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Grundlagen: Gleichrichtung von Digitalsignalen

Oszillogramm 2

Bei digitalen Modellbahnsteuerungen werden hochfrequente Rechteckspannungen (nachfolgend Digitalspannung genannt) auf das Gleis ausgegeben, wobei der Begriff "hochfrequent" zumindest im Vergleich zu 50 Hz Netzfrequenz gilt. Für zahlreiche elektronische Schaltungen, z. B. Decoder, Innenbeleuchtung, Bremsmodule, usw., ist es erforderlich, die Digitalspannung gleichzurichten. Aufgrund des Frequenzbereichs treten hier Effekte auf, die bei der Auswahl der Gleichrichterdioden zu berücksichtigen sind.

Testaufbau

Als digitale Zentraleinheit dient die gute alte Märklin 6021 Central Unit ("CU"). An den Schienenausgang ("B" und "0") wird zunächst ein 100-Ω-Widerstand (4 W Leistung) als alleinige ohmsche Last angeschlossen. Der Spannungsverlauf am Widerstand wird mit einem Oszilloskop aufgezeichnet.

Hier ein Schaltbild des Versuchsaufbaus:
Mess-Schaltung 3

Am Oszilloskop ist folgendes Bild zu sehen:
Oszillogramm 3
Dieses Bild als Bild3.pdf.

Gemäß dem Märklin-Motorola-Format für Loksignale sind Rechteckimpulse mit 26 µs Dauer (oder Vielfachen davon) zu sehen. Eine Rechteckperiode von 2 × 26 µs entspricht 19,2 kHz.

Gleichrichtung mit "normaler" Diode 1N4004

Der zuvor verwendete Testaufbau wird um eine Diode zur Einweggleichrichtung erweitert. Als Diode wird eine allgemein übliche Gleichrichterdiode vom Typ 1N4004 verwendet. Der Spannungsverlauf am Widerstand wird wieder mit einem Oszilloskop aufgezeichnet. Zu erwarten wäre, dass nun nur noch die negativen Spannungsanteile verbleiben.

Hier wieder ein Schaltbild des Versuchsaufbaus:
Mess-Schaltung 1

Am Oszilloskop ist folgendes Bild zu sehen:
Oszillogramm 1
Dieses Bild als Bild1.pdf.

Neben den erwarteten negativen Spannungsanteilen sind auch unerwartete "Überschwinger" zu sehen. Offensichtlich unterbindet die Diode nicht sofort den Stromfluss in Sperrrichtung, sondern erst mit einer gewissen Verzögerung und lässt für eine gewisse Zeit noch einen nennenswerten Strom in Sperrrichtung fließen. Man bezeichnet diesen Effekt als Sperrverzug, messtechnisch ausgedrückt durch die Sperrverzugszeit (engl. reverse recovery time).

Die Diode ist also eigentlich kein Gleichrichter, sondern zwischendurch auch ein "Falschrichter".

Bezogen auf den 26 µs kurzen Rechteckimpuls macht dieser falsche Stromfluss einen nennenswerten Anteil aus.

Gleichrichtung mit "ultraschneller" Diode UF4004

Im zuvor verwendeten Testaufbau wird die Diode vom Typ 1N4004 ersetzt durch den Typ UF4004. Dies ist eine ultraschnelle Gleichrichterdiode. Der Spannungsverlauf am Widerstand wird wieder mit einem Oszilloskop aufgezeichnet. Zu erwarten ist wieder, dass nur noch die negativen Spannungsanteile verbleiben.

Hier wieder ein Schaltbild des Versuchsaufbaus:
Mess-Schaltung 2

Am Oszilloskop ist folgendes Bild zu sehen:
Oszillogramm 2
Dieses Bild als Bild2.pdf.

Nun sind - wie erwartet - nur die negativen Spannungsanteile zu sehen. Offensichtlich unterbindet die Diode quasi sofort den Stromfluss in Sperrrichtung und lässt keinen Strom mehr in Sperrrichtung fließen.

Diese UF4004 Diode ist wirklich ein Gleichrichter.

Fazit

Für Gleichrichterzwecke an Digitalspannung sind ultraschnelle Dioden empfehlenswert. Bei gewöhnlichen Gleichrichterdioden führt deren Sperrverzug zu einem merklichen Stromfluss in ungewünschter Richtung. Die möglichen negativen Folgen sind zusätzliche Verlustleistung, unerwünschtes Schaltungsverhalten, Beschädigung von Bauteilen beispielsweise durch Verpolung von Elektrolyt-Kondensatoren (Elkos).

Für Digitalspannung geeignete, schnelle Dioden sind beispielsweise:

Quellen und Referenzen

Die Dioden UF400x, SB1x0, UF540x, SB3x0 gibts beispielsweise günstig bei Reichelt.

Datenblätter zu den hier genannten Dioden findet man z. B. bei Diotec. Dort gibt es auch eine Übersichtstabelle bedrahteter Dioden.

Noch detaillierter wurden die Schaltzeiten von Dioden messtechnisch untersucht auf dieser engl. Webseite.