Brückengleichrichter-Rechner – AC-zu-DC-Umwandlung

Ein Brückengleichrichter ist eine Anordnung aus vier Dioden in Brückenschaltung, die Wechselstrom (AC) in Gleichstrom (DC) umwandelt. Anders als ein Halbwellen-Gleichrichter, der nur eine Diode verwendet und die Hälfte des Eingangssignals verschwendet, oder ein Vollweggleichrichter mit Mittelanzapfung, der einen Transformator mit Mittelanzapfung benötigt, nutzt der Brückengleichrichter beide Halbwellen des AC-Signals mit einem einfachen Vier-Dioden-Netzwerk und jedem gewöhnlichen Transformatorsekundärkreis. Er ist die häufigste Gleichrichterschaltung in Netzteilen, Batterieladegeräten und AC-zu-DC-Wandlern. Der Gleichrichtungsprozess beginnt mit der AC-Eingangsspannung, die sinusförmig um Null schwingt. Der Spitzenwert dieser Spannung ist V_peak = V_rms × √2, wobei V_rms der auf Typenschildern angegebene und mit Standard-AC-Voltmetern gemessene Effektivwert ist. Während der positiven Halbwelle leiten zwei der vier Brückendioden, und während der negativen Halbwelle leiten die anderen zwei. In beiden Fällen fließt der Strom in derselben Richtung durch die Last, wodurch eine pulsierende DC-Wellenform entsteht, die pro AC-Zyklus zweimal den Spitzenwert erreicht. Jede Diode hat einen kleinen Durchlassspannungsabfall, typischerweise 0.6–0.7 V bei Silizium-p-n-Dioden und 0.2–0.4 V bei Schottky-Dioden. Da zu jedem Zeitpunkt zwei Dioden in Serie leiten, ist die effektive Spitzen-Ausgangsspannung V_peak_out = V_peak - 2 × V_diode_drop. Die mittlere (DC-)Ausgangsspannung eines Brückengleichrichters ist V_DC = (2/π) × V_peak_out ≈ 0.6366 × V_peak_out. Ein parallel zur Last geschalteter Kondensator glättet die pulsierende DC-Spannung, indem er sich nahe der Spitzenspannung auflädt und sich zwischen den Spitzen langsam in die Last entlädt. Die verbleibende Spannungsänderung heißt Ripple-Spannung. Für einen Brückengleichrichter mit Frequenz f, Lastwiderstand R und Kapazität C beträgt die näherungsweise Spitz-zu-Spitz-Ripple-Spannung V_r ≈ V_DC / (2 × f × R × C). Der Ripple-Faktor, definiert als Verhältnis von Ripple-Spannung zu DC-Ausgangsspannung, beschreibt, wie glatt die Ausgangsspannung ist; ein niedrigerer Ripple-Faktor bedeutet eine sauberere Versorgung. Die Spitzensperrspannung (PIV) ist die maximale Sperrspannung, die an einer nicht leitenden Diode während des Betriebs auftritt. Bei einem Brückengleichrichter gilt PIV = V_peak - V_diode_drop (also ein Diodenabfall weniger als der Spitzenwert, da eine andere Diode die Sperrspannung mitträgt). Dioden müssen oberhalb der PIV spezifiziert sein, um einen Durchbruch zu vermeiden. Der Gleichrichterwirkungsgrad misst, wie effizient die AC-Eingangsleistung in nutzbare DC-Ausgangsleistung umgewandelt wird. Der theoretische Maximalwirkungsgrad eines Brückengleichrichters liegt bei etwa 81.2%, gegenüber 40.6% bei einer Halbwellen-Schaltung. Der reale Wirkungsgrad ist wegen Diodenleitverlusten und Transformatorwiderstand etwas geringer. Dieser Rechner liefert die wichtigsten Kennwerte, damit Ingenieure beurteilen können, ob die gewählten Bauteile die Anforderungen der Stromversorgung erfüllen.