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Amateurfunklehrgang Klasse A von E. Moltrecht, DJ4UF |
Lehrgang nach dem neuen Fragenkatalog vom 28.2.2007
Sehr ausführlich wurden die Grundlagen von Halbleitern selbst, von der Diode und dem Transistor bereits in den Lektionen 12 und 13 im Lehrgang zur Klasse E besprochen. Deshalb erfolgen hier häufig nur Zusammenfassungen und Hinweise zu den Prüfungsaufgaben. Übersicht
Die HalbleiterdiodeDer PN-ÜbergangEs soll hier im Folgenden der Versuch gemacht werden, nur kurz das Wichtigste über Halbleiter, über die Diode, über den Transistor und den Feldeffekt-Transistor immer im Hinblick auf die Prüfungsfragen zusammenzufassen. Wer darüber hinaus mehr wissen möchte, sollte noch einmal im Amateurfunklehrgang für die Klasse E die Lektionen 12 und 13 nachlesen.
Man unterscheidet in der Elektronik Leiter, Nichtleiter und Halbleiter. Halbleiter sind solche Werkstoffe, die für die Herstellung elektronischer Bauelemente verwendet werden. Sie bestehen im Wesentlichen aus vierwertigen Grundstoffen (meist Silizium) mit einer Dotierung durch fünfwertige (N-Leiter) oder dreiwertige Zusatzstoffe (P-Leiter). Je nach Menge dieser Zusatzstoffe haben diese neuen Werkstoffe erstens die Eigenschaft, bei sehr niedrigen Temperaturen fast nicht zu leiten. Mit zunehmender Temperatur wird die Leitfähigkeit größer. Zweitens – und das ist das Interessante – ergeben sich ganz neue Eigenschaften, wenn man diese beiden unterschiedlich dotierten Halbleiterwerkstoffe miteinander kombiniert.
Bild 5-2: PN-Übergang und Schaltsymbol der Diode Die Kombination mit zwei Schichten führt zum PN-Übergang (Bild 5-1) und stellt als Anwendung die Diode (Bild 5-2) dar. Die Diode leitet den Strom, wenn die P-Seite an den Pluspol und die N-Seite in Richtung Minuspol in einen Stromkreis eingefügt wird (Bild 5-3).
Bild 5-3: Versuch zur Demonstration von Durchlassrichtung und Sperrrichtung der Diode Eine Diode leitet, wenn die Spitze des Diodenschaltsymbols in Stromrichtung zeigt. In umgekehrter Richtung fließt praktisch kein Strom. Die Diode hat einen fast unendlich hohen Widerstand. Prüfungsfrage
Prüfungsfrage
Prüfungsfrage
Prüfungsfrage
Prüfungsfrage
Der PN-ÜbergangZusammenfassung aus Klasse E: Wird ein Halbleiterstoff von der einen Seite P-dotiert und von der anderen Seite N-Dotiert, werden in der Mitte (Übergangszone) die überschüssigen Elektronen mit den Löchern rekombinieren und dadurch als bewegliche Ladungsträger verschwinden. Es bildet sich eine Zone mit unbeweglichen Ladungsträgern, die so genannte Sperrschicht.
Prüfungsfrage
Zusammenfassung aus Klasse E: Legt man an die P-Schicht den negativen Pol und an die N-Schicht den positiven Pol einer Spannungsquelle, werden die Ladungsträger nach außen gezogen, denn entgegen gesetzte Ladungen ziehen sich an. Dadurch verbreitert sich die Sperrschicht.
Prüfungsfrage
Kommentar: Sie Text oberhalb!
PotenzialePrüfungsfrage
Prüfungsfrage
Kommentar: Bei dieser Aufgabe und auch bei der nächsten zu bearbeitenden Aufgabe TC507 müssen Sie sich zuerst die Richtung der Diode betrachten und dann schauen, dass in Flussrichtung an der Anode eine um 0,6 bis 0,8 Volt positivere Spannung anliegt. Prüfungsfrage
Kommentar: Bei welcher Diode ist an der Anode die Spannung um 0,7 V positiver? Prüfungsfrage
Kommentar: -1,3 V ist um 0,7 V positiver als -2,0 V Prüfungsfrage
Kommentar: -3,0 V ist um 0,7 V positiver als -3,7 V
KennlinienDas Verhalten einer Diode stellt man in Form von Kennlinien dar. Diese Kennlinien zeigen die Abhängigkeit des Stromes von der Spannung. In Bild 5-4 sind die typischen Kennlinien einer Germaniumdiode (1) und einer Siliziumdiode (2) dargestellt. Diese Kennlinien kann man folgendermaßen interpretieren. Legt man nach Schaltung 5-3 eine Spannung in Durchlassrichtung an, so wird bei einer sehr niedrigen Spannung zunächst kein Strom fließen. Erhöht man die Spannung langsam, wird bei einer Germaniumdiode ab zirka 0,2 Volt der Strom anfangen zu fließen, bei der Siliziumdiode beginnt der Stromfluss erst bei zirka 0,65 Volt. Die Kennlinie der Siliziumdiode ist steiler. Die Spannung, bei der dieser Stromfluss (IF) in Flussrichtung (UF) beginnt, heißt Schwellspannung. Die Spannung, die bei einem bestimmten Strom an der Diode anliegt (Arbeitspunkt), heißt Durchlassspannung. Sie beträgt bei Siliziumdioden zirka 0,7 Volt, bei Germaniumdioden zirka 0,3 Volt. Die Durchlassspannung ist temperaturabhängig. Bei steigender Temperatur wird diese Durchlassspannung geringer. Erwärmt sich nämlich die Verarmungszone im Halbleiter, werden dort zusätzliche Elektronen frei. Die Schwellspannung sinkt dadurch. Man sagt, der Halbleiter hat einen negativen Temperaturkoeffizienten. Bild 5-4: Typische Kennlinien (1) Germaniumdiode, (2) Siliziumdiode Prüfungsfrage
Prüfungsfrage
Tipp: Die Schleusenspannung bei Germanium beträgt zirka 0,3 V.
Prüfungsfrage
Die Schottky-Diode
Eine für Hochfrequenz und damit für den Amateurfunk sehr gut geeignete Diode ist die Schottky-Diode. Sie ist anders aufgebaut als die normale Germanium- oder Siliziumdiode. Sie besteht nämlich aus einer Metall-Schicht und einer N-leitenden Silizium-Schicht.
Die Elektronen aus der N-Schicht wandern zur Metallschicht. Dadurch verarmt
die N-Schicht an Elektronen und die positiven Löcher bleiben in der Überzahl.
Dadurch wird die N-dotierte Siliziumschicht zum P-Leiter. Weil Elektronen
leichter aus N-Silizium in die Metallschicht gelangen als umgekehrt, entsteht
in der Silizium-Schicht ein an Elektronen verarmter Bereich, die so genannte
Schottky-Sperrschicht. In dieser Raumladungszone (Sperrschicht) entsteht ein
elektrisches Feld. Ab einem bestimmten Zustand ist das elektrische Feld so
groß, dass keine Elektronen mehr wandern. Schließt man den Pluspol einer Spannungsquelle an N-Silizium und den Minuspol an die Metallschicht wird die Raumladungszone größer. Die Diode sperrt. Schaltet man die Schottky-Diode in Durchlassrichtung, wird die Raumladungszone freigeräumt. Die Elektronen fließen von der N-Schicht in die Metallschicht. Dieses Schalten vom Durchlasszustand in den Sperrzustand bzw. umgekehrt erfolgt sehr schnell. Die Schottky-Diode ist bis zu Frequenzen von 50 GHz einsetzbar. Ein weiterer Vorteil ist die sehr geringe Duchlassspannung von zirka 0,25 Volt. Sie eignet sich deshalb als Hochfrequenz-Schaltdiode. Prüfungsfrage
Kommentar: Man erkennt die Kennlinie der Schottkydiode an der niedrigen Flussspannung von nur 0,25 V und dem steilen Anstieg.
Prüfungsfrage
Kommentar: Diese 4 Kennlinien sollten Sie sich gut merken. Es sind typische Werte.
Prüfungsfrage
Kommentar: Gute Werte sind hohe Frequenz und wenig Spannung.
Die Kapazitätsdiode Solange bei einer Diode die Schwellspannung nicht überschritten wird, besteht zwischen dem N-leitenden und dem P-leitenden Material eine Sperrschicht. Diese Sperrschicht kann man als Dielektrikum (Isolierschicht) eines Kondensators auffassen; die leitfähigen Gebiete bilden die Elektroden eines Kondensators. Diese so genannte Sperrschichtkapazität jeden PN-Übergangs ist abhängig von der angelegten Spannung. Kennen Sie noch die Formel zur Berechnung der Kapazität aus den geometrischen Abmessungen eines Kondensators (siehe Formelsammlung!)? Für die Kapazität eines PN-Übergangs ist A die Querschnittsfläche der Sperrschicht und l die Sperrschichtdicke. Vergrößert man die Sperrspannung an einer Diode, wird die Sperrschicht größer. Wenn l aber größer wird, verringert sich nach oben stehender Formel die Kapazität C. Die Sperrschichtkapazität ist umgekehrt proportional zu der angelegten Sperrspannung.
Bild 5-6: Ein in Sperrrichtung geschalteter PN-Übergang hat eine Kapazität. Diese so genannte Sperrschichtkapazität jeden PN-Übergangs ist abhängig von der angelegten Spannung. Kennen Sie noch die Formel zur Berechnung der Kapazität aus den geometrischen Abmessungen eines Kondensators (siehe Formelsammlung!)? Für die Kapazität eines PN-Übergangs ist A die Querschnittsfläche der Sperrschicht und l die Sperrschichtbreite. Vergrößert man die Sperrspannung an einer Diode, wird die Sperrschichtbreite größer. Wenn l größer wird, verringert sich nach oben stehender Formel die Kapazität C. Die Sperrschichtkapazität ist umgekehrt proportional zu der angelegten Sperrspannung.
Eine Kapazitätsdiode (auch Kapazitätsvariationsdiode, Varicap oder Varaktor genannt) ist also ein in Sperrrichtung betriebener PN-Übergang, dessen Kapazität durch eine Gleichspannung veränderbar ist. Das Schaltsymbol (Bild 5-7) ist das Symbol einer Diode mit einem daneben gezeichneten Kondensator. Prüfungsfrage
Kommentar: Siehe Kennlinie Bild 5-7!
Prüfungsfrage
Kapazitätsdioden werden im Amateurfunk zur Schwingkreisabstimmung in Empfängern und Sendern und zur Frequenzmodulation von FM-Sendern eingesetzt (Bild 5-8). Die mit dem Potentiometer P eingestellte Gleichspannung bestimmt die Kapazität CD der Diode und damit die Frequenz. Je höher die Sperrspannung ist, desto kleiner ist die Kapazität und desto höher ist die Frequenz. Der Widerstand R soll verhindern, dass die HF-Spannung durch das Potentiometer teilweise kurzgeschlossen wird. Ein Wert für R von etwa 100 kΩ ist üblich.
Die mit dem Potentiometer P eingestellte Gleichspannung bestimmt die Kapazität CD der Diode und damit die Frequenz. Je höher die Sperrspannung ist, desto kleiner ist die Kapazität und desto höher ist die Frequenz. Der Widerstand R soll verhindern, dass die HF-Spannung durch das Potentiometer teilweise kurzgeschlossen wird. Ein Wert für R von etwa 100 kΩ ist üblich. Prüfungsfrage
Die Z-DiodeJede Diode verträgt in Sperrrichtung nur eine von der Bauart abhängige Maximalspannung, bis auch Strom in umgekehrter Richtung fließt. Diese Sperrspannungen liegen meistens bei über 1000 V. Oberhalb dieser maximalen Sperrspannung ist die Diode gefährdet. Sie "bricht durch" und verursacht dann meistens einen Kurzschluss, weil das Silizium in der Sperrschicht zu Kohle verbrennt. Spezielle Dioden werden so hergestellt, dass der Durchbruch bereits bei sehr geringen Spannungen zwischen 3 und 100 V erfolgt. Weil beim Durchbruch der Strom stark ansteigt aber die Spannung über der Diode konstant bleibt, kann man diesen Effekt nutzen, um damit Spannungen zu stabilisieren. Man nennt diese Dioden Z-Dioden oder auch Zenerdioden. Damit der Strom nicht zu groß wird, muss man einen Strombegrenzungswiderstand in Reihe schalten.
Die Berechnung dieses Vorwiderstandes soll im Folgenden
anhand von Prüfungsfragen gezeigt werden.
A B
Prüfungsfrage
Kommentar: Da die Z-Diode im Durchbruchsbereich betrieben wird, muss die "Pfeilrichtung" der Diode von Minus nach Plus sein.
Prüfungsfrage
Kommentar: Da die Z-Diode im Durchbruchsbereich betrieben wird, muss die "Pfeilrichtung" der Diode von Minus nach Plus sein.
Prüfungsfrage
Prüfungsfrage
Lösung: Prüfungsfrage
Lösung:
Fotodiode
Ein PN-Übergang hat, in Sperrrichtung geschaltet, einen sehr kleinen Sperrstrom. Lässt man auf die Sperrschicht Licht einwirken, werden zusätzliche Ladungsträgerpaare gebildet. Dadurch steigt der Sperrstrom an. Das ist die Fotodiode. Schaltet man die Fotodiode mit einem Vorwiderstand als Spannungsteiler (Bild 5-10 rechts), so wird der Sperrstrom IP von der Beleuchtungsstärke abhängig. Die Spannung an der Fotodiode ändert sich. Damit kann mit einem Transistor als Verstärker ein Schalter (Relais) betätigt werden. Prüfungsfrage
FotoelementWird eine Fotodiode ohne Hilfsspannung betrieben, so kann man an ihren Klemmen bei Belastung mit einem Widerstand einen Strom abnehmen und damit einen Verstärker steuern. Die Fotodiode arbeitet dann als Fotoelement. Das Schaltzeichen ist eine Spannungsquelle, auf die zwei Pfeile zu zeigen (Bild 5-11).
Solarzelle
Eine besondere Fotodiodenart sind die so genannten Solarzellen. Es sind großflächige PN-Übergänge, die Spannungen bis etwa 600 mV und Ströme von einigen hundert Milliampere abgeben können. Zu Batterien zusammengeschaltet heißen sie auch Sonnenbatterien oder Sonnenkollektoren. Sie liefern zum Beispiel die Energie für Sender und Empfänger in Satelliten oder für den Portabelbetrieb (Bild 5-12). Bei Sonnenkollektoren für den Einsatz bei Portabelbetrieb zum Laden von 12-V-Akkumulatoren werden mehrere Zellen in Reihe geschaltet, so dass man eine Leerlaufspannung von ungefähr 18 Volt bekommt. Mehrere solcher Reihen werden wiederum parallel geschaltet, um einen möglichst großen Strom zu erhalten. Prüfungsfrage
Lösung: Durch Reihenschaltung addieren sich die Spannungen und durch die Parallelschaltung addieren sich die Ströme. Leuchtdiode (LED)
Die Umkehrung der Fotodiode ist der Effekt bei der Leuchtdiode (LED = light emitting diode = Licht aussendende Diode). Bei der Rekombination der Ladungsträgerpaare innerhalb der Sperrzone einer in Durchlassrichtung geschalteten Diode wird Energie frei. Normalerweise wird diese Energie in Form von Wärme abgegeben. Bei einer bestimmten Dotierung wird diese Energie in Form von Licht frei. Prüfungsfrage
Lösung:
Hier nochmals die Prüfungsfrage
OptokopplerDie hohe Grenzfrequenz der Leuchtdioden erlaubt die Übertragung von optischen Signalen bis zu Frequenzen von zirka 10 MHz. LEDs dienen als Sender in so genannten optischen Koppelelementen (Optokoppler). Hierbei werden elektrische Signale in optische umgewandelt und von einer Fotodiode oder einem Fototransistor wieder in elektrische zurückverwandelt (Bild 5-14). Ein Optokoppler wird gern zur Ankopplung von Modemsignalen an den Modulator verwendet, um Brummeinflüsse der Netzteile (so genannte Erdschleifen) zu verhindern.
Prüfungsfrage
Spannungsbegrenzung
Bild 5-15: Spannungsbegrenzerschaltung
Eine Anwendung der Diode ist die Spannungsbegrenzung. Diese funktioniert folgendermaßen. Das Bauelememnt Diode wird in Durchlassrichtung mit einem Widerstand in Reihe geschaltet (Bild 5-15). An den Eingang dieser Reihenschaltung legt man die Spannung, die einen bestimmten Wert nicht überschreiten soll. Solange die Diode wegen zu niedriger Spannung noch nicht leitet, ist die Spannung vor und hinter dem Widerstand gleich. Sobald die Diode anfängt zu leiten, fließt Strom und am Vorwiderstand fällt eine entsprechende Spannung ab. An der Diode steigt die Spannung nicht weiter als die Durchlassspannung von zirka 0,7 V. Weil in diesem Fall zwei Dioden antiparallel geschaltet sind, werden sowohl die positiven Spitzen als als auch die negativen Spitzen auf 0,7 V begrenzt. In der folgenden Prüfungsaufgabe wird das Prinzip sichtbar. Prüfungsfrage
Kommentar: Beachten Sie den Maßstab! Der Spannungswert 1 V ist eingezeichnet. Die Flussspannung von Siliziumdioden beträgt 0,7 V. Tragen Sie bei plus und bei minus 0,7 V entsprechende Linien ein. Alles, was darüber liegt, wird abgeschnitten, denn jeweils eine Siode ist immer in Durchlassrichtung geschaltet.
Prüfungsfrage
Kommentar: Bei Germaniumdioden können Sie bei geringen Strömen mit 0,3 V Flussspannung rechnen. Zeichnen Sie wiederum bei plus/minus 0,3 Volt waagerechte Linien ein. Dann können Sie erkennen, wie das Signal nunmehr begrenzt wird.
Diode zur EntkopplungPrüfungsfrage
Lösung: Weil U1 mit 18 Volt viel größer ist als U2 mit 13,9 Volt, leitet D1 und lädt den Akku weiter auf. Wenn U2 also 13,9 Volt beträgt und über eine Diode ein Widerstand nach Null geht, fließt durch D2 Strom, solange nicht vom Netzteil eine höhere Spannung als 13,9 Volt minus 0,7 Volt anliegt. Damit ist also die Spannung rechts von D2 bzw. am Lastwiderstand 13,2 Volt. U3 müsste auch mindestens 13,9 Volt sein, wenn D3 leiten könnte. D3 leitet also nicht.
EinweggleichrichtungDie typische Eigenschaft der Halbleiterdioden in einer Stromrichtung zu sperren und in der anderen zu leiten wird in der Technik mannigfaltig angewendet. Die wichtigste Anwendung ist die Gleichrichtung von Wechselspannungen.
Bild 5-16: Einweggleichrichtung ohne (a) und mit (b) Ladekondensator Schaltet man einen Lastwiderstand über eine in Reihe geschaltete Diode an eine Wechselspannungsquelle, leitet die Diode den Strom nur, wenn die Anode positiver ist als die Katode (Bild 5-13: positive Halbwelle der Wechselspannung wird durchgelassen). In der anderen Halbwelle sperrt die Diode. Durch den Lastwiderstand RL fließt ein pulsförmiger Strom immer in der gleichen Richtung. Man sagt, der Strom ist "gleichgerichtet" worden. Da nur eine Halbwelle der sinusförmigen Wechselspannung ausgenutzt wird, nennt man diese Schaltung Einweggleichrichterschaltung. Schaltet man einen genügend großen Kondensator parallel zum Lastwiderstand (Bild 5-11 b), wird sich dieser in der einen Halbwelle schnell über die Diode aufladen und in der anderen Halbwelle (Sperrzeit der Diode) langsam über den Widerstand entladen. Die Gleichspannung am Lastwiderstand wird dadurch viel gleichmäßiger. Prüfungsfrage
Kommentar: Am Eingang liegt die sinusförmige Netzwechselspannung. Sie wird als Lösung A angegeben. Es ist aber nach der Ausgangsspannung gefragt. Lösung B zeigt die Ausgangsspannung bei Doppelweggleichrichtung, die weiter unten noch besprochen wird. Lösung C ist richtig, nur wenn noch ein Kondensator am Ausgang angeschlossen wäre, sieht die Ausgangsspannung so aus wie in Lösung D. Wie man aus Bild 5-16 b erkennt, lädt sich der Kondensator CL (Ladekondensator) maximal auf die Spitzenspannung der anliegenden Wechselspannung auf. Die maximale Gleichspannung am Ladekondensator berechnet man zu
Übungsaufgabe
Lösung:
Welche Spannung muss die Diode in der Sperrphase aushalten können? Überlegen Sie mit: Die Spannung an der Anode der Diode ändert sich ständig zwischen den beiden Scheitelwerten +141 Volt und -141 Volt vom Transformator her. An der Katode bleibt der Kondensator auf maximal +141 Volt aufgeladen. Die höchste Sperrspannung wird also beim negativem Scheitelwert erreicht. Die Differenz der Spannungen von der Katode (+141 V) zur Anode (-141 V) beträgt also 282 Volt. Allgemein berechnet man die Sperrspannung der Diode mit
Prüfungsfrage
Lösung: Zunächst wird die Gleichspannung am Kondensator ausgerechnet. Die effektive Wechselspannung auf der Sekundärseite des Transformators beträgt ein Achtel von 230 V, also 28,75 Volt. Die maximale Sperrspannung an der Diode hat den doppelten Wert dieser Spannung, also 81,3 V. Mit 10% Sicherheitsaufschlag ergibt sich 89,4 Volt. Als ganze Zahl nimmt man den nächsthöheren Wert, denn 89 V wären zu wenig.
Prüfungsfrage
Lösungsweg wie bei TD314. Achtung: Teilen Sie die 230 V nur durch 5!
Wenn bei Gleichrichtern für Hochspannung die Sperrspannung einer Diode nicht ausreicht, kann man mehrere Dioden in Reihe schalten. Weil die Sperrwiderstände der Dioden sehr unterschiedlich sein können, schaltet man zu jeder Diode einen hochohmigen Widerstand parallel.
Bild 5-17: Hochspannungsgleichrichter Prüfungsfrage
Vollweggleichrichtung
Mittelpunkt-ZweiweggleichrichtungBei der Einweggleichrichtung wird eine Halbwelle der Wechselspannung unterdrückt. Um diese zweite Halbwelle auch auszunutzen, kann bei Verwendung eines Transformators mit zwei gleichen Wicklungen (oder Mittelanzapfung) eine Zweiweggleichrichtung angeschlossen werden.
Wirkungsweise der Schaltung: Liegt zum Beispiel der Pluspol der Wechselspannung am Punkt A gegen 0 (dann ist B negativ gegen 0), fließt ein Strom von A über die Diode D1, den Lastwiderstand RL nach 0. (Tragen Sie mit Farbstift entsprechende Strompfeile im Bild 5-15 a ein). Die Diode D2 ist gesperrt (Minus an der Anode). In der nächsten Halbwelle ist die Polarität vertauscht. Der Strom fließt von B über D2 und RL nach 0. Diode D1 ist gesperrt. (Tragen Sie mit andersfarbigem Stift entsprechende Pfeile ein.) In beiden Halbwellen fließt also der Strom von C nach D in der gleichen Richtung durch den Lastwiderstand. Am Lastwiderstand liegt eine entsprechende (pulsierende) Gleichspannung. Durch Anschluss eines Ladekondensators an die Klemmen C und D kann diese pulsierende Gleichspannung wie bei der Einweggleichrichterschaltung weiter verbessert werden. Die Größe der Gleichspannung am Ladekondensator berechnet man wie bei der Einwegschaltung. Als Spannung muss hier der Effektivwert einer Wicklung eingesetzt werden. Auch die Sperrspannungen der Dioden bleiben gleich. Es handelt sich hier praktisch um zwei abwechselnd arbeitende Einweggleichrichter. Diese Zweiweggleichrichtung wird auch Vollweggleichrichtung genannt. Prüfungsfrage
Kommentar: Beide Dioden müssen in Richtung Plus zeigen.
Durch Umpolung der Dioden kann eine gegenüber dem Mittelpunkt negative Spannung erzeugt werden. Prüfungsfrage
Kommentar: Die Dioden zeigen nach links. Nur die negativen Halbwellen werden durchgelassen.
Die BrückengleichrichterschaltungTransformatoren mit Mittelanzapfung gibt es heutzutage kaum noch. Mit folgender Schaltung kann man ebenfalls eine Doppelweggleichrichtung erreichen.
Die Wirkungsweise: Liegt auf der Sekundärseite des Transformators zum Beispiel am Punkt A positive Spannung gegen Punkt B, fließt der Strom von A über Diode D3, Punkt C, RL, Punkt D, Diode D2 zum Punkt B. Tragen Sie entsprechende Strompfeile ein. Ist in der nächsten Halbwelle Plus an B und Minus an A, fließt der Strom von B über D4 nach C, über RL nach D, über D1 nach A. Tragen Sie wieder entsprechende Pfeile ein. Sie sehen: Durch den Lastwiderstand RL fließt immer der Strom in der gleichen Richtung (Gleichrichtung). Am Lastwiderstand liegt eine entsprechende Gleichspannung (Bild 5-19 b). Prüfungsfrage
Kommentar: Schauen Sie (von weitem :-), ob alle 4 Dioden irgendwie in eine Richtung zeigen. Dies ist dann der Plus-Ausgang. Dazwischen müssen dann die Wechselstromeingänge liegen. In der Schaltung A z.B. zeigen alle Dioden nach oben. Also muss oben Plus sein (richtig). Unten ist dann Minus und dazwischen die Wechselstromanschlüsse.
Auch bei dieser Schaltung lässt sich durch Parallelschalten eines Ladekondensators zum Lastwiderstand eine weitere Verbesserung der Gleichspannung erreichen. Die Berechnung der maximalen Gleichspannung am Ladekondensator erfolgt wie bei der Einwegschaltung. Die Sperrspannung der Dioden braucht nur halb so groß zu sein wie bei der Einwegschaltung, da immer zwei Dioden in Reihe geschaltet sind. Allerdings müssen die Sperrwiderstände beider Dioden genau gleich groß sein; sonst verteilt sich die Sperrspannung ungleich auf beide Dioden. Im Handel sind Brückengleichrichter erhältlich, bei denen die vier genau gleichen Dioden bereits in einem Gehäuse untergebracht sind. Ein solcher Brückengleichrichter trägt zum Beispiel folgende Kennzeichnung: B40C1000. Diese Kennzeichnung bedeutet, dass der Gleichrichter in Brückenschaltung aufgebaut ist (Buchstabe B), dass er maximal 40 Volt effektive Transformatorspannung gleichrichten kann und mit einer Stromstärke von 1000 mA gleich 1 A Gleichstrom bei Belastung mit einem Kondensator (Buchstabe C) zu Glättung betrieben werden kann.
Die BrummspannungDie der Gleichspannung überlagerte Restwechselspannung am Ladekondensator nennt man Brummspannung. Die Amplitude dieser Brummspannung nennt man Restwelligkeit. Sie wird manchmal als Prozentzahl der Gleichspannung oder als absoluter Spitze-Spitze-Wert angegeben. Im Diagramm zur Prüfungsaufgabe TB201 ist diese Brummspannung gezeichnet. Diese Brummspannung kommt dadurch zustande, dass der Kondensator immer dann geladen wird, wenn die Transformatorspannung mehr als 0,7 Volt über der Kondensatorspannung liegt und immer dann entladen wird, wenn die Transformatorwechselspannung kleiner wird als die augenblickliche Kondensatorspannung. Bei jeder Halbwelle wird also geladen und wieder etwas entladen. Bei der Doppelweggleichrichtung sind doppelt so viele gleichgerichtete Halbwellen vorhanden, wie die Perioden der Wechselspannung. Die Brummspannung hat also bei Doppelweggleichrichtung eine doppelt so hohe Frequenz wie die Frequenz der Transformatorwechselspannung. Prüfungsfrage
Kommentar: Die Periodendauer ist 10 ms, umgerechnet f = 100 Hz für die so genannte Brummfrequenz. Die Welleigkeit ist der Wechselspannungsanteil ohne Gleichspannungsberücksichtigung, also 1 Einheit oder 3 Volt Spitze-Spitze.
Prüfungsfrage
Kommentar: Die überlagerte Restwechselspannung hat bei Doppelweggleichrichtung eine doppelt so hohe Frequenz wie die Frequenz der Transformatorwechselspannung.
Die überlagerte Restwechselspannung (Brummspannung) kann durch frequenzabhängige RC- oder LC-Glieder oder elektronische Schaltungen verringert werden. Bei der LC-Siebung wird eine Spule in Serie und danach ein Kondensator parallel zum Ausgang geschaltet. Die Spule wird bei Wechselspannung wie ein großer Widerstand und der Kondensator wie ein geringer Widerstand. Gleichspannung geht kaum verloren, weil diese Netzdrosseln mit dickem Kupferdraht gewickelt werden. Die RC-Siebung wirkt ähnlich, allerdings fällt eine Gleichspannung am Widerstand ab. Sie eignet sich für geringe Ströme.
Bild 5-20: LC- und RC-Siebung Die folgende Prüfungsfrage wird hier eingefügt, weil man an der Schaltung die LC-Siebschaltung (L - CS) sehr schön erkennen kann. Die Berechnung hat aber damit nichts zu tun. Prüfungsfrage
Kommentar zu TD305: Im Leerlauf (R ist vernachlässigbar groß, denn er dient nur als Entladewiderstand nach der Abschaltung.) kann man den Gleichspannungsabfall an der Spule vernachlässigen. Sie können also einfach die Spannung am Ladekondensator berechnen. Es ist wieder der Spitzenwert der Wechselspannung auf der Sekundärseite. Also 230 V geteilt durch 8 mal Wurzel 2. Rechnen Sie!
Spannungsstabilisierungsschaltungen mit einer schnellen Regelung können ebenfalls Restwelligkeiten ausregeln. Sie finden eine solche Schaltung in der Prüfungsfrage TD306, die später behandelt wird. Gleichspannungsrückgewinnung Bei Wechselspannungen in der Nachrichtentechnik möchte man gelegentlich aus dem Signal eine Gleichspannung gewinnen, aber die Wechselspannung als Signal erhalten. Dazu dient folgende "Clamp"-Schaltung, die wie eine Einweggleichrichterschaltung aussieht.
Bild 5-21: Klemmschaltung Wirkungsweise der Schaltung: Die Diode wirkt tatsächlich wie eine Gleichrichterschaltung, die den Kondensator auf der rechten Seite positiv auflädt, wenn A positiv gegenüber B ist. Die linke Seite ist dann gleichstrommäßig über den Transformator mit Masse verbunden. Die Eingangswechselspannung geht von der Nulllinie sowohl nach Plus (nach oben) als auch nach Minus, also unter die Nulllinie nach unten. Nehmen wir mal an, die Wechselspannung vom Trafo hat ±10 Volt, also zirka 7 Volt effektiv. Die Wechselspannung vom Trafo lädt den Kondensator auf der rechten Seite auf +10 Volt auf. Kommt auf der linken Seite die +10 Volt,
ergeben sich am Punkt B (Bild 5-21) +20 V. Kommt auf der linken Seite die -10 Volt, geht die Spannung auf Null. Es entsteht also eine Ausgangsspannung (Bild 5-22) von +20 V bis 0 Volt mit einem Mittelwert von +10 V (so genannte Klemmspannung). Prüfungsfrage
Kommentar: Sie erkennen die Schaltung sicher aufgrund der Erläuterungen zu Bild 5-22.
Prüfungsfrage
Kommentar: Als Kondensator ist in dieser Schaltung durchaus ein Elektrolytkondensator geeignet, denn auf der rechten Seite (Bild 5-21, Punkt B) ist die Spannung immer positiv. Elektrolytkondensatoren vertragen keine Polaritätswechsel.
AnhangDieser Online-Lehrgang wurde mit freundlicher Genehmigung des Autors aus seinem Buch für das Internet umgewandelt.
Dieser Lehrgang basiert auf dem Prüfungsfragenkatalog Feb. 2007 der Bundesnetzagentur (BNetzA). Alle darin vorkommenden Themen wie Grundlagen der Elektrotechnik, Elektronik sowie Sender- und Empfängertechnik, Übertragungstechnik, Antennentechnik und Messtechnik aus dem Gebiet "Technische Kenntnisse" werden ausführlich erläutert. Die Erfahrung mit praktischen Lehrgängen wird genutzt, um den Prüfling in die Lage zu versetzen, jede Frage aus dem Fragenkatalog richtig zu beantworten. Dieses Buch ist auch sehr gut für das Selbststudium geeignet. Dieser Lehrgang baut auf dem Lehrgang für die Klasse E auf. Sie sollten also erst den Lehrgang für das Amateurfunkzeugnis Klasse E durchgearbeitet haben oder zumindest bei Verweisen dort nachlesen können.
*) Wenn Sie noch vor dem 1. Juni die Prüfung Klasse A (nach dem alten
Fragenkatalog Klasse 1+2) machen wollen, sollten Sie sich dieses Buch besorgen,
denn es wird in Kürze ausverkauft sein. Bis Ende Mai wird noch nach dem alten
Fragenkatalog geprüft.
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