Gleichrichter in der Galvanik

Galvanotechnik funktioniert mit elektrischer Energie. Strom und
Spannung im galvanischen Bad laufen gerichtet. Es handelt sich um
eine sog. Gleichspannung, wie wir sie beispielsweise aus
Batterien kennen. Aus dem Stromnetz aber kommt eine
Wechselspannung. Diese muss also zunächst gerichtet werden, was
über den sog. Gleichrichter erfolgt.


Ein Gleichrichter besteht zum einen aus einem Transformator, der
die Spannung anpasst und zum anderen aus Halbleiter-Bauelementen
– z. B. Dioden –, die für die Gleichrichtung der Spannung sorgen.
Ein gutes Schaubild findet ihr zum Beispiel unter
https://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0208071.htm


Dabei erzeugen die Dioden allerdings noch keine echte
Gleichspannung, sondern zunächst nur eine gerichtete Spannung.
Man spricht von einer sog. Restwelligkeit, dem verbleibenden
Wechselspannungsanteil, welcher der Gleichspannung übergelagert
ist und in Prozent ausgedrückt wird.
Steuerungstechnologien

Man unterscheidet zwischen verschiedenen Technologien der
Gleichrichtung.


H istorisch war es der sog. Leonard-Satz, der mit einem
Drehstrommotor und einem Gleichstromgenerator eine Gleichspannung
erzeugt hat. Die Regelung erfolgte dabei in Grenzen über die
Drehzahl des Motors. Die Spannung konnte weiter mit Hilfe eines
Transformators geregelt werden. Die Spannung musste daher
mithilfe von Heizwiderständen geregelt werden, was zu großen
Energieverlusten führte.


Mit Einzug der Halbleiter-Bauelemente konnte man aus der
Netz-Wechselspannung ohne mechanische Unterstützung, aber mit
oben beschriebener Restwelligkeit Gleichspannung erzeugen. In
einfachen Geräten erfolgte die Steuerung mit Hilfe sog.
Stelltrafos, also einer mechanischen Verstellung, mittels derer
die Spannung verändert werden konnte.


E ine Weiterentwicklung im Bereich der Halbleiter-Technik stellte
der Thyristor dar. Durch entsprechend getaktete Phasenanschnitte
lassen sich Gleichspannungen ohne weitere mechanische
Hilfseinrichtungen regeln. Thyristoren erzeugen im Betrieb
allerdings störende elektrische Oberwellen, die durch aufwändige
Glättung-Schaltungen (Kondensatoren) eliminiert werden müssen.


Waren die Dioden zunächst aus Selen-Halbleitern aufgebaut, wurde
diese später durch Germanium- bzw. zuletzt Silizium ersetzt.


Z uletzt kamen elektronische Schaltnetzteile hinzu. Allgemein
gesagt wandeln Schaltnetzgeräte eine unstabilisierte
Eingangsspannung in eine konstante Ausgangsspannung um. Weiter
sind diese Netzteile im Vergleich zu den klassischen
Gleichrichtern meist kleiner und leichter.
Kühlung

Bei der Umwandlung von Wechsel- in Gleichspannung fällt als
Abfallprodukt immer auch mehr oder weniger stark Wärme an, die
aus dem Prozess entfernt werden muss.


Klassisch erfolgt dies durch Eintauchen der wärmeerzeugenden
Einheiten in ein Ölbad. Die vom Öl aufgenommene Wärme wird
verteilt und durch ein Kühlrippensystem an die Umgebungsluft a
bgegeben. Weiterer Vorteil war, dass das Öl sämtliche
eingetauchten Einrichtungen sehr wirksam vor Korrosion geschützt
hat. Ungünstig ist, dass bei einer Wartung oder Reparatur
zunächst der Gleichrichtereinsatz aus dem Öl gezogen werden muss.
Als Nachteil muss wohl die Baugröße gewertet werden. Die einzige
Möglichkeit die Kühlleistung zu steigern besteht darin, die
Kühlwanne zu vergrößern. Es handelt sich um eine passive Kühlung,
deren Leistung nur durch eine Erhöhung der Masse des Kühlmediums
Öl gesteigert werden kann.


Die so gekühlten Gleichrichter enthielten zur Steuerung
prinzipiell Stelltransformatoren.


Eine weitere Möglichkeit, überschüssige Wärme zu entfernen,
erfolgt über den Austausch der Umgebungsluft. Dies erfolgt
beispielsweise über Lüftersysteme im Gehäuse des Geräts. Hierbei
ist wichtig – und dies ist unter den meisten Umständen in
Galvaniken ein Problem – dass die eingespeiste Umgebungs- bzw.
Kühlluft nicht schädlich für die elektronischen Komponenten des
Geräts sein darf. Es dürfen keine aggressiven Medien oder hohe
Luftfeuchte eingebracht werden. Luftkühlung ist nur bis zu einer
gewissen Abwärme, also Gleichrichter-Leistung einsetzbar, da die
Größe der Kühlaggregate mit dem Volumen der Abwärme korreliert.


Die letzte und vielleicht auch neueste Lösung ist die
Wasserkühlung. Problematisch ist hier, dass Wasser als guter
Leiter ungern in die Nähe von elektrischer Energie gebracht wird,
sofern der wassergekühlte Leistungsteil von Steuerungskomponenten
separiert werden kann. Auch darf das Kühlwasser oder -medium
nicht aggressiv gegen die Kühlleitungen und -einrichtungen
wirken. Dann aber ist eine hohe, aktive Kühlleistung
realisierbar. Es muss bei diesem Kühltyp zwingend gewährleistet
sein, dass stromführende Teile nicht in direktem Kontakt mit dem
Kühlmedium stehen.


Dabei sollten Gleichrichter generell so nah wie möglich an der
Zelle aufgestellt werden. Sonst müssen die Leitungsquerschnitte
größer dimensioniert werden.
Checkliste für die Gleichrichter-Konzipierung



Spannung / Strom / Leistung




Einspeise-Spannung (230 V / 400 V)




Kühlart




Aufstellungsort




Schnittstelle / Steuerung




Lage zum Aktivbad




Auskunft über Anschlussart (Kupferschienen oder Kabel)