Ratgeber
Der Thyristor gehört zu den am häufigsten eingesetzten Bauelementen in der Leistungselektronik. Er wird auch als SCR bezeichnet, als siliziumgesteuerter Gleichrichter. Ein Thyristor kann aber nicht nur Wechselströme in Gleichströme verwandeln, er lässt sich auch als elektronischer Schalter verwenden.
Wie Thyristoren aufgebaut sind und funktionieren und für welche Schaltungen sie besonders geeignet sind, das erfahren Sie in diesem Ratgeber.
Der Thyristor oder SCR ist ein Halbleiterbauelement, das sowohl schalten als auch gleichrichten kann. Es handelt sich um ein 4-Schicht- und 3-Punkt-Bauelement, das durch die Kombination von abwechselnd positiv- und negativ-leitendem Halbleitermaterial gebildet wird.
Der Begriff Thyristor entstand aus der Fusion von Thyratron und Transistor. Er verfügt über die Gleichrichterfunktion des Thyratrons und die Steuerbarkeit des Transistors. Es handelt sich um ein Bauteil mit drei Anschlüssen, und zwar Anode, Kathode und Gate. Damit die elektrische Leitung stattfinden kann, ist ein Gate-Trigger-Impuls erforderlich.
Die wichtigste Eigenschaft des SRC ist seine Unidirektionalität. Das bedeutet, dass er den Stromfluss nur in eine Richtung zulässt. Damit gleicht er einer Diode. Im Gegensatz zur Diode kann der SCR jedoch entweder als offener Schalter oder als gleichrichtende Diode betrieben werden, je nach Ansteuerung des Gates.
Der SCR ist neben Triacs und Diacs einer von mehreren Leistungshalbleitern, die sich alle wie sehr schnelle Festkörper-Wechselstromschalter zur Steuerung großer Wechselspannungen und -ströme verwenden lassen.
1. Anode | 2. Gate | 3. Kathode
Der Thyristor enthält als Grundmaterial hauptsächlich Silizium. Sein Aufbau ähnelt dem eines normalen Transistors. Aber im Gegensatz zum Transistor besteht er aus vier Schichten und wird durch die Kombination eines PNP- und eines NPN-Transistors gebildet.
Dabei stellt der unterste N-Bereich die Kathode und der oberste P-Bereich den Anodenanschluss dar. Die beiden Bereiche bilden mit Hilfe von Molybdänplättchen eine Verbindung mit dem Kathoden- und Anodenanschluss. So entsteht eine 4-Schicht-Struktur mit drei Übergängen.
SCRs arbeiten in einem der folgenden drei Zustände, je nach Anforderung:
Durchlassend
Dies ist der primäre Betriebsmodus eines SCR. Er wird über das geöffnete Gate in den leitenden Modus geschaltet und bleibt in diesem, bis der Strom unter einen bestimmten Wert – den Haltestrom – fällt.
Vorwärtssperrend
Beim vorwärtssperrenden Thyristor sperrt das geschlossene Gate den Stromfluss, obwohl eine Spannung in der Richtung angelegt wird, die einer Diode signalisieren würde, den Strom zu leiten.
Rückwärtssperrend
Beim rückwertssperrenden Thyristor versucht der Strom, in der entgegengesetzten Richtung durch den SCR zu fließen. Er wird jedoch von der Diode blockiert, und der Thyristor sperrt.
Durch die Selbsthaltung des aktiven Schaltzustands eignet sich ein SCR beispielsweise als Gleichstromschalter in einer Kondensatorschaltung. Im Leistungsstrompfad fließt der Strom vom Plus-Pol der Spannungsquelle über die Lampe zur Anode des SCR. Der Steuerpfad ist durch einen Kondensator mit dem Leistungspfad verbunden und in der Grundstellung geladen. Ein Vorwiderstand verhindert, dass beim Zuschalten des Leistungspfads die Spannung im Steuerpfad abreißt.
Ein Impuls des Tasters zum Einschalten öffnet über den Steuerkreis das Gate, der SCR wird in den niederohmigen Zustand geschaltet. Der Strom fließt nun über die Kathode zum Minus-Pol der Spannungsquelle ab und lässt die Lampe leuchten. Über den Aus-Taster wird der Strom im Steuerkreis abgeführt. Der Kondensator wird dabei in der Polarität umgekehrt geladen, dadurch reißt die Spannung an der Anode schlagartig ab. Das Gate schließt und die Lampe erlischt.
In einem Wechselstromkreis zum Betrieb von Gleichstrommotoren lassen sich Thyristoren als Gleichrichter verwenden. Ein Steuergerät generiert dazu netzsynchrone Zündimpulse während der positiv gerichteten Halbwelle und sendet sie an das Gate. Die angeschnittene positive Halbwelle versorgt den Motor. Beim Nulldurchgang wird der SCR wieder zurückgesetzt.
Durch Veränderung des Zeitintervalls für den Zündimpuls wird der Mittelwert der Gleichspannung verändert. So lassen sich mit wenig Aufwand und geringem Energieverlust beispielsweise Elektronik-Drehzahlsteuerungen realisieren.
Mit zwei Thyristoren ist die Konstruktion eines Wechselrichters zur Umformung von Gleichstrom in Wechselstrom möglich. Ein Impulsgenerator versorgt die Gates der Brückenschaltung in Abhängigkeit von der gewünschten Frequenz auf der einen Seite mit zunehmend längeren Pulsweiten, auf der anderen Seite mit zunehmend kürzeren Pulsweiten. Durch diese Steuerung entsteht im Mittelwert ein sinusähnliches Signal. Dieses wird im Anschluss durch eine Filterschaltung aus Spulen und Kondensatoren zu einem reinen Sinus geglättet.
Ein solches Verfahren wird beispielsweise zur Wechselstromerzeugung bei Photovoltaik- und Windkraftanlagen oder zur Energierückgewinnung durch den Motor als Generator in der Elektromobilität eingesetzt.
Die Kombination eines Gleichrichters mit einem Wechselrichter führt zu einem Frequenzumrichter. Mit diesem lässt sich aus der Netzspannung eine Gleichspannung erzeugen. In einem weiteren Prozess erfolgt die Rückverwandlung in Wechselstrom mit der gewünschten Frequenz.
So funktioniert ein Triac
Ein Triac ist wie ein SCR ein elektronisches Halbleiterbauelement, das in der Leistungselektronik als Schalter für Wechselstromanwendungen verwendet wird.
Er kann den Strom allerdings in beiden Richtungen durchfließen lassen und somit sowohl positive als auch negative Halbwellen eines Wechselstroms steuern.
Er besteht aus vier Schichten von p-dotiertem und n-dotiertem Siliziummaterial, ähnlich wie ein SCR. Triacs verfügen aber über zwei Steueranschlüsse, die als Gate 1 und Gate 2 bezeichnet werden.
Wenn eine positive Spannung an Gate 1 angelegt wird, fließt ein kleiner Strom zwischen Gate 1 und der Steuerschicht. Dieser Strom aktiviert den Triac und ermöglicht den Durchfluss des Wechselstroms zwischen Anode und Kathode. Der Triac bleibt eingeschaltet, bis der Wechselstrom seine Nullkreuzung erreicht, das heißt, wenn der Strom von positiv auf negativ wechselt.
An diesem Punkt wird der Triac automatisch ausgeschaltet und sperrt den Stromfluss. Der Triac lässt sich auch durch das Anlegen einer positiven Spannung an Gate 2 aktivieren. Dies ermöglicht die Steuerung des Stromflusses in der negativen Halbwelle des Wechselstroms.
1. Main Terminal | 2. Gate
So funktioniert ein Diac
Ein Diac wird häufig zur Steuerung der Zündzeitpunkte von Triacs und anderen SCRs eingesetzt. Er besteht aus drei Schichten von p-dotiertem und n-dotiertem Siliziummaterial. Die grundlegenden Schichten sind als PNP oder NPN aufgebaut.
Der Diac ist eine symmetrische Komponente, das bedeutet, dass er in beide Richtungen gleich funktioniert. Im Grunde genommen ist ein Diac eine Art Triggerdiode mit einer geringen Durchbruchspannung. Er weist jedoch keine spezifische P- und N-Schicht auf.
Die Funktionsweise des Diacs beruht auf dem Phänomen des Lawinendurchbruchs in der Halbleiterschicht. Ist eine bestimmte Durchbruchspannung erreicht, wird eine hohe Stromdichte erzeugt, die den Diac aktiviert und ihn in einen niederohmigen Zustand versetzt. Dieser Zustand ermöglicht den Durchfluss von Strömen in beide Richtungen.
Der Diac wird oft in Anwendungen eingesetzt, bei denen ein präziser Zündzeitpunkt erforderlich ist, wie zum Beispiel in Dimmern für Beleuchtungssysteme, Motorsteuerungen und Timing-Schaltungen. Er ermöglicht wie ein Triac die Steuerung des Schaltzeitpunkts von SCRs und hilft dabei, den gewünschten Stromfluss zu erzeugen.