Kapitel 5 - Anwendung von Dioden

5. Anwendungen von Dioden in
Stromversorgungseinheiten
Stromversorgungseinheiten („Netzgeräte“) erzeugen die von
elektronischen Schaltungen benötigten Gleichspannungen.
Sie bestehen in der Regel aus drei Blöcken:
• Transformator
• Gleichrichter und Glättungskondensator (Abschnitt 5.1)
• Spannungsstabilisierung (Abschnitt 5.2)
Im Transformator wird die Netzwechselspannung in eine Wechselspannung
der benötigten Größe transformiert und im Gleichrichter
gleichgerichtet. Der Glättungskondensator verringert die
Welligkeit dieser Gleichspannung. Die Spannungsstabilisierung
gleicht Schwankungen von Netzspannung und Belastung aus.
5. Anwendungen von Dioden
1

5.1. Netzgleichrichtung mit Dioden
In dieser Vorlesung werden folgende Gleichrichterschaltungen
für Wechselstrom und Drehstrom betrachtet:
• Einpuls-Mittelpunktschaltung (M1, Einweggleichrichter)
• Zweipuls-Brückenschaltung (B2, Graetz-Brücke)
• Dreipuls-Mittelpunktschaltung (M3)
• Sechspuls-Brückenschaltung (B6, Drehstrombrücke)
I
In allen Beispielen wird von
„idealen Dioden“ ausgegangen.
U
5. Anwendungen von Dioden
2

Einpuls-Mittelpunktschaltung (a)
Bei der Einpuls-Mittelpunktschaltung (auch M1-Schaltung, Einweggleichrichter)
leitet die Diode nur während der positiven Halbwelle
der Wechselspannung u s .
u AK
u P u S u d R
u S = û S sin(ωt + φ u )
5. Anwendungen von Dioden
ωt
ωt
3

Einpuls-Mittelpunktschaltung (b)
Die Ausgangsspannung der Einpuls-Mittelpunktschaltung
wird
praktisch immer geglättet.
Dies geschieht am einfachsten
durch Parallelschaltung eines
Glättungskondensators.
5. Anwendungen von Dioden
u AK
u P u S u d R
C
Stromflusswinkel
ωt
Mittl. Spannung am Verbraucher:
4

Einpuls-Mittelpunktschaltung (c)
Scheitelwert der
gleichgerichteten
Spannung
Zeitl. Mittelwert
der gleichgerichteten
Spannung
Ohne Glättung:
5. Anwendungen von Dioden
Maximale Sperrspannung
an der
Diode
Ohne Glättung:
Mit Glättung:
5

Einpuls-Mittelpunktschaltung (d)
Mit Glättungskondensator:
Periodische Spannungsdifferenz am Glättungskondensator
Mittelwert der gleichgerichteten Spannung
5. Anwendungen von Dioden
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Zweipuls-Brückenschaltung (a)
Die Zweipuls-Brückenschaltung (auch B2-Schaltung, Graetz-Brücke)
ist die wichtigste Gleichrichterschaltung für Einphasen-Wechselstrom.
Ohne Glättungskondensator
ωt
5. Anwendungen von Dioden
uS ud C R
ωt
Mit Glättungskondensator
7

Zweipuls-Brückenschaltung (b)
Scheitelwert der
gleichgerichteten
Spannung
Zeitl. Mittelwert
der gleichgerichteten
Spannung
5. Anwendungen von Dioden
Maximale Sperrspannung
an den
Dioden
Ohne Glättung: Mit und ohne Glättung:
8

Zweipuls-Brückenschaltung (c)
Mit Glättungskondensator:
Periodische Spannungsdifferenz am Glättungskondensator
Mittelwert der gleichgerichteten Spannung
5. Anwendungen von Dioden
9

Zweipuls-Brückenschaltung (d)
Fertig verschaltete Brückengleichrichter
sind in unterschiedlichen
Leistungsstufen verfügbar.
5. Anwendungen von Dioden
10

Dreipuls-Mittelpunktschaltung (a)
Für mittlere Leistungen ab einigen Kilowatt aufwärts werden
Drehstromgleichrichter wie die Dreipuls-Mittelpunktschaltung
(M3) oder die Sechspuls-Brückenschaltung (B6) eingesetzt:
• Im Vergleich zu den bisher betrachteten Gleichrichterschaltungen
für einphasigen Wechselstrom ist die Welligkeit der
gleichgerichteten Spannung kleiner.
• Der Aufwand für die Glättung ist aus diesem Grund geringer.
Oft kann auf eine Glättung sogar ganz verzichtet werden.
• Eine typische Anwendung dieser Gleichrichterschaltungen
findet sich bei Straßenbahnen, die oft mit Gleichspannungen
von 500…750 V betrieben werden. Sie werden auch in den
heute üblichen KFZ-Drehstromgeneratoren eingesetzt.
(In beiden Fällen ohne weitere Glättung).
5. Anwendungen von Dioden
11

Weitere
Bezeichnung:
M3-Schaltung
Dreipuls-Mittelpunktschaltung (b)
5. Anwendungen von Dioden
12

Dreipuls-Mittelpunktschaltung (c)
Scheitelwert der
gleichgerichteten
Spannung
Zeitl. Mittelwert
der gleichgerichteten
Spannung
5. Anwendungen von Dioden
Maximale Sperrspannung
an den
Dioden
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Weitere
Bezeichnung:
B6-Schaltung,
Drehstrombrücke
Sechspuls-Brückenschaltung (a)
5. Anwendungen von Dioden
14

U
Sechspuls-Brückenschaltung (b)
„Plus-Dioden“
Verlauf der Ausgangsspannung (Differenz
zwischen „Plus- und Minus-Dioden“)
„Minus-Dioden“
5. Anwendungen von Dioden
ωt
15

Sechspuls-Brückenschaltung (c)
Scheitelwert der
gleichgerichteten
Spannung
Zeitl. Mittelwert
der gleichgerichteten
Spannung
5. Anwendungen von Dioden
Maximale Sperrspannung
an den
Dioden
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Beispiel: KFZ-Drehstromgenerator
Erregerdioden
DrehstromwicklungD
Spannungsregler
30
31
+
–
15
D+
D–
U
DF
D–
G
D+
B–
B+
5. Anwendungen von Dioden
+
zu den Verbrauchern
–
Plus-
Dioden
Minus-
Dioden
Erregerwicklung
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Übungsaufgabe 5.1
Die Ausgangsspannung einer B2-Gleichrichterbrücke versorgt einen
Lastwiderstand R = 50 Ω und wird mit Hilfe eines Kondensators C
geglättet. Die Wechselspannung am Eingang des Gleichrichters hat
eine Frequenz von 50 Hz. Sie wird von einem Transformator geliefert,
der Innenwiderstand des Trafos kann vernachlässigt werden.
An den Dioden fällt eine Durchlassspannung von 0,75 V ab.
i) Der Widerstand soll eine Leistung P = 5 W aufnehmen. Wie
groß muss der Kondensator C sein, damit die Spannung am
Widerstand um maximal ±0,1 V schwankt?
ii) Welchen Effektivwert muss der Trafo liefern, damit sich am
Widerstand eine mittlere Gleichspannung von 5 V einstellt?
iii) Welche Sperrspannung müssen die Dioden aushalten können?
5. Anwendungen von Dioden
18

Übungsaufgabe 5.1, Simulation zu (i)
5. Anwendungen von Dioden
19

Übungsaufgabe 5.1, Simulation zu (ii)
5. Anwendungen von Dioden
20

50
45
Übungsaufgabe 5.2 (a)
Eine Gleichrichterschaltung für Netzspannung mit f = 50 Hz ist als
einpulsige Mittelpunktschaltung (M1) mit Belastungswiderstand R
und Glättungskondensator C ausgeführt. Auf dem Oszilloskop zeigt
sich der folgende Verlauf der Ausgangsspannung:
U / V
90° 180° 270° 360° ωt
5. Anwendungen von Dioden
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Übungsaufgabe 5.2 (b)
i) Bestimmen Sie aus dem Diagramm den Stromflusswinkel Θ, die
Stromflusszeit t s und den Mittelwert U d der gleichgerichteten
Spannung.
ii) Welche Ladung Q wird dem Glättungskondensator C = 1000 µF
während der Stromflussphase zugeführt?
iii) Bestimmen Sie die Zeitkonstante τ des RC-Gliedes und den
Entladewiderstand R.
iv) Berechnen Sie den mittleren Strom I d durch den Widerstand R.
5. Anwendungen von Dioden
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5.2. Spannungsstabilisierung mit Zenerdiode
Kennlinien von Zenerdioden unterschiedlicher Zenerspannungen:
Durchlasskennlinie
Sperrkennlinien:
Z-Diode 2,7V
Z-Diode 5,6V
Z-Diode 8,2V
-8V
-6V
-4V
-2V
5. Anwendungen von Dioden
I
10mA
-10mA
0,7V
U
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Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (a)
Lineares Ersatzschaltbild
im Durchbruchbereich
+
–
-U Z0
5. Anwendungen von Dioden
(Sperrrichtung)
Idealisierte, lineare
Kennlinie einer Zenerdiode
I
(Durchlassrichtung)
24
U

Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (b)
Die Abbildung zeigt eine Schaltung zur Spannungsstabilisierung mittels
Z-Diode. Bei schwankender Versorgungsspannung U e und wechselnder
Belastung R a wird die Spannung U a stabil gehalten.
I e
U e
R V
I Z
U a
I a
R a
5. Anwendungen von Dioden
Ie RV IZ Ia U e
U Z0
Originalschaltung Lineares Ersatzschaltbild
r z
U a
R a
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Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (c)
Schwankt die Eingangsspannung im Bereich U e min < U e < U e max
und bewegt sich der Ausgangsstrom (Laststrom zum Verbraucher)
im Bereich I a min < I a < I a max , ergeben sich folgende Grenzen für R v :
• Der größte zulässige Strom durch die Zenerdiode (I Z max ) wird
durch die max. Verlustleistung der Diode bestimmt.
• Für I Z min gilt näherungsweise: I Z min ≈ 0,1 · I Z max
5. Anwendungen von Dioden
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Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (d)
Die Qualität der Spannungsstabilisierung wird durch den
Glättungsfaktor G beschrieben:
Den besten Glättungsfaktor erhält man, wenn man den Vorwiderstand
R v unter Berücksichtigung der (auf der vorherigen Folie
angegebenen) erreichbaren Grenzen möglichst groß macht.
5. Anwendungen von Dioden
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Übungsaufgabe 5.3 (a) WS 2006/07 – FA, A2
Gegeben ist die nachfolgende Stabilisierungsschaltung mit einem
Vorwiderstand R V und einer Z-Diode (U Z0 = 5 V, r Z = 5 Ω).
U E
R V
U A
R L
a) Tragen Sie die linearisierte Kennlinie der Zenerdiode in das
Diagramm ein.
5. Anwendungen von Dioden
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Übungsaufgabe 5.3 (b)
Die Schaltung wird in den Aufgabenteilen (b) bis (d) zunächst ohne
Last R L betrieben!
b) Im folgenden Diagramm ist für
die variierende Eingangsspannung
U E (t) die dazugehörige
Ausgangsspannung U A (t) gegeben.
Ermitteln Sie aus den Verläufen
den Glättungsfaktor G.
c) Bestimmen Sie die Größe des
verwendeten Vorwiderstands R V .
12
10
5. Anwendungen von Dioden
8
6
4
2
U / V
5 10 15
d) Tragen Sie die Arbeitsgeraden für U E = 5 V und U E = 10 V jeweils
in das U-I-Diagramm von Aufgabenteil (a) ein.
U E
U A
t / s
29

Übungsaufgabe 5.3 (c)
Nun wird die Schaltung mit einem Vorwiderstand R V = 20 Ω und
einem Lastwiderstand R L = 20 Ω betrieben. Lösen Sie die folgenden
Unterpunkte ohne Verwendung von Näherungen.
e) Wie groß ist die Eingangsspannung U E , wenn die Ausgangsspannung
U A = 6 V beträgt?
18
16
14
12
10
8
6
4
2
U / V
5
U E
5. Anwendungen von Dioden
f) Zeichnen Sie für den
angegebenen Verlauf
von U E (t) die Ausgangsspannung
U A (t) ein.
t / s
30