Gelijkrichter

Zonder gelijkrichter staat de moderne techniek in de bouw stil. De netspanning uit de wandcontactdoos levert wisselstroom die vijftig keer per seconde van richting verandert, maar gevoelige elektronica zoals LED-drivers, gebouwbeheersystemen en acculaders van elektrisch gereedschap eisen een constante stroomrichting. De gelijkrichter fungeert hierbij als een verzameling elektronische terugslagkleppen. Diodes blokkeren de stroomvloei in de ongewenste richting of klappen de negatieve fase om naar een positieve. Wat overblijft is een pulserend signaal. Dit ruwe signaal is vaak nog niet stabiel genoeg voor direct gebruik; condensatoren en filters in de schakeling moeten de rimpel uit de spanning strijken om een vlakke lijnspanning te garanderen voor de aangesloten verbruikers.

De fysieke omzetting van wisselstroom naar gelijkstroom begint bij de diode. Deze halfgeleider fungeert als een elektronisch eenrichtingsverkeerbord. In de meest basale vorm, de enkelfasige gelijkrichting, wordt de negatieve helft van de sinusgolf botweg afgekapt, wat resulteert in een aanzienlijk energieverlies en een zeer onrustig signaal. In de installatietechniek en bij de fabricage van voedingen prefereert men daarom vrijwel altijd de dubbelzijdige gelijkrichting via een diodebrug, technisch bekend als de Graetz-schakeling.

Vier diodes werken hierin samen. Ze sturen de stroomrichting aan de uitgangszijde zo dat deze constant blijft, ongeacht de polariteit van de ingang. De stroom pulseert nog steeds krachtig. Het is nog geen strakke lijn. Na deze brugschakeling vindt de afvlakking plaats. Condensatoren fungeren hierbij als tijdelijke opslagvaten die energie bufferen tijdens de spanningspieken en deze weer afgeven zodra de spanning daalt. De resterende variatie, de rimpelspanning, bepaalt de uiteindelijke zuiverheid van de DC-voeding.

Bij zwaardere industriële toepassingen, denk aan frequentieregelingen voor zware pompen of liftinstallaties, wordt dit proces vaak over drie fasen gespreid. Dit levert een veel stabieler basisstation op. De diodes vangen de opeenvolgende fasen op, waardoor de gaten tussen de pulsen kleiner zijn en de elektronica minder moeite hoeft te doen om een constante lijnspanning te handhaven.

Niet elke omzetting is gelijk. De eenvoudigste vorm is de enkelzijdige gelijkrichter. Hierbij doet een enkele diode het werk, maar het rendement is laag omdat de helft van de sinusgolf simpelweg wordt geblokkeerd. In de praktijk van de installatietechniek is dit zelden voldoende. Voor serieuzer werk grijpt men naar de dubbelzijdige gelijkrichter, vaak aangeduid als de brugcel of Graetz-schakeling. Door de inzet van vier diodes wordt de volledige wisselstroomgolf benut. De negatieve uitschieters worden omgeklapt naar de positieve zijde.

Bij grotere vermogens, zoals in industriële aandrijvingen of zware acculaadstations, volstaat enkelfasige voeding niet. Hier wordt de driefasengelijkrichter toegepast. Door zes diodes te configureren over de drie fasen van het krachtnet, ontstaat een veel constantere gelijkspanning. De rimpel is minimaal. De condensatoren die volgen voor de afvlakking kunnen hierdoor kleiner en lichter blijven.

Het onderscheid tussen passieve en actieve componenten bepaalt de mate van controle over de uitgangsspanning. De standaardvariant is de ongecontroleerde gelijkrichter. Deze maakt gebruik van diodes. Zodra de spanning aan de ingangszijde hoog genoeg is, geleidt de diode; een proces waar de gebruiker geen invloed op heeft. Het is een statisch proces.

Type	Component	Kenmerk
Ongecontroleerd	Diode	Vaste output, robuust, goedkoop.
Gestuurd	Thyristor (SCR)	Regelbaar moment van inschakelen, spanningsregeling mogelijk.
Actief / Synchroon	MOSFET / IGBT	Zeer hoog rendement, minimale warmteontwikkeling.

De gestuurde gelijkrichter gebruikt thyristors in plaats van diodes. Door een stuurpuls te geven aan de 'gate' van de thyristor, kan men exact bepalen wanneer de gelijkrichting begint binnen de fase. Dit is cruciaal voor het regelen van het toerental van gelijkstroommotoren of bij het aansturen van zware verwarmingselementen. De synchrone gelijkrichter is de modernste variant. MOSFET's vervangen hier de diodes om de interne spanningsval te minimaliseren. Dit verhoogt het rendement in compacte voedingen aanzienlijk. Minder hitte. Meer efficiëntie.

De techniek staat nooit stil. In oudere installaties komt men soms nog seleen-gelijkrichters tegen, herkenbaar aan hun grote koelplaten, maar deze zijn technisch achterhaald door de komst van silicium. Voor specifieke toepassingen waarbij snelheid essentieel is, zoals in schakelende voedingen (SMPS), gebruikt men de Schottky-gelijkrichter. Deze diodes schakelen veel sneller dan standaard siliciumdiodes en hebben een lagere drempelspanning. Dit voorkomt energieverlies in de vorm van warmte bij lage werkspanningen.

Acculaders op de bouwplaats

Maandagochtend. De acculader van een zware boorhamer gaat in de zwerfkast. Binnenin de behuizing van de lader transformeert een gelijkrichter de 230V wisselstroom direct naar een eenzijdige stroomrichting voor de lithium-ion cellen. Zonder deze component zou de accu simpelweg niet laden. De wisselende polariteit van het net zou de chemie in de cellen zelfs kunnen beschadigen.

Stabiele LED-verlichting zonder flikkering

Bij de installatie van moderne kantoorverlichting of LED-strips in een koof zijn drivers cruciaal. Een kwalitatieve gelijkrichter in de driver zet de sinusvormige netspanning om naar een strakke DC-lijn. Is de gelijkrichting of de daaropvolgende afvlakking van matige kwaliteit? Dan ontstaat er een hinderlijke 100Hz rimpel. Dit veroorzaakt vermoeidheid bij de eindgebruiker of een zichtbare flikkering op camerabeelden.

Frequentieregelaars in de technische ruimte

In de utiliteitsbouw sturen frequentieregelaars vaak pompen en ventilatoren aan. Dit proces start altijd met gelijkrichting. De drie fasen uit de meterkast worden door een brug van zes diodes gestuurd om een stabiele gelijkspanning te creëren in de zogenaamde tussenkring. Pas vanuit die stabiele basis kan de elektronica weer een nieuwe, variabele frequentie opbouwen om het toerental van de motor nauwkeurig te regelen. De gelijkrichter is hier de poortwachter van de installatie.

Deurbel- en toegangscontrolesystemen

Een klassieke deurbeltransformator levert vaak 8V of 12V wisselspanning. Moderne digitale intercomsystemen met camera en wifi-module kunnen hier niets mee. In de binnenunit zit een kleine gelijkrichterschakeling. Deze maakt van de lage wisselspanning een constante voedingsspanning voor de processor en het display. Compacte elektronica eist nu eenmaal een voorspelbare stroomrichting.

Veiligheid is geen optie in de elektrotechniek. De installatie van gelijkrichters, of de apparatuur waarin zij zijn verwerkt, valt onder de strikte bepalingen van de NEN 1010. Deze norm stelt eisen aan de bescherming tegen elektrische schokken en de juiste dimensionering van de installatie. Bijzondere aandacht gaat hierbij uit naar de lekstromen. Omdat gelijkrichters vaak gepaard gaan met elektronische filtering, kunnen er DC-componenten in de lekstroom optreden. Dit dwingt de installateur vaak tot het toepassen van een aardlekschakelaar van het type B. Een standaard type A herkent deze foutstromen niet altijd. Risicovol voor de eindgebruiker.

Naast de fysieke veiligheid is de elektromagnetische compatibiliteit cruciaal. Gelijkrichters trekken stroom in pulsen en gelden daarom als niet-lineaire belastingen. Dit fenomeen veroorzaakt harmonische vervorming. De Europese EMC-richtlijn (2014/30/EU) en specifieke normen zoals de NEN-EN-IEC 61000-serie begrenzen de mate waarin een apparaat het net mag vervuilen. Voor industriële toepassingen, waarbij grote gelijkrichterbruggen in kasten worden gemonteerd, is de NEN-EN-IEC 61439 leidend voor de constructie van schakel- en verdeelinrichtingen. CE-markering op een component is hierbij de noodzakelijke bevestiging dat het voldoet aan de Laagspanningsrichtlijn en de geldende milieu-eisen. Geen markering betekent geen toegang tot de bouwplaats.

De noodzaak voor gelijkrichting ontstond direct bij de strijd tussen gelijkstroom (DC) en wisselstroom (AC) aan het eind van de 19e eeuw. Terwijl AC het transportnet won, bleven veel industriële processen en vroege liftinstallaties afhankelijk van een constante stroomrichting. De eerste oplossingen waren puur mechanisch. Roterende omvormers, waarbij een wisselstroommotor fysiek een gelijkstroomdynamo aandreef, domineerden de vroege utiliteitsbouw. Groot, luidruchtig en onderhoudsgevoelig. Het was de tijd van vetpotten en koolborstels. In de vroege 20e eeuw verscheen de kwikdampgelijkrichter op het toneel. Deze indrukwekkende glazen of stalen vaten straalden een buitenaards blauw licht uit tijdens bedrijf. Ze fungeerden als de eerste echte statische omzetters voor zware vermogens in de bouwsector en bij de eerste elektrische trams. Geen bewegende delen meer. Toch bleven ze kwetsbaar. Rond 1930 kwamen de seleen-gelijkrichters in zwang, herkenbaar aan hun karakteristieke gestapelde metalen platen die als koellichaam dienden. Deze vroege halfgeleiders waren robuust maar namen veel ruimte in beslag en verloren veel energie als warmte. De echte revolutie voltrok zich na de Tweede Wereldoorlog met de opkomst van de siliciumdiode in de jaren 50. De fysieke omvang van gelijkrichters kromp spectaculair. Apparaten die voorheen een hele kast vulden, pasten plotseling in de palm van een hand. Deze miniaturisatie maakte de weg vrij voor de moderne gebouwautomatisering en de overstap van zware transformatoren naar lichte, schakelende voedingen. Wat ooit begon als een ronkende machinekamer is nu gereduceerd tot een paar vierkante millimeter silicium op een printplaat.

• https://nl.wikipedia.org/wiki/Gelijkrichter
• https://www.vespaforum.be/index.php?/topic/7532-gelijkrichter/
• https://www.fluke.com/nl-nl/informatie/blog/elektrisch/wat-is-een-diode
• https://www.multisim.com/content/kTdAc5b5gV86wHAYovNBzh/dubbelzijdige-gelijkrichter-met-gelijkrichterbrug-met-afvlakcondensator/
• https://www.circuitsonline.net/forum/view/65135
• https://bnpelektromotoren.nl/basisprincipes-frequentieregelaars/
• https://nl.wikipedia.org/wiki/Diode
• https://assets.danfoss.com/documents/latest/242347/AV446558536912nl-000101.pdf
• https://artizono.com/nl/wat-is-de-werking-en-het-gebruik-van-een-gelijkrichterlasmachine/
• https://schooneveldadvies.nl/stralingsarme-zonnepanelen/
• https://nuleren.be/lee/2022-2023/IndustriëleToepassingen/VERMOGENELEKRONICA/extra/Vermogenselektronica2.pdf
• https://www.diagroep.nl/kennisbank/geluid-van-fotovoltaische-installaties
• https://nl.wikipedia.org/wiki/Wisselrichter