Stromrichter

Abbildung 1: Ein Stromrichter

Ein Stromrichter ist ein elektrischer Schaltkreis, der die elektrische Energie von einer Form in eine andere umwandelt, in der Regel unter Verwendung eines Hochfrequenz-Schaltvorgangs. Diese Umwandlung kann von Gleichstrom in Wechselstrom oder von Wechselstrom in Gleichstrom erfolgen, um die Spannung zu erhöhen oder zu verringern oder die Polarität zu ändern. Außerdem fungiert der Wandler als Bindeglied zwischen der Stromquelle und dem Stromversorgungsausgang. Es verarbeitet und steuert den Fluss der elektrischen Energie, indem es Strom und Spannung in der für die Endverbraucher benötigten Form liefert. Wandler sind je nach Anwendung in Form eines einfachen Transformators oder eines komplexeren Geräts erhältlich. Dieser Artikel befasst sich mit den verschiedenen Arten von Stromrichtern.

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Wechselstrom versus Gleichstrom

Wechselstrom (AC) ist ein elektrischer Strom, der periodisch seine Richtung wechselt. Dies ist die Art von Strom, die Ihr Haus oder Ihr Unternehmen versorgt. Das ist die Steckdose, in die die Geräte eingesteckt werden. Wechselstromgeräte erzeugen Wechselströme.

Im Gegensatz dazu fließt Gleichstrom (DC) nur in eine Richtung. Bei einem Gleichstrom bewegen sich die Elektronen von einem Bereich mit negativer Ladung zu einem Bereich mit positiver Ladung, ohne ihre Richtung zu ändern. Die häufigste Stromquelle für Gleichstrom sind Batterien, die Mobiltelefone, Autos und Taschenlampen betreiben.

Arten von Stromrichtern

Stromrichter werden nach der Art der Umwandlung kategorisiert. Sie lassen sich im Allgemeinen in vier Kategorien einteilen:

AC-DC-Wandler: Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler wandeln mit Hilfe eines Gleichrichters Wechselstrom in Gleichstrom um.
DC-AC-Wandler: Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler nehmen Gleichstrom auf und wandeln ihn in Wechselstrom der gewünschten Spannung und Frequenz um. Dies sind Wechselrichter.
DC/DC-Wandler: Diese Wandler wandeln entweder einen konstanten Strom in einen variablen oder einen konstanten Gleichstrom um. Diese Geräte werden auch Zerhacker genannt.
AC-zu-AC-Wandler: Wechselstrom/Wechselstrom-Wandler werden oft als Zyklonwandler oder Matrixwandler bezeichnet. Diese Geräte wandeln einen Wechselstrom mit einer bestimmten Frequenz oder Spannung von einer Netzwechselstromquelle in eine andere Wechselspannung um.

AC-DC-Wandler

Eines der wichtigsten Elemente bei der Stromumwandlung ist der Übergang von Wechselstrom zu Gleichstrom. Die Anwendungen, die als AC-DC-Wandler bekannt sind, wandeln den Wechselstrom in Gleichstrom um. Transformatoren passen die Wechselstromquelle an, indem sie die Spannung reduzieren, um einen besseren Betriebsbereich für die Gleichstromversorgung zu erhalten. Diese Umstellung von Wechselstrom auf Gleichstrom hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen, da immer mehr technische Geräte in den Haushalten mit Gleichstrom geladen werden müssen.

Diese Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom ist eine Gleichrichtung, und der Wandler wird Gleichrichter genannt. Außerdem wandelt eine Reihe von Dioden die Wechselstromversorgung in Gleichstrom um. Dadurch wird die sinusförmige Wechselstromwelle in eine Reihe positiver Spitzenwerte umgewandelt. Ein Transformator passt den Strom von der Quelle auf eine handlichere Spannung für die Verwendung am Gleichstromnetz an.

AC-DC-Wandlung

Die Wechselstromversorgung vom Abspanntransformator wird am lastseitigen Anschluss mit dem Gleichrichter in Gleichstrom umgewandelt. Nicht alle Gleichrichter sind gleich, und die verschiedenen Typen beziehen sich auf ihre Funktionen, nämlich Einweg-, Vollwellen- und Brückengleichrichter.

Zur Umwandlung einer Wechselspannung in eine Gleichspannung kann ein Einweggleichrichter oder ein Vollwellengleichrichter verwendet werden. An die Primärwicklungen des Abspanntransformators (Abbildung 2, Kennzeichnung B) wird eine Wechselspannung (Kennzeichnung A) angelegt. An den Sekundärwicklungen wird eine entsprechende Spannung induziert. Häufig verringern Transformatoren die Spannung für Geräte, die eine niedrigere Leistung benötigen. Wenn 230 Volt Wechselstrom zur Verfügung stehen, kann der Abspanntransformator diesen in 12 Volt umwandeln.

Die Diode (Abbildung 2 mit der Bezeichnung D) wird in Durchlassrichtung vorgespannt (EIN-Zustand) und leitet Strom, wodurch der Stromfluss durch den Lastwiderstand (Abbildung 2 mit der Bezeichnung R) eingeleitet wird. Eine Diode lässt den Strom in eine Richtung fließen. Während des negativen Zyklus der Eingangsspannung wird auf der Sekundärseite eine entsprechende negative Spannung induziert, und die Diode leitet nicht. Daher fließt während des negativen Zyklus der Eingangsspannung kein Strom durch den Ausgangswiderstand, da sich die Diode wie ein offener Stromkreis verhält. Daher gibt der Ausgang nur abwechselnd positive Zyklen aus.

Abbildung 2: Einweg-Gleichrichterschaltung

Für praktische Anwendungen wird ein Kondensator parallel zum Widerstand an den Ausgang angeschlossen (siehe Abbildung 3). Der Kondensator fungiert als Filter, um die pulsierende Ausgangsspannung auf einen angemessenen Gleichspannungspegel zu glätten. Lesen Sie unseren Artikel über Wechselstrom-Gleichstrom-Transformatoren, um mehr über den Gleichrichtungsprozess zu erfahren.

Ein integrierter Spannungsregler regelt die Ausgangsspannung auf den festgelegten Sollwert. Dies ist der letzte Schritt bei der Umwandlung von Wechselstrom in Gleichstrom in der Ausgangsspannung mit der gewünschten Lautstärke.

Abbildung 3: Einweggleichrichter mit Kondensatorfilter

Vorteile eines AC-DC-Wandlers

Ein Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler hat drei wesentliche Vorteile.

Kompakt Geräte, die AC-DC-Wandler benötigen, nutzen die kleinstmögliche Größe, um den Strom effizient umzuwandeln, und bieten so kleinere Geräte. In einer industriellen Umgebung sind AC-DC-Wandler leicht und einfach zu installieren.
Energieeffizient AC/DC-Wandler machen zusätzliche Wechselrichter und Umrichter überflüssig, da sie effizient arbeiten und Ausfälle reduzieren.
Weniger teuer Die Umwandlung des Stroms in eine niedrigere Spannung spart den Nutzern Geld beim Stromverbrauch.

Anwendungen

Wechselstrom-Gleichstrom-Wandler werden in den meisten Haushaltsgeräten wie Kühlschränken, Computern, Fernsehern und Ladegeräten für tragbare Elektronikgeräte wie Handys oder Tablets verwendet. Außerdem spielen sie eine wichtige Rolle in medizinischen Geräten, in der Luft- und Raumfahrtindustrie und in Transportsystemen. Haushalt und Industrie sind in hohem Maße auf AC-DC-Wandler angewiesen.

DC-AC-Wandler

Eine vielleicht weniger häufige Umwandlung ist Gleichstrom in Wechselstrom. Ein Wechselrichter wandelt einen Gleichstrom in einen Wechselstrom mit umgekehrter Richtung um. Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler können auf verschiedene Weise konzipiert werden. Eine gängige Methode ist der Einsatz eines Oszillators und eines Aufwärtstransformators.

Ein Oszillator ist eine elektronische Schaltung mit Transistoren und anderen Halbleiterbauelementen, die dazu dient, aus einer kleinen Gleichspannungsquelle ein Wechselsignal zu erzeugen. Das Wechselstromsignal kann dann mit einem Aufwärtstransformator auf die gewünschte Spannungshöhe hochgetaktet werden.

Grenzen der DC-AC-Wandlung

Bei der Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom gibt es eine Reihe von Einschränkungen.

Der Einsatz von Transistoren verringert die Effizienz der Schaltung.
Schalttransistoren können zu Crossover-Verzerrungen führen, die jedoch durch Blasing-Dioden reduziert werden können.

Anwendungen

Die Hauptverwendung von Gleichstrom zu Wechselstrom ist das Laden von Fahrzeugbatterien. Dieser Strom kann aber auch Wechselstrommotoren mit geringer Leistung und solarbetriebene Systeme antreiben.

Abbildung 4: Gleichstrom-Wechselstrom-Wandler für Kraftfahrzeuge

DC/DC-Wandler

Bei einigen Anwendungen wird eine Gleichstromquelle in eine andere Gleichstromspannung umgewandelt. Ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler nimmt an seinem Eingang eine Gleichspannung auf und liefert eine andere Gleichspannung. Die Ausgangsgleichspannung kann niedriger oder höher sein als die angelegte Eingangsspannung. Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler sind als einzelne integrierte Schaltungen (ICs) erhältlich und benötigen nur wenige zusätzliche Komponenten für ihren Betrieb.

Anwendungen

Mobiltelefone und Laptops werden über Batterien mit Strom versorgt, enthalten aber Teilschaltungen, die den Spannungsbedarf anders als die Batterien regulieren.

AC-AC-Wandler

Ein Wechselstromwandler ist ein Gerät, das eine Wechselstromwellenform in eine andere Form umwandelt. Die Ausgangsspannung und -frequenz werden entsprechend der Nutzung und den Anforderungen des Geräts gesteuert. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, ist die Verwendung spezieller Halbleiterbauelemente (wie Thyristoren) zum Ein- und Ausschalten der Eingangsspannungsversorgung in einer Schaltung, so dass die durchschnittliche Spannung am Ausgang je nach Anwendung variiert werden kann.

Anwendungen

Einfache Anwendungen können Motorgeschwindigkeiten, das Dimmen von Lampen oder die Wärmeregelung steuern.

FAQs

Wozu dient ein Stromrichter?

Stromwandler sind unerlässlich, um den Wechselstrom in unseren Haushalten in Gleichstrom umzuwandeln, mit dem Geräte betrieben, Batterien aufgeladen und Bürogeräte betrieben werden.