Vollwellengleichrichter – Vollständige Anleitung mit Funktionsweise, Formeln, Schaltplänen und Anwendungen

Elektrische Energie wird zunächst in Form von Wechselstrom (AC) bereitgestellt, dessen Richtung sich ändert. Die meisten elektronischen Geräte benötigen jedoch Gleichstrom (DC), der nur in eine Richtung fließt. Der Prozess der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom wird als Gleichrichtung bezeichnet, und die dafür verwendete Schaltung heißt Gleichrichter.

Ein Vollweggleichrichter ist eine gängige und sehr wichtige Gleichrichterschaltung, die häufig in Netzteilen, Ladegeräten und verschiedenen elektronischen Geräten zum Einsatz kommt. Im Gegensatz zum Halbweggleichrichter, der nur eine Halbwelle des Wechselstroms nutzt, nutzt der Vollweggleichrichter sowohl die positive als auch die negative Halbwelle. Dadurch ist er effizienter und der Ausgangsgleichstrom weist eine geringere und stabilere Welligkeit auf.

In diesem Handbuch stellen wir den Vollweggleichrichter im Detail vor, einschließlich seiner Definition, des Vollweggleichrichterdiagramms, des Funktionsprinzips, der Ausgangswellenform, der zugehörigen Formeln, der Hauptvorteile und seiner Unterschiede zum Halbweggleichrichter.

Was ist ein Vollweggleichrichter?

Ein Vollweggleichrichter ist eine elektronische Gleichrichterschaltung, die sowohl die positive als auch die negative Halbwelle von Wechselstrom (AC) in pulsierenden Gleichstrom (DC) umwandeln kann. Kernstück ist die Gleichrichterdiode, die den Stromfluss nur in eine Richtung zulässt und so die Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom ermöglicht.

Im Vergleich zum Halbwellengleichrichter, der nur eine Halbwelle Wechselstrom nutzt, kann der Vollwellengleichrichter eine höhere durchschnittliche Gleichspannung erzeugen und hat aufgrund geringerer Welligkeit einen stabileren Ausgang. Es gibt hauptsächlich zwei Möglichkeiten, ihn zu implementieren: Eine besteht in der Verwendung eines Transformators mit Mittelanzapfung in Kombination mit zwei Gleichrichterdioden; eine andere Art ist eine Struktur, die vier Dioden verwendet, um einen Brückengleichrichter zu bilden.

Der Vorgang, bei dem die positiven und negativen Zyklen des Wechselstroms gleichzeitig genutzt und in Gleichstrom umgewandelt werden, wird als Vollweggleichrichtung bezeichnet.

Wie die Vollwellengleichrichtung hergeleitet wird

Wenn Sie den Vollwellengleichrichter verstehen möchten, können Sie mit dem Halbwellengleichrichter beginnen und Ihr Verständnis Schritt für Schritt aufbauen.

Bei einem Halbwellengleichrichter wird nur eine Hälfte der Wechselstromwellenform genutzt (entweder die positive oder die negative Halbwelle), während die andere Hälfte direkt blockiert wird. Dadurch entsteht ein pulsierender Gleichstrom, und die Hälfte der Eingangsenergie geht verloren.

Der Vollwellengleichrichter funktioniert anders. Er nutzt sowohl die positive als auch die negative Halbwelle und verwendet dabei auch die „ungenutzte Hälfte“, wodurch er effizienter ist.

Der Vollwellengleichrichter lässt sich Schritt für Schritt folgendermaßen verstehen:

•  Schauen wir uns zunächst die Halbwellengleichrichterschaltung an, die nur die positive Halbwelle durch die Last durchlässt.

•  Stellen Sie sich eine weitere Schaltung vor, die exakt gleich aufgebaut ist, deren Eingangssignalform jedoch um 180 Grad phasenverschoben ist. Dadurch wird die ursprünglich negative Halbwelle effektiv in eine „positive“ umgewandelt und kann ebenfalls die Last passieren.

•  Wenn wir die Ausgänge dieser beiden Schaltungen kombinieren, tragen sowohl die positive als auch die negative Halbperiode zum Ausgang bei.

Auf diese Weise fließt der Ausgangsstrom in die gleiche Richtung und erzeugt einen kontinuierlichen pulsierenden Gleichstrom. Dies ist das Kernprinzip des Vollweggleichrichters.

In realen Stromkreisen ist es jedoch nicht praktikabel, zwei separate Wechselstromquellen zu verwenden und diese präzise zu synchronisieren. Dies ist zu kompliziert und unrealistisch.

In der Praxis wird ein Vollwellengleichrichter daher im Allgemeinen auf zwei einfachere Arten realisiert:

•  Verwendung eines Transformators mit Mittelanzapfung

•  Verwendung einer Brückengleichrichterkonfiguration

Mit diesen beiden Methoden genügt eine einzige Wechselstromquelle, um denselben Effekt zu erzielen. Der Vollwellengleichrichter findet daher in elektronischen Geräten breite Anwendung.

Vollweggleichrichter-Schaltkreiskonfigurationen

Für die Vollweggleichrichterschaltung gibt es hauptsächlich zwei Implementierungsmethoden:

Mittelabgriff-Vollwellengleichrichter

Diese Schaltung besteht aus einem Transformator mit Mittelanzapfung, zwei Gleichrichterdioden und einem Lastwiderstand. Im Betrieb leitet in der positiven Halbwelle des Wechselstroms die Diode D1, während D2 gesperrt ist. Der Strom fließt dann unidirektional durch die Last. In der negativen Halbwelle leitet D2, und D1 ist gesperrt, der Laststrom fließt aber weiterhin in dieselbe Richtung. So ist in jeder Halbwelle eine Diode aktiv, wodurch letztendlich ein kontinuierlicher, pulsierender Gleichstrom erzeugt wird.

Seine Vorteile liegen in seinem einfachen Aufbau und dem Bedarf an nur zwei Dioden. Im Vergleich zum Halbwellengleichrichter liefert er eine höhere Gleichspannung und einen gleichmäßigeren Ausgang. Allerdings ist ein spezieller Transformator mit Mittelanzapfung erforderlich, was Kosten und Baugröße erhöht. Zudem muss jede Diode einer maximalen Sperrspannung (PIV) standhalten, die dem Doppelten der Eingangsspannung entspricht. Diese Schaltung stellt eine frühe Form des Vollwellengleichrichters dar.

Brücken-Vollweggleichrichter

Der Brückengleichrichter, auch Vollbrückengleichrichter genannt, besteht aus vier Gleichrichterdioden in Brückenschaltung und benötigt keinen Transformator mit Mittelanzapfung. In der positiven Halbwelle leiten die Dioden D1 und D2, während D3 und D4 in Sperrrichtung vorgespannt sind. Der Strom fließt dann unidirektional durch die Last. In der negativen Halbwelle leiten D3 und D4, während D1 und D2 in Sperrrichtung vorgespannt sind. Der Strom fließt weiterhin in dieselbe Richtung.

Diese Schaltung benötigt keinen Transformator mit Mittelanzapfung, weist eine höhere Transformatorausnutzung auf und ist kleiner und kompakter als die Ausführung mit Mittelanzapfung. Der Nachteil besteht jedoch darin, dass in jeder Halbperiode zwei Dioden gleichzeitig leiten, was zu einem Spannungsabfall von ca. 1.4 V (bei Siliziumdioden) führt. Bei hohen Strömen neigt sie zur Wärmeentwicklung und erfordert daher einen Kühlkörper. Der Brückengleichrichter ist heute die am weitesten verbreitete und gebräuchlichste Gleichrichterschaltung.

Ausgangswellenform eines Vollweggleichrichters

Der Ausgang einer Vollweggleichrichterschaltung ist eine pulsierende Gleichstromwelle. Ohne Filter wäre der Ausgang eine Reihe positiver Impulse. Jede Halbwelle des Wechselstroms würde einmal gleichgerichtet, sodass die Ausgangsfrequenz doppelt so hoch wäre wie die Eingangsfrequenz. Bei einer Eingangsfrequenz von beispielsweise 50 Hz wäre der Ausgang 100 Hz.

Durch das Hinzufügen eines Filters, beispielsweise durch den Anschluss eines Kondensators über die Last, kann die Wellenform geglättet, die Welligkeit reduziert und ein Ausgangssignal erzielt werden, das näher an einer stabilen Gleichspannung liegt. Genau aus diesem Grund ist das Ausgangssignal der Vollweggleichrichtung deutlich glatter als das der Halbweggleichrichtung und eignet sich daher sehr gut für den Einsatz in Stromversorgungsanwendungen.

Vollweggleichrichterformeln

Hier sind die wichtigen Formeln für einen Vollweggleichrichter:

• DC-Ausgangsspannung:

• Effektivstrom:

• Formfaktor:

• Spitzenfaktor:

• Welligkeitsfaktor:

(Viel niedriger als beim Halbwellengleichrichter, der 1.21 hat).

• Effizienz:

• Spitzensperrspannung (PIV):

Für Gleichrichter mit Mittelanzapfung: PIV = 2Vm

Für Brückengleichrichter: PIV = Vm

Diese Formeln helfen beim Entwerfen und Analysieren einer Vollweggleichrichterschaltung für reale Anwendungen.

Vorteile eines Vollweggleichrichters

Im Vergleich zum Halbwellengleichrichter weist der Vollwellengleichrichter in vielen Aspekten eine bessere Leistung auf und wird daher in praktischen Schaltungen häufiger eingesetzt:

• Höherer Wirkungsgrad: Der Halbwellengleichrichter nutzt Wechselstrom nur für eine Halbperiode und erreicht einen Wirkungsgrad von lediglich ca. 40 %. Vollwellengleichrichter hingegen können sowohl die positive als auch die negative Halbperiode gleichzeitig nutzen und erzielen so einen Wirkungsgrad von ca. 81 % und eine höhere Ausnutzung der elektrischen Energie.

• Gleichmäßigerer Ausgang: Da die Ausgangsfrequenz der Vollwellengleichrichtung doppelt so hoch ist wie die des Eingangswechselstroms, ist die Spannungsschwankung schneller, die Restwelligkeit naturgemäß geringer und der resultierende Gleichstrom (DC) stabiler.

• Höhere durchschnittliche Ausgangsspannung: Die Gleichspannung eines Vollweggleichrichters beträgt etwa das 0.637-fache der Wechselspannungsspitze, während die eines Halbweggleichrichters nur 0.318 Vm beträgt. Eine höhere Spannung ermöglicht eine stärkere Ansteuerung der Last.

• Besserer Transformatorausnutzungsfaktor (TUF): Vollwellengleichrichter können die Leistung der Sekundärwicklung des Transformators besser ausnutzen, Ressourcenverschwendung reduzieren und den Wert des Transformators hinsichtlich Volumen und Kosten maximieren.

• Kleinerer Filterkondensator erforderlich: Da die Restwelligkeit geringer und die Ausgangsspannung im Vergleich zur Halbwellengleichrichtung bereits relativ stabil ist, wird lediglich ein kleinerer Filterkondensator benötigt, um die Wellenform weiter zu glätten. Dies spart nicht nur Platz und Materialkosten, sondern trägt auch zur Miniaturisierung von Schaltungen bei.

• Höhere Zuverlässigkeit: Der Stromfluss in der Last bleibt immer in der gleichen Richtung, wodurch die potenziellen Verluste des Geräts durch häufige Stromumkehrungen reduziert werden und somit die Stabilität und Lebensdauer des Stromkreises erhöht werden.

• Breite Anwendungsmöglichkeiten: Der Vollweggleichrichter ist in Stromkreisen fast schon eine Standardkonfiguration und wird häufig in Situationen verwendet, in denen Wechselstrom in Gleichstrom umgewandelt wird, wie etwa in Schaltnetzteilen, Batterieladegeräten, Adaptern für Laptops und Mobiltelefone, USV-Systemen und verschiedenen Unterhaltungselektronikprodukten.

Nachteile des Vollwellengleichrichters

Obwohl der Vollwellengleichrichter viele Vorteile bietet, müssen bei seiner Verwendung für die Schaltungsentwicklung auch einige seiner Einschränkungen berücksichtigt werden.

1. Komplexere Schaltungsdesigns

Im Vergleich zum Halbwellengleichrichter benötigt der Vollwellengleichrichter mehr Bauteile. Die Mittelabgriffschaltung erfordert einen separaten Transformator, während die Brückenschaltung vier Dioden benötigt, was die Gesamtstruktur komplexer macht.

2. Höhere Komponentenanzahl

Ein Vollwellengleichrichter benötigt üblicherweise 2 oder 4 Dioden, was die Konstruktionskosten und die Anzahl potenzieller Fehlerquellen erhöht.

3. Spannungsabfall im Brückengleichrichter

Bei einem Brückengleichrichter leiten zwei Dioden gleichzeitig, was zu einem Spannungsabfall von etwa 1.4 V führt und die Ausgangsspannung verringert.

4. Transformatoranforderung (Mittelanzapfungstyp) 

Der Mittelabgriff-Vollwellengleichrichter benötigt einen speziellen Transformator, was die Kosten und die Größe erhöht und seine Anwendungsmöglichkeiten einschränkt.

5. Wärmeerzeugung

Die Leitfähigkeit mehrerer Dioden führt zu Leistungsverlusten in Form von Wärme. Ein Vollwellengleichrichter erfordert daher bei hohen Strömen eine entsprechende Wärmeableitung.

6. Designüberlegungen für PIV

Die Dioden im Vollwellengleichrichter müssen die Anforderungen an die Spannungsfestigkeit (PIV) erfüllen; andernfalls sind sie anfällig für Beschädigungen.

Halbwellen- vs. Vollwellengleichrichter

Der Halbwellengleichrichter ist eine der einfachsten Gleichrichterschaltungen. Sein Funktionsprinzip besteht darin, eine Halbwelle der Wechselstromwellenform (AC) durchzulassen und die andere Halbwelle zu blockieren. Nur eine PN-Übergangsdiode, ein Lastwiderstand und manchmal ein Transformator zur Isolierung oder Spannungsregelung können sinusförmigen Wechselstrom in pulsierende Gleichspannung umwandeln.

Der Ausgangsstrom dieser Schaltung ist unidirektional, aber nicht gleichmäßig, sondern besteht aus einer Reihe von Impulsen. Daher ist in der Regel ein Filter erforderlich, um einen stabileren Gleichstrom zu erhalten. Im Vergleich zum Vollweggleichrichter ist sein Wirkungsgrad deutlich geringer, da die Hälfte der Wellenform des Wechselstroms verschwendet wird. Gerade wegen seines sehr einfachen Aufbaus findet man ihn häufig in Lehrbüchern, Laborexperimenten und einigen Rapid-Prototyping-Schaltungen. Halbweggleichrichter sind der erste Schritt zum Verständnis des Gleichrichtungsprinzips und zum weiteren Erlernen der Gleichrichtertypen, insbesondere der Vollweggleichrichter.

Halbwellen- vs. Vollwellengleichrichter in einer Tabelle

Diese Tabelle zeigt, warum der Vollweggleichrichter in den meisten Gleichrichterschaltungen die bevorzugte Wahl ist.

Schlüsselbegriffe erklärt

Das Verständnis einiger gängiger Grundbegriffe kann uns helfen, die Funktionsweise eines Vollwellengleichrichters vollständig zu verstehen.

1. Zyklus

Ein Zyklus bezeichnet eine vollständige Wellenform eines Wechselstromsignals. Bei einem Vollweggleichrichter besteht jeder Zyklus aus einer positiven und einer negativen Halbwelle.

2. Positiver Halbzyklus

Die positive Halbwelle ist der Teil der Wechselstromwellenform, der oberhalb der horizontalen Achse liegt. Bei einem Vollweggleichrichter trägt dieser Teil direkt zum Ausgangsstrom bei.

3. Negative Halbperiode

Die negative Halbwelle ist der Teil der Wechselstrom-Wellenform unterhalb der horizontalen Achse. In einem Vollweggleichrichter wird dieser Teil mithilfe von Dioden in eine positive Ausgangsspannung umgewandelt, wodurch der Vollweggleichrichter die gesamte Wellenform nutzen kann.

4. Pulsierender Gleichstrom

Die Ausgangsspannung eines Vollweggleichrichters ist keine reine Gleichspannung, sondern eine pulsierende Gleichspannung. Das bedeutet, die Spannung fließt zwar in eine Richtung, ihre Amplitude variiert jedoch. Um diese Spannung zu glätten, wird häufig ein Filter in Verbindung mit einem Vollweggleichrichter verwendet.

5. Berichtigung

Die Gleichrichtung ist der Prozess der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom. Ein Vollweggleichrichter führt eine Vollweggleichrichtung durch, indem er beide Hälften des Wechselstromsignals in nutzbaren Gleichstrom umwandelt.

6. Ripple

Die Restwelligkeit bezeichnet die kleinen Schwankungen im Ausgangssignal eines Vollweggleichrichters. Obwohl ein Vollweggleichrichter weniger Restwelligkeit erzeugt als ein Halbweggleichrichter, ist für empfindliche Anwendungen dennoch eine Filterung erforderlich.

7. Frequenzverdopplung

Ein wesentliches Merkmal eines Vollweggleichrichters ist, dass die Ausgangsfrequenz doppelt so hoch ist wie die Eingangsfrequenz. Dadurch ist der Vollweggleichrichter effizienter und einfacher zu filtern.

Fazit

Der Vollweggleichrichter ist ein grundlegender und wichtiger Bestandteil elektronischer Schaltungen. Er kann sowohl die positiven als auch die negativen Halbwellen des Wechselstroms (AC) nutzen und ist daher im Vergleich zum Halbweggleichrichter effizienter. Der ausgegebene Gleichstrom (DC) ist stabiler und weist weniger Welligkeit auf.

Studenten, Ingenieure und Elektronikbegeisterte müssen das Diagramm, die Formeln und das Funktionsprinzip des Vollweggleichrichters erlernen und beherrschen. Denn bei der Entwicklung von Netzteilen, Batterieladegeräten oder anderen Gleichstromsystemen kann die Vollweggleichrichtung den stabilen und zuverlässigen Betrieb der Schaltung gewährleisten.