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Präzisionsgleichrichter Ein ist eine elektronische Schaltung in der elektrischen Messtechnik welche eine Wechselspannung

Präzisionsgleichrichter

Ein Präzisionsgleichrichter ist eine elektronische Schaltung in der elektrischen Messtechnik, welche eine Wechselspannung gleichrichtet, aber ohne die üblichen Mängel, die reale Dioden mit sich bringen. Insbesondere zur Messung kleiner Wechselspannungen sind solche Schaltungen erforderlich.

Reale Diode Bearbeiten

Silizium-Kleinsignaldioden 1N4148
max. 75 oder 100 V Sperrspannung (je nach Datenblatt),
max. 200 mA Durchlassstrom,
max. 4 ns Sperrerholzeit

Kleinsignal-Siliziumdioden können nur eingeschränkt für Messzwecke verwendet werden; allerdings gibt es auch kein besseres Bauelement für diesen Zweck. Die zwei grundlegenden Abweichungen vom idealen statischen Verhalten (in Klammern Richtwerte bei 25 °C für die Typen 1N4148 und 1N914) sind:

* Sperrstrom (< 25 nA)
* Durchlassspannung   (≈ 0,7 V, abhängig von der Stromstärke)

Dabei kann der Sperrstrom in aller Regel als Ursache für Messabweichungen unbeachtet bleiben, die Durchlassspannung wirkt aber sehr verfälschend, zumal der Zusammenhang zwischen Durchlassspannung und Durchlassstrom stark nichtlinear und temperaturabhängig ist.

Abweichungen von idealen dynamischen Verhalten dieser Dioden gibt es für die hier behandelten Messaufgaben nicht.

Schaltungsvarianten Bearbeiten

Einweggleichrichter Bearbeiten

Mit Hilfe von rückgekoppelten Operationsverstärkern können reale Dioden so betrieben werden, dass sich die Schaltung wie eine ideale Diode verhält. Die Diode übernimmt weiterhin die Gleichrichtung, der Operationsverstärker kompensiert dabei die Durchlassspannung der Diode durch eine erhöhte Spannung an seinem Ausgang. Unsymmetrische Wechselspannungs-Kurvenformen werden nicht richtig wiedergegeben, da nur die eine der beiden Halbschwingungen berücksichtigt wird.

Einfacher Einweggleichrichter Bearbeiten

Präzisions-Einweggleichrichter (nur positive Halbschwingung, Operationsverstärker bei negativer Halbschwingung übersteuert)

Eine einfache Präzisionsgleichrichterschaltung besteht, wie in nebenstehender Abbildung dargestellt, aus einem Operationsverstärker mit einer Diode und einem Widerstand in Reihe am Ausgang. Bei dieser Schaltung führt eine negative Eingangsspannung dazu, dass die Diode sperrt und die Ausgangsspannung auf 0 V bleibt. Bei einer positiven Eingangsspannung ist gleich .

Der Nachteil dieser einfachen Schaltung besteht darin, dass bei einer negativen Eingangsspannung durch die dann blockierende Diode die negative Rückkopplung am Operationsverstärker unterbrochen wird. Dies führt dazu, dass im Operationsverstärker die Ausgangsspannung in die Begrenzung getrieben wird, aus der sie bei später wieder positiver Eingangsspannung zeitlich verzögert herausgelangt. Dieses schlechte Zeitverhalten führt zu Abbildungsfehlern und reduziert die Bandbreite vor allem bei kleinen Eingangsspannungen.

Verbesserter Einweggleichrichter Bearbeiten

Präzisions-Einweggleichrichter (nur negative Halbschwingung, Operationsverstärker nicht übersteuert)

Mit den fast immer zulässigen Näherungen des nicht übersteuerten idealen Operationsverstärkers

erzeugt die Messschaltung aus der Eingangsspannung ein Spannungs-Signal

unabhängig von der Durchlassspannung , selbst wenn ist.

Bei dieser Schaltung ist in Abhängigkeit von der Polarität der Eingangsspannung immer eine der beiden Dioden leitend. Das vermeidet die Übersteuerung und Sättigung des Operationsverstärkers, wodurch sich das Zeitverhalten wesentlich verbessert. Da der Operationsverstärker die Durchlassspannung der Dioden zusätzlich zu aufbauen muss, kommt es bei einem Polaritätswechsel der Eingangsspannung am Ausgang des Operationsverstärkers zu Spannungssprüngen um etwa die doppelte Durchlassspannung der Dioden. Deswegen sollen vor allem bei kleinen Eingangssignalen Operationsverstärker mit möglichst hoher Spannungsanstiegsgeschwindigkeit (slew rate) eingesetzt werden.

Durch Ändern der Polarität beider Dioden in der Schaltung lässt sich wahlweise die positive oder die negative Halbschwingung auswerten.

Vollweggleichrichter Bearbeiten

Addierschaltung Bearbeiten

Präzisions-Vollweggleichrichter aus Einweggleichrichter und Addierer

Es gibt mehrere Möglichkeiten, einen Präzisions-Vollweggleichrichter zu realisieren. Die bekannteste Lösung besteht darin, den Präzisions-Einweggleichrichter durch eine nachgeschaltete invertierende Addierschaltung mit einem zusätzlichen Operationsverstärker zu erweitern, wie in nebenstehender Schaltung gezeigt wird.

Dem einen Eingang der Additionsstufe mit dem Widerstand wird die Eingangsspannung zugeführt. Dem anderen Eingang der Additionsstufe mit dem Widerstand wird die Ausgangsspannung der Einweggleichrichtung zugeführt. Wie in der vorigen Schaltung gilt an beiden Operationsverstärkern

Mit der Dimensionierung vereinfacht sich das:

Am Ausgang erscheint zu jedem Zeitpunkt der Betrag der Eingangsspannung. Der Vollweggleichrichter hat somit die Übertragungsfunktion

Die Durchlassspannung geht in das Ausgangssignal der Gleichrichterschaltung nicht ein, indem statt als Ausgangsspannung genommen wird. Der Verstärker muss nur in der Lage sein, an seinem Ausgang eine um größere Spannung aufzubauen.

Der Rückkopplungswiderstand kann ohne Einfluss auf die Funktion geändert werden, um die Gesamtverstärkung anzupassen. Wird beispielsweise der genannte Widerstand auf den 1,11fachen Wert erhöht, dann ist der Gleichwert der Ausgangsspannung so groß wie der Effektivwert einer sinusförmigen Eingangsspannung.

Die Ausgangsspannung ist im Rahmen der Belastbarkeit des zweiten Operationsverstärkers lastunabhängig.

Brückengleichrichtung Bearbeiten

Präzisions-Brückengleichrichter

Die nebenstehende Messschaltung erzeugt ein Strom-Signal

unabhängig von und vom Innenwiderstand des Strommessgerätes.

Die Schaltung verhält sich in gewissen Grenzen wie eine gesteuerte ideale Stromquelle. Der Ausgangsstrom ist proportional zum Betrag der Eingangsspannung.

Nachteilig an der Brückengleichrichterschaltung ist, dass an keinem der Anschlusspunkte des Messgerätes dasselbe Potential wie an einem der Anschlusspunkte der Eingangsspannung liegt. Eine Folgeschaltung anstelle des Messgerätes zur Weiterverarbeitung des so gewonnenen gleichgerichteten Stromes muss potentialfrei gegenüber der Eingangsspannung sein.

Anwendungen Bearbeiten

Eingesetzt werden Präzisionsgleichrichter beispielsweise zur Betragsbildung von Wechselgrößen in Multimetern bei Niederfrequenz. Bei batterielosen Strom- und Spannungsmessgeräten wird die Verzerrung durch passive Dioden-Messgleichrichter durch eine im unteren Bereich nichtlineare Skalenteilung in den Wechselgrößen-Messbereichen ausgeglichen. Die Verwendung eines Präzisionsgleichrichters erfordert zwar eine Stromversorgung, gestattet jedoch eine lineare Teilung durchgängig bis zum Nullpunkt und gestattet das Messen auch kleinerer Spannungen weit unter einem Volt.

Präzisions-Einweggleichrichter zur Messung von Wechselgrößen für lineare Skalenteilung trotz nicht linearer Dioden-Kennlinie

Die nebenstehende Messschaltung zeigt als Beispiel einen Präzisions-Einweggleichrichter in einem Analogmultimeter. Mit den Kennwerten des Operationsverstärkers

gilt:

Während der positiven Halbschwingung von fließt der Strom durch das Messwerk; während der negativen Halbschwingung fließt ebenfalls, aber am Messwerk vorbei. Bei sinusförmiger Eingangsspannung mit der Amplitude entsteht durch ein den Gleichwert bildendes Drehspulmesswerk eine Anzeige des halben Gleichrichtwertes

Das Problem, dass aus dem Gleichrichtwert nur bei bekannter Kurvenform der Eingangs-Wechselspannung auf deren Effektivwert geschlossen werden kann, bleibt auch bei Präzisiosgleichrichtern bestehen.

Literatur Bearbeiten

  • Paul Horowitz, Winfield Hill: The Art of Electronics. 2. Auflage. Cambridge Press, 1989, ISBN 0-521-37095-7, S. 221 - 222.
  • Erwin Böhmer: Elemente der Angewandten Elektronik. Mind. 16 Auflagen seit 1979, Vieweg;
    jetzt von Erwin Böhmer, Dietmar Ehrhardt, Wolfgang Oberschelp.

Einzelnachweise Bearbeiten

  1. Beispielsweise schnelle Universaldiode 1N914 für die Elektronik, Datenblatt [1]
  2. ↑ Klaus Bystron, Johannes Bergmeyer: Grundlagen der Technischen Elektronik. Hanser, 1988, S. 343 f
  3. Ekbert Hering, Jürgen Gutekunst, Rolf Martin: Elektrotechnik für Maschinenbauer: Grundlagen. Springer, 1999, S. 196
  4. Albert Haug: Mikroelektronik und Mikroprozessoren für Maschinenbauer. Vieweg, 1987, S. 187
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Veröffentlichungsdatum:
Ein Prazisionsgleichrichter ist eine elektronische Schaltung in der elektrischen Messtechnik welche eine Wechselspannung gleichrichtet aber ohne die ublichen Mangel die reale Dioden mit sich bringen Insbesondere zur Messung kleiner Wechselspannungen sind solche Schaltungen erforderlich Inhaltsverzeichnis 1 Reale Diode 2 Schaltungsvarianten 2 1 Einweggleichrichter 2 1 1 Einfacher Einweggleichrichter 2 1 2 Verbesserter Einweggleichrichter 2 2 Vollweggleichrichter 2 2 1 Addierschaltung 2 2 2 Bruckengleichrichtung 3 Anwendungen 4 Literatur 5 EinzelnachweiseReale Diode Bearbeiten nbsp Silizium Kleinsignaldioden 1N4148max 75 oder 100 V Sperrspannung je nach Datenblatt max 200 mA Durchlassstrom max 4 ns SperrerholzeitKleinsignal Siliziumdioden konnen nur eingeschrankt fur Messzwecke verwendet werden allerdings gibt es auch kein besseres Bauelement fur diesen Zweck Die zwei grundlegenden Abweichungen vom idealen statischen Verhalten in Klammern Richtwerte bei 25 C fur die Typen 1N4148 und 1N914 1 sind Sperrstrom I R displaystyle I R nbsp lt 25 nA Durchlassspannung U F displaystyle U F nbsp 0 7 V abhangig von der Stromstarke Dabei kann der Sperrstrom in aller Regel als Ursache fur Messabweichungen unbeachtet bleiben die Durchlassspannung wirkt aber sehr verfalschend zumal der Zusammenhang zwischen Durchlassspannung und Durchlassstrom stark nichtlinear und temperaturabhangig ist Abweichungen von idealen dynamischen Verhalten dieser Dioden gibt es fur die hier behandelten Messaufgaben nicht Schaltungsvarianten BearbeitenEinweggleichrichter Bearbeiten Mit Hilfe von ruckgekoppelten Operationsverstarkern konnen reale Dioden so betrieben werden dass sich die Schaltung wie eine ideale Diode verhalt Die Diode ubernimmt weiterhin die Gleichrichtung der Operationsverstarker kompensiert dabei die Durchlassspannung der Diode durch eine erhohte Spannung an seinem Ausgang 2 Unsymmetrische Wechselspannungs Kurvenformen werden nicht richtig wiedergegeben da nur die eine der beiden Halbschwingungen berucksichtigt wird Einfacher Einweggleichrichter Bearbeiten nbsp Prazisions Einweggleichrichter nur positive Halbschwingung Operationsverstarker bei negativer Halbschwingung ubersteuert Eine einfache Prazisionsgleichrichterschaltung besteht wie in nebenstehender Abbildung dargestellt aus einem Operationsverstarker mit einer Diode und einem Widerstand in Reihe am Ausgang Bei dieser Schaltung fuhrt eine negative Eingangsspannung u e displaystyle u e nbsp dazu dass die Diode sperrt und die Ausgangsspannung u a displaystyle u a nbsp auf 0 V bleibt Bei einer positiven Eingangsspannung ist u a displaystyle u a nbsp gleich u e displaystyle u e nbsp Der Nachteil dieser einfachen Schaltung besteht darin dass bei einer negativen Eingangsspannung durch die dann blockierende Diode die negative Ruckkopplung am Operationsverstarker unterbrochen wird Dies fuhrt dazu dass im Operationsverstarker die Ausgangsspannung in die Begrenzung getrieben wird aus der sie bei spater wieder positiver Eingangsspannung zeitlich verzogert herausgelangt Dieses schlechte Zeitverhalten fuhrt zu Abbildungsfehlern und reduziert die Bandbreite vor allem bei kleinen Eingangsspannungen Verbesserter Einweggleichrichter Bearbeiten nbsp Prazisions Einweggleichrichter nur negative Halbschwingung Operationsverstarker nicht ubersteuert Mit den fast immer zulassigen Naherungen des nicht ubersteuerten idealen Operationsverstarkers u d 0 i n 0 displaystyle u d 0 quad qquad i n 0 nbsp erzeugt die Messschaltung aus der Eingangsspannung u e displaystyle u e nbsp ein Spannungs Signal u a u e wenn u e lt 0 0 wenn u e gt 0 displaystyle u a begin cases u e amp text wenn u e lt 0 0 amp text wenn u e gt 0 end cases nbsp unabhangig von der Durchlassspannung U F displaystyle U F nbsp selbst wenn u e lt U F displaystyle u e lt U F nbsp ist 2 3 Bei dieser Schaltung ist in Abhangigkeit von der Polaritat der Eingangsspannung immer eine der beiden Dioden leitend Das vermeidet die Ubersteuerung und Sattigung des Operationsverstarkers wodurch sich das Zeitverhalten wesentlich verbessert Da der Operationsverstarker die Durchlassspannung der Dioden zusatzlich zu u a displaystyle u a nbsp aufbauen muss kommt es bei einem Polaritatswechsel der Eingangsspannung am Ausgang des Operationsverstarkers zu Spannungssprungen um etwa die doppelte Durchlassspannung der Dioden Deswegen sollen vor allem bei kleinen Eingangssignalen Operationsverstarker mit moglichst hoher Spannungsanstiegsgeschwindigkeit d u d t displaystyle tfrac mathrm d u mathrm d t nbsp slew rate eingesetzt werden Durch Andern der Polaritat beider Dioden in der Schaltung lasst sich wahlweise die positive oder die negative Halbschwingung auswerten Vollweggleichrichter Bearbeiten Addierschaltung Bearbeiten nbsp Prazisions Vollweggleichrichter aus Einweggleichrichter und AddiererEs gibt mehrere Moglichkeiten einen Prazisions Vollweggleichrichter zu realisieren Die bekannteste Losung besteht darin den Prazisions Einweggleichrichter durch eine nachgeschaltete invertierende Addierschaltung mit einem zusatzlichen Operationsverstarker zu erweitern wie in nebenstehender Schaltung gezeigt wird Dem einen Eingang der Additionsstufe mit dem Widerstand R 3 displaystyle R 3 nbsp wird die Eingangsspannung u e displaystyle u e nbsp zugefuhrt Dem anderen Eingang der Additionsstufe mit dem Widerstand R 4 displaystyle R 4 nbsp wird die Ausgangsspannung u g displaystyle u g nbsp der Einweggleichrichtung zugefuhrt Wie in der vorigen Schaltung gilt an beiden Operationsverstarkern u d 0 i n 0 displaystyle u d 0 i n 0 nbsp Bei negativer Eingangsspannung ist D2 gesperrt durch R 2 displaystyle R 2 nbsp fliesst kein Strom u g 0 displaystyle u g 0 nbsp Damit fliesst auch kein Strom durch R 4 displaystyle R 4 nbsp Da sich am Eingang des zweiten Operationsverstarkers die Spannung null einstellen muss u d 0 displaystyle u d 0 nbsp muss am Ausgang der Additionsstufe eine positive Spannung entstehen Zusatzlich mit i n 0 displaystyle i n 0 nbsp muss sich u a R 5 u e R 3 0 displaystyle frac u a R 5 frac u e R 3 0 nbsp einstellen Bei positiver Eingangsspannung ist D2 leitend durch R 2 displaystyle R 2 nbsp fliesst Strom die Spannung u g displaystyle u g nbsp wird negativ Am ersten Verstarker stellt sich u e R 1 u g R 2 0 displaystyle frac u e R 1 frac u g R 2 0 nbsp ein Am Eingang des zweiten Operationsverstarkers gilt entsprechend u a R 5 u e R 3 u g R 4 0 displaystyle frac u a R 5 frac u e R 3 frac u g R 4 0 nbsp Mit der Dimensionierung R 1 R 2 R 3 R 5 2 R 4 displaystyle R 1 R 2 R 3 R 5 2 R 4 nbsp vereinfacht sich das bei u e 0 displaystyle u e leq 0 nbsp u g 0 displaystyle u g 0 nbsp u a u e displaystyle u a u e nbsp bei u e 0 displaystyle u e geq 0 qquad nbsp u g u e displaystyle u g u e quad nbsp u a u e 2 u g u e 2 u e u e displaystyle u a u e 2 u g u e 2 u e u e nbsp Am Ausgang erscheint zu jedem Zeitpunkt der Betrag der Eingangsspannung Der Vollweggleichrichter hat somit die Ubertragungsfunktion u a u e displaystyle u a u e nbsp Die Durchlassspannung geht in das Ausgangssignal der Gleichrichterschaltung nicht ein indem u g displaystyle u g nbsp statt u a 1 displaystyle u a1 nbsp als Ausgangsspannung genommen wird Der Verstarker muss nur in der Lage sein an seinem Ausgang eine um U F displaystyle U F nbsp grossere Spannung aufzubauen Der Ruckkopplungswiderstand R 5 displaystyle R 5 nbsp kann ohne Einfluss auf die Funktion geandert werden um die Gesamtverstarkung anzupassen Wird beispielsweise der genannte Widerstand auf den 1 11fachen Wert erhoht dann ist der Gleichwert der Ausgangsspannung so gross wie der Effektivwert einer sinusformigen Eingangsspannung Die Ausgangsspannung u a displaystyle u a nbsp ist im Rahmen der Belastbarkeit des zweiten Operationsverstarkers lastunabhangig Bruckengleichrichtung Bearbeiten nbsp Prazisions BruckengleichrichterDie nebenstehende Messschaltung erzeugt ein Strom Signal i a u e R displaystyle i a u e R nbsp unabhangig von U F displaystyle U F nbsp und vom Innenwiderstand des Strommessgerates 2 4 Die Schaltung verhalt sich in gewissen Grenzen wie eine gesteuerte ideale Stromquelle Der Ausgangsstrom ist proportional zum Betrag der Eingangsspannung Nachteilig an der Bruckengleichrichterschaltung ist dass an keinem der Anschlusspunkte des Messgerates dasselbe Potential wie an einem der Anschlusspunkte der Eingangsspannung liegt Eine Folgeschaltung anstelle des Messgerates zur Weiterverarbeitung des so gewonnenen gleichgerichteten Stromes muss potentialfrei gegenuber der Eingangsspannung sein Anwendungen BearbeitenEingesetzt werden Prazisionsgleichrichter beispielsweise zur Betragsbildung von Wechselgrossen in Multimetern bei Niederfrequenz Bei batterielosen Strom und Spannungsmessgeraten wird die Verzerrung durch passive Dioden Messgleichrichter durch eine im unteren Bereich nichtlineare Skalenteilung in den Wechselgrossen Messbereichen ausgeglichen Die Verwendung eines Prazisionsgleichrichters erfordert zwar eine Stromversorgung gestattet jedoch eine lineare Teilung durchgangig bis zum Nullpunkt und gestattet das Messen auch kleinerer Spannungen weit unter einem Volt nbsp Prazisions Einweggleichrichter zur Messung von Wechselgrossen fur lineare Skalenteilung trotz nicht linearer Dioden KennlinieDie nebenstehende Messschaltung zeigt als Beispiel einen Prazisions Einweggleichrichter in einem Analogmultimeter Mit den Kennwerten des Operationsverstarkers u d 0 i e 0 displaystyle u d 0 quad quad i e 0 nbsp gilt i a i m u m R m displaystyle i a i m frac u m R m nbsp Wahrend der positiven Halbschwingung von i a displaystyle i a nbsp fliesst der Strom durch das Messwerk wahrend der negativen Halbschwingung fliesst i a displaystyle i a nbsp ebenfalls aber am Messwerk vorbei Bei sinusformiger Eingangsspannung mit der Amplitude u m displaystyle hat u m nbsp entsteht durch ein den Gleichwert bildendes Drehspulmesswerk eine Anzeige des halben Gleichrichtwertes I A n z e i g e 1 2 i a 1 p u m R m displaystyle I mathrm Anzeige frac 1 2 overline i a frac 1 pi cdot frac hat u m R m nbsp Das Problem dass aus dem Gleichrichtwert nur bei bekannter Kurvenform der Eingangs Wechselspannung auf deren Effektivwert geschlossen werden kann bleibt auch bei Prazisiosgleichrichtern bestehen Literatur BearbeitenPaul Horowitz Winfield Hill The Art of Electronics 2 Auflage Cambridge Press 1989 ISBN 0 521 37095 7 S 221 222 Erwin Bohmer Elemente der Angewandten Elektronik Mind 16 Auflagen seit 1979 Vieweg jetzt von Erwin Bohmer Dietmar Ehrhardt Wolfgang Oberschelp Einzelnachweise Bearbeiten Beispielsweise schnelle Universaldiode 1N914 fur die Elektronik Datenblatt 1 a b c Klaus Bystron Johannes Bergmeyer Grundlagen der Technischen Elektronik Hanser 1988 S 343 f Ekbert Hering Jurgen Gutekunst Rolf Martin Elektrotechnik fur Maschinenbauer Grundlagen Springer 1999 S 196 Albert Haug Mikroelektronik und Mikroprozessoren fur Maschinenbauer Vieweg 1987 S 187 Abgerufen von https de wikipedia org w index php title Prazisionsgleichrichter amp oldid 233239469