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Gleichrichter - Arten und Anwendungen
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Beitrag1/1, Verfasst am: 27.12.2009, 16:24   

Betreff:   Gleichrichter - Arten und Anwendungen
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Zur Gleichrichtung von Wechselstr?men kann man sich verschiedener Verfahren bedienen, welche zuallererst durch den entnehmbaren Strom festgelegt werden. grundsätzlich unterscheidet man zwischen mechanischer und rein elektrischer Umwandlung. Die mechanische Gleichrichtung ist das älteste Verfahren, welches allein auf Grund seines schlechten Wirkungsgrades nicht mehr angewendet wird - es ist nicht zu verwechseln mit der Umrichtung von Gleichstrom in Wechselstrom!

Bei der rein elektrischen Gleichrichtung unterscheiden wir zwischen Röhrengleichrichtern, Halbleitergleichrichtern und Elektrolysegleichrichtern. Letztere werden auch als Nassgleichrichter bezeichnet und spielen in der Funktechnik, genau wie die mechanischen Gleichrichter (im Gegensatz zu Umrichtern), praktisch keine Rolle.

Bei den ungesteuerten Röhrengleichrichtern können wir zwischen dem allseits bekannten Hochvakuumsystemen der Einweg-, Zweiweg- und Doppel-Einweggleichrichtern einerseits sowie den gasgefüllten Glimmgleichrichtern und den Quecksilber-Dampfgleichrichtern unterscheiden. Das Hauptanwendungsgebiet der Quecksilbergleichrichter liegt bei der Industrieelektrik, also dort wo hohe und höchste Str?me - bspw. bei Schweißgleichrichtern im Bereich ab 100 A aufwärts - laststabil abverlangt werden. Nachteile aller Quecksilbergleichrichter sind deren harte UV-Emission und zuvorderst deren hochgiftiger Inhalt! Panische Angst vor berstenden Hg-Bomben muß dennoch niemand haben. Auch die Kleinleistungstypen sind anwendungssicher, ihre Glaskolben sehr stabil so daß bei sachgemäßem Umgang in eingebautem Zustand auch keine Gef?hrdung durch die UV-Strahlung auftritt. Alle Hg-Gleichrichter benötigen eine, der Anheizzeit bei Glühkathodenröhren vergleichbare Anlaufzeit, während der aus dem Teich der Hg-Dampf gebildet werden muß. Erst danach ist eine stabile Stromabnahme möglich. Wird die Wechselspannung zu früh angeschaltet kommt es u.U. zum KurzSchluß! Das zu verhindern dienen automatische Anschaltverz?gerungen die bei Industrieelektronik meist aus einem mechanischen Zeitrelais bestehen.
Eine zusätzliche GasbefÖllung ermöglicht es bei Kleinleistungsröhren, auf eine separate Anlaufzeit praktisch zu verzichten. Das gilt aber nicht automatisch auch für neue Röhren und solche, die zwischendurch eine LageÄnderung durch Ausbau erfahren haben! Diese können ggfs. eine einmalige, bis zu mehreren Stunden dauernde Anlaufzeit erfordern. Die Betriebslage aller mit Quecksilberdampf gefällten Gleichrichter muß immer senkrecht, mit dem Sockel nach unten sein. Auch muß die Zuschaltung der Anodenspannung immer erst nach der Einschaltung der Heizspannung Erfolgen - ebenso darf die Heizspannung niemals vor der Anodenspannung abgeschaltet werden.

Der Glimmgleichrichter ist nichts anderes als eine besondere Bauform einer normalen Glimmröhre. Er liefert sofort mit Anlegen einer Wechselspannung den höchstmöglichen Gleichstrom. Das besondere Konstruktionsmerkmal ist die unterschiedliche Ausbildung der Elektroden. Während die Anode in ihrer aktiven Oberfläche so klein als irgend möglich gehalten wird, muß die Kathode mit der größtmöglichen Fläche ausgeführt werden. In der Praxis wird eine Stabfürmige Elektrode zu dem Zwecke in eine Keramikr?hrchen eingebettet, so daß nur die unwesentlich herausstehende Kopffl?che als aktive Anode wirken kann. Dieses R?hrchen m?ndet vorzugsweise in eine darübergestÖlpte, halbkugelfürmige Kathode. Diese Konstruktion bewirkt eine größtmögliche Stromdichte. Das verhältnis von Nutz- zu R?ckstrom beträgt in der Praxis - bedingt durch den Ladekondensator - kaum mehr als 150 : 1 und damit sind der Anwendung dieses Verfahrens enge Grenzen gesetzt. Interessant ist der Glimmgleichrichter für Hochspannungsschaltungen. Da er keinerlei Heizung benötigt, gibt es auch keinerlei Isolationsprobleme. Wenn Kondensatoraufladung entbehrlich ist, lassen sich auch Stromverhältnisse von bis zu 500 : 1 erreichen; jedenfalls in der Theorie. Praktisch hat so eine Anwendung heutzutage keinen Nutzen - es bleibt eine interessante Bastelei da der Glimmgleichrichter kurzzeitig das hundertfache des Nominalstromes zu liefern vermag ohne Schaden zu nehmen.

schließlich gibt es noch gesteuerte Gleichrichterröhren, Thyratron genannt. Es sind Gef??e die eine Gasfüllung - als Reingas oder auch "MischfÖllung" - enthalten und mit einem Steuergitter leistungslos gezündet werden. Der Stromfluss selbst kann nicht weiter beeinflu?t werden. Der Z?ndpunkt kann schaltungstechnisch auf jeden beliebigen Punkt der positiven Halbwelle gelegt werden - die Röhre verlischt automatisch wenn die Anodenspannung den Wert Null annimmt, was am Ende jeder Halbschwingung eintritt. Durch diese Betriebsweise erreicht man einen kontinuierlichen Anstieg des Nutzstromes auf seinen möglichen Maximalwert, beginnend mit der Z?ndung, bis zum Verlöschen der Röhre. Da das Steuergitter nach dem Z?ndeinsatz keinerlei Funktion mehr wahrnehmen kann, sollte es besser Hilfsgitter heißen.

Halbleitergleichrichter vereinigen in sich weitaus mehr Vor- als Nachteile, verglichen mit Röhrengleichrichtern.
Auch bei diesen Bauelementen kennen wir gesteuerte Gleichrichter; die klassische Form ist allerdings der ungesteuerte, zweipolige Gleichrichter wie er im Rundfunkbereich zuerst als Bleiglanzkristall für die Empfangsgleichrichtung größte Verbreitung fand. Als Gleichrichter für Versorgungsspannungen / -str?me ist der auch "Kristall" genannte Typ nicht brauchbar. Dafür bietet sich ein Material an, welches über Jahrzehnte die sogenannte Heimelektronik dominierte und nicht nur diese! Selen war der erste Halbleiter, mit dem sich auch Industrie-Hochstromanwendungen realisieren ließen; so z.B. in Ladegleichrichteranlagen für Fahrstromakkumulatoren und selbstverständlich auch in KFZ-Akku-LadeGeräten, ebenso in SchweißGeräten, in Gleichrichteranlagen der Post und deren Eigenstromversorgungen für kleine und mittlere Hauszentralen. Damit ersch?pft sich der Einsatz von Selen noch lange nicht! Milliardenfach haben sich Selenzellen als "Stromerzeuger" in fotoelektrischen Belichtungsmessern bewährt und tun dies noch heute. In der Summe seiner Eigenschaften kenne ich kein besseres Material - als chemisches Element ist Selen lebensnotwendig wie kaum ein anderes Element. Das aber nur am Rande bemerkt. Selen selbst kommt in der Natur in verschiedener Form vor! Dazu folgt ggfs. ein eigener Beitrag.
für den Elektriker / Elektroniker ist wichtig zu wissen, daß ein Selengleichrichter den unsch?tzbaren Vorteil besitzt, gegen kurzzeitige überlastung durch Impulsspitzen in der Versorgungsspannung nahezu völlig immun zu sein. Es ist ebenso wichtig zu wissen, daß ein Selengleichrichter - egal welcher Bauform - im laufenden Betrieb einer stetigen, irreversiblen Alterung unterliegt. Dagegen ist seine durch stromlose Lagerung bedingte Deformierung problemlos reversibel. Selengleichrichter lassen sich für nahezu jede Spannung, bis zu mehreren zigtausend Volt wirtschaftlich herstellen. Die klassische Bauform ist der gestapelte Plattengleichrichter, auch verballhornt Radiator betitelt. Daneben gibt es die in R?hrchen gestapelten oder vergossenen Pillen. Auch andere Bauformen für Spezialanwendungen sind bekannt. Die modernste Bauform stellt den Flachgleichrichter dar. Dieser ist - ebenso wie die vergossenen Pillen - leider nicht reparabel und muß als komplettes Bauteil ausgetauscht werden.

Der zweite wichtige Halbleiter ist Kupferoxid, gewonnen aus Cuprit, besser bekannt unter dem Synonym Kupferoxydul. Dieses Material ist, ähnlich wie Bleiglanz, nicht als Gleichrichter für Stromversorgungszwecke zu gebrauchen. Sein Hauptanwendungsgebiet sind kleine, kompakte Messgleichrichter die auf Grund ihrer äußeren Erscheinung umgangssprachlich als Maik?fer bezeichnet werden. Man findet diese Bauelemente sowohl in gewähnlichen analogen Multimetern als auch in hochpr?zisen LaborGeräten und natürlich auch in Röhrenmess- und -pr?fGeräten. Ihrem Bestimmungszweck entsprechend werden Kupferoxydulgleichrichter bevorzugt als Zweiweg-Gleichrichter hergestellt. Analog den gestapelten Selenpillen findet man auch Kupferoxydulpillen die als Einweggleichrichter in kleine Hartpapier- oder auch Keramikr?hrchen gestapelt sind. Sie werden meist als Sirutor bezeichnet - was aber strenggenommen falsch ist. Solche Sirutoren findet man z.B. als Gleichrichter an den Fassungen von Anzeigeröhren in Rundfunk- und Tonbandgeräten. Das Material unterliegt keiner solchen Alterung wie sie für Selen typisch ist. In den späten Sechzigern wurde die Fertigung von Maik?fern eingestellt, das Kupferoxid selbst hingegen ist nie "zu Grabe getragen" worden und auch noch in der Gegenwart Objekt der Forschung. Als Messgleichrichter ist ein Maik?fer im verhältnis zu einer Ge- oder Si-Diode weitaus robuster gegen Impulsspitzen.

Bereits in den frühen 50-ern begann die AbLösung von Röhrendioden als Empfangsgleichrichter = Demodulator durch Germanium-Dioden. Das sind prinzipiell gleich aufgebaute Dioden wie es schon die Bleiglanzdetektoren der 20-er Jahre sind. Im Unterschied zu diesen ist bei den modernen Dioden die Spitze festliegend und der gesamte "Kristall" in ein Glasr?hrchen luftdicht eingeschmolzen. für industrielle Höchstfrequenzanwendungen gibt es auch etwas abweichende Bauformen, die in ein Keramikr?hrchen eingeschmolzen sind, deren Anschlüsse statt Drahtenden Kontaktkappen mit oder ohne Gewinde tragen. Die Ventilwirkung einer Kristalldiode wird erst nach ihrer Fertigstellung durch einen Stromimpuls hergestellt, bei welchem das Material unmittelbar unter der Spitze mit dieser verschmilzt. Diese Verschmelzung stellt auch die R?ttelsicherheit her. Germaniumdioden (und -transistoren) gibt es auch in größeren Wattagen für Leistungselektroniken. Allerdings stellt sich diesem Material dessen sehr große Temperaturempfindlichkeit als Barriere in den Weg. Als GleichrichterElement für Stromversorgungen konnte Ge nie auch nur annähernd die Bedeutung von Selen erreichen. Das ist nur den Siliziumgleichrichtern gelungen, welche die Selengleichrichter heute weitestgehend verdrängt haben. Ein Hauptgrund dafür ist natürlich auch in der wesentlich preiswerteren Herstellung von Siliziumdioden, verglichen mit Selengleichrichtern zu sehen. Ein anderer Hauptgrund, wenn nicht der entscheidendste überhaupt, besteht darin, daß Si-Gleichrichter als Einzelbauteil problemlos für sehr hohe Spannungen und ebenso hohe Str?me herstellbar sind. Ihre Temperaturempfindlichkeit ist - verglichen mit allen anderen Halbleitergleichrichtern - nahezu bedeutungslos! Die moderne Industrieelektronik ist ohne steuerbare Siliziumgleichrichter nicht vorstellbar.



demnächst werden hier noch Ergänzungen in Form von Verlinkungen zu Anwendungsbeispielen und Einzelbildern eingearbeitet.
_________________
Grüße aus der Lausitz von MichaelZ.

Die Reform der Rechtschreibung ist ein Symptom dafür, daß die Deutschen ihre Sprache nicht lieben.
(Eugen Ruge, Schriftsteller, 2018)
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