Gleichrichter werden in der Elektrotechnik und Elektronik zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung verwendet. Sie bilden neben Wechselrichtern, Gleichspannungswandlern und Umrichtern eine Untergruppe der Stromrichter.
mini|Oben: Sinusförmige Wechselspannung, darunter pulsierende Gleichspannung je nach Gleichrichterschaltung Während Wechselspannung durch periodisch wiederholte Vorzeichenwechsel gekennzeichnet ist, werden diese mittels Gleichrichtern verhindert. Die gleichgerichtete Spannung verläuft in Halbschwingungen nur zwischen Nulldurchgang und Scheitelwert. In vielen Anwendungen ist dieser pulsierende Verlauf unerwünscht. Dann muss die gleichgerichtete Spannung zusätzlich geglättet werden, damit im strengen Sinn Gleichspannung entsteht, wobei aber eine Restwelligkeit fast unvermeidlich ist.
Eine Gleichrichtung dient zum Beispiel zur Versorgung gleichstrombetriebener elektrischer Verbraucher aus dem Wechselstromnetz, zur Verbindung weit entfernter Stromnetze oder der Kopplung nicht synchroner Stromnetze über Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ), zu Messzwecken, für Anwendungen in der Nachrichtentechnik, zum Beispiel zur Hüllkurvendemodulation.
Die Gleichrichtung erfolgt meist ungesteuert durch Halbleiterdioden. Aktive elektronische Bauteile, wie z. B. Thyristoren, erlauben durch Phasenanschnittsteuerung eine gesteuerte Gleichrichtung. Feldeffekttransistoren (MOSFETs) werden bei Synchrongleichrichtern verwendet – insbesondere bei der Gleichrichtung kleiner Spannungen und großer Ströme – und gestatten aufgrund der geringeren Durchlassspannung eine höhere Effizienz als es mit Halbleiterdioden möglich wäre. mini|Silizium-Brückengleichrichter; links unten ein Selen-Gleichrichter in Flachbauweise
Geschichte Im Jahr 1873 entdeckte Frederick Guthrie, dass ein positiv geladenes Elektroskop entladen wird, wenn man ein geerdetes, glühendes Metallstück in die Nähe brachte. Bei negativ geladenem Elektroskop passiert nichts, woraus folgte, dass der elektrische Strom nur in eine Richtung fließen konnte.
mini|Kristalldetektor aus früheren Detektorempfängern 1874 entdeckte Karl Ferdinand Braun die richtungsabhängige elektrische Leitung in bestimmten Kristallen. Er ließ sich den Kristallgleichrichter 1899 patentieren. Aus etwa derselben Zeit stammt der Kohärer als eine frühe Form der Diode.
Der indische Wissenschaftler Jagadish Chandra Bose benutzte 1894 als erster Kristalle, um elektromagnetische Wellen nachzuweisen. Der erste praktisch verwendbare Kristalldetektor aus Silizium wurde 1903 für funktechnische Anwendungen durch Greenleaf Whittier Pickard entwickelt, der sich diesen 1906 patentieren ließ.[US patent 836531] In der Nachfolgezeit wurde allerdings häufiger Bleisulfid verwendet, weil es billiger und einfacher zu verwenden war.
Thomas Edison entdeckte Guthries Beobachtung im Jahr 1880 bei Experimenten mit Glühlampen wieder und ließ sich den Effekt 1884 patentieren, ohne eine Anwendungsmöglichkeit zu kennen. Owen Willans Richardson beschrieb später den Effekt wissenschaftlich, daher nennt man ihn heute Edison-Richardson-Effekt. Etwa zwanzig Jahre später erkannte John Ambrose Fleming, der zuerst Angestellter von Edison und später wissenschaftlicher Berater der Marconi Wireless Telegraph Company war, dass der Edison-Richardson-Effekt benutzt werden konnte, um schwache Radiosignale nachzuweisen. Er ließ sich die erste brauchbare Anwendung, die Röhrendiode („Fleming valve“) im Jahr 1904 patentieren.
Alle bisher beschriebenen Effekte eigneten sich nur für sehr geringe Ströme. Die zunehmende Verbreitung elektrischer Energie benötigte aber leistungsstarke Gleichrichter, weil jene vorzugsweise durch Wechselstromgeneratoren erzeugt wird. Da die elektrischen Vorgänge in Halbleitern erst nach etwa 1950 (nach der Erfindung des Bipolartransistors) geklärt wurden, kamen verschiedene andere Gleichrichterprinzipien zur Anwendung.
Physikalische Prinzipien Mechanische Gleichrichter mini|Historischer mechanischer Hochspannungsgleichrichter mit rotierendem Rad Zu Beginn des 20. Jahrhunderts gab es zur Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung nur elektromechanische Gleichrichter: Bei entsprechenden Umformern sitzen ein Wechselstrommotor und ein Gleichstromgenerator auf einer gemeinsamen Welle. Diese Umformer dienten oft gleichzeitig zur Spannungstransformation und zur galvanischen Trennung vom Netz. Sogenannte Zerhacker wurden als Wechselrichter von Gleichspannung zur nachfolgenden Transformation mittels eines Transformators verwendet. Sie vereinten einen selbstschwingenden, mit Schaltkontakten arbeitenden Wechselrichter (z. B. mit einem Wagnerschen Hammer) und einen damit gekoppelten zweiten Kontaktsatz zur Synchrongleichrichtung in sich. Diese waren aufgrund des Kontakt-Verschleißes auswechselbar gestaltet (Stecksockel). Rotierende mechanische Gleichrichter besaßen ein Rad mit elektrischen Kontakten, das die zeitgenaue Umschaltung der Wechselspannung ermöglicht. Das Rad wurde von einem Synchronmotor angetrieben, der die Synchronisation zwischen der Drehbewegung und der Polaritätsänderung der Wechselspannung sicherstellte. Die Konstruktion wurde beispielsweise aus einem Hochspannungstransformator mit Wechselspannung versorgt, um die hohe Gleichspannung für Elektrofilter zu erzeugen. Eine Weiterentwicklung dieses Prinzips war der Kontaktumformer.Alexander Goldstein: Die Theorie der Kontaktumformer mit Schaltdrosseln. Diss. techn. Wiss. ETH Zürich, 1948, e-collection.ethbib.ethz.ch . Bis etwa 1970 wurde in Kraftfahrzeugen der Ladestrom für die Akkumulatoren durch Gleichstromlichtmaschinen mit mechanischem Gleichrichter (Kommutator) erzeugt. Die Entwicklung leistungsstarker Halbleiterdioden machte den Einsatz leistungsfähigerer Drehstromlichtmaschinen möglich.
Nachteile der mechanischen Gleichrichtung sind der Kontaktabbrand, vor allem bei höheren Strömen, Synchronisationsprobleme und die Begrenzung auf Frequenzen unter etwa 500 Hz. Der große Vorteil der verschwindend niedrigen Durchlassspannung und entsprechend sehr geringen Verlustleistung konnte erst in jüngster Zeit durch gesteuerte MOSFET-Gleichrichter wieder erreicht werden.
Elektrolytischer Gleichrichter Eine Möglichkeit der Gleichrichtung eröffnete das Prinzip der anodischen Oxidation, die in den Anfängen der elektrischen Telegrafie und Telefonie eine Rolle spielte. Zwei in einen Elektrolyten, beispielsweise verdünnte Schwefelsäure, getauchte Elektroden können gleichrichterähnliche Eigenschaften aufweisen. Eine Elektrode muss dazu aus einem Edelmetall, zum Beispiel Platin, bestehen, die andere aus einem Metall, das durch anodische Oxidation eine dicke Oxidschicht bildet, wie Niob, Tantal oder Aluminium. Bei dieser Anordnung kann nur Strom fließen, wenn das anodisch oxidierbare Metall als Kathode fungiert. Diese Gleichrichter werden auch als Nassgleichrichter oder als elektrolytische Gleichrichter bezeichnet und konnten bis zu Spannungen um 300 V eingesetzt werden. Die Hauptnachteile – Lageempfindlichkeit und giftige bzw. korrosionsfördernde Dämpfe – beschränkten die Zahl der Anwendungen.
Quecksilberdampfgleichrichter mini|Quecksilberdampfgleichrichter
Eine weitere Entwicklung war der Quecksilberdampfgleichrichter, der auch bei größeren Leistungen, etwa zur Speisung einer Oberleitung einer Straßenbahn, eingesetzt werden konnte. Er besteht aus einem Glaskolben, an dessen unterem Ende sich eine Kathode mit einem Quecksilbervorrat (Teichkathode) befindet. Darüber wölbt sich der Glaskolben, an dem das Quecksilber wieder kondensiert. Seitlich sind Arme mit Graphitelektroden als Anoden angeschmolzen. Elektronen können nur von der Teichkathode zu den Graphitelektroden fließen. Dazu muss die Zündspannung der Gasentladung erreicht werden, und es wird als Nebeneffekt UV-Licht erzeugt.
Trockengleichrichter Plattengleichrichter mini|Selengleichrichter in typischer Plattenbauweise Einige Jahrzehnte später wurden die ersten Halbleitergleichrichter wie Selen-Gleichrichter und Kupferoxydul-Gleichrichter erfunden. Sie wurden, da dabei keine Flüssigkeiten zum Einsatz kamen, auch als Trockengleichrichter bezeichnet. Sie bestehen aus einer Metallplatte, auf der eine oberseitig mit Zinn und einer Kontaktfeder versehene Schicht aus Selen bzw. Kupferoxid aufgebracht ist. Die Plattengröße eines Selengleichrichters beträgt je nach Stromstärke zwischen einem Quadratmillimeter und über 100 Quadratzentimetern. Die maximal erlaubte Sperrspannung einer solchen Selen-Gleichrichterplatte beträgt nur 15 bis 50 V, die Durchlassspannung ist mit 0,7 bis 1,5 V relativ hoch; der Kupferoxydul-Gleichrichter hat zwar eine geringere Durchlassspannung, aber auch eine geringere Sperrspannung von nur ca. 10 V. Um höhere Spannungen gleichzurichten, wurden die Platten gestapelt, also in Reihe geschaltet. Eine Symmetrierung ist nicht erforderlich. Die Plattenanzahl bestimmt die maximale Sperrspannung. Sogenannte Selenstäbe enthielten eine große Anzahl kleiner Selengleichrichterscheiben und dienten bis in die 1970er-Jahre unter anderem zur Gleichrichtung der Anodenspannung von Bildröhren in Schwarzweiß-Fernsehgeräten. Sie hatten Sperrspannungen bis über 20 kV; durch die hohe Anzahl an Einzelelementen war allerdings auch die Durchlassspannung entsprechend hoch.
Wegen des typischen meerrettich- oder knoblauchartig zu beschreibenden Geruchs bei Überlast eines Selen-Gleichrichters sprach man im Technikerjargon das Wort „Gleichrichter“ gerne auch als „gleich riecht er“ aus. Spitzendioden Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden vor allem in Detektorempfängern Detektorkristalle aus Bleiglanz oder Pyrit benutzt – ein Halbleiter-Metall-Übergang, der aus einem Halbleiterkristall und einer tastenden Metallspitze bestand, mit der geeignete Punkte zur Demodulation von AM-Rundfunksendungen gesucht wurden. Diese mechanisch sehr empfindliche und wenig effektive Versuchsanordnung wurde sehr schnell durch die rasch voranschreitende Entwicklung der Elektronenröhre verdrängt, die Schaltungen ermöglichte, die verstärken und gleichzeitig gleichrichten konnten (Audion).
Nachteilig sind die geringen Sperrspannungen von etwa 15 V und vor allem das geringe Verhältnis Sperrwiderstand zu Durchlasswiderstand, das knapp über 1 liegt und heutigen Maßstäben nicht mehr genügt.
Später wurden in großem Maßstab Spitzendioden auf der Basis von Germanium gefertigt, der Einsatzzweck war weiterhin die Gleichrichtung von Hochfrequenz bis in den Zentimeterwellenbereich.
Moderne Halbleitergleichrichter mini|hochkant|SMD-Schottkydiode f. ca. 1 A Der Durchbruch in der Entwicklung der Gleichrichter gelang erst nach der Erforschung des p-n-Übergangs im Anschluss an die Erfindung des Bipolartransistors im Jahre 1947 und die Fertigung von Flächendioden mittels Diffusion oder Epitaxie.
Über einen längeren Zeitraum verwendete man Germanium-Dioden, bis später Silizium-Dioden entwickelt wurden, mit denen eine höhere Temperaturbeständigkeit einher geht.
Man entwickelte die bereits länger bekannten Schottkydioden weiter, um sie bei großen Strömen und kleinen Spannungen als Gleichrichter einsetzen zu können. Ihre Merkmale sind die geringe Flussspannung, die geringe Sperrspannung und der relativ hohe Reststrom. Sie sind diesbezüglich mit Germaniumdioden vergleichbar, haben jedoch keinen Speichereffekt und können daher bei sehr hohen Frequenzen eingesetzt werden.
Um hohe Sperrspannungen bei geringen Speicherzeiten zu erreichen, verwendet man zunehmend Siliciumcarbid-Dioden zur Gleichrichtung in Schaltnetzteilen höherer Spannung.
Merkmale der heutigen Halbleiterdioden sind unter anderem die geringe Schwellenspannung von deutlich unter einem Volt (Germanium- und Schottkydioden typisch 0,3–0,4 V, Siliziumdioden 0,6 V), das große Verhältnis von Durchfluss- zu Sperrstrom und die sehr kleine Bauweise.
Schaltnetzteile, Gleichspannungswandler und Frequenzumrichter wurden erst nach der Erfindung der Halbleiterdioden betriebssicher und wartungsfrei.