Messgleichrichter mit OPV - Schaltungen

1. Allgemein

Ein Gleichrichter wandelt Wechselspannung in Gleichspannung um. Zur Verarbeitung und Messung von Wechselgrößen werden möglichst ideale Gleichrichter benötigt. Übliche passive Gleichrichterschaltungen aus Dioden haben den Nachteil, dass Dioden im leitenden Zustand eine Flussspannung von rund 0,6 V haben und für Messzwecke ungeeignet sind. Erst in Verbindung mit OPV’s können nahezu ideale aktive Messgleichrichterschaltungen aufgebaut werden.

2. Der aktive Einweggleichrichter

Der in der Abbildung 1 dargestellte aktive Einweggleichrichter ergibt sich aus zwei Gegenkopplungspfaden, von denen während einer Halbwelle nur jeweils einer wirksam ist. Wären nicht beide Pfade vorhanden, wäre der OPV für eine der beiden Halbwellen übersteuert.

Abbildung 1: Aktiver Einweggleichrichter mit zweifachem Ausgang

Die Wirkungsweise des aktiven Einweggleichrichters ergibt sich aus folgendem Schema:

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Es wird der OPV ideal angenommen und die Flussspannungen der Dioden vernachlässigt. Wäre dies nicht der Fall, würde am Ausgang ein Spannungshub hinzutreten, der der Flussspannung der Dioden (= 0,6V) entspricht.Die Dioden wirken als Schalter zwischen positiver und negativer Halbwelle.

Fall a:

Liegt am Eingang die negative Halbwelle an, so leitet D2 und D1 sperrt. Weil D1 sperrt, ist R3 wirkungslos und am Ausgang Ua+ ergibt sich die verstärkte

Spannung .

Auf Grund des invertierenden Verstärkers wird die negative Eingangshalbwelle zur verstärken positiven Ausgangshalbwelle (invertierendes OPV – Verhalten).

Fall b:

Liegt am Eingang die positive Halbwelle an, so leitet D1 und D2 sperrt. Dadurch, dass D2 sperrt, wird R2 wirkungslos und am Ausgang Ua- ergibt sich die verstärkte

Spannung … (invertierender Verstärker).

Im Spannungs-Zeit – Diagramm ist dies dadurch dargestellt, dass die positiven Halbewellen gleich Null sind und nur die negativen Halbwellen auftreten.

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3. Der aktive Vollweggleichrichter

Wird die Schaltung in Abbildung 1 mit einem Subtrahierverstärker ergänzt, erhält man den aktiven Vollweggleichrichter nach Abbildung 2. Die Vollweggleichrichtung entsteht durch Summation des invertierten einweggleichgerichteten Eingangssignals und des doppelt gewichteten, aber sonst unveränderten Eingangssignals.

Abbildung 2: Aktiver Vollweggleichrichter

Die Wirkweise des aktiven Vollweggleichrichters lässt sich aus folgendem Schema leicht erkennen:

In Summe ergibt sich also ua=|ue|, was einer perfekten Vollweggleichrichtung entspricht.

Die Erweiterung der 1. Schaltung durch einen Summierer führt zu einem Vollweggleichrichter. Es wird eine sinusförmige Eingangsspannung Ue angenommen, die zu dem ebenfalls sinusförmigen „Vollwellenstrom i1 führt. Der Strom i2 ist dagegen nur ein „Halbwellenstrom“ entsprechend der Spannung ua1. Beide Ströme ergeben in Summe den gleichgerichteten Strom is. Damit dieser beide Halbschwingungen der Eingangsspannung im gleichen Maßstab abbildet, muss der Widerstand R2 = R1 /2 sein. Mit der angegebenen Dimensionierung R3=R1 wird Ua = |Ue|.

Vorteil:Es wird die positive und negative Halbwelle gleichgerichtet.IE - Maturaausarbeitung 5 HIB 2005/06 3

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4. Der aktive Vollweggleichrichter für erdfreie Last

Für erdfreie Last – in Abbildung 3 durch ein Strommessgerät MGI mit kleinem Innenwiderstand dargestellt – eignet sich der aktive Vollweggleichrichter in Brückenschaltung. Aus der Forderung ued und ien ergibt sich, dass am Widerstand R die volle Eingangsspannung abfällt, d.h.

Der Strom hängt also nur von ue und R ab, d.h. die Schaltung wirkt zwischen dem OPV-Ausgang und R wie eine Stromquelle. Durch dieses Stromquellenverhalten spielen die Flussspanungen der Dioden und ihre Durchlasswiderstände keine Rolle. Für positive Eingangsspannungen fließt der gesamte Strom im=iR über die Dioden D1

und D4 über die (erdfreie) Last, für negative Eingangsspannungen fließt er durch D3

und D2 in der gleichen Richtung über die Last, es gilt also

d.h. die Schaltung funktioniert als Vollweggleichrichter. Der Widerstand R definiert das Verhalten nahe ue=0V.

Abbildung 3: Aktiver Vollweggleichrichter mit erdfreiem Ausgang

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5. Der Spitzenwertgleichrichter

In Abbildung 4 ist eine Schaltung zur Erfassung des negativen Scheitelwerts eines Signals gezeigt. Für negative Eingangsspannungen deren Betrag zunimmt und nicht kleiner als

ist, ist die Diode D1 gesperrt und D2 leitet. In diesem Fall ist die Schaltung ein invertierender Verstärker und es stellt sich dich Ausgangsspannung nach Punkt (a) des folgenden Schemas ein:

Abbildung 4: Invertierender Spitzenwertgleichrichter für ue<0

Im Betriebsfall (b) sind die Verstärker V1 und V2 voneinander entkoppelt, der Kondensator C bleibt geladen (re2>>) und die Ausgangsspannung behält den Wert

,

bis ein neuer negativer Maximalwert der Eingangsspannung auftritt oder der Kondensator C durch Schließen des Schalters S entladen wird. Während der Haltephase kann es zu Driftfehlern kommen, die durch Leckströme und die Eingangsströme des OPV2 verursacht werden. Die dynamischen Anforderungen an den OPV1 sind sehr hoch, er muss in der Lage sein, den Kondensator rasch auf den Sollwert aufzuladen und daher viel Strom zu liefern. Außerdem muss er eine hohe

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Slew-Rate besitzen, um die Schaltspannungen der Dioden möglichst schnell zu überwinden.

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