Form eines Gleichrichters dargestellt.

Es handelt sich hierbei um einen einphasigen Einweggleichrichter. Das sind viele Worte für eine solch kleine Schaltung. Aber es handelt sich hierbei um einen guten Aufhänger für eine Bemerkung über die Bezeichnung der Schaltungen, da gelegentlich die Zahl der "Phasen" und "Wege" durcheinandergeraten.

"Phasig" gibt an, aus wievielen Wechselspannungen (Phasen) die Stromversorgung besteht. Hier ist es eindeutig nur eine - also: einphasig. Außer dem einphasigen Gleichrichter kommen am häufigsten solche mit zwei Phasen (doppelphasig) und mit drei Phase (dreiphasig) vor. Der Drei-Phasen-Gleichrichter ist vor allem im Bereich der Energietechnik zu finden (Drehstromgleichrichter).

Der andere Begriff "Wege" - bezieht sich auf die Halbwellen der Wechselspannung, die beim Gleichrichter verwendet werden - davon hängt es ab, auf wie vielen "Wegen" Strom zum Elko fließen kann.

Bei einem Einweggleichrichter wird nur die negative oder die positive Halbwelle der Wechselspannung verwendet, um den Elko zu laden und die Last am Ausgang mit Strom zu versorgen. Der Strom fließt nur auf einem Weg, nämlich über die eine Diode.
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Beim Zweiweggleichrichter wird sowohl die positive als auch die negative Halbwelle für die Versorgung der Last genutzt, der Strom fließt abwechselnd (je nach Polarität der Halbwelle) auf zwei verschiedenen Wegen. Das hat sowohl auf der Wechselspannungsseite als auch auf der Gleichspannungsseite des Gleichrichters Vorteile. Um das deutlich zu machen, schauen wir uns einmal Bild 1 genauer an.

Diese Schaltung stellt eine äußerst ungünstige Belastung für den Trafo dar. Eine Halbwelle der Wechselspannung ist sowieso bereits ausgeschaltet. Doch die andere Halbwelle - in diesem Fall die positive - wird auch nur dann genutzt, wenn die Trafospannung höher ist als die Spannung am Ladekondensator.

Es kommt dann zu beträchtlichen Stromspitzen, die den Trafo asymmetrisch belasten und Oberwellen verursachen können. Auch auf der Gleichspannungsseite macht die Schaltung in Bild 1 keine gute Figur. Der Ladekondensator wird nur einmal pro Periode (kurz) nachgeladen, in der restlichen Zeit muß der Elko den (gespeicherten) Strom an die Last liefern.

Auf diese Weise sinkt die Spannung am Elko, und es entsteht die unvermeidliche Welligkeit der Gleichspannung. Diese Welligkeit wird umso kleiner, je größer der Kondensator, je kleiner der Belastungsstrom und/oder je höher die Frequenz ist (es wird dann häufiger nachgeladen).

In Netzteilen findet man daher große Elkos, während bei anderen Anwendungen (Meßgleichrichter, AM-Demodulator) ein kleinerer Kondensator zumeist ausreicht.

Die Schaltung in Bild 2 ist sowohl auf der Wechselspannungsseite als auch auf der Gleichspannungsseite um ein Stück effektiver als die Schaltung in Bild 1.

Die einphasige Spannung wird auf zwei Wegen gleichgerichtet, und zwar mit Hilfe von vier Dioden in einer Brückenschaltung. Diese Schaltung wird daher meist auch als Brückengleichrichter bezeichnet.

Der Name Graetz-Brücke ist im Laufe der Zeit unüblich geworden, doch in diesem Beitrag wollen wir ihn verwenden, um den Unterschied zu einer anderen Brückenschaltung hervorzuheben. Wer gelegentlich in älterer Literatur blättert, begegnet zweifellos immer wieder diesem Namen.
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Die Vorteile liegen in der symmetrischen Belastung der Wechselspannungsquelle sowie darin, daß der Kondensator zweimal pro Periode nachgeladen wird - sowohl von der positiven als auch von der negativen Halbwelle.

Ein Nachteil ist, daß der Strom auf seinem Weg über Kondensator und Last über zwei Dioden fließt. Bei der Brückenschaltung verlieren wir daher zweimal die Schwellenspannung einer Diode, während das in Bild 1 nur einmal der Fall ist.

Eine Variante zu Bild 1 findet sich in Bild 3: ein doppelter Einweggleichrichter, mit dem wir beispielsweise eine symmetrische Versorgungsspannung erzeugen können oder - wenn wir den eingezeichneten Nullpunktanschluß vergessen und die Spannung über die Plus- und Minusklemme abnehmen - eine einzige Versorgungsspannung, die doppelt so hoch ist wie in Bild 1.

Dieser Spannungsverdoppler ist auch als Delon-Schaltung bekannt. Wenn diese Schaltung symmetrisch belastet wird oder wenn sie als Spannungsverdoppler eingesetzt wird, wird es auch bei der Wechselspannungsquelle eine symmetrische Belastung beider Halbwellen geben.

Das führt beispielsweise zu einer beträchtlichen Verminderung der Zahl und der Stärke der Harmonischen in den Signalformen. Bei stark asymmetrischer Belastung weist diese Schaltung allerdings die gleichen Nachteile wie der Einweggleichrichter Bild 1 auf.

Bei doppelphasigen Gleichrichtern gehen wir meist von Trafos mit einer Mittenanzapfung der Sekundärwicklung aus. Die beiden Spannungen stehen dann einander in Gegenphase gegenüber.

Die in Bild 4 gezeichnete Schaltung ist KEIN Beispiel für den wirkungsvollsten doppelphasigen Gleichrichter. Um genau zu sein: Es handelt sich hier um einen doppelphasigen Einweggleichrichter, der gegenüber Bild 3 keine Vorteile bringt. Beide Schaltungen entsprechen einander.

Nutzbringender ist der in Bild 5 gezeichnete doppelphasige Zweiweggleichrichter. Dieser Schaltung gilt der Vorzug beim Aufbau symmetrischer Stromversorgungen.

Die beiden Ladekondensatoren werden zweimal pro Periode geladen, auf der Primärseite des Trafos ist die Belastung für die positive und negative Halbwelle der Spannung identisch. Auf der Sekundärseite ist dies nur dann der Fall, wenn der Ausgang symmetrisch belastet wird.

Bei asymmetrischen Belastungen ergibt jedoch die Summe der beiden sekundären Wicklungen eine symmetrische Belastung der primären Wicklung. Das gilt übrigens auch für einen doppelphasigen Einweggleichrichter (also beispielsweise ohne D3, D4 und C2).
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Die Dioden in Bild 5 sind zwar in gleicher Weise miteinander verbunden wie die Dioden in Bild 2, doch es stellt sich die Frage, ob das als Brückenschaltung bezeichnet werden darf.

Die Verwandtschaft zwischen diesen beiden ist rasch gefunden: stellen Sie sich einmal vor, die Mittelanzapfung wäre nicht vorhanden, desgleichen der Nullpunktanschluß, und ersetzen Sie C1 und C2 durch einen einzigen Kondensator. Dann haben wir wieder die Schaltung aus Bild 2. Doch wenn wir uns die Funktion der Komponenten ansehen, dann ist die Übereinstimmung mit einer Diodenbrücke in weite Ferne gerückt (denken Sie sich nur D3, D4 und C2 weg).

Das scheint uns Grund genug zu sein, hier nicht von einer Brückenschaltung zu sprechen - auch wenn wir selbst das gelegentlich vergessen. Auf die Verwandtschaft zwischen den Schaltungen kommen wir später noch einmal zurück.
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Wir wenden uns jetzt den Spannungsvervielfachern zu, zu denen eigentlich auch schon der Spannungsverdoppler Bild 3 gezählt werden kann. Die Schaltung Bild 6 kommt Ihnen vielleicht bekannt vor. Sie ist häufig als Kaskade zu finden, wobei die Grundschaltung (also ohne Ladekondensator C3) x-mal wiederholt und damit aus einer niedrigen Wechselspannung eine hohe Gleichspannung gewonnen wird.
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In der Basisausführung (auch als Villard-Schaltung bezeichnet) ist die maximal erreichbare Ausgangsspannung doppelt so hoch wie der Spitzenwert der Wechselspannung am Eingang des Gleichrichters.

Die Schaltung funktioniert folgendermaßen: Während der negativen Halbwelle der Spannung wird C1 über D3 geladen, und zwar bis zum Spitzenwert der Wechselspannung (die Numerierung der Komponenten ist ein wenig merkwürdig, aber angepaßt an das, was noch folgt).

Während der positiven Halbwelle wird die Spannung über C1 zur Trafospannung hinzuaddiert, was heißt, daß C3 über D5 geladen werden kann, bis der doppelte Spitzenwert der Wechselspannung erreicht ist. Das gilt jedenfalls theoretisch, denn wenn sich C1 in C3 entlädt, sinkt die Spannung an C1.

Wenn auch eine Belastung angeschlossen ist, sorgt diese ebenfalls für einen Spannungsrückgang. Etwas technischer ausgedrückt heißt das, daß die Schaltung als Spannungsquelle betrachtet einen relativ hohen Innenwiderstand aufweist.
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Jetzt wird es langsam Zeit für etwas Neues. Die neue Schaltung wurde an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich von Dipl.-Ing. Th. Gisper entwickelt. Wie in Bild 7 zu sehen ist, handelt es sich um eine Mischung aus Graetz-Brücke und Villard-Schaltung.

D1 und D2 dienen sowohl in Bild 2 als auch in Bild 7 als Einweggleichrichter. Der übrige Teil der Gisper-Brücke besteht aus zwei Villard-Schaltungen. Dadurch findet im Gegensatz zur Villard-Schaltung keine Einweg-, sondern eine Zweiweggleichrichtung statt.

In der Villard-Schaltung wird der Ladekondensator nur einmal pro Periode nachgeladen, auch wenn während der anderen Periodenhälfte "vorbereitende Arbeiten" erfolgen.
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Die Gisper-Schaltung hat eigentlich die gleichen Vorteile wie die Graetz-Brücke. Beide Halbwellen der Wechselspannung werden gleichmäßig (symmetrisch) belastet, was eine bessere Trafoausnutzung und eine Verringerung der Oberwellen bedeutet.

Dadurch ist die Schaltung auch für Hochfrequenz-Anwendungen geeignet. Auch ausgangsseitig weist die Gisper-Brücke den Vorteil der Graetz-Brücke auf. Weil der Ladekondensator zweimal pro Periode aufgeladen wird, kann die Schaltung höher belastet werden als eine vergleichbare Villard-Schaltung.

Dabei liefert die Gisper-Brücke ebenso wie die Villard-Schaltung eine Spannungsverdopplung und kann auch kaskadiert werden.
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Von D.A.J. Harkema stammt die Erweiterung zur doppel-phasigen Gisper-Schaltung in Bild 8 analog zur doppelphasigen Graetz-Schaltung in Bild 5. In dieser Schaltung ist die Spannung zwischen Null und Plus der doppelte Spitzenwert der Wechselspannung (von einer Phase), natürlich ohne Belastung gemessen.

Die negative Spannung entsteht hier aber auf die gleiche Weise wie in Bild 5, also ohne Spannungsverdopplung. Für die positive Spannung wurde in der Tat die doppelphasige Variante der Gisper-Brücke verwendet.

Das ist auch für die negative Spannung zu erreichen, siehe Bild 9. Die bereits erwähnte Kaskadierung der Gisper-Schaltung findet sich in doppelphasiger Ausführung in Bild 10. Sollte eine niedrigere Spannung benötigt werden, kann man die Kaskade nach jeder Stufe auf die gestrichelt gezeichnete Art und Weise über zwei Dioden anzapfen bzw. auch abschließen.
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