Der Kfz-Generator erzeugt zunächst Drehspannung / Drehstrom.
Warum muß der Drehstrom gleichgerichtet werden und wie geschieht das?

zuletzt geändert am 2. 11. 2001

wozu Gleichrichtung

Vorteile des Drehstromgenerators

Im Kraftfahrzeug gibt es einige Aggregate, denen es völlig egal ist, ob sie mit Wechselstrom oder Gleichstrom betrieben werden, da diese unabhängig von der Stromrichtung arbeiten .
Dazu gehören :

alle Glühlampen
alle Leuchtstofflampen
alle Glimmlampen
alle elektrischen Heizelemente

Im Kraftfahrzeug gibt es auch einige Aggregate, die man mit Wechselstrom oder Gleichstrom oder Drehstrom betreiben könnte, wenn man diese Bauteile nur entsprechend konstruieren würde.
Dazu gehören :

alle Elektromotoren
alle Relais

Schließlich sind eine Reihe von wichtigen Aggregaten im Kfz unbedingt auf Gleichstrom angewiesen. Diese arbeiten auf keinen Fall mit Wechsel- oder gar Drehstrom
Dazu gehören :

alle Akkumulatoren
alle Steuergeräte
die gesamte Elektronik
Kommunikationsgeräte

Bereits der Akku in Uraltautos setzte Gleichstrom zu seiner Ladung voraus.

Damals jedoch waren Halbleiter noch nicht bekannt. So waren die Konstrukteure gezwungen, die mechanische Gleichrichtung durch einen Kommutator (Stromwender) zu nutzen, eine andere Möglichkeit gab es nicht.

Erst etwa 1960 verdrängte der Drehstromgenerator mit seiner elektronischen Gleichrichtung die alte Gleichstrommaschine.

wozu Gleichrichtung

Vorteile des Drehstromgenerators

Drehstromgleichrichtung

Natürlich kann nur das Bessere etwas technisch Überholtes verdrängen.
Zu den Vorteilen des Drehstromgenerators gegenüber seinem älteren Kollegen Gleichstromgenerator gehören folgende:

kleiner und leichter als eine gleich leistungsfähige Gleichstrommaschine
höhere Drehzahlen möglich, z.B. wegen geschlossener Schleifringe (statt unterbrochenem Kommutator)
Energieabgabe ins Bordnetz bereits bei geringerer Drehzahl
kein Rückstromschalter erforderlich, da bereits die Gleichrichterdioden den Rückstrom vom Akku durch die Ständerwicklungen verhindern
weniger Verschleiß, da nur der geringe Erregerstrom über Kohlebürsten und Schleifringe geleitet wird (statt hoher Arbeitsstrom über Kohlebürsten und Kommutator).
längere Lebensdauer
weniger Werkstattaufenthalte, also geringere Betriebskosten

Vorteile des Drehstromgenerators

Drehstromgleichrichtung

Seitenende

Die Diodenplatte besteht hier aus 2 Aluminiumblechen, die durch Isolatoren mechanisch verbunden sind. Am einen Blech (Minusplatte) wird der B- Anschluss des Generators angeschweißt oder angeschraubt, am anderen Blech (Plusplatte) der B+ Anschluss des Generators ( im Bild der messingfarbene Anschlussbolzen und die messingfarbene Buchse) .
In jedes Alublech sind mindestens drei Dioden eingepresst. Die Dioden in der Plusplatte haben ihre Katode am Diodengehäuse und die Anode isoliert herausgeführt, bei den Dioden in der Minusplatte ist es umgekehrt. Dabei dient das Diodengehäuse mit den Aluplatten sowohl der elektrischen Leitung als auch der guten Wärmeübertragung zur Kühlung der Dioden (Verlustleistung).

Drehstromgleichrichtung

Im Schaltplan sind die 3 Ständerwicklungen in Sternschaltungen und die zugehörigen 6 Gleichrichterdioden dargestellt. Die Dioden D1, D2, D3 nennt man auch Minusdioden, da sie als gemeinsamen Anschluss B- haben (Minusplatte). Die anderen drei Dioden sind die Plusdioden.

Zur Erläuterung des Stromflusses durch die Schaltung ist das Drehstromdiagramm mit abgebildet. Der Strom wird der Reihe nach zu den drei Zeiten t1, t2 und t3 beobachtet:

t1:
Zum Zeitpunkt t1 fließt durch die Ständerwicklung W überhaupt kein Strom. Durch die Ständerwicklung U fließen 17,3A (=20A * sin 60°) .
Dabei legen wir fest, dass positiver Strom bedeutet, dass der Strom vom Sternpunkt durch eine Ständerwicklung zum Gleichrichter (Punkt 2 oder 3 oder 4) fließt, bei negativen Strom ist die Flussrichtung umgekehrt.
Durch die Ständerwicklung V fließen -17,3A (=20A * sin 120°) .

Insgesamt ergibt sich damit folgender Stromkreis:
Vom Sternpunkt fließt der Strom (17,3A) durch die Wicklung U zum Punkt 3, weiter durch die Diode 5 zum Punkt 5. Von da fließt der Strom zum Generatoranschluss B+ und weiter durch den / die angeschlossenen Verbraucher zum Generatoranschluss B-. Der Strom fließt weiter zum Punkt 1, durch die Diode 3 zum Punkt 2, dann durch die Spule V (-17,3A) zurück zum Sternpunkt.
Damit ist der Stromkreis geschlossen.
Zu diesem Zeitpunkt bilden die Spulen U und V die Spannungsquelle.
Der Punkt 5 entspricht der Plusdiodenplatte, der Punkt 1 der Minusdiodenplatte.

t2:
Zum Zeitpunkt t2 fließt durch die Ständerwicklung U gerade der maximale Strom von 20A (=20A * sin 90°). Durch die Ständerwicklung V fließen -10A (=20A * sin 210°) . Durch die Ständerwicklung W fließen ebenfalls -10A (=20A * sin 330°) .

Insgesamt ergibt sich damit folgender Stromkreis:
Vom Sternpunkt fließt der Strom (20A) durch die Wicklung U zum Punkt 3, weiter durch die Diode 5 zum Punkt 5. Von da fließt der Strom zum Generatoranschluss B+ und weiter durch den / die angeschlossenen Verbraucher zum Generatoranschluss B-. Der Strom fließt weiter zum Punkt 1. Dort teilt er sich in zwei Hälften (je 10A).
Die eine Hälfte des Stroms fließt durch die Diode D3 zum Punkt 2, durch die Ständerwicklung V zum Sternpunkt.
Die andere Hälfte des Stroms fließt durch die Diode D1 zum Punkt 4 und durch die Ständerwicklung W zum Sternpunkt.
Damit ist der Stromkreis geschlossen.

t3:
Der Zeitpunkt t3 ist völlig beliebig gewählt (hier z.B. so, dass alpha 137,5° beträgt). Zu diesem Zeitpunkt fließt durch die Ständerwicklung U gerade der maximale Strom von 13,5A (=20A * sin 137,5°). Durch die Ständerwicklung V fließen 6A (=20A * sin 17,5°) . Durch die Ständerwicklung W fließen dann 19,5A (=20A * sin 257°) .

Insgesamt ergibt sich damit folgender Stromkreis:
Vom Sternpunkt fließt der Strom (13,5A) durch die Wicklung U zum Punkt 3, weiter durch die Diode 5 zum Punkt 5.
Außerdem fließt ein Strom (6A) durch die Wicklung V zum Punkt 2, weiter durch die Diode 6 zum Punkt 5.
Von da fließt der gesamte Strom (19,5A) zum Generatoranschluss B+ und weiter durch den / die angeschlossenen Verbraucher zum Generatoranschluss B- und weiter zu Punkt 1. Der Stromkreis schließt sich über die Diode 1, Punkt 4 und die Ständerwicklung W zum Sternpunkt.
Damit ist der Stromkreis geschlossen.

Auf diese Weise lässt sich der Stromfluss zu jedem beliebigen Zeitpunkt ermitteln. Stets jedoch herrscht an B+ positives Potential und an B- negatives, genau wie es von einer ordentlichen Gleichrichtung erwartet wird.
Zu genau 6 Zeitpunkten einer Drehstromperiode werden zur Gleichrichtung nur 2 Dioden benötigt, zu allen anderen Zeitpunkten 3.
Immer gilt natürlich im Sternpunkt und in den Punkten 1 und 5 die Knotenregel.
Zu jedem Zeitpunkt muß auch genausoviel Strom an B+ den Generator verlassen wie in ihn bei B- wieder hineinströmt. Dabei ist dieser Strom nicht zu allen Zeitpunkten gleich groß!

Dieses Bild kann man auf dem Sozilloskop bzw. mit dem Motortester sichtbar machen, wenn man die Spannung an den Batterieklemmen bei laufendem Motor misst. Bei stillstehendem Motor erscheint natürlich eine horizontale gerade Linie, deren Höhe über der Nulllinie der gerade herrschenden Batteriespannung entspricht.

Wenn jedoch der Generator arbeitet ergibt sich die dargestellte Wellenlinie. Diese Kurve ergibt sich durch die Drehstromgleichrichtung, die im Prinzip alle unteren Halbwellen einfach hochklappt. Die zum jeweiligen Zeitpunkt höchste Spannung überlagert die niedrigeren Spannungen. Übrig bleibt der Wellenzug.

Die Formel zu Berechnung der Frequenz dieser Brummspannung oder auch Restwelligkeit (manchmal auch irrtümlicherweise Oberwelligkeit) berechnet sich nach der Formel:

f = n * p * 2 * 3

mit

f Frequenz (in Hz)
n Generatordrehzahl (in 1/s)
p Polpaarzahl des Klauenpolrotors (muss man jeweils am evtl geöffneten Generator zählen, übliche Polpaarzahlen sind 5, 6, 7.).

Würde sich z.B. ein einfacher Stabmagnet mit einem Nord- und einem Südpol (p=1) im Generator drehen, so würden bei jeder Umdrehung genau 1 volle Wechselspannungswelle in jeder der drei Ständerwicklungen induziert. Durch die Gleichrichtung würden sich dann 2 * so viele Restwelligkeitsbuckel bilden. Bei p Polpaarzahlen erhält man die p-fache Anzahl von Restwelligkeitsbuckeln.

Quickstart