Mittelpunktgleichrichter

Der Mittelpunktgleichrichter nutzt beide Halbwellen, kommt aber mit zwei Dioden aus. Der Trick steckt im Trafo: Seine Sekundärwicklung hat eine Mittelanzapfung, die als Masse dient. Die beiden Wicklungsenden führen gegenphasige Spannungen; in jeder Halbwelle ist eines davon positiv und lädt über seine Diode den Elko. Die Normbezeichnung lautet Zweipuls-Mittelpunktschaltung M2U.

Gegenüber dem Brückengleichrichter liegt im Strompfad immer nur eine Diode statt zwei. Das spart gut einen halben Volt bis ein Volt und die Verlustleistung einer Diode – bei niedrigen Ausgangsspannungen ein echter Vorteil. Deshalb findest du die Schaltung in 5-V-Netzteilen mit großem Strom, an den Ausgängen von Durchfluss- und Gegentaktwandlern und überall dort, wo ohnehin ein Trafo mit Mittelanzapfung vorhanden ist. Der Preis: Jede Wicklungshälfte arbeitet nur in jeder zweiten Halbwelle, der Trafo wird schlechter ausgenutzt.

Schaltplan

• F1, 125 mAT: träge Netzsicherung. Der Trafo nimmt bei Volllast etwa 60 mA auf, beim Einschalten kurz ein Vielfaches.
• T1, 230 V / 2 × 9 V, 18 VA: zwei gleiche Sekundärwicklungen in Reihe, der Verbindungspunkt ist die Mittelanzapfung und bildet die Masse. Jede Hälfte darf 1 A effektiv führen.
• D1, D2, 1N5822: Schottky-Dioden mit 3 A und 40 V. Sie haben weniger Flussspannung als Siliziumdioden. Die Kathoden liegen zusammen am Pluspol.
• C1, 4700 μF / 25 V: Ladeelko, überbrückt die 10 ms zwischen zwei Nachladungen.
• Last, 0,5 A: zum Beispiel ein Festspannungsregler 7808 auf Kühlkörper.

So funktioniert die Schaltung

Miss beide Wicklungsenden gegen die Mittelanzapfung, dann siehst du zwei Sinusspannungen mit je 9 V Effektivwert, um 180° gegeneinander verschoben.

Positive Halbwelle. Das obere Ende ist positiv. Sobald seine Spannung den Elko um die Flussspannung überholt, leitet D1 und lädt C1 nach. Der Strom fließt vom oberen Wicklungsende über D1, C1 bzw. die Last zur Masse und von dort in die Mittelanzapfung zurück. D2 sperrt, denn das untere Ende ist gerade negativ.

Negative Halbwelle. Jetzt ist das untere Ende positiv, D2 übernimmt, D1 sperrt. Der Strom fließt durch die untere Wicklungshälfte in derselben Richtung durch die Last.

Damit wird der Elko 100-mal pro Sekunde nachgeladen statt 50-mal wie beim Einweggleichrichter. Er muss nur 10 ms überbrücken, die Brummspannung halbiert sich bei gleicher Kapazität.

Sperrspannung. Leitet D1, liegt die Kathode von D2 auf der Elkospannung, ihre Anode auf dem negativen Scheitel der unteren Hälfte. Jede Diode sperrt deshalb fast die doppelte Scheitelspannung einer Wicklungshälfte – genau wie beim Einweggleichrichter, aber doppelt so viel wie in der Brücke.

Dimensionierung

Ziel: 0,5 A Laststrom, rund 1 V Brummspannung, Trafo 2 × 9 V.

1. Scheitelspannung. Je Wicklungshälfte gilt Û = √2 · 9 V = 12,73 V. Bei einigen Ampere Spitzenstrom hat der 1N5822 etwa 0,6 V Flussspannung, eine Siliziumdiode wie der 1N5401 dagegen 1 V. Am Elko bleiben:

2. Ladeelko. Die Brummfrequenz ist f_Br = 2 · 50 Hz = 100 Hz:

Der nächste Normwert ist 4700 μF. Damit wird die Brummspannung 0,5 A / (100 Hz · 4,7 mF) = 1,06 V, das ist noch in Ordnung. Die Gleichspannung liegt im Mittel bei etwa 12,13 V − 0,53 V ≈ 11,6 V.

3. Was der reale Trafo daraus macht. Die 9 V gelten bei Nennlast. Bei Teillast liefert ein 18-VA-Trafo eher 10 V, dafür kostet sein Wicklungswiderstand unter Strom etwas Spannung. Beides zusammen ergibt im Diagramm 12,0 V im Mittel und 0,76 V Brumm. Die Faustformel liegt also auf der sicheren Seite.

4. Elko-Nennspannung. Im Leerlauf und mit 10 % Netzüberspannung: 1,1 · √2 · 10 V − 0,6 V ≈ 15 V. Ein 16-V-Elko wäre knapp, nimm 25 V.

5. Sperrspannung. Jede Diode sieht bis zu 2 · 1,1 · √2 · 10 V ≈ 31 V. Der 1N5822 sperrt 40 V – das reicht, aber mit wenig Reserve. Bei einem Trafo mit 2 × 12 V wären es schon 41 V; dann nimmst du einen 1N5401 (100 V) oder eine Schottky-Diode mit 60 V.

6. Diodenstrom. Jede Diode trägt im Mittel die Hälfte des Laststroms, 0,25 A, in Pulsen von etwa 3 ms Dauer und 2,5 A Spitze.

Bauteilliste

Varianten

Symmetrische Versorgung. Mit zwei weiteren Dioden in umgekehrter Richtung und einem zweiten Elko gewinnst du aus derselben Wicklung zusätzlich −12 V. Das sind dann vier Dioden an einer Mittelanzapfung – im Grunde ein Brückengleichrichter, dessen Mittelpunkt die Masse ist. So werden die ±15 V für Operationsverstärker erzeugt.

Brücke an einer Wicklung. Hat der Trafo nur eine Wicklung, nimmst du den Brückengleichrichter mit Glättung. Er nutzt die Wicklung in beiden Halbwellen voll, verliert aber eine zweite Flussspannung.

Niedrige Spannung, großer Strom. Bei 5 V und 5 A fallen an zwei Siliziumdioden in Reihe fast 2 V ab, an einer Schottky-Diode 0,5 V. Hier ist die Mittelpunktschaltung mit Schottky-Dioden klar besser; die Doppeldiode im TO-220 mit gemeinsamer Kathode, etwa MBR2045CT, ist genau dafür gebaut.

Danach stabilisieren. Hinter den Elko gehört meist ein Regler: Festspannungsnetzteil mit 78xx oder Labornetzteil mit LM317.

Typische Fehler

• Mittelanzapfung verwechselt: Bei Trafos mit zwei getrennten Wicklungen musst du Ende der ersten mit Anfang der zweiten verbinden. Verbindest du zwei Anfänge, heben sich die Spannungen auf – an den Enden misst du 0 V statt 18 V. Kontrolle: Zwischen den äußeren Enden müssen 18 V anliegen.
• Diode verpolt: Dreht man eine Diode um, schließt sie in ihrer Halbwelle die Wicklung über die andere Diode kurz. Die Sicherung fliegt oder der Trafo wird heiß.
• Eine Diode defekt (offen): Die Schaltung läuft weiter, aber als Einweggleichrichter: Der Brumm verdoppelt sich und hat 50 statt 100 Hz. Mit dem Oszilloskop am Elko erkennst du das sofort am Abstand der Ladespitzen.
• Sperrspannung unterschätzt: Wer nur die Scheitelspannung einer Hälfte ansetzt, wählt eine Diode mit halber Festigkeit. Schottky-Dioden sind dafür besonders anfällig, weil es sie meist nur bis 40 oder 60 V gibt.
• Trafo zu klein: Wer die Trafoleistung aus der Gleichstromleistung ableitet, liegt um den Faktor zwei daneben. Die Wicklungen werden heiß und die Spannung sinkt.

Selbsttest