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Gleichrichter, DC-DC-Wandler und Wechselrichter: Wandlungsrichtung, Schaltungen, Ausgangsgleichungen und Einsatz

In der Leistungselektronik werden Schaltungen, die die Form elektrischer Leistung ändern, nach der Wandlungsrichtung benannt. Eine Gleichrichterschaltung (AC-DC-Wandler) wandelt Wechselstrom in Gleichstrom, ein DC-DC-Wandler (Chopper) wandelt Gleichstrom in Gleichstrom anderer Spannung, und ein Wechselrichter wandelt Gleichstrom in Wechselstrom. Im weiteren Sinn werden sie alle auch als Stromrichter (Leistungswandler, engl. Converter) bezeichnet. Klimaanlagen und industrielle Motorantriebe kombinieren häufig beide Enden: Ein Gleichrichter macht aus dem Wechselstrom zunächst Gleichstrom, und ein Wechselrichter wandelt ihn zurück in Wechselstrom mit einstellbarer Frequenz und Spannung.

MerkmalGleichrichterschaltung (AC → DC)DC-DC-Wandler (DC → DC)Wechselrichter (DC → AC)
WandlungsrichtungWechselstrom → Gleichstrom (Gleichrichtung)Gleichstrom → Gleichstrom anderer SpannungGleichstrom → Wechselstrom mit einstellbarer Frequenz und Spannung (Wechselrichtung)
Wichtigste SchalterDioden; Thyristoren, wenn der Ausgang gesteuert werden sollEin Schalter wie ein MOSFET plus eine Diode (bei Synchrongleichrichtung ersetzt ein MOSFET die Diode)IGBTs oder MOSFETs, jeweils mit antiparalleler Diode
GrundschaltungenEinphasenbrücke aus 4 Dioden, Drehstrombrücke aus 6; dahinter ein GlättungskondensatorTiefsetz-, Hochsetz- und Hoch-Tiefsetzsteller aus Schalter, Spule, Diode und Kondensator; Topologien mit Transformator (etwa Sperrwandler), wenn Isolation nötig istHalbbrücke (2 Schalter), Vollbrücke (4), Drehstrombrücke (6)
Was den Ausgang bestimmtDie Eingangswechselspannung (bei Thyristoren über den Zündwinkel α eingestellt)Das Tastverhältnis D des SchaltersDer PWM-Modulationsgrad m (Spannung) und die Frequenz der Modulationswelle (Ausgangsfrequenz)
Ideale AusgangsgleichungenDer Mittelwert bei Einphasen-Vollweggleichrichtung beträgt etwa 0,9 × Effektivwert (etwa 90 V bei 100 V); mit Glättungskondensator nähert er sich dem Scheitelwert von etwa 141 VIm nichtlückenden Betrieb: Tiefsetzsteller Vout = D·Vin, Hochsetzsteller Vout = Vin/(1 − D)Bei sinusförmiger PWM beträgt die Grundschwingungsamplitude eines Brückenzweigs m·E/2 (E ist die Gleichspannung); der Effektivwert der Drehstrom-Leiterspannung beträgt etwa 0,61·m·E
Was am Ausgang verbleibtWelligkeit mit der doppelten Netzfrequenz (Vollweg), verringert durch den GlättungskondensatorWelligkeit mit der Schaltfrequenz, verringert durch Spule und KondensatorOberschwingungen um die Trägerfrequenz, verringert durch die Wicklungsinduktivität des Motors oder ein LC-Filter
Probleme auf der EingangsseiteDer Ladestrom des Kondensators konzentriert sich nahe den Spannungsspitzen, und der oberschwingungsreiche Strom senkt den Leistungsfaktor; eine Leistungsfaktorkorrektur (PFC) verbessert ihnBeim Tiefsetzsteller ist der Eingangsstrom pulsförmig, daher ist der Eingangskondensator wichtigAuf der Gleichstromseite fließt ein großer Rippelstrom; wird ein Motor schnell abgebremst, hebt die zurückgespeiste Leistung die Gleichspannung an
Typischer EinsatzEingangsstufe von Netzteilen und Gerätestromversorgungen, Vorstufe von MotorantriebenKernversorgung von CPUs und SoCs, Spannungsschienen aus Batterien oder 12 V, LED-TreiberDrehzahlregelung von Motoren (Inverter-Klimaanlagen, Züge, Elektrofahrzeuge), Solarwechselrichter, unterbrechungsfreie Stromversorgungen (USV)

Die Zahlenwerte sind typische Größenordnungen und variieren je nach Prozessgeneration und Produkt.

Wann welche Variante?

Gleichrichterschaltung (AC → DC)
Wenn aus dem Wechselstrom der Steckdose der Gleichstrom erzeugt wird, den Elektronik und Batterien brauchen. In Geräten ab einer gewissen Leistung folgt oft eine Leistungsfaktorkorrektur, die den Eingangsstrom einer Sinusform annähert.
DC-DC-Wandler (DC → DC)
Wenn eine Gleichspannung effizient in eine andere Spannung gewandelt werden soll. Typisches Beispiel ist die Erzeugung der niedrigen Spannungen für ICs aus einer Batterie oder einer 12-V- oder 48-V-Versorgung.
Wechselrichter (DC → AC)
Wenn aus Gleichstrom Wechselstrom erzeugt wird, besonders um die Motordrehzahl über die Frequenz zu regeln oder um Leistung aus Solarzellen oder Batterien ins Wechselstromnetz einzuspeisen.

Häufige Fragen

Wie werden die Bezeichnungen Converter (Konverter) und Inverter verwendet?

Im engeren Sinn heißt ein Gerät, das Wechselstrom in Gleichstrom wandelt, Converter (im Deutschen Gleichrichter), und eines, das Gleichstrom in Wechselstrom wandelt, Inverter (Wechselrichter); Gleichrichter- und Wechselrichterteil eines Motorantriebs sind in diesem Sinn benannt. Andererseits werden Schaltungen, die die Form der Leistung ändern, oft insgesamt als Converter (Stromrichter, Leistungswandler) bezeichnet, wie beim DC-DC-Wandler (DC-DC Converter); welche Bedeutung gemeint ist, ergibt sich aus dem Zusammenhang.

Warum kann ein Wechselrichter die Drehzahl eines Motors ändern?

Weil Wechselstrommotoren wie Asynchronmotoren mit einer Drehzahl laufen, die von der Frequenz des angelegten Wechselstroms abhängt. Die Synchrondrehzahl eines 4-poligen Asynchronmotors beträgt 1500 min⁻¹ bei 50 Hz und 1800 min⁻¹ bei 60 Hz (120f/Polzahl); senkt der Wechselrichter die Frequenz, läuft der Motor langsamer, erhöht er sie, läuft er schneller. Beim Ändern der Frequenz wird das Verhältnis von Spannung zu Frequenz (U/f) annähernd konstant gehalten, damit der magnetische Fluss im Motor konstant bleibt.

Warum lässt sich der Ausgang eines Gleichrichters nicht ohne Weiteres als Gleichstrom verwenden?

Der Ausgang einer Diodenbrücke, die nur die Richtung angleicht, pulsiert mit der doppelten Netzfrequenz zwischen 0 und dem Scheitelwert. Ein Glättungskondensator füllt die Einbrüche auf und bringt ihn nahe an Gleichstrom. Die Welligkeit beträgt grob Laststrom ÷ (Welligkeitsfrequenz × Kapazität): Bei Vollweggleichrichtung mit 50 Hz, 2 A und 10.000 µF sind das 2 ÷ (100 × 0,01) = 2 V.

Ist der Ausgang eines Wechselrichters sinusförmig?

Die Ausgangsspannung selbst ist eine Pulsfolge, die durch Ein- und Ausschalten der Gleichspannung entsteht. Sinusförmige PWM vergleicht ein sinusförmiges Referenzsignal mit einem dreieckförmigen Träger, um die Pulsbreiten zu variieren, sodass die durch Mittelung der Pulse gewonnene Grundschwingung sinusförmig ist. In einem Motor glättet die Wicklungsinduktivität den Strom; wird eine sinusförmige Spannung benötigt, fügt man ein LC-Filter hinzu.

Verständnis prüfen

Eine sinusförmige Wechselspannung mit 100 V Effektivwert wird mit einer idealen Diodenbrücke gleichgerichtet (Vollweggleichrichtung). Welcher Wert liegt dem Mittelwert der Ausgangsspannung ohne Glättungskondensator am nächsten?

  1. Aetwa 90 V
  2. B100 V
  3. Cetwa 141 V
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Antwort: A. etwa 90 V

Der Scheitelwert der Sinusspannung ist Vm = √2 × 100 ≈ 141 V. Der Mittelwert der vollweggleichgerichteten Kurvenform ist (2/π) × Vm = (2√2/π) × V ≈ 0,90 × 100 ≈ 90 V. 100 V ist der Effektivwert der vollweggleichgerichteten Kurvenform und gleich dem Effektivwert der Eingangsspannung. Bei Einweggleichrichtung fehlt die negative Halbwelle, sodass der Mittelwert mit etwa 45 V nur halb so groß ist.

Für die Abschätzung wird angenommen, dass der Kondensator während einer Periode der Welligkeit den gesamten Laststrom liefert. Eine Wechselspannung von 50 Hz wird per Vollweggleichrichtung gleichgerichtet und mit einem Glättungskondensator von 10.000 µF geglättet; die Last nimmt einen konstanten Strom von 2 A auf. Wie groß ist die Welligkeit der Ausgangsspannung (Spitze-Spitze) ungefähr?

  1. Aetwa 1 V
  2. Betwa 2 V
  3. Cetwa 4 V
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Antwort: B. etwa 2 V

Bei Vollweggleichrichtung ist die Periode der Welligkeit eine halbe Netzperiode, also 1/(2 × 50 Hz) = 10 ms. Liefert der Kondensator in dieser Zeit 2 A, gibt er die Ladung 2 A × 10 ms = 20 mC ab, und die Spannung sinkt um ΔV ≈ I/(2fC) = 20 mC ÷ 10.000 µF = 2 V. Tatsächlich beginnt das nächste Nachladen schon etwas vor dem Scheitel, sodass die Welligkeit etwas kleiner ist als diese Abschätzung. Bei Einweggleichrichtung beträgt die Periode der Welligkeit 20 ms, und unter denselben Bedingungen ergeben sich etwa 4 V.

Welche Begründung für die ideale Ausgangsspannung Vout = D × Vin des Tiefsetzstellers ist richtig?

  1. AIm stationären Zustand kehrt der Spulenstrom nach einer Periode zu seinem Ausgangswert zurück, sodass der Mittelwert der Spulenspannung über eine Periode null ist
  2. BIm stationären Zustand ist der Strom des Ausgangskondensators stets null, sodass dessen Spannung unabhängig vom Schaltzustand konstant bleibt
  3. CBei eingeschaltetem Schalter liegt an der Spule keine Spannung, sodass die Ausgangsspannung gleich der Eingangsspannung wird
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Antwort: A. Im stationären Zustand kehrt der Spulenstrom nach einer Periode zu seinem Ausgangswert zurück, sodass der Mittelwert der Spulenspannung über eine Periode null ist

Die Änderung des Spulenstroms ist durch das Zeitintegral der anliegenden Spannung bestimmt (V = L di/dt). Im stationären Zustand kehrt der Strom nach einer Periode zu seinem Ausgangswert zurück, sodass der Mittelwert der Spulenspannung über eine Periode null ist (Spannungs-Zeit-Gleichgewicht). Beim Tiefsetzsteller liegt im eingeschalteten Zustand (Vin − Vout) und im ausgeschalteten Zustand −Vout an, und aus (Vin − Vout) × D = Vout × (1 − D) folgt Vout = D × Vin. Die Spannungsübersetzungen von Hochsetzsteller und Hoch-Tiefsetzsteller lassen sich auf dieselbe Weise herleiten.

  1. Wie wird bei der Sinus-PWM eines Wechselrichters festgelegt, wann die Schalter ein- und ausgeschaltet werden?
  2. Ein Brückenzweig eines Wechselrichters mit 600 V Gleichspannung wird mit Sinus-PWM betrieben, der Modulationsgrad beträgt 0,8. Wie groß ist die Amplitude (der Scheitelwert) der Grundschwingung der Zweigausgangsspannung, bezogen auf den Mittelpunkt der Gleichspannungsquelle?
  3. Wie groß ist die Synchrondrehzahl eines 4-poligen Asynchronmotors, der an Drehstrom mit 50 Hz betrieben wird?

Übungsfragen zu Schaltungen der Leistungselektronik

Wichtige Begriffe erklärt

Gleichrichterschaltung (Gleichrichter)
Schaltung, die Wechselstrom in Strom einer Richtung (Gleichstrom) umwandelt. Dazu gehören die Einweggleichrichterschaltung, die mit einer Diode die negativen Halbwellen entfernt, die Vollweggleichrichterschaltung, die mit einer Brücke aus vier Dioden beide Halbwellen gleichrichtet, und die dreiphasige Vollweggleichrichterschaltung, die Drehstrom mit sechs Dioden gleichrichtet. Der Ausgang enthält eine Welligkeit und wird mit einem Glättungskondensator oder einer Spule einer Gleichspannung angenähert. Mit Thyristoren statt Dioden lässt sich die Ausgangsspannung über den Zündwinkel einstellen.
DC-DC-Wandler
Schaltung, die eine Gleichspannung in eine Gleichspannung anderer Höhe umwandelt. Sie verwendet Schalter, Spule und Kondensator; es gibt Tiefsetzsteller (Buck) und Hochsetzsteller (Boost).
Wechselrichter
Gerät, das elektrische Leistung aus Gleichstrom in Wechselstrom beliebiger Frequenz und Höhe umwandelt. Leistungsschalter (IGBTs oder MOSFETs) werden in Brückenform verschaltet und per PWM ein- und ausgeschaltet, um eine Wechselspannung zu erzeugen. Eingesetzt wird er zur Drehzahlsteuerung von Motoren, im Antrieb von Elektrofahrzeugen, in Photovoltaik-Wechselrichtern (Power Conditioner) und in unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV). Er ist nicht zu verwechseln mit dem Inverter (NOT-Gatter) der Digitaltechnik, der 0 und 1 vertauscht.
Glättungskondensator
Kondensator, der etwa parallel zum Ausgang einer Gleichrichterschaltung geschaltet wird, um die Welligkeit der Spannung zu verringern und sie einer Gleichspannung anzunähern. Er wird bei hoher Spannung geladen und liefert bei niedriger Spannung Strom an die Last. In Gleichrichterschaltungen für Netzfrequenz werden große Aluminium-Elektrolytkondensatoren verwendet, an den Ausgängen von Schaltnetzteilen unter anderem Keramikkondensatoren. Bei Vollweggleichrichtung lässt sich die Welligkeit (Spitze-Spitze) mit etwa Laststrom ÷ (2 × Netzfrequenz × Kapazität) abschätzen.
Sinus-PWM
PWM-Verfahren, mit dem ein Wechselrichter einen nahezu sinusförmigen Wechselstrom erzeugt. Eine Sinuskurve mit der gewünschten Ausgangsfrequenz (Modulationssignal) wird mit einem Dreiecksignal deutlich höherer Frequenz (Trägersignal) verglichen; solange das Modulationssignal größer ist, ist der obere Schalter eingeschaltet, sonst der untere. Das Amplitudenverhältnis von Modulations- und Trägersignal heißt Modulationsgrad; bis zu einem Modulationsgrad von 1 ist die Grundschwingung der Ausgangsspannung proportional zum Modulationsgrad. Bei Übermodulation über 1 nehmen die Oberschwingungen niedriger Ordnung zu.
Tiefsetzsteller (Buck-Konverter)
DC-DC-Wandler, der mit Schalter, Diode (oder einem zweiten Schalter), Spule und Kondensator eine Gleichspannung unterhalb der Eingangsspannung erzeugt. Der Ausgang wird über den Anteil D der Einschaltzeit des Schalters (Tastverhältnis) eingestellt, und die ideale Ausgangsspannung im nichtlückenden Betrieb ist D × Eingangsspannung. Er ist der am weitesten verbreitete nicht isolierte Wandler, etwa für die Kernversorgung von CPUs und SoCs oder zur Erzeugung verschiedener Spannungen aus 12 V oder 5 V.
Leistungsfaktorkorrektur (PFC-Schaltung)
Schaltung in Geräten, die aus dem Wechselstromnetz gespeist werden, die den Eingangsstrom einer Sinuskurve mit derselben Form und Phase wie die Spannung annähert und so den Leistungsfaktor nahe an 1 bringt (PFC, Power Factor Correction). Üblich ist ein Hochsetzsteller hinter dem Gleichrichter, dessen Schalter so gesteuert wird, dass der Eingangsstrom proportional zur gleichgerichteten Spannung ist; der Ausgang ist eine Gleichspannung von etwa 380 bis 400 V oberhalb des Scheitelwerts der Eingangsspannung. Sie dient dazu, die Oberschwingungsströme von Gleichrichterschaltungen mit bloßem Glättungskondensator zu verringern, und ein nachfolgender galvanisch getrennter DC-DC-Wandler erzeugt aus dieser Gleichspannung die benötigten Spannungen.
Asynchronmotor (Induktionsmotor)
Wechselstrommotor, bei dem eine dreiphasige Ständerwicklung ein Drehfeld erzeugt und der Läufer durch die Kraft zwischen diesem Feld und den in den Läuferleitern induzierten Strömen gedreht wird. Der Läufer dreht etwas langsamer als das Drehfeld (die Synchrondrehzahl); der relative Rückstand heißt Schlupf. Wegen seines einfachen, robusten Aufbaus ist er in Pumpen, Lüftern, Werkzeugmaschinen und Schienenfahrzeugen weit verbreitet. Mit einem Wechselrichter lässt sich über die Frequenz seine Drehzahl in einem weiten Bereich einstellen.

Verwandte Vergleiche