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Die Diode als Gleichrichter
Zur Stromleitung wird meist Wechselspannung (roter Graph) verwendet, die einen sinusförmigen zeitlichen Verlauf mit der Periodenlänge 1/50 s besitzt. Viele elektrische Geräte, insbesondere alle unsere Schaltungen in diesem Kurs, benötigen aber Gleichspannung (grüner Graph). Für unsere Versuche liefern uns unsere Steckernetzteile diese Gleichspannung. In diesem Kapitel werden wir lernen, wie sie die Wechselspannung aus dem Stromnetz in eine Gleichspannung umwandeln.
Warum fließt im Stromnetz nicht einfach Gleichspannung?
- In den meisten Kraftwerken wird elektrische Energie durch Generatoren aus Rotationsenergie - d.h. aus der Drehung einer Achse - gewonnen. Diese Rotationsenergie erhält man in Wind- und Wasserkraftwerken direkt aus der Rotation des Windrades bzw. der Turbine, in thermischen Kraftwerken (Atomkraftwerke, Kohlekraftwerke, Gaskraftwerke, …) durch Erzeugung von Wasserdampf unter hohem Druck, der eine Turbine antreibt. Die Generatoren, die die Rotationsenergie in elektrische Energie umwandeln, erzeugen bauartbedingt immer Wechselspannung (eine genaue Erklärung findest Du beispielsweise hier).
- Die Amplitude der Wechselspannung lässt sich mit Hilfe von Transformatoren sehr einfach erhöhen oder erniedrigen. Dies ist immens wichtig, da zum Transport des elektrischen Stroms Wechselspannung mit sehr hoher Amplitude (oft mehrere hundert Kilovolt) verwendet wird, die Verbraucher aber deutlich niedrigere Spannungen benötigen.
- Zu Transport elektrischer Energie werden hohe Spannungen verwendet um die thermische Verlustleistung in den Leitungen gering zu halten.
Trivialer Ansatz: Diode im Stromkreis
Wir verwenden die Diode 1N4148, die eine Durchlassspannung von ca. 0,7 V besitzt. Falls die Eingangsspannung kleiner als 0,7 V ist, fließt kein Strom durch die Diode. Falls die Eingangsspannung größer als 0,7 V ist, fallen 0,7 V an ihr ab. Die Ausgangsspannung (grün) ist daher um 0,7 V kleiner als die Eingangsspannung. Man erhält den folgenden Graphen:
Natürlich sind wir mit dieser Lösung nicht zufrieden: Wir verlieren jede zweite Halbschwingung!
Besser: Brückengleichrichter
Der Brückengleichrichter bietet dem Stromfluss zwei Wege: Einen, falls der obere Pol der Spannungsquelle positiv und der untere negativ ist und einen anderen, falls der obere Pol negativ ist und der untere positiv. Bei beiden wegen fließt der Strom in derselben Richtung durch die Last.
Im Bild links siehst Du den Stromweg, wenn der obere Pol der Stromquelle positiv ist und der untere negativ.
In der folgenden Darstellung siehst Du in roter Farbe den zeitlichen Verlauf der Eingangsspannung, in grüner Farbe den zeitlichen Verlauf der Ausgangsspannung.
Ausblick: Glätten der Spannung
Unser Ziel einer konstanten Ausgangsspannung haben wir immer noch nicht erreicht. Dazu müssen wir zuerst ein weiteres Bauteil kennenlernen, den Kondensator.
Hier geht's zum Kapitel "Glätten mit Kondensatoren (Gleichrichter Teil II)"