Gleichrichterschaltungen

Handlungssituation

Für ein Ladegerät sollen Gleichrichterschaltungen dimensioniert werden. Es steht entweder ein Wechselstromanschluss oder ein Drehstromanschluss zur Verfügung. Für die Dimensionierung müssen geeignete Transformatoren (Leistung, Übersetzungsverhältnis) und geeignete Dioden (zulässige Stromstärke, zulässige Sperrspannung) ausgewählt werden.
Folgende Daten sind vorgegeben:

Ladespannung: 14 V
maximaler Ladestrom: 6 A

Wichtige Kennwerte

Die Kurvenformen der Ausgangsspannungen und -ströme von Gleichrichterschaltungen sind nicht ideal. Die Ausgangsspannungen von Gleichrichterschaltungen sollten idealerweise rechteckförmig sein. Das ist aber aufgrund der Funktionsweise dieser Schaltungen nicht möglich. Um die Abweichung von der Idealform beurteilen zu können, wurden die Kennwerte Formfaktor und Welligkeit eingeführt.

Kenngröße Formel Erläuterung
Formfaktor FU = URMS/UAV Der Formfaktor ist das Verhältnis des Effektivwertes URMS zum arithmetischen Mittelwert UAV. Je näher dieser Wert bei EINS liegt, desto besser wird die Kurvenform einer idealen Gleichspannung angeglichen.
Welligkeit wU = URMSO/UAV Die Welligkeit ist das Verhältnis des Effektivwertes URMSO aller Oberschwingungen zum arithmetischen Mittelwert UAV. Je näher dieser Wert bei NULL liegt, desto besser wird die Kurvenform einer idealen Gleichspannung angeglichen.

Zwischen Formfaktor und Welligkeit besteht folgender Zusammenhang:

w = (F2 - 1)0,5

Mittelpunktschaltungen

Die Gleichrichterdioden werden parallel geschaltet.

Ungesteuerte Zweipuls-Mittelpunktschaltung (M2U)


Eingangs- und Ausgangsspannung


Gesteuerte Zweipuls-Mittelpunktschaltung (M2C)

Wenn der Ladestrom gesteuert werden soll, dann muss die Ladespannung gesteuert werden. Ein gesteuerter Gleichrichter unterbricht eine  Wechselspannungsquelle in periodischen Abständen. Die negativen Halbwellen werden gesperrt.


Eingangs- und Ausgangsspannung

Ungesteuerte Dreipuls-Mittelpunktschaltung (M3U)

Ausgangsspannung

Aufgaben

  1. Beschreiben Sie Aufbau und Funktionsweise der ungesteuerten Brückengleichrichterschaltung (M2U).
  2. Wie groß muss die Sperrspannung der Dioden sein?
  3. Wie groß darf der arithmetische Mittelwert des Stromes für die Dioden maximal sein?
  4. Simulieren Sie die M2U-Gleichrichterschaltung.
  5. Wie groß ist das Verhältnis von Spitzenwert der Ausgangsspannung zu dem arithmetischen Mittelwert der Ausgangsspannung bei einer B2U-Schaltung?
  6. Dimensioniern Sie die M2U-Schaltung.
  7. Beschreiben Sie den Aufbau und die Funktionsweise der gesteuerten Gleichrichterschaltung B2C.
  8. Simulieren Sie die M2C-Schaltung.
  9. Berechnen Sie für die M2C-Schaltung den arithmetischen Mittelwert und den Effektivwert der Ausgangsspannung für einen Steuerwinkel von 0°, 30°, 60°, 90° und 120°. Stellen Sie die Ergebnisse als Funktionsgraph dar.
  10. Simulieren Sie eine M3U-Gleichrichterschaltung.
  11. Wie groß ist das Verhältnis von Spitzenwert der Ausgangsspannung zu dem arithmetischen Mittelwert bei einer M3U-Schaltung?
  12. Dimensioniern Sie die M3U-Schaltung.
  13. Vergleichen Sie die Formfaktoren und die Welligkeiten der Mittelpunktschaltungen.

Brückenschaltungen

Zwei Gleichrichterdioden werden in Reihe geschaltet.

Ungesteuerte Zweipuls-Brückenschaltung (B2U)


Ausgangsspannung


Gesteuerte Zweipuls-Brückenschaltung (B2C)

Wenn der Ladestrom gesteuert werden soll, dann muss die Ladespannung gesteuert werden. Ein gesteuerter Gleichrichter unterbricht eine gleichgerichtete Wechselspannungsquelle in periodischen Abständen.

Steuerimpule und Ausgangsspannung

Kenngröße Formel
Arithmetischer Mittelwert UAV = us*(1 + cos(α))/π
Effektivwert URMS = 0.707*us*(1- α/π + sin(2α)/(2π ))0,5

Ungesteuerte Sechspuls-Brückenschaltung (B6U)

Ausgangsspannung

Aufgaben

  1. Beschreiben Sie Aufbau und Funktionsweise der ungesteuerten Brückengleichrichterschaltung (B2U).
  2. Wie groß muss die Sperrspannung der Dioden sein?
  3. Wie groß darf der arithmetische Mittelwert des Stromes für die Dioden maximal sein
  4. Simulieren Sie die B2U-Gleichrichterschaltung.
  5. Wie groß ist das Verhältnis von Spitzenwert der Ausgangsspannung zu dem arithmetischen Mittelwert der Ausgangsspannung bei einer B2U-Schaltung?
  6. Dimensioniern Sie die B2U-Schaltung.
  7. Beschreiben Sie den Aufbau und die Funktionsweise der gesteuerten Gleichrichterschaltung B2C.
  8. Simulieren Sie die B2C-Schaltung.
  9. Berechnen Sie für die B2C-Schaltung den arithmetischen Mittelwert und den Effektivwert der Ausgangsspannung für einen Steuerwinkel von 0°, 30°, 60°, 90° und 120°. Stellen Sie die Ergebnisse als Funktionsgraph dar.
  10. Simulieren Sie eine B6U-Gleichrichterschaltung.
  11. Wie groß ist das Verhältnis von Spitzenwert der Ausgangsspannung zu dem arithmetischen Mittelwert bei einer B6U-Schaltung?
  12. Dimensioniern Sie die B6U-Schaltung.
  13. Vergleichen Sie die Formfaktoren und die Welligkeiten der Brückenschaltungen.
  14. Ermitteln Sie eine optimale Lösung. Begründen Sie ihre Entscheidung.

Glättungskondensatoren

Glättungskondensatoren sollen die Welligkeit der Ausgangsspannung reduzieren.

B2U-Schaltung mit Glättungskondensator

Netzstrom und Ausgangsspannung


Der Netzstrom ist nicht mehr sinusförmig. Es werden also Oberschwingungen in das Netz eingespeist.

Aufgaben

  1. Welchen Einfluss hat ein Glättungskondensator auf die Form der Ausgangsspannung?
  2. Welchen Einfluss hat ein Glättungskondensator auf die Form des Netzstromes?
  3. Untersuchen Sie den Zusammenhang zwischen der Kapazität des Glättungskondensators und den Oberschwingungsgehalt des Netzstromes.
  4. Varieren Sie die Kapazität des Glättungskonensators sowie die Größe des Lastwiderstandes und beobachten Sie die Form der Ausgangsspannung.
  5. Wie werden Glättungskondensatoren dimensioniert?

Inhaltsverzeichnis Bauteile Steuerelektronik Gleichrichter Gleichstromsteller Wechseltromsteller Wechselrichter