Präzisionsgleichrichter

Eine Diode leitet erst ab etwa 0,6 V. Für ein Netzteil spielt das kaum eine Rolle, für eine Messung schon: Ein Wechselsignal von 1 V Scheitelwert kommt hinter einem Brückengleichrichter gar nicht mehr an, und ein Signal von 2 V wird stark verbogen. Wer kleine Wechselspannungen messen will, etwa den Pegel eines Mikrofons, das Signal eines Stromwandlers oder die Amplitude eines Sensors, braucht einen Gleichrichter ohne Schwellspannung.

Den liefert ein Operationsverstärker, der die Diode in seine Gegenkopplung nimmt. Er erhöht seine Ausgangsspannung genau so weit, bis die Diode leitet, und gleicht ihren Spannungsabfall damit aus. Der Präzisionsgleichrichter arbeitet ab wenigen Millivolt. Die hier gezeigte Vollweg-Form mit zwei OPVs bildet den Betrag |U_e| einer Spannung. Sie heißt deshalb auch Betragsbildner.

Schaltplan

• IC1, TL072: ein Doppel-OPV mit JFET-Eingängen an ±12 V. Schnell genug für den Audiobereich, mit 13 V/µs Anstiegsgeschwindigkeit.
• R1, R2, je 10 kΩ: legen die Verstärkung der Einweg-Stufe auf −1 fest.
• D1, D2, 1N4148: schnelle Kleinsignaldioden. D2 lässt die positive Halbwelle durch, D1 fängt den OPV in der anderen Halbwelle ab.
• R3, 20 kΩ, R4, 10 kΩ, R5, 20 kΩ: der Summierer. Er addiert das Eingangssignal einfach und das Ergebnis der Einweg-Stufe doppelt.

Die Widerstände müssen untereinander genau passen. Nimm 0,1-%-Typen oder ein Widerstandsnetzwerk mit gepaarten Werten.

So funktioniert die Schaltung

Einweg-Stufe. IC1A ist ein invertierender Verstärker, dessen Rückkopplung über eine von zwei Dioden läuft.

• Ist U_e positiv, fließt Strom über R1 in den Minus-Eingang. Der OPV-Ausgang geht ins Negative, D2 leitet, und der Strom fließt über R2 und D2 in den Ausgang. An U₁ steht dann −U_e. Der OPV-Ausgang liegt etwa 0,6 V tiefer, doch das spielt keine Rolle: Die Gegenkopplung greift erst hinter der Diode ab, deren Spannungsabfall ist ausgeregelt.
• Ist U_e negativ, will der Ausgang ins Positive. Dann leitet D1 und schließt die Gegenkopplung direkt. Der Ausgang bleibt eine Diodenspannung über der virtuellen Masse, D2 sperrt. Über R2 liegt U₁ an der virtuellen Masse, also auf 0 V.

D1 ist wichtig: Ohne sie liefe der OPV in der negativen Halbwelle an seine Versorgungsgrenze. Beim nächsten Nulldurchgang bräuchte er dann viele Mikrosekunden, um zurückzukommen.

Summierer. IC1B arbeitet als Summierverstärker mit den Verstärkungen −1 für U_e und −2 für U₁:

In der positiven Halbwelle ist U₁ = −U_e, also U_a = −(U_e − 2 · U_e) = U_e. In der negativen ist U₁ = 0 und U_a = −U_e. Beides ist positiv: U_a = |U_e|.

Dimensionierung

Die Aufgabe: Ein Mikrofonverstärker liefert bis 1 V Scheitelwert im Bereich 50 Hz bis 10 kHz. Daraus soll eine Gleichspannung für eine Pegelanzeige entstehen.

1. Verstärkungen festlegen. Mit R₁ = R₂ = 10 kΩ hat die Einweg-Stufe die Verstärkung −R₂ / R₁ = −1. Im Summierer gilt R₅ / R₃ = 1 und R₅ / R₄ = 2, also R₃ = R₅ = 20 kΩ und R₄ = 10 kΩ. Alle Werte stammen aus der E24-Reihe. Für andere Verstärkungen skalierst du R5.

2. Eingangswiderstand. Die Quelle treibt R1 und R3 gegen virtuelle Masse, also 10 kΩ ‖ 20 kΩ = 6,7 kΩ. Ein OPV-Ausgang schafft das mühelos.

3. Grenzfrequenz. Am Nulldurchgang muss der Ausgang von IC1A um zwei Diodenspannungen springen, von etwa +0,6 V auf −0,6 V. Mit 13 V/µs braucht der TL072 dafür

Bei 10 kHz dauert eine Halbwelle 50 µs, der Fehler bleibt unter 0,5 %. Bei sehr kleinen Signalen begrenzt dagegen die Verstärkung: Der OPV muss die Diode mit seiner Leerlaufverstärkung schnell aufsteuern. Rechne mit gut nutzbaren 20 bis 50 kHz.

4. Mittelwert bilden. Ein RC-Tiefpass aus 10 kΩ und 10 µF hinter dem Ausgang glättet den Betrag mit τ = 100 ms. Übrig bleibt der Gleichrichtwert, beim Sinus 2/π · Û.

Bauteilliste

Varianten

Nur Einweg. Brauchst du nur eine Halbwelle, genügt IC1A allein. An U₁ steht dann die positive Halbwelle invertiert, also −U_e für U_e > 0. Vertauschst du beide Dioden, bekommst du die andere Halbwelle. Der klassische Einweggleichrichter mit nur einer Diode verliert dagegen 0,6 V.

Mit Verstärkung. Mit R₅ = 100 kΩ bei unveränderten R3 und R4 werden beide Verstärkungen fünfmal so groß, −5 und −10. Das Verhältnis 1 : 2 bleibt, und am Ausgang steht 5 · |U_e|. So passt ein kleines Signal besser zum ADC.

Einfache Versorgung. An 3,3 oder 5 V gibt es keine negative Halbwelle am Ausgang. Dafür legst du das Signal auf eine Mittenspannung, wie bei der virtuellen Masse, oder nimmst Schaltungen, die mit einem Rail-to-Rail-OPV ganz ohne Dioden auskommen. Die sind aber nur für langsame Signale geeignet.

Spitzenwert statt Mittelwert. Ersetzt du das RC-Glied durch eine Diode und einen Kondensator mit Entladewiderstand, hält der Ausgang den Spitzenwert. Das ergibt eine Pegelanzeige mit schneller Ansprechzeit, wie bei der LED-Pegelanzeige.

Für große Spannungen und Leistung bleibt der Brückengleichrichter mit Glättung die richtige Wahl. Der Präzisionsgleichrichter ist eine Messschaltung.

Typische Fehler

• Halbwellen verschieden hoch: Die Widerstände passen nicht zusammen. Miss mit einer Gleichspannung von +1 V und −1 V am Eingang: Der Ausgang muss beide Male gleich viel zeigen. Die Differenz verrät den Fehler.
• Zacken an den Nulldurchgängen: Der OPV ist zu langsam. Typisch beim LM358 mit 0,3 V/µs, der schon bei einigen Kilohertz sichtbare Lücken erzeugt. Ein schnellerer OPV oder Schottky-Dioden wie BAT85 helfen.
• Eine Diode verpolt: Dann arbeitet die Einweg-Stufe nicht mehr als Gleichrichter. Am Ausgang sind die Halbwellen verschieden hoch, oder eine fehlt ganz. Richtig ist: D1 mit der Kathode am Minus-Eingang, D2 mit der Kathode am Ausgang von IC1A.
• D1 vergessen: Die Schaltung funktioniert bei 50 Hz scheinbar, bei höheren Frequenzen verzerrt sie stark, weil der OPV in jeder Halbwelle in die Sättigung läuft.
• ADC übersteuert: Bei ±12 V Versorgung kann der Ausgang im Fehlerfall über 10 V erreichen. Vor einem 3,3-V-ADC brauchst du einen Teiler oder eine Klemmung, siehe Spannung messen mit dem ADC.

Selbsttest