Brückengleichrichter mit Glättung

Fast jedes lineare Netzteil beginnt gleich: Ein Trafo setzt die Netzspannung herab, ein Brückengleichrichter klappt die negative Halbwelle nach oben, ein großer Elko glättet das Ergebnis. Heraus kommt eine ungeregelte Gleichspannung mit etwas Brumm, die ein nachfolgender Regler sauber macht. Die vier Dioden der Graetz-Brücke nutzen beide Halbwellen einer einfachen Wicklung; die Normbezeichnung ist Zweipuls-Brückenschaltung B2U.

Wie das Bauteil Brückengleichrichter aufgebaut ist, steht im Bauelemente-Artikel. Hier geht es um die Schaltung als Ganzes: Wie groß muss der Elko sein, wie viel Spannung bleibt bei Last und Unterspannung übrig, welchen Trafo brauchst du und was müssen Dioden und Elko aushalten? Das Beispiel ist die Eingangsstufe für einen 12-V-Regler mit 1 A.

Schaltplan

• F1, 200 mAT: träge Netzsicherung. Der Trafo nimmt bei Volllast gut 120 mA auf, beim Einschalten kurz deutlich mehr.
• T1, 230 V / 15 V, 30 VA: Sicherheitstrafo nach EN 61558, darf sekundär 2 A effektiv liefern.
• B1, GBU4D: Brückengleichrichter mit 4 A und 200 V in Einreihenbauform. Die Wechselspannungsanschlüsse sind mit ~ markiert.
• C1, 4700 μF / 35 V: Ladeelko, überbrückt die 10 ms zwischen zwei Halbwellen.
• C2, 100 nF: Keramikkondensator für hohe Frequenzen, die der große Elko wegen seiner Induktivität schlecht ableitet.
• Last, 1 A: etwa ein 7812 mit Verbraucher, siehe Festspannungsnetzteil mit 78xx.

So funktioniert die Schaltung

In jeder Halbwelle leiten zwei diagonal gegenüberliegende Dioden. Ist das obere Wicklungsende positiv, fließt der Strom über die rechte obere Diode zum Pluspol, durch Elko und Last zur Masse und über die linke untere Diode zurück zum unteren Wicklungsende. In der anderen Halbwelle übernehmen die beiden anderen Dioden. Die Last sieht immer dieselbe Richtung, der Elko wird 100-mal pro Sekunde nachgeladen.

Wie beim Einweggleichrichter leiten die Dioden nur kurz um den Scheitel herum. Dann muss der Trafo in wenigen Millisekunden die Ladung für eine ganze Halbwelle nachschieben. Diese Stromspitzen sind der Grund, warum Trafo, Dioden und Elko stärker belastet werden, als der Laststrom vermuten lässt.

Im Strompfad liegen immer zwei Dioden in Reihe. Die Brücke kostet deshalb zwei Flussspannungen, also 1,6 bis 2 V. Dafür muss jede Diode nur die einfache Scheitelspannung sperren, nicht die doppelte wie im Mittelpunktgleichrichter.

Dimensionierung

Ziel: 1 A Dauerstrom für einen 7812, der am Eingang nie unter 14 V fallen darf.

1. Scheitelspannung. Bei 15 V Effektivwert:

2. Ladeelko. Mit f_Br = 100 Hz und einer erlaubten Brummspannung von 2 V:

Gewählt: 4700 μF. Die Brummspannung wird 1 A / (100 Hz · 4,7 mF) = 2,1 V, der Tiefpunkt liegt bei 19,41 V − 2,13 V ≈ 17,3 V.

3. Worst Case Unterspannung. Die Netzspannung darf 10 % unter 230 V liegen. Dann sinkt alles um 10 %: 0,9 · 21,21 V − 1,8 V − 2,13 V ≈ 15,2 V. Das ist noch über den 14 V, die der 7812 braucht (12 V plus 2 V Dropout). Mit einem 12-V-Trafo wäre hier Schluss: 0,9 · 16,97 V − 1,8 V − 2,13 V ≈ 11,3 V, der Regler fiele bei jedem Brummtal aus der Regelung.

4. Der reale Trafo. Unbelastet liefert ein 30-VA-Trafo etwa 10 % mehr, unter Last kostet sein Innenwiderstand Spannung. Das Diagramm unten zeigt das Ergebnis: bei 1 A im Mittel 18,0 V mit 1,4 V Brumm, das Tal bei 17,3 V – die einfache Rechnung trifft den Tiefpunkt gut.

5. Elko-Nennspannung. Im Leerlauf bei 10 % Überspannung: 1,1 · √2 · 16,5 V − 1,8 V ≈ 23,9 V. 25 V wären zu knapp, also 35 V.

6. Trafoleistung. Der Trafostrom ist wegen der Pulse 1,85 A effektiv, obwohl nur 1 A Gleichstrom fließt. Also 15 V · 1,85 A ≈ 28 VA für 18 W Gleichstromleistung. Faustregel: Trafo-Nennleistung ≥ 1,6-mal Gleichstromleistung.

Bauteilliste

Varianten

Symmetrische Versorgung. Ein Trafo mit 2 × 15 V und Mittelanzapfung an Masse, dazu eine Brücke und zwei Elkos, liefert ±19 V für Operationsverstärker – das ist die Brücke als doppelter Mittelpunktgleichrichter.

Entladewiderstand. Ohne Last bleibt C1 nach dem Ausschalten minutenlang geladen. Ein 4,7-kΩ-Widerstand parallel entlädt ihn in rund zwei Minuten fast vollständig (5 · 4,7 kΩ · 4,7 mF ≈ 110 s) und kostet nur etwa 0,1 W.

Kondensatoren über den Dioden. Beim Abschalten der Dioden kann die Trafostreuinduktivität mit der Diodenkapazität kurz schwingen. In Audiogeräten oder neben Funkempfängern legt man deshalb je 10 bis 47 nF parallel zu jeder Diode oder nimmt Soft-Recovery-Dioden.

Doppelte Spannung. Mit nur zwei Dioden und zwei Elkos holst du aus derselben Wicklung die doppelte Spannung: Spannungsverdoppler.

Danach regeln. Für eine einstellbare Spannung folgt ein Labornetzteil mit LM317, für große Ströme ein Buck-Wandler, der die Verluste des Linearreglers vermeidet. Wird der Einschaltstrom eines großen Ringkerntrafos zum Problem, hilft eine Einschaltstrombegrenzung.

Typische Fehler

• Brücke falsch herum eingesetzt: Plus und Minus vertauscht, der Elko wird verpolt und kann platzen. Vor dem ersten Einschalten die Markierungen prüfen und mit dem Multimeter in Diodenstellung nachmessen: Von − zu jedem ~ und von jedem ~ zu + zeigt es etwa 0,5 V.
• Trafo nach Gleichstromleistung gekauft: Ein 18-VA-Trafo für 18 W Gleichstrom wird heiß und bricht ein. Rechne mit dem 1,6-Fachen.
• Zu wenig Reserve bei Unterspannung: Mit dem Oszilloskop die Brummtäler am Reglereingang anschauen. Fallen sie unter Ausgangsspannung plus Dropout, kommt der Brumm am Ausgang durch.
• Elko zu klein für den Rippelstrom: Er wird warm und trocknet in wenigen Jahren aus. Eine erhöhte Brummspannung nach einiger Zeit ist ein typisches Zeichen.
• Lange, dünne Leitungen zum Elko: Die Pulse von 4 A erzeugen Spannungsabfälle und Störungen. Brücke und Elko dicht zusammen, Masse sternförmig am Elko.

Selbsttest