Differenzielle Verstärker für Vollwellen-Gleichrichter

Differenzielle Verstärker ermöglichen die Entwicklung von Vollwellen-Gleichrichtern mit geringen Verlusten und hoher Leistungsfähigkeit. Wir zeigen, wie es geht.

Ein Vollwellen-Brückengleichrichter wandelt eine Wechselspannung (AC) in eine Gleichspannung (DC). Typischerweise wird eine Vollwellengleichrichtung mit vier Dioden in Brückenschaltung erreicht.

Bild 1: Einfacher Vollwellen-Gleichrichter (Bild: Analog Devices)
Bild 1: Einfacher Vollwellen-Gleichrichter

Zwei der Dioden sind bei der positiven Halbwelle, die anderen beiden Dioden bei der negativen Halbwelle in Durchlassrichtung geschaltet. Am Ausgang des Brückengleichrichters liegt eine pulsierende Gleichspannung an, die ausschließlich aus positiven Halbwellen besteht. Soll der Brückengleichrichter als DC-Stromversorgung verwendet werden, ist ein zum Verbraucher parallel geschalteter Glättungskondensator erforderlich. Diese Brückenschaltung kommt ohne speziellen Transformator mit Mittenabgriff aus, was Platz spart und die Kosten senkt.

Diese klassische Schaltung hat jedoch viele Nachteile. Der Strom durch die Last ist unidirektional. Somit sollte die Gleichspannung über der Last einen durchschnittlichen Wert von (2 UMAX) / π = 0,637 × UMAX) haben. In der Praxis fließt der Strom während jeder Halbwelle durch zwei Dioden. Somit ist die Amplitude der Ausgangsspannung um die Spannungsabfälle an zwei Dioden niedriger als die Eingangsamplitude.

So ergibt sich beispielsweise bei einer Spitzenspannung von 5 V am Eingang eine Ausgangsspannung mit einem Spitzenwert von 3,8 V. Die Ripple-Frequenz ist doppelt so hoch wie die Frequenz der Versorgungsspannung.

Zum Beispiel ergibt sich bei einer Frequenz der Versorgungsspannung von 60 Hz eine Ripple-Frequenz von 120 Hz. Zusätzlich beeinträchtigen Frequenzweichen-Verzerrung und Temperaturdrift die Schaltung.

Die hier präsentierte Schaltung erhöht die Leistungsfähigkeit der klassischen, aus vier Dioden bestehenden Brückenschaltung, indem sie zwei preiswerte und leistungsstarke differenzielle Verstärker und zwei preisgünstige Dioden nutzt, um die Verluste am Ausgang zu eliminieren.

Dieses Konzept erzielt gegenüber herkömmlichen Schaltungen eine höhere Genauigkeit sowie Kostenvorteile und kommt zudem mit weniger Energie aus.

Bild 2: Oszilloskop-Bild der Gleichrichtung (Analog Devices)
Bild 2: Oszilloskop-Bild der Gleichrichtung

Während der positiven Halbwelle leitet die Diode D1. Beide Verstärker, A1 und A2, arbeiten als Inverter. Das Ergebnis ist eine positive Spannung an UOUT mit einer Amplitude, die gleich groß ist wie die am Eingang. Während der negativen Halbwelle leitet die Diode D2. Verstärker A1 hat jetzt eine Verstärkung von –2/3, während A2 eine Verstärkung von +3/2 hat. Die Netto-Verstärkung von –1 liefert eine positive Spannung an UOUT mit einer gegenüber dem Eingang umgekehrten Amplitude. Die Kombination bildet einen verlustfreien Vollwellengleichrichter. Die Schaltung kann mit Signalen bis ±10 V bei Frequenzen bis 10 kHz arbeiten.

Hinsichtlich Leistungsfähigkeit, Kosten, Crossover-Verzerrung, Verstärkungsfehler und Rauschen bietet die Schaltung Vorteile. Die Verstärkungsgenauigkeit der gleichgerichteten Ausgangsspannung wird durch die 10-kΩ-Widerstände bestimmt.

Präzise aufeinander abgestimmt, garantieren diese per Laser abgeglichenen Widerstände einen Verstärkungsfehler von unter 0,02%. Die Rauschverstärkung der Schaltung beträgt lediglich 2. Daraus resultieren ein geringeres Rauschen sowie niedrigere Offset- und Drift-Werte.

Im Gegensatz zur klassischen Gleichrichterschaltung haben die Eigenschaften der beiden Dioden in der hier gezeigten Schaltung keinen Einfluss auf die Ausgangsspannung. Daher ist die Leistungsfähigkeit über die Temperatur höher.

Die Autoren: Chau Tran und Fotjana Bida, Analog Devices.

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