Eine einzige Diode genügt, um aus Wechselspannung eine Gleichspannung zu machen: Sie lässt nur die positive Halbwelle durch, ein Elko dahinter überbrückt die Pausen. Das ist der Einweggleichrichter, in der Normsprache Einpuls-Mittelpunktschaltung M1U. Er braucht die wenigsten Bauteile, nutzt aber nur jede zweite Halbwelle und brummt deshalb doppelt so stark wie ein Zweiweggleichrichter mit gleichem Elko.
Am 50-Hz-Trafo lohnt er sich nur für kleine Ströme: eine Hilfsspannung für ein Relais, die Versorgung einer kleinen Steuerung mit einigen zehn Milliampere oder eine negative Hilfsspannung. Viel häufiger, als man denkt, steckt er in Schaltnetzteilen: Jede Ausgangswicklung eines Sperrwandlers wird mit einer einzelnen Schottky-Diode gleichgerichtet, dort allerdings bei 100 kHz statt 50 Hz. Und als Spitzenwertgleichrichter misst er die Amplitude von Signalen.
Schaltplan
- F1, 50 mAT: träge Feinsicherung auf der Netzseite. Sie schützt Trafo und Leitung bei einem Kurzschluss auf der Sekundärseite oder einem Windungsschluss.
- T1, 230 V / 9 V, 3 VA: trennt vom Netz und setzt die Spannung herab. Die 9 V sind der Effektivwert bei Nennlast.
- D1, 1N4007: lässt nur die positive Halbwelle durch. Die Kathode (Ring) zeigt zum Elko.
- C1, 1000 μF / 25 V: der Ladeelko. Er lädt sich in den Spitzen auf und versorgt die Last, solange die Diode sperrt. Der Pluspol liegt an der Kathode von D1.
- Last, 50 mA: zum Beispiel ein 78L05 mit einer kleinen Mikrocontroller-Schaltung.
So funktioniert die Schaltung
Positive Halbwelle. Die Trafospannung steigt. Sobald sie die Elkospannung um die Flussspannung der Diode übersteigt, leitet D1 und lädt C1 nach. Der Elko folgt der Trafospannung bis zum Scheitel, abzüglich etwa 0,9 V an der Diode.
Nach dem Scheitel. Die Trafospannung fällt schneller, als der Elko sich entlädt. D1 sperrt, und die Last zieht ihren Strom allein aus C1. Die Spannung sinkt mit ΔU/Δt = I/C, also linear.
Negative Halbwelle. Die Diode sperrt weiter. Jetzt liegt an ihr die größte Sperrspannung: Die Kathode hält der Elko auf etwa +11 V, die Anode zieht der Trafo auf −12,7 V. D1 muss also fast die doppelte Scheitelspannung aushalten.
Erst in der nächsten positiven Halbwelle, 20 ms nach dem letzten Nachladen, holt die Trafospannung den Elko wieder ein. Die Ausgangsspannung sägt also einmal pro Netzperiode auf und ab, die Brummspannung hat 50 Hz. Wie kurz die Diode dabei leitet, zeigt der Verlauf:
Ohne Elko (braune Kurve) bekäme die Last nur Halbwellenbögen mit dem Gleichrichtwert von 0,45 · Ueff. Erst der Ladeelko macht daraus eine brauchbare Gleichspannung nahe dem Scheitelwert. Wie sich ein Kondensator dabei lädt und entlädt, steht unter Kondensator an Gleichspannung.
Dimensionierung
Ziel: 50 mA Laststrom, höchstens 1 V Brummspannung, Trafo mit 9 V Effektivwert.
1. Scheitelspannung. Der Effektivwert einer Sinusspannung ist um √2 kleiner als der Scheitel:
Beim Nachladen fließen gut 1 A durch die Diode; der 1N4007 hat dann etwa 0,9 V Flussspannung. Am Elko bleiben im Scheitel:
2. Ladeelko. Zwischen zwei Nachladungen vergeht fast eine ganze Periode T = 1/f = 20 ms. In dieser Zeit entnimmt die Last die Ladung I · T:
Die Formel rechnet mit vollen 20 ms Entladezeit und liegt damit auf der sicheren Seite; die exakte Rechnung im Diagramm ergibt 0,94 V. Die Spannung pendelt zwischen 11,8 V und 10,9 V, der Mittelwert liegt bei 11,3 V.
3. Spannungsfestigkeit des Elkos. Mit 10 % Netzüberspannung erreicht der Scheitel 1,1 · 12,73 V − 0,9 V = 13,1 V. Kleine Trafos liefern bei Teillast aber spürbar mehr als ihre Nennspannung, ein 3-VA-Typ leicht 20 bis 30 %. Nimm deshalb 25 V statt 16 V.
4. Sperrspannung der Diode. In der negativen Halbwelle liegen Elko- und Trafospannung in Reihe an D1: rund 2 · Û, mit Reserve also etwa 30 V. Der 1N4007 sperrt 1000 V; schon der 1N4001 mit 50 V würde reichen, kostet aber dasselbe.
5. Diodenstrom. Der mittlere Strom durch D1 ist der Laststrom, 50 mA. Weil die Diode nur 1,3 ms von 20 ms leitet, fließt in dieser Zeit ein Vielfaches davon. Den Leitwinkel liefert der Kosinus:
Mit idealer Quelle erreicht der Strom 1,6 A. Ein echter 3-VA-Trafo hat einige Ohm Wicklungswiderstand, der die Spitze auf einige hundert Milliampere begrenzt und die Leitdauer streckt.
Gleichrichter und Siebkondensator
- Scheitelwert am Trafo
- 16,97 V
- Leerlauf am Elko
- 15,57 V
- Gleichspannung mit Last
- 15,07 V
- Tiefster Wert
- 14,57 V
- Brummfrequenz
- 100 Hz
- Kapazität rechnerisch
- 10 mF
- Elko nach E6
- 10 mF
- Elko-Nennspannung (mind. 17,27 V)
- 25 V
- Sperrspannung Dioden ≥
- 18,67 V
- Nachladen je Halbwelle
- 1,15 ms
- Diodenstrom beim Nachladen ≈
- 8,72 A
Û = √2 · Ueff; Uleer = Û − n · UF (zwei Dioden im Strompfad); C = I / (fBr · UBr) mit fBr = 2 · f; UDC ≈ Uleer − UBr/2. Die Formel nimmt an, dass der Elko die ganze Brummperiode lang entladen wird – das liegt auf der sicheren Seite. Spannungsfestigkeit für Netz +10 % im Leerlauf; kleine Trafos liefern ohne Last zusätzlich 10 bis 25 % mehr als ihre Nennspannung, das steht im Datenblatt. Den Trafo legst du für deutlich mehr Effektivstrom aus als den Gleichstrom – Faustwert 1,8 · I. Der Diodenstrom beim Nachladen ist ein Mittelwert für eine ideale Quelle; die Spitzen liegen höher, Wicklungswiderstand und Streuinduktivität flachen sie ab.
Bauteilliste
| Bezeichner | Wert/Typ | Hinweis |
|---|---|---|
| F1 | 50 mA träge, 5 × 20 mm | im Sicherungshalter, auf der Netzseite |
| T1 | 230 V / 9 V, 3 VA | Printtrafo mit Doppelkammer-Spulenkörper |
| D1 | 1N4007 | 1 A, 1000 V, DO-41; Ring = Kathode |
| C1 | 1000 μF / 25 V | Elko, 105 °C, Rastermaß 5 mm |
| Last | 78L05 + Schaltung | 50 mA |
Varianten
Negative Spannung. Drehst du Diode und Elko um, entsteht eine negative Spannung gegen Masse. So gewinnt man aus derselben Wicklung zusätzlich eine kleine Minusspannung für einen Operationsverstärker.
Zweiweg statt Einweg. Ab etwa 100 mA ist ein Zweiweggleichrichter die bessere Wahl. Der Brückengleichrichter mit Glättung braucht bei gleicher Brummspannung nur den halben Elko und belastet den Trafo gleichmäßig. Hat der Trafo eine Mittelanzapfung, geht es auch mit zwei Dioden: Mittelpunktgleichrichter.
Spannung verdoppeln. Mit einer zweiten Diode und einem zweiten Elko holst du aus derselben Wicklung fast die doppelte Spannung: Spannungsverdoppler.
Spitzenwertgleichrichter. Mit kleinem Kondensator und hochohmiger Last misst die Schaltung die Amplitude eines Wechselsignals, etwa im HF-Tastkopf. Für kleine Signale ohne den Verlust der Flussspannung gibt es den Präzisionsgleichrichter mit Operationsverstärker.
Im Schaltnetzteil. Am Ausgang eines Sperrwandlers sitzt ebenfalls nur eine Diode. Bei 100 kHz genügen wenige Mikrofarad, die Diode muss aber schnell sein: Schottky statt 1N4007.
Typische Fehler
- Elko verpolt: Der Pluspol gehört an die Kathode von D1. Verkehrt herum wird er heiß, bläht sich auf und kann platzen.
- Zu viel Strom: Der Gleichstromanteil der Halbwellen magnetisiert den Trafokern vor. Bei großen Lasten wird der Trafo heiß und die Spannung bricht ein. Über 100 mA gehört ein Zweiweggleichrichter hin.
- Brumm größer als gedacht: Mit dem Oszilloskop im AC-Modus am Elko messen. 50 Hz Brumm ist hier normal; mit dem Multimeter siehst du ihn nicht.
- Spannung ohne Last viel zu hoch: Kein Fehler, sondern das Verhalten kleiner Trafos plus Scheitelwert. Ein 9-V-Trafo liefert unbelastet oft 14 V und mehr am Elko. Elko und nachfolgenden Regler danach auswählen.
- Diode zu schwach für die Sperrspannung: Wer nur Û statt 2 · Û ansetzt, wählt bei höheren Spannungen eine zu schwache Diode.
Selbsttest
Warum ist die Brummspannung doppelt so groß wie beim Brückengleichrichter mit gleichem Elko?
Der Einweggleichrichter lädt nur einmal pro Periode nach, der Elko muss 20 ms statt 10 ms überbrücken.
Welche Sperrspannung muss D1 bei einem 12-V-Trafo mindestens aushalten?
Etwa 2 · √2 · 12 V ≈ 34 V, mit 10 % Netzreserve rund 37 V.
Wie groß muss C sein, wenn 20 mA bei 0,5 V Brumm fließen sollen?
C = 20 mA / (50 Hz · 0,5 V) = 800 μF, gewählt 1000 μF.
Warum fließt durch die Diode viel mehr als der Laststrom?
Sie leitet nur kurz in der Nähe des Scheitels und muss in dieser Zeit die gesamte Ladung einer Periode nachliefern.
Was misst du mit dem Multimeter (DC) am Elko ohne Last bei einem 9-V-Trafo?
Ungefähr den Scheitelwert minus Flussspannung, also mindestens 11,8 V, bei einem kleinen Trafo eher 14 bis 16 V.