Modellbahn-Elektronik

Dioden und Gleichrichter

Die am Schluss der Seite über Halbleiter beschriebene Zusammenführung zweier unterschiedlich dotierter Halbleiter ergibt eine elektrische Einbahnstraße: die Diode. In Flussrichtung setzt die Diode dem Strom so gut wie keinen Widerstand entgegen, in Gegenrichtung, Sperrrichtung genannt, wirkt sie wie ein Isolator

Dioden für den Modellbahnbetrieb

Es gibt Dioden für unterschiedliche Betriebsspannungen und unterschiedlich hohe Stromstärken, die sie vertragen. Die für Modellbauzwecke typischen sind folgende Typen:

Zener-Dioden

Eine Sonderkonstruktion stellt die Zener-Diode dar. Sie unterscheidet sich von anderen Dioden dadurch, dass sie beim Betrieb in Sperrrichtung ebenfalls bis zum Erreichen einer Sperrspannung undurchlässig bleibt, beim den Stromfluss allerdings passieren lässt, ohne bei diesem Durchbruch zerstört zu werden. Unterschreitet die anliegende Spannung die Durchbruchspannung, sperrt die Zener-Diode wieder.

Man setzt Zener-Dioden zur Schaltung antiparallel geschaltet als Schutzmechanismen ein, wenn nicht genau vorhergesagt werden kann, wie hoch eine die Schaltung erreichende Spannung sein wird, aber ein bestimmter Wert nicht überschritten werden darf. Das ist im Modellbahnbereich immer dann der Fall, wenn die Fahrspannung zur Versorgung einer Schaltung herangezogen wird. Dann fängt die Zener-Diode den zu hohen Spannungsanteil ab und schließt ihn kurz.
Zener-Dioden werden mit ZD, gefolgt vom Wert der Durchbruchspannung angeboten.

Äußerlich unterscheiden sich Zenerdioden nicht von einfachen Dioden. Zur Verdeutlichung in Schaltplänen wird ein angewandeltes Schaltzeichen verwendet.

Mehrere Dioden in einem Gehäuse

Zwei in Reihe hintereinander geschaltete Dioden mit Mittenabgriff eignen sich hervorragend zum Sortieren von Eingangssignalen: Vom Mittenanschluss gehen positive Signale zum einen, negative zum anderen Anschluss.

Brückengleichrichter

Gleich vier Dioden ergeben einen Brückengleichrichter, auch »Graetz-Brücke« genannt, der eine Wechselspannung quasi verlustfrei (abgesehen von den 0,6 V Spannungsabfall) in eine Plus- und eine Minusphase aufteilt.

Wechselspannung wechselt ihre Polarität zyklisch – und das ist wörtlich zu nehmen. Es ist also nicht so, dass fünfzig Mal in der Sekunde ein harter Wechsel erfolgt, sondern die Übergänge sind fließend.

Dieser Kurvenverlauf ist mit Geometrie-Grundkenntnissen einleuchtend: Der Generator dreht sich, dabei wird die Spannung erzeugt. Jede Kreisbewegung wird auf die Zeitachse bezogen zur Sinuskurve, so auch der Polaritätswechsel der Spannung.

Diese Kurven haben nach einer fünfzigstel Sekunde eine Sinus-Phase durchlaufen und weisen einhundert Mal in den Sekunde einen Nulldurchgang auf.

Im Transformator wird nur die Spannungshöhe, also die Amplitude der Sinuskurve verändert. Auch die reduzierte Spannung bleibt eine Wechselspannung (Sinuskurve) mit 50 Durchläufen pro Sekunde. Wenn Sie den Trafo mit 230 V aus der Steckdose beschicken, ist das eine Amplitude von ±115 V. Auf der Sekundärseite finden Sie vielleicht 14 V vor, das ist eine Amplitude von ±7 V, aber sie schwingt weiter mit 50 Hz und geht alle 1/100 Sekunde durch null.

Den Modellbahntrafo verlässt also eine Wechselspannung, die für Beleuchtung (außer LED) und Magnetantriebe direkt genutzt werden kann. Sobald Gleichstrommotoren und Halbleiter ins Spiel kommen, benötigen wir aber Gleichspannung; die Ausgangsspannung des Trafos muss dafür gleichgerichtet werden.

Setzen wir in die Zuleitung von unserer Wechselspannungsquelle eine Diode, kommt aus ihr nur die positive oder negative Hälfte der Wechselspannung heraus – welche, richtet sich nach der Richtung, in der die Diode eingebaut wurde. Die gegenpolige Phase wird nicht durchgelassen.

Effizienter ist ein Brückengleichrichter, bei dem vier Dioden so zusammengeschaltet sind, dass beide Wechselstromphasen richtig zu den Ausgangspolen gelangen. Bei einer Wechselspannung an beiden Eingängen des Brückengleichrichters wird die Ausgangsspannung zwar nach Polung sortiert, sie pulsiert jedoch weiter, nur eben nicht mehr wechselseitig.

An einer Gleichstromquelle wird das deutlich: Egal wie herum die Batterie an die ~ Eingänge des Brückengleichrichters angeschlossen wird, aus den beiden Anschlussbuchsen kommt immer dieselbe Polung heraus, plus an rot und minus an braun.

Die Graetz-Brücke

Brückengleichrichter aus vier Dioden gibt es als fertiges Bauteil in unterschiedlichen Ausprägungen zu kaufen. Sie finden auf Gleichrichtern neben Angaben zur Polung der Anschlüsse regelmäßig alphanumerische Bezeichnungen, bestehend aus zwei Buchstaben und drei Zahlen, z.B. B40C1500/1000. Die erste Zahl gibt die höchste zulässige Spannung in Volt an, die zweite den Spitzenwert an Strom, den der Gleichrichter kurzzeitig oder auf Dauer mit Kühlung verkraften kann (in mA), und die dritte die für ungekühlten Dauerbetrieb zulässige Stromstärke (ebenfalls in mA). Der im vorstehenden Beispiel genannte Brückengleichrichter ist also für die Gleichrichtung von Wechselspannungen bis 40 V geeignet und verträgt mit zusätzlichem Kühlblech 1,5 A, ohne Kühlung nur 1 A.

Dioden zum Entkoppeln einsetzen (Diodenmatrix)

Die Einbahn-Eigenschaft bietet noch mehr: Mit ihr lassen sich mehrere Schalter oder Eingänge verbinden und zugleich verhindern, dass sie sich gegenseitig beeinflussen.

Im Bild rechts sehen Sie eine simple Situation zweier Lampen mit jeweils eigenem Schalter. Der obere Schalter schaltet die obere Lampe ein, der untere Schalter die untere Lampe. So weit, so simpel.

Wollen Sie jedoch, dass die obere Lampe immer dann leuchtet, wenn einer der beiden Schalter AN ist, die untere aber nur auf den unteren Schalter reagiert, wird es komplizierter. Ein Doppelschalter unten wäre nur die zweitbeste Lösung.

Besser ist eine mit Hilfe einer Diode entkoppelte Verbindung beider Schalterausgänge. Ist nur der untere Schalter geschlossen, fließt Strom durch die Diode auch durch die obere Lampe. Ist nur der obere Schalter geschlossen, kann über die Verbindung dank der sperrenden Diode kein Strom fließen, die untere Lampe bleibt dunkel.

Für handgeschaltete Verbraucher ist die Situation damit geklärt, nicht jedoch, wenn die Lampen mittels elektronischer Schaltungen betrieben werden. Dann muss verhindert werden, dass die Spannung vom unteren Eingang via Diode in den Ausgang der oberen Steuerschaltung zurückschlägt. Eine zusätzliche Diode schützt den Ausgang der oberen Schaltung.

Solche Situationen kommen häufig vor, nicht nur im Modellbetrieb und nicht nur für so einfache Fälle. Im Praxisteil werden Sie öfter auf kompliziertere Entkopplungen stoßen, die Diodenmatrix genannt werden, zum Beispiel bei Fahrstraßen oder wie rechts im Bild ein Beispiel aus der Steuerung von Formsignalen.