Door S. Hussain Ather
Bijgewerkt op 24 maart 2022

Elektrische energie kan grote afstanden afleggen in de vorm van wisselstroom (AC), maar veel apparaten, zoals laptops, televisies en industriële apparatuur, hebben gelijkstroom (DC) nodig. Gelijkrichters zijn de belangrijkste componenten die deze conversie uitvoeren en ervoor zorgen dat het juiste type stroom elk apparaat bereikt.

Bruggelijkrichter en gelijkrichterdiode

De kernfunctie van een gelijkrichter is het omzetten van AC in DC. Dit wordt bereikt door gebruik te maken van een enkele gelijkrichtdiode of een meer geavanceerde bruggelijkrichteropstelling. Beide zijn gebaseerd op hetzelfde halfgeleiderprincipe:de p-n-overgang, waarbij een p-type materiaal (positief geladen) een n-type materiaal (negatief geladen) ontmoet. Door dit knooppunt kan de stroom slechts in één richting stromen, waardoor het wisselsignaal effectief wordt ‘gelijkgericht’.

Bruggelijkrichters bestaan uit vier diodes die in een Wheatstone-brugconfiguratie zijn gerangschikt. Ze werken in twee modi:

• Halve golf gelijkrichting: Slechts de helft van de AC-golfvorm mag passeren.
• Volledige gelijkrichting: Beide helften van de golfvorm worden gebruikt, waardoor de effectieve uitgangsspanning wordt verdubbeld in vergelijking met werking met een halve golf.

Het voordeel van een bruggelijkrichter is een hogere uitgangsspanning en een vloeiender DC-signaal. Het nadeel is het gebruik van vier diodes, waardoor een cumulatieve spanningsval ontstaat (typisch 2×0,7V ≈ 1,4V voor siliciumdiodes) die het uiteindelijke DC-niveau verlaagt.

Silicium- en germaniumdiodes

Ingenieurs geven voor de meeste toepassingen de voorkeur aan siliciumdiodes boven germanium, omdat silicium hogere temperaturen verdraagt en tegen lagere kosten kan worden vervaardigd. De belangrijkste elektrische kenmerken zijn onder meer:

• Voorwaartse spanning van siliciumdiode ≈0,7V.
• Voorwaartse spanning van de germaniumdiode ≈0,3V.

Deze diodes fungeren als elektrische schakelaars:wanneer ze in voorwaartse richting zijn voorgespannen, vloeit er stroom; bij spervoorspanning blokkeert de junctie de stroom. Dit gedrag is van cruciaal belang bij het omzetten van de oscillerende wisselstroom in een stabiele gelijkstroompuls.

Halfgolfgelijkrichtercircuit

Een halfgolfgelijkrichter gebruikt een enkele diode om alleen de positieve helft van de AC-golfvorm door een belastingsweerstand te laten gaan. De stroom door de weerstand volgt de wet van Ohm:

\(V =IR\)

Tijdens de negatieve halve cyclus is de diode in sperrichting ingesteld en vloeit er geen stroom, waardoor de uitgangsspanning naar nul daalt. Het resultaat is een pulserend DC-signaal met een duty-cycle van 50%.

Volgolfgelijkrichtercircuit

Dubbelfasige gelijkrichters maken gebruik van vier diodes in brugopstelling. Wanneer de AC-ingang positief is, vloeit de stroom door diodes D1 en D2; wanneer de ingang negatief is, schakelt het pad naar D3 en D4. De belastingsweerstand ziet dus een continue, unidirectionele stroom. De gemiddelde uitgangsspanning is ongeveer twee keer zo hoog als die van een halfgolfgelijkrichter, en de RMS-spanning (root mean square) is √2 keer zo hoog, wat zorgt voor een soepelere DC-voeding.

Gelijkrichtercomponenten en toepassingen

Hoewel de meeste huishoudelijke apparaten op wisselstroom werken, hebben veel apparaten, zoals laptops en voedingen, gelijkstroom nodig. Moderne laptopladers maken gebruik van een Switched-Mode Power Supply (SMPS), die een gelijkrichter, een oscillator en filtercomponenten combineert om hoogspanningswisselstroom efficiënt om te zetten in laagspanningsgelijkstroom. SMPS-eenheden bevatten vaak pulsbreedtemodulatie om de spanning en stroom nauwkeurig te regelen.

Extra filtering wordt bereikt met elektrolytische condensatoren, waarvan de capaciteit doorgaans varieert van 10 µF tot enkele duizenden µF, waardoor de rimpel in de DC-uitgang wordt afgevlakt. Voor toepassingen met hoog vermogen zorgen transformatoren in combinatie met thyristors (siliciumgestuurde gelijkrichters) voor verdere spanningsregeling en isolatie.

Gebruik van gelijkrichtersystemen

Gelijkrichters zijn een integraal onderdeel van een breed scala aan technologieën:

• Soldeerbouten: Gebruik halfgolfgelijkrichting om stroom in één richting te leveren.
• Elektrisch lassen: Gebruik bruggelijkrichters om stabiele, gepolariseerde gelijkstroom te leveren.
• AM-radio: Detecteer amplitudevariaties met behulp van halfgolfgelijkrichting.
• Pulsgeneratoren: Produceer rechthoekige pulsen voor digitale circuits.
• Voedingscircuits: Converteert AC naar DC voor consumentenelektronica, waarbij vaak bruggelijkrichters worden gebruikt voor een hoger rendement.

Door AC efficiënt en betrouwbaar om te zetten in DC, zorgen gelijkrichters ervoor dat moderne elektronica soepel kan functioneren in diverse energieomgevingen.