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.

Fehler an allen falschen Orten suchen

Frage: Am Ausgang meines Verstärkers sehe ich jede Menge „Ringing“ und Überschwinger. Ich habe die Richtlinien im Datenblatt befolgt und denke, das Layout ist in Ordnung. Was mache ich falsch ?
Antwort: Diese Art von Problemen kann einen frustrieren. Entwickeln ist eine Wissenschaft. Demnach sollte aus A und B als Ergebnis C resultieren. Wenn Sie schon länger Schaltungen entwickeln, wissen Sie, dass Entwickeln aber auch eine Kunst ist. Bob Pease hat einen Kollegen ein von ihm signiertes Exemplar seines Buches „Troubleshooting Analog Circuits“ geschickt. Hineingeschrieben hat er: „Mögen alle deine Probleme mittlere Größe haben, damit du sie findest.“ Es ist zu wünschen, diese Widmung möge stets wahr werden.

Obiger Ingenieur hat das Datenblatt gelesen, was immer ein guter Anfang ist. Oft geschieht dies nicht. Also tauchen wir in das Problem ein. Als erstes haben wir uns das Blockschaltbild angesehen. Wir haben die üblichen Verdächtigen betrachtet: Rauschverstärkung des Verstärkers, Bypass-Kondensatoren, Last und die Versorgungsspannungen. Warum gerade diese?

Die Rauschverstärkung bestimmt die Stabilität des Verstärkers. Falls die Phasenreserve (Phase Margin) gering ist, kann am Ausgang „Ringing“ und Überschwingen auftreten. Bypass-Kondensatoren halten Rauschen vom Verstärker fern und speichern Ladung genau an den Anschlüssen der Stromversorgung. Dies ist besonders wichtig, wenn der Verstärker eine feste Versorgung mit ausreichend viel Strom benötigt, weil sich sein Ausgang schnell ändert. Falls sich die Versorgungsspannung während des Spannungsanstiegs am Ausgang ändert, wird die Änderung mit Sicherheit ihren Weg zum Ausgang finden. Die Last kann Probleme verursachen, wenn die Kapazität oder die Induktivität zu groß oder der Lastwiderstand zu klein wird.

Die Leistungsfähigkeit von einigen Verstärkern sinkt, wenn Versorgungsspannungen zu groß oder zu klein werden. Sie sollten daher die Versorgungsspannungen mit den angegebenen Werten im Datenblatt vergleichen.

Falls dies alles gut aussieht, was ist dann zu tun? Weiter nach Fehlern suchen. Als nächstes haben wir uns das Layout vorgenommen.

Gibt es lange Leiterbahnen mit parasitärer Induktivität? Befinden sich Bypass-Kondensatoren weit entfernt von den Versorgungsanschlüssen und ermöglichen, dass parasitäre Induktivitäten mit den Kondensatoren eine sogenannte „Tank“-Schaltung bilden? Hat sich die Massefläche unter die Ein- und Ausgangspins geschlichen und parasitäre Kondensatoren gebildet, die Ringing und Überschwingen bewirken können? Auch diesbezüglich war das Layout in Ordnung.

Ok, was ist der nächste Schritt? Wie wurde getestet? War der Eingang sauber und einwandfrei abgeschlossen? Der Ingenieur sah ein geringes Ringing am Eingang, aber nicht viel. Wie wir alle wissen, gilt das Prinzip „Müll rein gleich Müll raus“. Aus diesem Grund haben wir versucht, den Eingang zu säubern. Der Abschluss war richtig. Wir haben Generatoren vertauscht, um zu sehen, ob hier die Ursache für Problem lag. Der neue Generator war etwas besser, doch der Eingang und der Ausgang zeigten noch immer Ringing.

Plötzlich keimte eine Idee. Ich fragte den Ingenieur, ob er ein Kabel oder eine Prüfspitze verwende, um das Signal zu prüfen. Er benutzte eine Oszilloskop-Prüfspitze. Also fragte ich, ob sie einen Masseclip hatte. Ja, und sie war etwa 8 cm lang. Ich vermutete an dieser Stelle das Problem. Also wies ich ihn an, die Ummantelung des Clips zu entfernen, das Plastikgehäuse, das die Prüfspitze umgab, aufzuschrauben und den Metallstift des Tastkopfes zu verwenden, um Masse in der Nähe des Signals abzugreifen. Als er dies tat, verschwand das Ringing. Voilà! Was ist hier passiert?

Der Masseclip wies eine Serieninduktivität auf, der Tastkopf eine Kapazität und die Leiterbahnen an der Tastkopf-Seite eine parasitäre Kapazität. Kapazität und Induktivität bildeten einen „Tank“-Schaltkreis, der oszillierte, wenn er durch schnell steigende Flanken des Schaltkreises Energie erhielt. Dies verursachte Ringing und Überschwingen am Eingang und Ausgang.

An dieser Stelle noch ein weiterer Tipp. Kalibrieren Sie stets den Oszilloskop-Tastkopf, bevor Sie Messungen machen. Dies kann helfen, auch das „Peaking“ zu reduzieren. Und schon ist ein weiterer Fall gelöst!

Fehlersuche oder „Troubleshooting“ ist eine methodische Vorgehensweise, um ein Problem zu finden. Doch es ist auch eine Art Kunst. Sucht man Fehler an allen falschen Stellen, wird man irgendwann die richtige Stelle finden!

Autor: Von Uwe Bröckelmann nach Unterlagen von Analog Devices