Gleichrichter für hohe Ströme mit geringen Verlusten. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

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Der beschriebene ungewöhnliche Wechselstromgleichrichter ist für den Einsatz dort konzipiert, wo niedrige geregelte Spannungen bei relativ hohen Strömen und geringen Verlusten erforderlich sind. Ein Anwendungsbeispiel ist die Stromversorgung von Peltier-Elementen in Kühlsystemen, bei denen zusätzlich die Temperaturregelung erforderlich ist. Galvanische Bäder und Niederspannungslötkolben sind weitere Anwendungsbeispiele für einen ähnlichen Gleichrichter.

Bei der Erzielung niedriger Versorgungsspannungen in Gleichrichtern besteht das Problem eines Spannungsabfalls an den Halbleiterdioden des Gleichrichters, bedingt durch das in den Dioden verwendete Halbleitermaterial (0,6 ... 0,9 V bei Siliziumdioden), der sich umso stärker auswirkt, je niedriger die gleichgerichtete Spannung. Bei hohen Lastströmen besteht ein Problem der Wärmeabfuhr. Wenn auch die Ausgangsspannung angepasst werden muss, greift man auf einen Reihenspannungsregler zurück, dessen Spannungsabfall am Verbindungspunkt des Regeltransistors zusätzlich zum Spannungsabfall an den Gleichrichterdioden noch einige Volt mehr beträgt führt zu nutzloser Verlustleistung, der Wirkungsgrad des Gerätes überschreitet dabei jedoch nicht 50 %. Abbildung (Bild 1) zeigt eine Gleichrichterschaltung aus der DDR-Patentsammlung [1], mit der sich Leistungsverluste deutlich reduzieren lassen.

Fig. 1.

Hierbei handelt es sich in erster Linie um einen Vollweggleichrichter mit einem Mittelpunkt, der charakteristisch ist und als Gleichrichter mit zwei Dioden und einem Abgriff in der Mitte der Transformatorwicklung bezeichnet wird. Hier werden die Gleichrichterdioden durch Emitter-Kollektor-Verbindungen der Regeltransistoren (VT1 und VT2) ersetzt. Dies bietet einen Vorteil gegenüber Dioden, da der Spannungsabfall an den Emitter-Kollektor-Übergängen bei modernen Hochleistungs-Planartransistoren nur 0,1 ... beträgt. Darüber hinaus wird es bei Verwendung von Transistoren als gesteuerte Elemente möglich, die gleichgerichtete Ausgangsspannung anzupassen, und zwar durch Phasenkürzung.

Fig. 2

Während der positiven Halbwelle fließt der Strom durch VD1, die Schaltkontakte S (S - zuerst ganz rechts, laut Diagramm, Position), den Widerstand R und die Diode VD4 im Basis-Emitter-Kreis VT2. Gleichzeitig wird VT2 gesteuert, wodurch der untere Zweig des Gleichrichters öffnet und der Kondensator C geladen wird. Während der negativen Halbwelle wird der Transistor VT1 über die Dioden VD2, S, R und VD3 gesteuert, wodurch der obere Zweig des Gleichrichters geöffnet wird. Da es sich um einen Vollweggleichrichter handelt, bei dem der Restspannungsabfall an den Emitter-Kollektor-Verbindungen der Transistoren sehr gering ist, ist auch die Verlustleistung der Transistoren gering, gleich dem Spannungsabfall an der Emitter-Kollektor-Verbindung multipliziert mit dem in diesem Stromkreis fließenden Strom. Ist die Verlustleistung gering, kann der Kühlkörper auch klein sein, und wenn der Minuspol des Gleichrichters auch mit dem Metallgehäuse des versorgten Gerätes verbunden werden kann, dann können die Steuertransistoren mit Kollektorleitungen direkt an das Chassis geschraubt werden ohne isolierende Dichtungen.

Betrachten wir nun die Möglichkeit, die Ausgangsspannung des Gleichrichters mithilfe einer Diodenkette VD5 ... VDn einzustellen, die durch den Schalter S geschaltet wird und die Phase abschneidet (Bild 2). Transistoren beginnen in diesem Fall nicht sofort mit Beginn der entsprechenden Halbwelle der Wechselspannung zu leiten, sondern erst nach einiger Zeit, wenn der Momentanwert der Spannungsamplitude in der Halbwelle die Summe der Gleichspannungen überschreitet der Dioden eingeschaltet. Dementsprechend gilt: Je kürzer die Zeit, in der die Transistoren geöffnet sind, desto geringer ist die Spannung, die durch den Filterkondensator C aufgeladen werden kann. Der Effekt eines späteren Öffnens und früheren Schließens von Transistoren hängt natürlich vom direkten Spannungsabfall an den Dioden VD1 ... ab. VD4 und auf der Öffnungsspannung der Transistoren VT1 und VT2. Aufgrund des geringen Durchlassspannungsabfalls an ihnen ist es am besten, Germaniumdioden zu verwenden, beispielsweise 0,1-A- oder 1-A-Dioden der GY-Serie. Dioden mit Schottky-Barriere erweisen sich hier als moderner, allerdings sind die damit erzielten Ergebnisse nicht besser, sondern schlechter als mit den guten alten Germanium-Dioden, zumal nicht mehr jeder Schottky-Dioden bekommen kann.

Besonderes Augenmerk sollte auf die maximal zulässige Sperrspannung der Basis-Emitter-Übergänge VT1 und VT2 gelegt werden. Wenn diese Spannung überschritten wird, fließt der Strom vom entsprechenden äußeren Ende der Sekundärwicklung des Leistungstransformators durch die gesperrte Emitter-Basis-Verbindung (als Stabilisierungsstrom (oder „Lawinendurchbruchstrom“) in der Zenerdiode) und von dort dort über die in Durchlassrichtung des Stromflusses eingeschaltete Basis-Kollektor-Verbindung direkt zum Ausgang des Gleichrichters. Von einer Regelung durch Transistoren kann in diesem Fall natürlich keine Rede sein und diese werden beschädigt. Der Spitzenspannungswert an einer beliebigen Hälfte der Sekundärwicklung darf die zulässige Sperrspannung des Emitter-Basis-Übergangs (Ueff * 3 2) nicht überschreiten, die innerhalb von 6 ... 9 V liegen muss.

Es wird empfohlen, die zulässige Sperrspannung der Basis-Emitter-Übergänge zu messen, bevor Transistoren in die Schaltung eingebaut werden (und wahrscheinlich, da die Schaltung symmetrisch ist, ein Transistorpaar mit denselben Parametern auszuwählen). Die Messung dieser Spannung ist einfach: Sie müssen die Basis-Emitter-Verbindung in die entgegengesetzte Richtung durch den Widerstand einschalten (und den Durchgang von Gleichstrom blockieren) und die Spannung an der Verbindung auf die gleiche Weise messen wie die Stabilisierungsspannung ermittelt an einer herkömmlichen Zenerdiode. Wir erhöhen die Spannung, die dem in Reihe geschalteten Widerstand (z. B. mit einem Widerstand von 1 kΩ) und dem Basis-Emitter-Übergang („Plus“ zum Emitter, wenn es sich um einen NPN-Transistor handelt) zugeführt werden, an einem parallel geschalteten Voltmeter Am Übergang beobachten wir den Wert der maximalen Sperrspannung, wenn diese mit zunehmender Versorgungsspannung nicht mehr merklich ansteigt. Der letztgenannte Umstand (eher niedrige zulässige Sperrspannung der Basis-Emitter-Verbindung) begrenzt die maximale Ausgangsspannung der angesteuerten Gleichrichterschaltung auf 5 Volt. Als Kompromiss für eine Ausgangsspannung bis 200 V bei Lastströmen von 5 ... 1 A wurde der Widerstandswert R = 2 Ohm gewählt: Sein zu kleiner Wert führt zu zu großen Verlusten im Widerstand selbst (unwirtschaftlich), während a groß ist das nicht, bei dem sich auch die Verluste erhöhen (jetzt an den Regeltransistoren).

Transistoren sollten möglichst viel Basis-Emitter-Sperrspannung und eine möglichst hohe Stromverstärkung aufweisen. Wenn pnp-Transistoren (z. B. KT818) verwendet werden, sollten alle Dioden und ein Oxidfilterkondensator „umgedreht“ werden und die Polarität der Ausgangsspannung ändert sich.

Sie können noch weiter gehen und anstelle einer diskreten Einstellung der Ausgangsspannung eine gleichmäßige Einstellung anwenden, indem Sie anstelle der Dioden VD5 ... VDn und des Schalters S die gleiche Leitfähigkeit wie VT1 / VT2 (Kollektor zum Verbindungspunkt der Dioden VD1 und VD2) installieren , Emitter an Widerstand R) und ein Potentiometer, dessen Ausgang des Motors mit der Basis eines zusätzlichen Transistors verbunden werden sollte, und die äußersten Schlussfolgerungen mit dem Kollektor und Emitter dieses Transistors. Auch andere Einschlüsse mit fallender Charakteristik sind möglich (analog eines Dinistors). Für den Experimentator gibt es ein großes Betätigungsfeld.

Literatur

1. Patent DDR-WP HO2 313189.7
2. Dipl.-Ing. Herr Franke
3. FUNKAMATEUR 1988, Nr. 11, S. 554.

Übersetzung: Viktor Besedin (UA9LAQ) ua9laq@mail.ru, Tjumen; Veröffentlichung: cxem.net

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