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Die Diode als Gleichrichter

Ihr seht eine einfache Schaltung in der Simulation. Links ist eine Wechselspannungsquelle. Die Diode sperrt den Strom oder läßt ihn zum Verbraucher R = 1k durch. Hinter der Diode kontrollieren wir den Spannungsverlauf mit Hilfe eines Oszilloskops. Wir stellen fest, dass die positiven Halbwellen von der Diode zum Widerstand durchgelassen werden, während die negativen fast ganz gesperrt sind. Da es sich um die Nachbildung einer realen Diode handelt, ist in der Sperrphase dennoch eine geringe negative Spannung zu sehen. Tatsächlich sperrt die Diode nicht genau bei 0 V. Wie man aus dem Kennlinenfeld entnehmen kann, ist da immer noch eine geringe Leitfähigkeit vorhanden, die dafür verantwortlich ist, dass auch von der negativen Halbwelle eine Rest-Spannung(0,7V) hindurchdringt.


Doch hier das Bild der vor der Diode anliegenden Wechselspannung:



Wir erkennen an diesem Beispiel gleich eine Gesetzmäßigkeit, die für alle sinusförmigen Wechselspannungen gilt:

Die am Generator vorgegebene Wirkspannung ist 10V. Der Oszillograf zeigt zwischen dem positiven und dem negativen Maximum aber eine Differenzspannung von rund 28 V an. Wir bezeichnen diese Differenz als Spitzenspannung und der Index ss bei der Größenangabe in Vss weist darauf hin, dass wir von der positiven bis zur negativen Spitze messen.

Die halbe Spitzenspannung einer Wechselspannung wird mit Us bezeichent. Sie ist der positive Spitzenwert der sog. Wirkspannung(engl. RMS;Root Mean Square) Die Angabe in RMS wird eigentlich nur in der Audio-Technik angewendet, wenn man unterschiedliche Lautsprecherleistungen daraus ableitet. Sie sollte nicht mit der Musikleistung verwechselt werden. Die gewählte Wechselpannung des zur Simulation eingesetzten Generators in der Schaltung ist 10V. Aus ihr bestimmt man die elektrische Wirkleistung, die einer virtuellen Gleichstromleistung gleichgesetzt wird. Diese Spannungsangabe wird auch Effektivwert genannt. Sie berechnet sich nach:

Us = Ueff * (Wurzel aus2)


Also nachgerechnet : Us = 10 * 1,414 = 14,14 Vs

Und die Uss ist demnach 2 * Us = 14 * 2 = 28 Vss, so wie wir sie nur mit dem Oszilloskop messen können. Ein Vielfach-Multimeter zeigt uns aber stets im Bereich Wechselspannungen die Ueff = U = 10 V an. Niemals aber dürfen wir eine Wechselspannung mit dem Gleichspannungsbereich messen. Die Anzeige wäre verwirrend, denn meistens wird 000 angezeigt, owohl eine elektrische Spannung vorhanden ist.

Wie ist es nun aber mit der Gleichrichtung?

Wir haben nach der Diode eine pulsierende Wechselspannung. Speichern wir diese Ladungen periodisch in einem Kondensator, dann kann der in den Pausen(den negativen Halbwellen) einen Strom in den Widerstand schicken. Also werden wir mal den Spannungsverlauf der erweiterten Schaltung untersuchen.



Obwohl wir die Kapazität des Kondensators ziemlich hoch angegesetzt haben, ist immer noch keine Gleichspannung zu gewinnen. Es muss eine sog. Siebung nachgeschaltet werden,



Wir sehen jetzt eine geringere Welligkeit der nunmehr schon ganz ordentlich aussehenden Gleichspannung. Die wollen wir näher untersuchen und schalten den Eingang des Oszilloskops von DC(Gleichspannung) auf AC (Wechselspannung) um.Dabei erhöhen wir auch die Empfindlichkeit dieses Messgerätes.

Wir haben einen Brumm von 564 mVss, der der Gleichspannung überlagert ist. Wir könnten diesen Brumm noch weiter verringern, indem wir das Siebglied verbessern. Ein größerer Längswiderstand und ein größerer Siebkondensator würden die Wirkung steigern und den Brumm vermindern.

Wir lesen jetzt 56mVss ab, nachdem wir nur den Siebkondensator von 10uF auf 100uF vergrößert haben. Ebenso wirkt die Erhöhung des Siebwiderstandes. Wenn wir aber dessen Ohmwert vergrößern würden, könnte man irgendwann nicht mehr genügend Strom entnehmen. Man sagt dann, dass sich der Innenwiderstand der Gleichrichterschaltung unzulässig erhöht hat. Denn schließlich muss auch der Gleichstrom in einem geschlossenen Stromkreis fließen. Und die maximale Höhe des entnehmbaren Stromes richtet sich nach der Urspannung und dem Gesamtwiderstand der Schaltung. Macht man die Last zu groß(kleiner Lastwiderstand), . dann bricht die Ausgangsspannung der Gleichrichterschaltung zusammen. Damit ist auch eine Steigerung .der Brummspannung im Vergleich zur Gleichspannung verbunden.



Bei einer Last von 10 Ohm hätten wir nur noch 93 mV Ausgangs-Gleichspannung, die relativ stark verbrummt wäre. Das Oszillogramm zeigt hier nur den Brumm!

Soweit mal die Befassung mit der Einweg-Gleichrichterschaltung. Wer die Vorgänge gründlicher studieren möchte, kann ja die Schaltung nachbauen und mit dem PC-Oszilloskop untersuchen. Als Generator wird der Phasenschieber-Oszillator an den Eingang angeschlossen.



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