Grundlagen der Leistungselektronik

1 - Grundlagen der Leistungselektronik 

Grundlagen der 

Leistungselektronik 

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Impressum 

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Impressum.......................................................................................................................................... 2 

Firmenvorstellung.............................................................................................................................. 4 

Fallstudie ............................................................................................................................................ 5 

Leitfragen............................................................................................................................................ 6 

1.0 Kapitelübersicht........................................................................................................................... 7 

1.1 Blockschaltplan eines Netzteiles ...................................................................................... 8 

1.2.0 Der Netztransformator (1) ............................................................................................... 9 

1.2.1 Der Netztransformator: Aufbau und Prinzip (2).......................................................... 10 

1.3.0 Die Zweipuls-Brückenschaltung B2 (1)....................................................................... 14 

1.3.1 Arbeitsweise der Zweipuls-Brückenschaltung (2) ..................................................... 15 



1.4.0 Bauformen von Brückengleichrichtern (1) ................................................................. 18 

1.4.1 Brückenschaltung mit Ladekondensator (2) .............................................................. 20 

1.4.2 Brückenschaltung mit Ladekondensator (3) .............................................................. 21 

1.5.0 Siebschaltungen (1).......................................................................................................23 

1.6.0 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (1) ................................................................... 26 





1.7.0 Spannungsstabilisierung mit Regelverstärkern (1) ................................................... 33 

1.7.1 Spannungsstabilisierung mit Regelverstärkern (2) ................................................... 35 

1.8 Stabilisierungsschaltungen mit integrierten Spannungsreglern ................................ 37 

1.9.0 Festspannungsregler (1)............................................................................................... 38 

1.9.1 Festspannungsregler (2)............................................................................................... 39 

1.10 24-V-Netzteil mit stabilisierter Ausgangsspannnung ................................................. 40 

1.11 Einstellbare Spannungsregler....................................................................................... 41 

2.0 Kapitelübersicht......................................................................................................................... 42 

2.1 Gleichstromsteller: Funktionsprinzip............................................................................. 43 

2.2 Gleichstromsteller mit Transistoren............................................................................... 44 

2.3 Gleichstromsteller mit Thyristoren................................................................................. 45 

2.4.0 Ansteuerungsarten für Gleichstromsteller (1)............................................................ 46 

2.4.1 Ansteuerungsarten für Gleichstromsteller (2)............................................................ 47 


3.1 Wechselstromsteller: Funktionsprinzip ......................................................................... 49 

3.2.0 Phasenanschnittsteuerung mit einem Triac (1) ......................................................... 50 

3.2.1 Phasenanschnittsteuerung mit einem Triac (2) ......................................................... 51 

3.3 Drehzahlsteuerung beim Universalmotor ...................................................................... 52 

3.4 Phasenabschnittsteuerung ............................................................................................. 53 

3.5.0 Schwingungspaketsteuerung (1) ................................................................................. 54 

3.5.1 Schwingungspaketsteuerung (2) ................................................................................. 55 

3.6.0 Wechselrichter (1).......................................................................................................... 56 

3.6.1 Wechselrichterprinzip: Spannungs- und Stromverlauf (2)........................................ 57 


4.1 Betriebsarten elektrischer Antriebe................................................................................ 59 

4.2 Vierquadranten-Diagramm .............................................................................................. 60 

4.3 Zweiquadranten-Betrieb am Beispiel eines Aufzugs.................................................... 61 

4.5.0 Frequenzumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis (1) .................................... 65 

4.5.1 Frequenzumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis (2) .................................... 66 

4.6 Stromrichterantriebe mit Gleichstrommotor ................................................................. 67 

4.7 Industrieller Stromrichter ................................................................................................ 70 

Trainingsaufgabe 1 .......................................................................................................................... 72 



Bearbeitung der Fallstudie ............................................................................................................. 75 

Vereinfachtes Technologieschema.......................................................................................... 82 

Brückengleichrichter - Vergleichsliste.................................................................................... 84 

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Einleitung 

Firmenchronik: 

Die Firma Automatico ist eine traditionsreiche Firma mit langjähriger 

Erfahrung auf dem Gebiet der Automatisierungstechnik. 

Sie entstand aus einem Familienbetrieb, der sich mit Maschinen für 

die Blechumformung befasste. Anfang 1995 wurde auf die stark 

wachsende Automatisierungstechnik mit der Suche nach Vertriebspartnern 

reagiert. 

Heute beschäftigt die Firma Automatico 60 Mitarbeiter, die für viele 

metallverarbeitende Branchen Automatisierungsmöglichkeiten konstruieren 

und umsetzen. 

Produktgeschichte: 

Firmenvorstellung 

Von einem reinen Maschinenbauunternehmen entwickelte sich die Automatico in den 90er Jahren 

zu einer mittelständischen Automatisierungsfirma, was auch zur Umbenennung in den jetzigen 

Namen führte. Nicht zuletzt bescherte der Wunsch nach mehr Automatisierung der Firma 

eine große Anzahl neuer Kunden. Schon bei der ersten Herstellung von Blechbearbeitungsmaschinen 

lag der Firmenschwerpunkt auf der Automatisierung von Fertigungsabläufen der 

Blechbearbeitung. 

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Einleitung 

Fallstudie 

Sprecher: In der Firma Automatico ist am Morgen ein Transportband ausgefallen. Dadurch 

kommt es zu Verzögerungen im Arbeitsprozess. Bernd Wolf, ein Auszubildender, 

informiert sich bei seinem Ausbilder, Herrn Huber. 

Huber: ...das Transportband wird von einem 24-Volt-Gleichstrommotor angetrieben. 

Wolf: Wissen Sie denn schon, wo das Problem liegen könnte? 

Huber: Erste Messungen haben ergeben, dass am Ausgang des Netzteils für die 

Ansteuerung des Motors keine Spannung anliegt. 

Wolf: Und warum wird dann nicht einfach das Netzteil ausgetauscht? 

Huber: Wir haben momentan keines im Haus. Daher heißt es jetzt: Fehler genau lokalisieren 

und beheben. Die Produktion muss weiter laufen. Komm am besten gleich mal mit. 

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Einleitung 

Leitfragen 

Die hier zusammengestellten Leitfragen, sollen Ihnen den Einstieg in die Qualifizierungseinheit 

ermöglichen. Nehmen Sie sich die Zeit und notieren Sie jetzt bitte ganz spontan, was Ihnen als 

Antwort einfällt. 

Verwenden Sie das vorbereitete Antwortdokument zur Beantwortung der Fragen. Sie finden 

das Antwortdokument in den Anlagen am Ende des Skripts. 

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1 Stromversorgung elektronischer Geräte 

Kapitelbezogene Eingangsfragen: 

Aus welchen Funktionsbaugruppen besteht ein Netzteil? 

Wie kann die Ausgangsspannung eines Gleichrichters geglättet werden? 

Themen: 

1.1__Blockschaltplan eines Netzteiles 

1.0 Kapitelübersicht 

1.4.1 Brückenschaltung mit Ladekondensator 

(2)-(3) 

1.2.0 Der Netztransformator (1) 1.5.0 Siebschaltungen (1)-(2) 

1.2.1 Der Netztransformator: Aufbau und Prinzip 

(2) 

1.2.2 Der Netztransformator: Spannungs- und 

_____Stromübersetzung (3) 

1.3.0 Die Zweipuls-Brückenschaltung B2 (1) 

1.3.1 Arbeitsweise der 

_____Zweipuls-Brückenschaltung (2)-(4) 

1.4.0 Bauformen von Brückengleichrichtern 

(1) 

1.6.0 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (1)- 

(5) 

1.7.0 Spannungsstabilisierung 

_____mit Regelverstärkern (1)-(2) 

1.8__Stabilisierungsschaltungen mit integrierten 

_____Spannungsreglern 

1.9.0 Festspannungsregler (1)-(2) 

1.10__24-V-Netzteil mit stabilisierter 

______Ausgangsspannnung 

1.11__Einstellbare Spannungsregler 

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1.1 Blockschaltplan eines Netzteiles 

Zum Betrieb elektronischer Baugruppen und Geräte sind in der Regel Gleichspannungen bzw. 

Gleichströme erforderlich. Sie werden meistens mit Hilfe eines Netzteils aus dem 230V- bzw. 

dem 400V-Wechselstromnetz gewonnen. Beim klassischen Netzteil erfolgt die Energieaufbereitung 

z.B. in folgenden Stufen: 

Berühren Sie mit der Maus die orange farbigen Begriffe, um weitere Informationen zu erhalten. 

Transformator: Die Sekundärspannung des Transformators bildet die Betriebsspannung für die 

nachfolgende Gleichrichterschaltung. Meistens benötigt man kleinere, manchmal aber auch 

höhere Spannungen. 

Gleichrichter: Die Wechselspannung, die auf der Sekundärseite des Transformators zur Verfügung 

steht, wird mit Gleichrichtern in eine Gleichspannung umgewandelt. Wesentliche Bestandteile 

von ungesteuerten Gleichrichtern sind Dioden, die wie Ventile wirken und bei entsprechender 

Polung den Strom durchlassen oder unterbinden. 

Glättung: Die hinter den Gleichrichtern verfügbare Gleichspannung ändert zwar ihre Polarität 

nicht, sie schwankt aber in ihrer Amplitude noch sehr stark. Sie wird mit Hilfe eines Ladekondensators 

geglättet. 

Siebung: Durch eine Nachschaltung von RC- oder LC-Siebgliedern wird die Qualität der 

Gleichspannung weiter verbessert. Die am Ausgang solcher Siebglieder verfügbare Gleichspannung 

eignet sich zum Speisen vieler elektronischer Geräte. 

Stabilisierung: Oft müssen Spannungen unabhängig von den Schwankungen der Netzspannung 

und unabhängig von den Laststromänderungen konstant sein. In solchen Fällen muss 

man sie mit elektronischen Schaltungen stabilisieren. 

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1.2.0 Der Netztransformator (1) 

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1.2.1 Der Netztransformator: Aufbau 

und Prinzip (2) 

Ein Transformator besteht im Wesentlichen aus zwei Spulen auf einem gemeinsamen Kern aus 

magnetisierbarem Material, z.B. Eisen. Der Eisenkern ist zur Unterdrückung von Wirbelströmen 

aus gegeneinander isolierten Blechen zusammengesetzt. Die Eingangswicklung des Transformators 

wird auch Primärwicklung, die Ausgangswicklung auch Sekundärwicklung genannt. 

Der Eingangswicklung führt man durch eine Wechselspannung elektrische Energie zu. Diese 

Energie wird über den magnetischen Fluss an den Eisenkern weitergegeben. Dadurch wird in 

der Ausgangswicklung eine Spannung induziert, welche die gleiche Frequenz wie die Eingangsspannung 

hat. 

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1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.2.2 Der Netztransformator: Spannungs- und 

Stromübersetzung (3) 

Die Eingangswicklung des Transformators wird auch Primärwicklung, die Ausgangswicklung 

auch Sekundärwicklung genannt. 

unbelasteter Transformator Beim unbelasteten Transformator ist das Verhältnis der Spannungen 

gleich dem Verhältnis der Windungszahlen. Das Verhältnis 

der Eingangsspannung zur Ausgangsspannung wird dabei als 

das Übersetzungsverhältnis ü bezeichnet. 

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Aufgabe zur Spannungstransformation 

Ein Netztransformator mit der Eingangsspannung 230V hat auf 

der Primärseite 950 Windungen. Die Ausgangsspannung soll 46V 

betragen. Welche Windungszahl muss die Sekundärwicklung haben? 

belasteter Transformator Beim belasteten Transformator verhalten sich die Ströme umgekehrt 

wie die Windungszahlen. 

Da ein realer Transformator auch im Leerlauf primärseitig einen 

Strom aufnimmt, gelten diese Gleichungen nur näherungsweise. 

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Aufgabe zur Stromtransformation 

Ein Transformator hat einen Eingangsstrom von 0,4A. Die Eingangswicklung 

hat 1200, die Ausgangswicklung 150 Windungen. 

Wie groß ist der Strom auf der Ausgangsseite? 

Beantworten Sie diese Frage in dem Dokument "Aufgabe zur 

Stromtransformation" aus der Dokumentenbox! 

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1.3.0 Die Zweipuls-Brückenschaltung 

B2 (1) 

Die Zweipuls-Brückenschaltung B2 lässt sich an einen Standardtransformator oder auch direkt 

an das 230V-Netz anschließen, sofern keine Spannungstransformation notwendig ist. Es werden 

beide Halbwellen der Eingangswechselspannung zur Gleichspannungsgewinnung herangezogen. 

Zur Gleichrichtung sind vier Dioden erforderlich, von denen je zwei abwechselnd 

leitend bzw. gesperrt sind. 

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1.3.1 Arbeitsweise der Zweipuls- 

Brückenschaltung (2) 

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1.4.0 Bauformen von Brückengleichrichtern 

(1) 

Die Hersteller von Halbleiterbauelementen bieten bereits komplette Brückengleichrichter an. In 

einem Gehäuse sind die vier Dioden fertig verschaltet. Es werden nur noch die Anschlüsse für 

die Wechselspannung und für die Gleichspannung herausgeführt. 

Für fertige Gleichrichtersätze gibt es ein einheitliches Bezeichnungsschema mit Angabe der 

wichtigsten Daten. 

Beispiel 

Die Kenndaten der Zweipuls-Brückenschaltung sowie aller anderen ungesteuerten Gleichrichterschaltungen 

können Sie in einem geeigneten Tabellenbuch für Elektrotechnik oder Mechatronik 

nachlesen. 

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1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.4.0 Bauformen von Brückengleichrichtern (1) 

Die Kenndaten der Zweipuls-Brückenschaltung sowie aller anderen ungesteuerten 

Gleichrichterschaltungen können Sie in einem geeigneten Tabellenbuch für 

Elektrotechnik oder Mechatronik nachlesen. 

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(2) 

Die Ausgangsspannung einer Gleichrichterschaltung pulsiert so stark, dass sie in der Regel 

zur Spannungsversorgung von elektronischen Geräten nicht geeignet ist. Aus diesem Grund 

muss dafür gesorgt werden, dass auch während der Sperrzeit der Dioden ein Strom durch den 

Lastwiderstand RL fließt. Dieses erreicht man, wenn ein Kondensator CL mit großer Kapazität 

parallel zum Lastwiderstand geschaltet wird. 

Der Kondensator CL wirkt in der Schaltung als Speicher. Er wird aufgeladen, wenn über die 

Dioden ein Strom fließt. Sind die Dioden gesperrt, liefert der Kondensator den Strom und die 

Spannung für den Lastwiderstand, indem er sich über RL entlädt. 

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(3) 

Wie stark sich CL während zweier Halbwellen entlädt, hängt vom angeschlossenen Verbraucher 

RL und von der Kapazität CL ab. 

Durch den Anschluss eines Kondensators verändert sich die Form der Ausgangsspannung. 

Der Wechselspannungsanteil wird kleiner und der Gleichspannungsanteil wird größer. 

Wie gut der Ladekondensator die stark pulsierende Gleichspannung glättet, hängt im Wesentlichen 

von zwei Faktoren ab: 

1. Von der Kapazität des Ladekondensators CL. 

Je kleiner seine Kapazität ist, desto stärker wird er während der Sperrzeit der Dioden entladen. 

Damit wird die Spannungsschwankung an CL größer und der Mittelwert der Ausgangsgleichspannung 

Ud kleiner. 

2. Von der Größe des Lastwiderstandes RL. 

Je hochohmiger der Lastwiderstand ist, desto geringer ist der durch ihn fließende Laststrom 

und umso weniger wird der Kondensator bei gesperrten Dioden entladen. Fehlt der Lastwiderstand, 

wird der Kondensator etwa auf den Spitzenwert der Transformatorspannung aufgeladen, 

da während der Sperrzeiten keine Entladung mehr erfolgt. 

Versuchen 1 Sie es doch hier einfach mal. 

1 

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1.5.0 Siebschaltungen (1) 

Wird eine Gleichrichterschaltung belastet, so tritt am Ladekondensator eine Brummspannung 

UBr auf. Ihre Größe hängt im Wesentlichen von der Größe des Laststromes und von der Kapazität 

des Ladekondensators ab. Die Brummspannung lässt sich bei vorgegebenem Laststrom 

nicht beliebig verringern, weil aus schaltungstechnischen Gründen nicht beliebig große Ladekondensatoren 

eingesetzt werden können. 

Es ist daher in den meisten Anwendungsfällen erforderlich, der Gleichrichterschaltung noch 

eine Schaltung zur Reduzierung der Brummspannung nachzuschalten. Für diese Aufgabe können 

Siebglieder eingesetzt werden. Sie sollen den Brummspannungsanteil möglichst stark, 

den Gleichspannungsanteil dagegen möglichst wenig verringern. Eine hundertprozentige Aussiebung 

ist jedoch nicht erreichbar. Immer verbleibt eine gewisse Restwelligkeit. 

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1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.5.1 Siebschaltungen (2) 

Zur Siebung der Ausgangsspannung von Gleichrichterschaltungen werden RC-Siebglieder 

oder 

LC-Siebglieder eingesetzt. 

RC-Siebglied Beim RC-Siebglied bilden der Widerstand RS und der Kondensator 

CS einen frequenzabhängigen Spannungsteiler. Die Siebwirkung 

ist um so größer, je größer der Wirkwiderstand RS im Verhältnis 

zum Blindwiderstand XC des Kondensators ist. 

Der Widerstandswert von RS ist aber in seiner Größe begrenzt, da 

der gesamte Laststrom über diesen fließt und dort einen unerwünschten 

Spannungsfall hervorruft. Das RC-Siebglied kann somit 

nur bei relativ kleinen Lastströmen eingesetzt werden. 

LC-Siebglied 

Die Nachteile des RC-Siebgliedes lassen sich vermeiden, wenn an 

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Stelle des Siebwiderstandes RS eine Siebdrossel LS eingesetzt 

wird. Ihr Ohmscher Widerstand ist klein, so dass auch der Gleichspannungsabfall 

an der Siebdrossel klein bleibt. 

LC-Siebglieder haben andererseits den Nachteil, dass eine Drossel 

mit entsprechender Induktivität bereits ein großes Gewicht 

und Volumen hat und gegenüber einem Siebwiderstand sehr viel 

teuerer ist. LC-Siebglieder ermöglichen bei gleichem Siebfaktor 

eine wesentlich höhere Strombelastung als RC-Siebglieder. 

Siebfaktor s Die Güte der Siebung wird durch den Siebfaktor s charakterisiert. 

Er gibt das Verhältnis der Eingangsbrummspannung zur Ausgangsbrummspannung 

an und wird nach obigen Formeln berechnet. 

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1.6.0 Spannungsstabilisierung mit Z- 

Diode (1) 

Die Abbildung zeigt die Grundschaltung 

zur Spannungsstabilisierung mit Hilfe einer 

Z-Diode. Als stabilisierte Ausgangsspannung 

tritt die an der Z-Diode liegende 

Spannung auf. Im zulässigen Arbeitsbereich 

bleibt sie sowohl bei einer Änderung 

der Eingangsspannung UE als auch bei 

einer Änderung des Laststromes ILast nahezu 

konstant. 

Der durch den Vorwiderstand RV fließende 

Strom Iges teilt sich auf in den Strom über 

die Z-Diode IZ und den Laststrom ILast. Der 

Strom über die Z-Diode darf einen bestimmten 

Wert IZ min nicht unterschreiten, 

damit die Ausgangsspannung konstant 

bleibt, und einen Wert IZ max nicht überschreiten, 

damit die Z-Diode nicht zerstört 

wird. 

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Diode (2) 

Um die Arbeitsweise dieser Stabilisierungsschaltung leichter verstehen zu können, ist es 

zweckmäßig, die Vorgänge bei einer Änderung von UE und ILast getrennt zu betrachten. 

Mit der folgenden Schaltung soll nun die Stabilisierungswirkung der Z-Diode bei sich ändernder 

Eingangsspannung bzw. sich änderndem Laststrom untersucht werden. 

Abhängigkeit der Spannung UA am Lastwiderstand RL bei veränderlicher Eingangsspannung 

UE und konstantem Laststrom ILast: 

Versuch 2 

Ergebnis 

2 

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1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.6.1 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (2) 

Ergebnis Bis zu einer Eingangsspannung von ca. 7V ist die Z-Diode sehr 

hochohmig. Die Spannung UA wird fast in gleichem Maße größer 

wie die Spannung UE. Bei weiterer Erhöhung der Eingangsspannung 

bleibt der Spannungsfall an der Z-Diode und damit am 

Lastwiderstand RL konstant. Die Differenzspannung von UE minus 

UA fällt am Vorwiderstand RV ab. 

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Diode (3) 

Abhängigkeit der Spannung UA am Lastwiderstand RL bei veränderlichem Laststrom ILast und 

konstanter Eingangsspannung UE. 

Versuch 3 

Ergebnis 

3 

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1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.6.2 Spannungsstabilisierung mit Z-Diode (3) 

Ergebnis Die Stabilisierungswirkung der Z-Diode tritt erst ein, wenn der 

Lastwiderstand RL einen Wert von ca. 180Ω erreicht hat. Bei kleineren 

Widerstandswerten wird der kleinstzulässige Strom durch 

die Z-Diode unterschritten und eine Stabilisierung ist nicht mehr 

möglich. 

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Diode (4) 

Aus den Diagrammen ist zu erkennen, dass die Eingangsspannung UE grundsätzlich höher 

sein muss als die gewünschte Ausgangsspannung. Je höher die Eingangsspannung ist, desto 

besser ist die stabilisierende Wirkung. In der Praxis wird folgende Faustformel angewandt: 

Merksatz: 

Die Eingangsspannung bei einer Stabilisierungsschaltung sollte den doppelten bis dreifachen Wert 

der Ausgangsspannung haben! 

Solange ein Strom durch die Z-Diode fließt, bleibt auch die stabilisierende Wirkung erhalten 

und die Ausgangsspannung annähernd konstant. Erst wenn der Z-Strom durch einen zu starken 

Laststrom zu klein geworden ist, sinkt die Ausgangsspannung mit zunehmender Belastung 

ab. Aus dieser Tatsache folgt, dass der Strom durch die Z-Diode möglichst groß gegenüber 

dem Laststrom sein sollte. 

Merksatz: 

Der Leerlaufstrom durch die Z-Diode sollte den doppelten Wert des maximalen Laststromes aufweisen! 

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Berechnung des Vorwiderstandes RV: 


Diode (5) 

Hat man die gewünschte Ausgangsspannung, die erforderliche Eingangsspannung sowie die 

Last- und die Z-Ströme festgelegt, kann man den Wert des Vorwiderstandes RV nach folgender 

Formel berechnen: 

Die Stabilisierungsschaltungen mit Z-Dioden zeichnen sich zwar durch geringen Aufwand aus, 

sie haben jedoch eine Reihe von Nachteilen. Einmal kann man die Ausgangsspannung nicht 

ohne weiteres verändern, da sie direkt von der gewählten Z-Diode abhängt. Weiterhin sind der 

Belastbarkeit Grenzen gesetzt, weil der Laststrom nie größer als der Z-Strom sein soll. Wenn 

der Verbraucher abgeschaltet ist, 

muss die Z-Diode den gesamten Strom, der vom Netzteil geliefert wird, führen. Das Netzteil 

arbeitet daher ständig unter voller Belastung. 

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Prinzip der Regelung: 

1.7.0 Spannungsstabilisierung mit Regelverstärkern 

(1) 

Die konstant zu haltende Spannung wird durch ein Einstellorgan, das Stellglied auf den gewünschten 

Wert eingestellt. 

Die dazu erforderliche Stellgröße wird aus dem Vergleich des Istwertes am Ausgang der Regelstrecke 

mit einem vorgegebenen Sollwert abgeleitet. Durch den Vergleich werden alle wirksamen 

Störgrößen erkannt und durch Änderung der Stellgröße ausgeglichen. 

Der Wirkungsablauf einer Regelung erfolgt immer in einem geschlossenen Kreis, dem Regelkreis. 

Er setzt sich immer aus der Regelstrecke und dem Regler zusammen. 

Klicken Sie hier, um den Blockschaltplan zu sehen. 

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1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.7.0 Spannungsstabilisierung mit Regelverstärkern 

(1) 

Prinzip der Regelung 

Regelstrecke: Der Teil des Regelkreises, in dem die Regelgröße geregelt wird. 

Stellglied: Überträgt die Wirkung der Regeleinrichtung auf die Regelstrecke. 

Stellgröße: Es dient zum Einstellen der Stellgröße. 

Regelgröße: Die Größe einer Regelung, die beeinflusst werden soll. 

Regler: In ihm werden der Sollwert und der Istwert miteinander verglichen und das Ansteuerungssignal 

für das Stellglied gebildet.. 

Regeldifferenz:: Ausgangsgröße des Vergleichers ist die Differenz zwischen dem Istwert und 

dem Sollwert.. 

Führungsgröße: Der Sollwert der Regelgröße. 

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1.7.1 Spannungsstabilisierung mit Regelverstärkern 

(2) 

Eine mit Transistoren bestückte Stabilisierungsschaltung zeigt die nachstehende Abbildung. 

Die Transistoren V2 und V3 bilden das Stellglied. Der Transistor V1 arbeitet als Regelverstärker. 

Seine Basis-Emitter-Spannung wird aus dem Vergleich von Sollwert, hier der Spannung UZ an 

der Z-Diode, und dem Istwert UW, der Spannung am Abgriff des Potenziometers R4, gebildet. Die 

Regelgröße ist die Ausgangsspannung UA. Sie lässt sich mit dem Potenziometer im Arbeitsbereich 

der Schaltung auf einen beliebigen Wert fest einstellen. 

Für den Regelvorgang 

bitte hier klicken. 

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1 Stromversorgung elektronischer Geräte 1.7.1 Spannungsstabilisierung mit Regelverstärkern 

(2) 

Regelvorgang: Steigt die Ausgangsspannung aus irgend einem Grund an, so wird der 

Istwert größer als der Sollwert. Damit steigt die Basis-Emitter-Spannung 

am Transistor V1 und sein Kollektorstrom erhöht sich. Damit fällt auch 

am Widerstand R1 eine größere Spannung ab. Die Basis-Emitter- 

Spannung der Darlington-Transistoren V2 und V3 wird kleiner und an der 

Kollektor-Emitter-Strecke des Transistors V3 fällt eine höhere Spannung 

ab. Dieser Spannungsfall wirkt der Erhöhung der Ausgangsspannung 

entgegen und macht diese damit rückgängig. Ein umgekehrter Regelvorgang 

läuft ab, wenn sich die Ausgangsspannung durch den Einfluss 

von Störgrößen verkleinert. 

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1.8 Stabilisierungsschaltungen mit integrierten 

Spannungsreglern 

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1.9.0 Festspannungsregler (1) 

Festspannungsregler werden als IC für die Strom- und Spannungsversorgung von Baugruppen 

eingesetzt, wenn es darum geht, bei geringem Raumbedarf präzise Spannungsstabilisierungen 

zu erhalten. Die Ausgangsspannungen der Serien 78xx können z.B. 5V, 6V, 8V, 12V, 15V, 18V 

und 24V betragen. Die Regler erhalten zur Klassifizierung einen Buchstaben- und Zahlencode, 

wobei die letzten beiden Ziffern meistens die Ausgangsspannung angeben. 

(E = Eingang, A = Ausgang, GND = Masse) 

Je nach Ausführung, Gehäuseform und entsprechender Kühlung können Spannungsregler der 

78xx- bzw. 79xx-Serie Ströme von 100mA bis 5A liefern. Ist keine Kühlung möglich, kann dem 

Bauteil jeweils nur etwa die Hälfte des maximalen Stromes entnommen werden. 

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1.9.1 Festspannungsregler (2) 

Festspannungsregler sind kurzschlussfest und eine thermische Schutzschaltung verhindert 

die Zerstörung des ICs durch Überhitzung. Damit die Spannungsregler korrekt arbeiten, muss 

die Eingangsspannung UE um ca. 2V ..... 3V größer als die Ausgangsspannung UA sein. 

Der Einsatz des Reglers gestaltet sich sehr einfach. Extern anzuschließen sind lediglich noch 

die beiden Kondensatoren CE und CA. Jeweils am Eingang und am Ausgang sollten sie auf kurzer 

Strecke mit dem Regler verbunden sein. 

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1.10 24-V-Netzteil mit stabilisierter 

Ausgangsspannnung 

Schaltungsbeschreibung: 

Die Kondensatoren C2 und C3 sind für eine sichere Ar- 

Dieses Netzteil eignet sich für beitsweise des Reglers erforderlich. Anderenfalls tritt eine 

viele Anwendungsbereiche, die hochfrequente Schwingneigung im Bereich von ca. 100kHz 

eine gut stabilisierte Ausgangs- auf. Die Diode V2 schützt den Spannungsregler gegen 

spannung von 24V verlangen. Rückströme vor Zerstörung. Der Regler selbst muss über 

Der Ausgang ist kurzschlussfest den Kühlkörper eine Verlustleistung von 8...12W abführen. 

und mit thermischem Überlastungsschutz 

ausgestattet. Die 

Betriebsanzeige erfolgt durch 

eine LED. Eine optimale Wärmeabfuhr 

und den passenden Netztransformator 

vorausgesetzt, 

kann die Baugruppe maximal 2A __ 

Laststrom abgeben. 

Um einen sicheren Betrieb des 

Spannungsreglers zu gewährleisten, 

sollte die Ausgangsspannung 

des Transformators 

bei 30Veff liegen. Der Ladekondensator 

C1 muss für eine 

Spannung von mindestens 60V 

ausgelegt sein und sollte die 

Brummspannung auf einen Wert 

von 

unter 2VSS begrenzen. 

gllt01q01 40



1.11 Einstellbare Spannungsregler 

Der integrierte Spannungsregler LM 317 liefert eine positive einstellbare Ausgangsspannung. 

Die Grundschaltung des LM 317 besteht eigentlich aus dem LM 317 selbst, den Kondensatoren 

C1 und C2 sowie dem Widerstand R1 und dem Potenziometer R2. Die Ausgangsspannung UA 

lässt sich zwischen 

1,2V und 37V stufenlos einstellen, wenn die Spannung am Eingang des Reglers mindestens 

40V beträgt. 

Grundschaltung für den einstellbaren Spannungsregler LM 317 für positive Ausgangsspannung. 

Die Einstellung der Ausgangsspannung erfolgt mit dem Potenziometer R2 und kann mit folgender 

Formel näherungsweise berechnet werden: 

gllt01q01 41


2 Schalten und Stellen von Gleichstrom 


Wie ist das Funktionsprinzip des Gleichstromstellers? 

Welche Ansteuerungsarten gibt es für Gleichstromsteller? 

Themen: 

2.1__Gleichstromsteller: Funktionsprinzip 

2.2__Gleichstromsteller mit Transistoren 

2.3__Gleichstromsteller mit Thyristoren 

2.4.0 Ansteuerungsarten für Gleichstromsteller (1) 

2.4.1 Ansteuerungsarten für Gleichstromsteller (2) 


gllt01q01 42



2.1 Gleichstromsteller: Funktionsprinzip 

Gleichstromsteller, auch Chopper genannt, sind zwischen der Gleichspannungsquelle und dem 

Verbraucher geschaltet. Die Spannung des Verbrauchers kann dabei durch geeignete Ansteuerung 

zwischen 0V und dem Wert der angelegten Spannung kontinuierlich verändert werden. 

Die Spannung der Quelle wird dazu durch einen elektronischen Schalter periodisch an- und 

abgeschaltet. Als elektronische Schalter werden im unteren Leistungsbereich Transistoren und 

bei mittleren und hohen Leistungen Thyristoren eingesetzt. 

Merksatz: Gleichstromsteller verändern durch gezieltes Ein- und Ausschalten den arithmetischen 

Mittelwert der Ausgangsspannung. 

Gleichstromsteller: Gleichstromsteller sind in der Lage, Gleichströme und Gleichspannungen 

nahezu verlustfrei und praktisch unverzögert in ihrer Höhe und Polarität zu verändern. Wegen 

ihres einfachen und kostengünstigen Aufbaus werden sie z.B. zur Drehzahlsteuerung von 

Gleichstrommotoren oder zur Versorgung von Gleichstromverbrauchern in der Photovoltaik 

eingesetzt. 

gllt01q01 43



2.2 Gleichstromsteller mit Transistoren 

Die Prinzipschaltung zeigt einen Transistor-Gleichstromsteller mit einem Gleichstrommotor als 

angeschlossener Last. Mit der Entwicklung von Leistungstransistoren mit hoher Stromtragfähigkeit 

und hohen Sperrspannungen werden im Leistungsbereich bis etwa 50kW an Stelle von 

Thyristoren Transistoren eingesetzt. Transistoren benötigen keine gesonderten Löscheinrichtungen. 

Die Kurzschlussfestigkeit der Geräte ist leichter zu realisieren und die Schaltfrequenz 

des Taktgebers kann viel höher gewählt werden. 

Funktionsprinzip 4 eines Gleichstromstellers mit Transistoren. 

4 

gllt01q01 44



2.3 Gleichstromsteller mit Thyristoren 

Bei mit einfachen Thyristoren aufgebauten Gleichstromstellern ist das Abschalten des Gleichstromes 

nur mit zusätzlichen schaltungstechnischen Maßnahmen zu erreichen. Im Gleichstromkreis 

löscht der Thyristor nicht selbsttätig und es muss ein zusätzlicher Löschkreis bestehend 

aus einem Löschthyristor und einem Kondensator eingebaut werden. Verwendet man 

dagegen einen sogenannten GTO-Thyristor (abschaltbarer Thyristor), kann dieser mit negativen 

Impulsen am Gate in den Sperrzustand gesteuert werden. Der prinzipielle Schaltungsaufbau 

und die Arbeitsweise von thyristorgesteuerten Gleichstromstellern entspricht dem von 

Stellern mit Transistoren. 

Auf Grund der schwierigen Löschbedingungen sind Thyristoren nur für relativ geringe Schaltfrequenzen 

geeignet. Mit ihnen lassen sich jedoch Leistungen in einer Größenordnung von 

mehreren 100kW, wie sie z.B. bei Schienenfahrzeugen gefordert sind, steuern. 

gllt01q01 45



2.4.0 Ansteuerungsarten für Gleichstromsteller 

(1) 

Bei Gleichstromstellern wird die Ausgangsspannung durch Pulssteuerung, also durch sich 

wiederholendes Zünden und Löschen verändert. Dabei kann entweder bei konstanter Einschaltdauer 

tein die Periodendauer TS oder bei konstanter Periodendauer TS die Einschaltdauer 

tein variiert werden. 

1. Pulsbreitensteuerung (Pulsweitenmodulation): 

Bei der Pulsbreitensteuerung wird innerhalb einer bestimmten Schaltperiode das Verhältnis 

zwischen Ein- und Ausschaltdauer verändert. Dabei bleibt die Pulsfrequenz konstant. 

gllt01q01 46



2.4.1 Ansteuerungsarten für Gleichstromsteller 

(2) 

2. Pulsfolgesteuerung (Pulsfolgemodulation): Bei der Pulsfolgesteuerung arbeitet man mit einer 

variablen Taktfrequenz, die Einschaltdauer der Pulse dagegen wird konstant gehalten. Bei beiden 

Ansteuerungsarten sind die Amplituden der Ausgangsspannungsblöcke konstant. Der 

Mittelwert der Ausgangsspannung UA ist dagegen direkt vom Verhältnis der Impuls- 

Pausendauer abhängig. Je niedriger die Arbeitsfrequenzen des Taktgenerators sind, desto 

höher ist der Aufwand für nachfolgende Glättungsglieder. Bei Verbrauchern wie z.B. Gleichstrommotoren, 

die selbst große Induktivitäten besitzen, kann größtenteils auf gesonderte Glättungsmaßnahmen 

verzichtet werden. 

gllt01q01 47


3 Schalten und Stellen von Wechselstrom 


Wie lässt sich die Drehzahl eines Universalmotors verändern? 

Worin unterscheiden sich "Phasenanschnitt- und Schwingungspaketsteuerung"? 

Themen: 

3.1__Wechselstromsteller: Funktionsprinzip 

3.2.0 Phasenanschnittsteuerung mit einem Triac (1) 

3.2.1 Phasenanschnittsteuerung mit einem Triac (2) 

3.3__Drehzahlsteuerung beim Universalmotor 

3.4__Phasenabschnittsteuerung 

3.5.0 Schwingungspaketsteuerung (1) 


3.6.0 Wechselrichter (1) 

3.6.1 Wechselrichterprinzip: Spannungs- und Stromverlauf (2) 


gllt01q01 48



3.1 Wechselstromsteller: Funktionsprinzip 

Wechselstromsteller geben bei Anschluss an ein Wechselstromnetz eine bis zum Anschlusswert 

des Verbrauchers veränderbare Leistung ab. Die Frequenz der Wechselspannung bleibt 

dabei unverändert, die Kurvenform kann aber z.B. bei der Phasenanschnittsteuerung vom sinusförmigen 

Verlauf abweichen. Funktionsbestimmende Bauelemente als Steller sind Thyristoren 

und Triacs. 

Die Steuerung der Leistung kann zum einen über einen Teilbereich der jeweiligen Halbwelle der 

Wechselspannung erfolgen. In diesem Fall spricht man von Phasenanschnitt- bzw. Phasenabschnittsteuerung. 

Werden eine bestimmte Anzahl aufeinanderfolgender Halbwellen an die Last 

an- oder abgeschaltet, wird dies als Schwingungspaket- oder auch als Vollwellensteuerung 

bezeichnet. 

gllt01q01 49



3.2.0 Phasenanschnittsteuerung mit 

einem Triac (1) 

Recht einfach und kostengünstig lassen sich Phasenanschnittsteuerungen mit einem Triac 

und einem Diac aufbauen. Wird als Lastwiderstand eine Glühlampe verwendet, so wird eine 

Phasenanschnittsteuerung auch als Dimmer bezeichnet. 

Ein Triac stellt vom Aufbau her zwei antiparallel geschaltete Thyristoren dar. Damit kann sowohl 

die positive als auch die negative Halbwelle der Wechselspannung gesteuert werden. Bei 

der Phasenanschnittsteuerung erfolgt die Zündung des Triacs immer erst mit einer bestimmten 

Phasenverschiebung gegenüber dem Beginn einer Sinushalbwelle. Dadurch lässt sich der Effektivwert 

der Ausgangsspannung und damit auch die mittlere Leistungsaufnahme des 

Verbrauchers in einem Bereich von 0% bis 100% einstellen. 

Diese Schaltung zeigt 5 das Grundprinzip einer derartigen Phasenanschnittsteuerung. 

5 

gllt01q01 50



3.2.1 Phasenanschnittsteuerung mit 

einem Triac (2) 

Bei der Phasenanschnittsteuerung erfolgt die Zündung des Triacs stets mit Impulsen. Damit 

eine Änderung der Effektivwerte von Lastspannung und Laststrom möglich ist, müssen diese 

Steuerimpulse in ihrer Phasenlage zur Netzwechselspannung verschiebbar sein. Die nachfolgende 

Darstellung gibt die Spannungs- und Stromverläufe bei einer Phasenanschnittsteuerung 

wieder. 

Die Verschiebung der Steuerimpulse gegenüber einem Nulldurchgang der Wechselspannung 

wird als Zündverzögerungswinkel α (alpha) angegeben. Als Stromflusswinkel φ (phi) wird dagegen 

der Phasenwinkel bezeichnet, während dem Strom durch den Verbraucher fließt. Da 

Triacs wie Thyristoren bei jedem Nulldurchgang der Betriebsspannung wieder in den Sperrzustand 

zurückkippen, muss die Zündung in jeder Halbwelle neu erfolgen. 

Untersuchen Sie es selbst, öffnen Sie die Animation 6 . 

6 

gllt01q01 51



3.3 Drehzahlsteuerung beim Universalmotor 

Beim Universalmotor, der sowohl mit Gleichstrom, als auch mit Wechselstrom betrieben werden 

kann, lässt sich die Drehzahl durch Veränderung des Effektivwertes der Netzwechselspannung 

verändern. Mit R2, R3 und C3 kann man den Zündzeitpunkt des Triacs und damit die Drehzahl 

einstellen. R4 und C4 verringern die Hysterese des Schaltvorganges. Diese macht sich 

dadurch bemerkbar, dass der Triac bei unterschiedlichen Winkeln ein- und ausschaltet. R1, C1, 

C2 und die Drossel L1 dienen der Funkentstörung. 

gllt01q01 52



3.4 Phasenabschnittsteuerung 

Strom und Spannung haben bei der Phasenanschnittsteuerung keinen sinusförmigen Verlauf 

mehr. Durch diese nicht-sinusförmige Belastung kommt es zur Erzeugung von Oberwellen und 

zu einer vermehrten Blindleistungsaufnahme aus dem Netz, selbst bei einer rein Ohmschen 

Last. Bei ungünstigen Zündwinkeln im Bereich von ca. 60° bis 120° ergeben sich hohe Stromanstiegsgeschwindigkeiten. 

Diese gefährden beim Vorhandensein von Induktivitäten andere 

elektronische Komponenten. Durch den Phasenanschnitt entstehen hohe Frequenzen, die sich 

bei anderen Verbrauchern im Netz wie z.B. Rundfunk- und Fernsehempfängern störend bemerkbar 

machen. Diese Nachteile vermeidet die Phasenabschnittsteuerung, die insbesondere zur 

Steuerung von Leuchtstofflampen mit elektronischen Vorschaltgeräten und zum Dimmen von 

Niedervolt-Halogenglühlampen mit elektronischen Transformatoren eingesetzt wird. 

Das Prinzip der Phasenabschnittsteuerung beruht darauf, dass im Nulldurchgang der Netzwechselspannung 

gezündet wird. Durch eine geeignete Zeitsteuerung wird der Stromfluss innerhalb 

der jeweiligen Halbwelle abgeschaltet. Dazu ist jedoch ein Ventil erforderlich, bei dem 

der Abschaltzeitpunkt beeinflussbar ist, z.B. ein GTO-Thyristor. 

gllt01q01 53




Bei der Schwingungspaketsteuerung wird der Verbraucher abwechselnd für eine bestimmte 

Anzahl von Perioden ein- und ausgeschaltet. Das Ein- und Ausschalten erfolgt jeweils im Nulldurchgang 

der Netzwechselspannung. Diese Aufgabe übernehmen Nullspannungsschalter. Mit 

ihnen kann z.B. ein Thyristor exakt im Nulldurchgang gezündet werden. Damit wird ein sinusförmiger 

Verlauf des Laststromes erzielt. Netzstörungen, wie sie bei der Phasenanschnittsteuerung 

auftreten, werden weitgehend vermieden. 

Grundprinzip der Schwingungspaketsteuerung 

Einschalt- und Pausendauer können dabei so verändert werden, dass die vom Verbraucher 

aufgenommene mittlere Leistung von 0% bis 100% gesteuert werden kann. 

gllt01q01 54




Die Schwingungspaketsteuerung eignet sich besonders zur Leistungssteuerung von elektrischen 

Heizgeräten und Öfen. Für Beleuchtungsanlagen und zur Ansteuerung elektrischer Motoren 

ist sie dagegen nicht geeignet. 

Lampen würden deutlich sichtbar flackern und bei Motoren würden sich die Betriebseigenschaften 

verschlechtern. 

Brückenschaltung: Richtet die Netzwechselspannung gleich, da der Thyristor nur positive 

Halbwellen steuern kann. 

Thyristoransteuerung: Die Steuerspannung von 6V kann nur dann am Gate des Thyristors 

wirksam werden, wenn der Transistor gesperrt ist 

Transistorschaltung: Da die Basis des Transistors mit der gleichgerichteten Betriebsspannung 

gesteuert wird, wird der Transistor immer nur dann gesperrt, wenn diese Spannung durch Null 

geht. In diesem Fall kann der Thyristor gezündet werden. Steigt die Spannung innerhalb der 

betreffenden Halbwelle über einen bestimmten Wert, ist der Transistor leitend und verhindert 

eine Zündung des Thyristors. 

gllt01q01 55



3.6.0 Wechselrichter (1) 

Zum breiten Einsatzspektrum von Wechselrichtern zählen Photovoltaikanlagen. Kombiniert mit 

einem Wechselstromsteller kann die Drehzahl von Elektromotoren zum Antrieb von Be- und 

Verarbeitungsmaschinen ebenso gesteuert werden wie für Schienen- und Straßenfahrzeuge. 

Wechselrichter haben die Aufgabe, Gleichstrom in Wechselstrom umzuwandeln. Sie können 

ähnlich wie Gleichrichter mit 2, 4 oder 6 elektronischen Schaltern in Mittelpunkt- oder Brückenschaltungen 

realisiert werden. Die grundsätzliche Funktionsweise soll an Hand der dargestellten 

Brückenschaltung zur Erzeugung einer Einphasen-Wechselspannung, wie sie z.B. in 

Photovoltaikanlagen zum Einsatz kommt, erläutert werden. 

Funktionsschema 7 eines einphasigen Wechselrichters in Brückenschaltung. 

7 

gllt01q01 56



3.6.1 Wechselrichterprinzip: Spannungs- 

und Stromverlauf (2) 

Durch eine entsprechend aufwändige Ansteuerung der elektronischen Schalter lässt sich aber 

die Ausgangswechselspannung so beeinflussen, dass sie einer sinusförmigen Wechselspannung 

sehr nahe kommt. Der Effektivwert der Motorspannung wird durch die Einschaltdauer der 

Gleichspannung beeinflusst. Durch den Wechsel von positiven und negativen Pulsen wird die 

Frequenz der Ausgangswechselspannung verändert. 

Dieses Grundprinzip lässt sich auch auf das Dreiphasenwechselstromsystem übertragen, wodurch 

Drehstromverbraucher an einer Gleichspannung betrieben werden können. 

gllt01q01 57


4 Betriebsarten elektrischer Antriebe 


Was versteht man unter "Generatorbetrieb"? 

Aus welchen Funktionsbaugruppen besteht ein moderner Frequenzumrichter? 

Themen: 

4.1__Betriebsarten elektrischer Antriebe 

4.2__Vierquadranten-Diagramm 

4.3__Zweiquadranten-Betrieb am Beispiel eines Aufzugs 

4.4__Vierquadranten-Betrieb am Beispiel eines Schienenfahrzeugs 

4.5.0 Frequenzumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis (1) 

4.5.1 Frequenzumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis (2) 

4.6__Stromrichterantriebe mit Gleichstrommotor 

4.7__Industrieller Stromrichter 


gllt01q01 58



4.1 Betriebsarten elektrischer Antriebe 

Elektrische Maschinen können die als Last wirkende Arbeitsmaschine nicht nur antreiben, 

sondern zeitweise von dieser auch mechanische Energie aufnehmen. Im ersten Fall arbeitet 

die Maschine im Motorbetrieb. Dabei wird dem Netz eine Leistung entnommen und in eine an 

der Welle des Motors auftretende Drehbewegung umgesetzt. Dies ist sowohl im Rechtslauf 

als auch im Linkslauf möglich. Im Generatorbetrieb wird der Motor von der Arbeitsmaschine 

angetrieben und mit einem entsprechenden Stromrichter ist sogar eine Energierückspeisung 

in das Netz 

möglich. Man spricht dann von der sogenannten Nutzbremsung. 

Elektromotor: Der Elektromotor wandelt die durch das speisende Netz bereitgestellte 

Energie in mechanische Energie um. Zu seiner Ansteuerung benötigt man ein Stellglied, das 

für die Regelung bzw. Drehzahlverstellung des Motors verantwortlich ist. Dieses Stellglied 

kann z.B. Leistungselektronik in Form eines Frequenzumrichters beinhalten. 

Übertragungsglied: Die Aufgabe des Übertragungsgliedes ist es, aus der zugeführten 

mechanischen Energie die für die Arbeitsmaschine notwenigen Kräfte, Drehmomente und Geschwindigkeiten 

zu erzeugen. In der Regel besteht das Übertragungsglied zwischen Elektromotor 

und Arbeitsmaschine aus einem mechanischen Getriebe. 

Arbeitsmachine: Die dritte wichtige Komponente eines elektrischen Antriebssystems 

ist die Arbeitsmaschine. Sie ist zugleich auch der individuellste Teil des gesamten Systems 

und somit immer genau auf den zugrunde gelegten technischen Prozess ausgelegt. 

gllt01q01 59



4.2 Vierquadranten-Diagramm 

Alle möglichen Kombinationen von Drehzahl, Drehrichtung und Drehmoment zeigt das sogenannte 

Vierquadranten-Diagramm. Die beiden Achsen teilen das Diagramm in vier Quadranten 

ein. Laut Festlegung ist das obere rechte Feld der Quadrant I. Die Nummerierung der anderen 

erfolgt entgegen dem Uhrzeigersinn. Positive Drehzahl bedeutet hierbei Rechtsdrehung des 

Motors bei Blickrichtung auf die Achse. 

Bei elektrischen Antrieben ist die Energieflussrichtung 

gleichbedeutend mit der Stromflussrichtung. 

Bei unterschiedlicher Energieflussrichtung 

muss also die Leistungselektronik für den Motor 

für zwei Stromrichtungen vorgesehen sein. Dies 

bedeutet einen höheren Aufwand an Bauelementen 

als bei Anwendungen mit lediglich einer 

Stromrichtung. In der Praxis haben sich daher 

Geräteausführungen nur für den sogenannten 

Einquadranten-Betrieb (in den Quadranten I oder 

III) als auch für den Vierquadranten-Betrieb 

durchgesetzt. 

Im I. und III. Quadranten nimmt die elektrische Maschine Energie aus dem speisenden Netz auf 

und formt sie in mechanische Energie um. Diese Betriebsart wird Motorbetrieb, bei Gleichstrommaschinen 

auch Gleichrichterbetrieb genannt. 

In den Quadranten II und IV kehrt sich die Energieflussrichtung um. Die in der Arbeitsmaschine 

vorhandene mechanische Energie wird in der elektrischen Maschine in elektrische Energie 

umgewandelt. Diese wird entweder in das Netz zurückgespeist (Nutzbremsung) oder in Widerständen 

in Wärme umgesetzt. Bei dieser Betriebsart arbeitet die Maschine als Generator. 

Im I. und III. Quadranten nimmt die elektrische Maschine Energie aus dem speisenden Netz auf 

und formt sie in mechanische Energie um. Diese Betriebsart wird Motorbetrieb, bei Gleichstrommaschinen 

auch Gleichrichterbetrieb genannt. 

In den Quadranten II und IV kehrt sich die Energieflussrichtung um. Die in der Arbeitsmaschine 

vorhandene mechanische Energie wird in der elektrischen Maschine in elektrische Energie 

umgewandelt. Diese wird entweder in das Netz zurückgespeist (Nutzbremsung) oder in Widerständen 

in Wärme umgesetzt. Bei dieser Betriebsart arbeitet die Maschine als Generator. 

gllt01q01 60



4.3 Zweiquadranten-Betrieb am Beispiel 

eines Aufzugs 

Heben 

Eine Gleichstrommaschine soll einen Aufzug antreiben. Bei Rechtslauf bewegt sich der Aufzug 

nach oben, dreht der Motor linksherum, fährt er nach unten. Welche Quadranten werden bei 

dieser Antriebsaufgabe durchlaufen? Bei der Fahrt nach oben besitzt der Motor eine positive 

Drehrichtung und ein positives Drehmoment. Die Ausgangsspannung des Stromrichters ist 

größer als die Gegenspannung des Gleichstrommotors. Der Strom fließt vom Netz zum Motor. 

Positive Spannung und positiver Strom führen zu einer Leistungsaufnahme aus dem Netz. Der 

Antrieb befindet sich deshalb im I. Quadranten. 

Stillstand 

Befindet sich die Aufzugskabine im Stillstand, muss der Motor bei der Drehzahl 0 dennoch ein 

positives Drehmoment abgeben. Der Betriebspunkt liegt auf der waagrechten Achse zwischen 

dem I. und dem IV. Quadranten. 

Senken 

Bei der Fahrt nach unten muss der Aufzug abgebremst werden. Dabei ist weiterhin ein positives 

Drehmoment nötig, die Drehrichtung dagegen wird negativ. Damit haben Drehrichtung und 

Drehmoment unterschiedliche Vorzeichen. Die Ausgangsspannung des Stromrichters ist geringer 

als die Gegenspannung des Gleichstrommotors. Es ergibt sich eine negative Leistung. 

Der Motor arbeitet als Generator und speist seine Bremsenergie ins Netz zurück. 

Versuchen 8 Sie es mal selbst. 

8 

gllt01q01 61


4 Betriebsarten elektrischer Antriebe 4.4 Vierquadranten-Betrieb am Beispiel eines 

Schienenfahrzeugs 

Schienenfahrzeuge sind in der Lage die beim Bremsen freiwerdende Energie wieder ins Netz 

zurückzuspeisen. Diese Forderung, lässt sich nur durch einen Vierquadranten-Antrieb erfüllen. 

Der dazugehörige Stromrichteraufwand ist beträchtlich. Da Strom in beide Richtungen fließen 

muss, benötigt man zwei antiparallelgeschaltete vollgesteuerte Stromrichter. (Forderung: Treiben 

und Bremsen bei beiden Drehrichtungen.) 

Vorwärtsfahrt, Treiben Der Motor entwickelt im Rechtslauf ein positives Drehmoment bei 

einer positiven Drehzahl. Spannung und Strom sind ebenfalls 

positiv. 

Der Antrieb befindet sich im I. Quadranten und nimmt Energie aus 

dem Netz auf. 

gllt01q01 62


Vorwärtsfahrt, Bremsen 

Damit der Motor bei gleichbleibender Drehrichtung beim Bremsvorgang 

elektrische Energie ins Netz zurückspeisen kann, muss 

sich die Richtung des Drehmomentes und damit die Richtung des 

Stromes umkehren. 

Die aus dem Produkt von Spannung und Strom errechnete Leistung 

ist nun negativ. Der Antrieb befindet sich im II. Quadranten. 

Rückwärtsfahrt, Treiben Nach dem Abbremsen ändert der Motor seine Drehrichtung und 

das Schienenfahrzeug bewegt sich rückwärts. Dazu muss die 

Spannung am Motor umgepolt werden. Drehrichtung und Drehmoment 

bzw. Spannung und Strom sind nun negativ. 

Die Leistung errechnet sich aus dem Produkt von Spannung und 

Strom und ist positiv. Der Antrieb befindet sich im III. Quadranten 

und nimmt Energie aus dem Netz auf. 

gllt01q01 63


Rückwärtsfahrt, Bremsen 

Der Bremsvorgang bei Rückwärtsfahrt wird eingeleitet, indem der 

Strom umgepolt wird und damit das Drehmoment in die entgegengesetzte 

Richtung wirkt. 

Bei negativer Spannung bzw. negativer Drehrichtung aber positivem 

Strom und Drehmoment ergibt sich eine negative Leistung. 

Der Antrieb gibt Energie an das Netz ab und befindet sich im IV. 

Quadranten. 

gllt01q01 64



4.5.0 Frequenzumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis 

(1) 

Gleichrichter: 

Ein netzgeführter Gleichrichter erzeugt aus der Netzspannung eine Gleichspannung, die, je 

nach Ausführung des Stromrichters, konstant oder in ihrer Höhe variabel einstellbar ist. 

Zwischenkreis: 

Die gleichgerichtete Spannung wird im Zwischenkreis durch einen Kondensator geglättet und 

gepuffert. Der Zwischenkreis bewirkt dabei eine Entkopplung vom speisenden Netz, so dass 

die Ausgangsfrequenz bis auf ein mehrfaches der Eingangsfrequenz gesteigert werden kann. 

Wechselrichter: 

Ein selbstgeführter Wechselrichter erzeugt aus der Zwischenkreis-Gleichspannung das in Frequenz 

und Amplitude einstellbare Dreiphasensystem der Ausgangsspannungen. 

Steuerkreis: 

Moderne Frequenzumrichter sind mikroprozessorgesteuert. Damit ist gewährleistet, dass die 

Abstimmung zwischen der Leistungsstufe im Wechselrichter und den jeweiligen Betriebsanforderungen 

der angeschlossenen elektrischen Maschine optimal erfolgt. 

gllt01q01 65



4.5.1 Frequenzumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis 

(2) 

Beim Bremsen wird vom Motor elektrische Energie erzeugt. Diese Energie wird vom Wechselrichter 

in den Zwischenkreis eingespeist. Eine Weiterleitung dieser Energie in das Netz wäre 

nur bei einem vollgesteuerten Gleichrichter möglich. Bei Antrieben im unteren Leistungsbereich 

wird deshalb aus Kostengründen die überschüssige Energie in einem Bremswiderstand 

in Wärme umgesetzt. Der Widerstand ist normalerweise extern anzuschließen, da die Wärme 

nicht im Gerät erzeugt werden soll. 

Frequenzumrichter mit Gleichspannungszwischenkreis sind leerlauffest und können daher 

ohne Schaden von der Last getrennt werden. Typische Merkmale sind Treiben in beiden Drehrichtungen. 

Beim Bremsen kann bei Bedarf eine Energierückspeisung in das Netz erfolgen. Der 

Frequenzstellbereich liegt zwischen 0Hz und 500Hz. Der Verbund mehrerer Umrichter ist möglich, 

ebenso können mehrere Motoren an einem Umrichter betrieben werden. Der typische 

Leistungsbereich liegt zwischen 5kVA und 1500kVA. 

gllt01q01 66



4.6 Stromrichterantriebe mit Gleichstrommotor 

Da die elektrische Energie üblicherweise Drehstrom- bzw. Wechselstromnetzen entnommen 

wird, muss die Versorgung von Gleichstrom-Antrieben über Stromrichter erfolgen. Bei der Realisierung 

eines Vierquadranten-Antriebs werden folgende technische Möglichkeiten eingesetzt: 

Vollgesteuerter Stromrichter mit einer elektromechanischen Umschalteinrichtung im 

Ankerkreis 

Antiparallelschaltung zweier vollgesteuerter Stromrichter, die zusammen einen vollgesteuerten 

Umkehrstromrichter ergeben 

Die Darstellung wird das Grundprinzip eines Gleichstrom-Vierquadranten-Antriebs mit vollgesteuertem 

Zweifachstromrichter erläutert. 

gllt01q01 67


4 Betriebsarten elektrischer Antriebe 4.6 Stromrichterabtriebe mit Gleichstrommotor 

Id = Gleichstrom 

IE = Erregerstrom 

U0. = Gegenspannung 

Udα = Gleichspannung abhängig vom Leidwinkel α 

I. Quadrant - Gleichrichter- bzw. Motorbetrieb 

Die Ausgangsspannung Ua des 1. Stromrichters ist größer als die Gegenspannung U0 des 

Gleichstrommotors. Der Strom fließt vom Netz zum Motor. Dieser dreht im Rechtslauf und 

nimmt elektrische Energie aus dem Netz auf. 

II. Quadrant - Wechselrichter- bzw. Generatorbetrieb 

Die Ausgangsspannung Ua des 2. Stromrichters ist kleiner als die Gegenspannung U0 des 

Gleichstrommotors. Der Strom fließt vom Motor zum Netz. Dieser dreht im Rechtslauf und 

speist Energie in das Netz zurück. 

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III. Quadrant - Gleichrichter- bzw. Motorbetrieb Die Ausgangsspannung Ua des 2. Stromrichters 

ist größer als die Gegenspannung U0 des Gleichstrommotors. Der Strom fließt vom Netz zum 

Motor. Dieser dreht im Linkslauf und nimmt elektrische Energie aus dem Netz auf. 

IV. Quadrant - Wechselrichter- bzw. Generatorbetrieb Die Ausgangsspannung Ua des 1. Stromrichters 

ist kleiner als die Gegenspannung U0 des Gleichstrommotors. Der Strom fließt vom 

Motor zum Netz. Dieser dreht im Linkslauf und speist Energie in das Netz zurück. 

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4.7 Industrieller Stromrichter 

Das Blockschaltbild zeigt einen industriellen Kompakt-Stromrichter mit Antiparallelschaltung 

von zwei vollgesteuerten Einphasen-Brückenschaltungen für Vierquadranten-Betrieb. 

Klicken Sie hier und bewegen Sie den Mauszeiger über die farbig hervorgehobenen Baugruppen 

für weitere Informationen. 

gllt01q01 70


4 Betriebsarten elektrischer Antriebe 4.7 Industrieller Stromrichter 

Vollgesteuerter Zweifach-Stromrichter in Brückenschaltung. 

Fremderregter Gleichstrommotor 

Tachogenerator zur Erfassung der Ist-Drehzahl. 

Hochlaufgeber zur Einstellung der Hochlauf- bzw. Auslaufzeit des Motors. 

Drehzahlregler, er bildet einen Vergleich von Drehzahlsollwert und Drehzahlistwert und regelt 

die Drehzahl des Motors bei Abweichung nach. 

Stromregler, er reagiert schnell auf Spannungs- und Stromänderungen im Leistungsteil. 

Steuersatz, er erzeugt die Zündimpulse zur Ansteuerung der Thyristoren. 

Sollwerteinsteller zur Vorwahl der Solldrehzahl. 

Strombegrenzer, er begrenzt den Strom auf einen Maximalwert und verhindert zu hohe Stromanstiegsgeschwindigkeiten. 

Erfassung des Strom-Istwertes. 

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Trainingsaufgaben 

Trainingsaufgabe 1 



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Abschluss Lerneinheit 

Bearbeitung der Fallstudie 

Durch den Ausfall eines Transportbandes in einer modular aufgebauten Produktionseinheit 

kommt es in Ihrem Unternehmen zu Verzögerungen im Arbeitsprozess. Das Transportband 

wird von einem 24-V-Gleichstrommotor angetrieben. Erste Messungen ergeben, dass am Ausgang 

des Netzteils für die Ansteuerung des Motors keine Spannung anliegt. 

Da kurzfristig kein komplettes Austauschgerät für das defekte Netzteil zur Verfügung steht, 

müssen Sie versuchen, den Fehler im Gerät zu lokalisieren und zu beheben. Nach dem Öffnen 

des Gerätes stellen Sie fest, dass das Gleichrichterbauteil defekt ist. 

Bitte bearbeiten Sie zur Fallstudie folgende Aufgabe: 

Wählen Sie an Hand der beiliegenden Vergleichsliste für Brückengleichrichter den geeigneten Typ 

aus und bestellen sie diesen beim Händler. 

Hinweise finden Sie in den im Schaltplan angegebenen Spannungs- und Stromdaten. 



gllt01q01 75


Anlagen 

gllt01q01 76


LEITFRAGEN 

Hinweis: 

Anhand dieser Leitfragen werden Sie die Qualifizierungseinheit erarbeiten. Notieren Sie die 

Antworten zu den Fragen, die Ihnen spontan einfallen. 

Speichern Sie diese Datei anschließend in einem Ordner, auf den Sie stets zugreifen können 

und ergänzen jeweils diese Fragen um das erlernte Wissen. 

Am Ende der Qualifizierungseinheit sollten Sie die Antworten komplett überarbeitet haben. 

gllt01q01 77


Ausbildung zum Mechatroniker 

Grundlagen der Leistungselektronik 

Name: 

Vorname: 

Klasse/Kurs: 

Datum: 


Stromversorgung elektronischer Geräte 

Ziehen Sie die Begriffe aus dem Drag und Drop Test an die richtige Stelle in der Schaltung.Klicken 

Sie anschließend auf "Fertig" im Drag und Drop Test.Öffnen Sie hierfür den Drag 

und Drop Test im Kurs. 

Aufgabe: 

Begriffe: 

Brückengleichrichter, Spannungsregler, Schutz vor Rückströmen, Netztrafo, Betriebsanzeige, 

Ladekondensator, Verbesserung der Regeleigenschaften, Einstellen der Ausgangsspannung. 

gllt01q01 78




Name: 

Vorname: 

Klasse/Kurs: 

Datum: 


Schalten und Stellen von Wechselstrom 

Ordnen Sie die Begriffe aus dem Drag und Drop Test den entsprechendenErklärungen 

zu.Klicken Sie anschließend auf "Fertig" im Drag und Drop Test.Öffnen Sie hierfür den Drag 

und Drop Test im Kurs. 

Aufgabe: 

Begriffe: 

Freilaufdiode, Pulsbreitensteuerung, Phasenanschnittsteuerung, Pulsfolgesteuerung 

Schwingungspaketsteuerung 

gllt01q01 79




Name: 

Vorname: 

Klasse/Kurs: 

Datum: 


Betriebsarten elektrischer Antriebe 

Gegeben ist die Struktur eines Stromrichterantriebes. 

Ziehen Sie bitte die Begriffe aus dem Drag und Drop Test an die entsprechenden Symbole im 

Schaltplan.Klicken Sie anschließend "Fertig" im Drag und Drop Test.Öffnen Sie hierfür den 

Drag und Drop Test im Kurs. 

Aufgabe: 

Begriffe: 

Drehzahlsollwert, Drehzahlregler, Strombegrenzung, Stromregler, Steuersatz, Feldversorgung, 

Gleichstrommotor, Tachogenerator, Leistungsteil Ankerkreis. 

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Name: 

Vorname: 

Klasse/Kurs: 

Datum: 


Durch den Ausfall eines Transportbandes in einer modular aufgebauten Produktionseinheit 

kommt es in Ihrem Unternehmen zu Verzögerungen im Arbeitsprozess. Das Transportband 

wird von einem 24-V-Gleichstrommotor angetrieben. Erste Messungen ergeben, dass am Ausgang 

des Netzteils für die Ansteuerung des Motors keine Spannung anliegt. 

Da kurzfristig kein komplettes Austauschgerät für das defekte Netzteil zur Verfügung steht, 

müssen Sie versuchen, den Fehler im Gerät zu lokalisieren und zu beheben. Nach dem Öffnen 

des Gerätes stellen Sie fest, dass das Gleichrichterbauteil defekt ist. 

Wählen Sie an Hand der beiliegenden Vergleichsliste für Brückengleichrichter den geeigneten Typ 

aus und bestellen sie diesen beim Händler. 

Hinweise finden Sie in den im Schaltplan angegebenen Spannungs- und Stromdaten. 

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Hinweis: Spannungs- und Stromdaten, 

Schaltplan 

Vereinfachtes Technologieschema 

Transportband 

24V 0V 

M 

L1 

N 

L+ 

L- 

230 V / 50 Hz 

Spannungsversorgung 

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Schaltplan des Netzteils 

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Brückengleichrichter - Vergleichsliste 

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Grundlagen der Leistungselektronik

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