Mehrschichtdioden mit Steueranschluss

Thyristor

Allgemein

Thyristor Symbol 1
a) katodenseitig steuerbarer Thyristor
(P-Gate-Thyristor)
Thyristor Symbol 2
b) anodenseitig steuerbarer Thyristor
(N-Gate-Thyristor)

Thyristoren bestehen aus einem Si-Kristall mit einer pnpn-Schichtenfolge.

Baugrößen:

  • UN = 50V ... 5kV
  • IN = 0,5A ... 1500A
  • Aufbau

    Schichtenstruktur der Silizium-Tablette:

    Silizium-Tablette

    Der Durchmesser dieser Bauform beträgt 75mm; ihre Dicke ist aber nur etwa 300 ... 600µm.

    Aufbau des Thyristors

    Wirkungsweise

    5-Schichten durchschnitten gedacht ergibt: zwei Transistoren mit drei Schichten.

    Schichtenmodell des Thyristors

    Daher zwei mögliche Ansteuerungen:

    1. P-Gate-Thyristor:
      Der katodenseitige npn-Transistor wird mit einer positiven Gatespannung ( = Basisansteuerung) geschaltet.
    2. N-Gate-Thyristor:
      Der anodenseitige pnp-Transistor wird mit einer negativen Gatespannung ( = Basisansteuerung) geschaltet.

    Die Ersatzschaltung eines Thyristors mit zwei komplementären Transistoren kann für die Erklärung der Schaltfunktion herangezogen werden.

    P-Gate-Thyristor:

    Bei Anlegen der Speisespannung ("+" an Anode; "-" an Katode) sperren die beiden Transistoren ( = der Thyristor).

    Wird der katodenseitige Transistor geschaltet (links), erhält die Basis des anodenseitigen Transistors negatives Potenzial, und beide Transistoren leiten.

    N-Gate-Thyristor:

    Die Wirkungsweise wiederholt sich mit umgekehrten Vorzeichen.

    Kennlinie und Kenndaten

    Thyristor-Kennlinie

    Die natürliche Kippspannung (= Null-Kipp-Spannung UB0 kann durch einen Stromimpuls an "G" verkleinert werden. Ein "natürliches" Schalten bei Überschreitung von UB0 ( = Überkopf-Zünden) sollte vermieden werden, da sehr hohe Stromspitzen die Folge sein können.

    Der Stoßstromgrenzwert ITSM ist der höchste zulässige Strom, der nur alle 5s erlaubt ist

    Unter dem Haltestrom IH beginnt der Thyristor wieder zu sperren ( = bistabil).

    Je größer der Zündstrom IG, desto früher beginnt der Thyristor zu leiten. Bei IGT erfolgt eine sichere Zündung

    Verwendung

    als DC-Schalter

    GS-Schalter mit Thyristor

    Ein Problem bei Gleichstromschaltern ist das Löschen der Thyristoren. Dies unterstützt in dieser Schaltskizze der Kommutierungskondensator CK.

    Im Schaltzustand lädt er sich über RV mit UB auf. Bei der Betätigung des Austasters, entlädt er sich über H1, wobei die Stromrichtung umdreht ( = kommutiert). Die Sperrschicht des Thyristors wird "ausgeräumt". So sperrt dieser wieder.

    als steuerbarer Gleichrichter

    gesteuerter Gleichrichter mit Thyristor

    Alle bekannten GR-Schaltungen können auch mit Thyristoren gebaut werden. So ist es möglich, die Gleichspannungen über Steuerimpulse zu stellen. Damit kann die wirksame Gleichspannung verlustlos geregelt ( = Fläche unter der Spannungskurve) werden.

    Das Bild zeigt eine halbgesteuerte B2 - Schaltung.

    als Wechselrichter

    Wechselsrichter mit Thyristor

    Große Bedeutung hat die Erzeugung von Wechsel- aus Gleichstrom. Das Bild links zeigt eine Prinzipschaltung. Zentrale Bedeutung hat die Ansteuereinheit, weil mit ihr die Frequenz der Wechselspannung eingestellt wird.

    Verwendung:
    Energierückgewinnung aus Bremsung; Solarstromerzeugung; HGÜ ( = Hochspannungs Gleichstrom Übertragung) zwischen verschiedenen Versorungsnnetzen

    als Drehstromumrichter (f-Umformer)

    Drehstromumrichter mit Thyristor

    Gesteuerte Drehstrombrücken können aus Gleich-, Wechsel- oder Drehstrom wieder Drehstrom mit beleibiger Frequenz erzeugen.

    Das Bild zeigt das Prinzip von Frequenzumrichtern zur Drehzahlsteuerung von Drehstrommotoren.

    Triac

    Allgemein

    Symbol des Triac

    Triac bedeutet: Tri - drei Anschlüsse und ac - alternating current ( = Wechselstrom)

    Der Triac wird auch als Zweirichtungs-Thyristortriode oder Zweiwegthyristor bezeichnet. Das sagt eigentlich alles über die Funktion des Bauteiles.

    Die Schichtenfolge entspricht der des Diacs ( = Fünfschichtdiode) mit einer in die p-Schaicht der A1 eingebeteten n-Insel als Gate-Anschluss

    Wirkungsweise

    Der Triac läßt sich mit einem IG - Impuls zünden (A1 - A2 - Strecke wird leitend). Bei Wechselstrom sperrt das Bauteil nach jedem Nulldurchgang, es muss also immer neu gezündet werden.

    U-I-Kennlinie

    Triac Kennlinie

    Zur Kennlinie ist auch die Arbeitsgerade des Lastwiderstandes eingetragen.

    Aus den Schnittpunkten wird ersichtlich:

  • im Sperrzustand fällt an der Last die Spannung UN - UR0 ( = sehr klein) und UR0 am Triac ab.
  • Im Schaltzustand fällt am Triac UT und an der Last UN - UT ( = sehr klein) ab.

  • Verwendung

    Phasenanschnitt-Steuerung

    Dimmerschaltung

    Die häufigste Verwendung ist die Dimmerschaltung

    Hier wird die Leistung eines Verbrauchers verlustlos gesteuert.

    Kurvendiagramme der Dimmerschaltung

    Der Kondensator im Steuerstromkreis bewirkt eine phasenverschobene Spannungskurve, die zur Einstellung des Zündwinkels α dient.

    Ein größerer Zündwinkel verkleinert die Verbraucherleistung, weil ein Teil der wirksamen Spannung ( siehe Fläche) abgeschnitten wird.

    Schwingungspaketsteuerung

    Schwingungspaketsteuerung

    Bei langsamen Verbrauchern wie Heizungen kann die Leistung auch durch kurzzeitiges Ausschalten gesteuert werden. Für Motoren ist dieser "Stotterbetrieb" kaum geeignet. Bei Heizungen dagegen ist diese Ansteuerung sehr beliebt.