Thyristor, Triac und Diac

Geschichte

1958 wurde der erste steuerbare Leistungs-Halbleiter entwickelt und später als Thyristor bezeichnet. Die folgende Entwicklung brachte eine Vielzahl von weiteren steuerbaren und passiven Leistungshalbleitern hervor, die heute in weiten Teilen der Antriebstechnik Verwendung finden.

Anwendungsgebiete

• Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung durch Gleichrichter • Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung durch Wechselrichter • Umwandlung von Gleichspannung in eine höhere oder niedrigere

Gleichspannung durch Gleichstromsteller • Umwandlung von Wechselspannung in Wechselspannung mit einer anderen

Frequenz oder Amplitude z. B. durch Wechselstromsteller oder Frequenzumrichter

Thyristor

Sind Halbleiterbauelemente mit min. 3 pn- Übergängen.Sie können von einem Sperrzustand in einen Durchlasszustand(oder umgekehrt) geschaltet werden.Thyristor wird als Oberbegriff für diese Art von Bauelementen benutzt.

Anwendung: In der Leistungselektronik:

o Drehzahl- und Frequenzsteuerungo Gleichrichtungo als Schalter

Steuerungstechnik:o wirtschaftliche Steuerung (es ist notwendig dem Verbraucher eine gesteuerte

Leistung zuzuführen)

Vierschichtdiode Silizium-Einkristall-Halbleiter mit 4 Halbleiter-Schichten wechselnder Dotierung Schalter mit einem hochohmigen und einem niederohmigen

Zustand drei pn-Übergänge Anschlüsse werden als Anode(A) und Kathode(K) bezeichnet Wird auch als Thyristordiode oder Triggerdiode bezeichnet mit einem Vorwiderstand RV muss der Durchlassstrom begrenzt werden

hochohmiger Zustand

negatives Potential liegt an der Anode Diodenstrecken DI und DIII in

Sperrrichtung geschaltet Diodenstrecke DII in Durchlassrichtung

geschaltet Es fließt ein sehr kleiner Sperrstrom

niederohmiger Zustand

Positives Potential liegt an Anode Diodenstrecken DI und DIII in

Durchlassrichtung geschaltet Diodenstrecke DII in Sperrrichtung

geschaltet Vierschichtdiode sperrt auch bei dieser

Polung, aber nur in bestimmtem Spannungsbereich

Vergrößert man die Spannung UAK niederohmig

Kennlinienfeld

Sperrbereich:

Fließt sehr geringer Strom Spannung UAK negativ Bei der Sperrspannung URab Durchbruch (Diode kann dabei zerstört werden)

Blockierbereich:

Hochohmiger Zustand Spannung UAK positiv

Übergangsbereich

Wenn Schaltspannung Us erreicht niederohmiger Zustand Großer Teil der Spannung fällt am Vorwiderstand Rv ab Spannung sinkt bis auf Haltespannung UH ab Wird Haltespannung UH und Haltestrom IH unterschritten hochohmig

Durchlassbereich:

Niederohmig Haltespannung steigt mit zunehmendem Haltestrom Durchlassstrom IF muss mit einem Vorwiderstand RV begrenzt werden

Anwendungen

in Zähler- und Impulsschaltungen in Schaltstufen der elektronischen Fernsprechvermittlungstechnik in Verknüpfungsglieder der Digitaltechnik Ansteuerung von Thyristoren im Bereich kleiner Leistungen

Thyristor(rückwärtssperrende Thyristortriode)

Einkristall-Halbleiter mit vier oder mehr Halbleiterschichten wechselnder Dotierung Schalter mit eine hochohmigen und einem niederohmigen Zustand Für das Umschalten von einem Zustand in den anderen ist ein Steueranschluss

vorhanden Hat eine Anode und eine Kathode

Schaltzeichen

Thyristor, allgemein

Thyristor, anodenseitig steuerbar, n-gesteuert

Thyristor, kathodenseitig steuerbar, p-gesteuert

Der p-gesteuerte Thyristor ist der am meisten verwendete Thyristortyp. Auf ihn beziehen sich die folgenden Erklärungen und Bilder.

Funktionsprinzip

3 pn-Übergänge(pnpn) An der letzten, kathodenseitigen p-Schicht ist der Steueranschluss angebracht Ist dieser unbeschaltet, dann funktioniert der Thyristor genauso wie eine

Vierschichtdiode

Thyristoreffekt kann vorzeitig hervorgerufen werden

Gibt man dem Steueranschluß G einen positiven, ausreichend großen und genügend lange andauernden Impuls niederohmiger Zustand

Solange bis Haltestrom überschritten dann hochohmig

Im niederohmigen Zustand: R- Wert nur wenige mΩ, deshalb muss genügend großer R

im Stromkreis des Thyristors geschaltet sein, um den auftretenden Strom zu begrenzen

Kennlinienfeld In der Strom-Spannungs-Kennlinie

wird die Angabe der Mindeststeuerströme IG gemacht

Überschreitet die Spannung UAK die (Nullkipp-)Schaltspannung US niederohmig

schnellen Spannungsanstieg von UAK sollte man vermeiden

Thyristor kann dadurch auch ohne Steuerimpuls vorzeitig in den niederohmigen Zustand kippen

Anwendungen

kontaktloser Schalter steuerbarer Gleichrichter

Thyristoreffekt

Um den Thyristoreffekt zu verstehen, stellt man sich die Ersatzschaltung der Vierschichtdiode aus zwei gegeneinander geschaltete Transistoren vor(Bild rechts oben).Ist die Spannung UAK positiv und wird erhöht, fließen Sperrströme in die Transistoren T1 und T2. Der Sperrstrom von T1 ist der Basisstrom von T2. Und der Sperrstrom von T2 ist der Basisstrom von T1.Ab einem bestimmten Spannungswert von UAK, der Schaltspannung US, wird der Sperrstrom eines Transistors so groß, dass er den anderen Transistor aufsteuert. Beide Transistoren steuern sich so gegenseitig sehr schnell auf.Die Vierschichtdiode wird leitend. Der Thyristoreffekt ist eingetreten.

Diac - Diode Alternating Current Switch

Schaltereigenschaften Hat einen hochohmigen und einen niederohmigen Zustand schaltet bei der Durchbruchspannung UBO vom hochohmigen in den niederohmigen

Zustand Das Kippen in den niederohmigen Zustand erfolgt bei beiden Stromrichtungen Man spricht deshalb auch von einem bidirektionalen Schalter

2 Arten:

Zweirichtungsdiode (Dreischicht-Diac) Zweirichtungs-Thyristordiode (Fünfschicht-Diac)

Zweirichtungsdiode (Dreischicht- Driac)

drei Schichten wechselnder Dotierung Üblicherweise wird pnp verwendet npn ist genauso möglich

Kennlinie

es ist egal wie die Diode gepolt wird einer der beiden pn- Übergänge

immer in Sperrrichtung bei Durchbruchsspannung UBO der

sperrende pn- Übergang bricht durch niederohmiger Zustand

wird die Haltespannung UH unterschritten kippt wieder in den hochohmigen Zustand

Schaltzeichen

Zweirichtungs-Thyristordiode (Fünfschicht- Diac)

Prinzip: Antiparallelschaltung von zwei Thyristordioden(Bild 1)

Verbindet man die einzelnen Schichten, wie in Bild 2 zusammen, so ergibt sich ein

Fünfschicht-

Halbleiterbauelement (Bild 3)

Ab Durchbruchspannung UBO niederohmiger Zustand

Wird die Haltespannung UH unterschritten hochohmiger Zustand

Schaltzeichen

Anwendungen

kontaktlosere Schalter für kleine Ströme Triac-Ansteuerung

Triac - Triode Alternating Current Switch

Prinzip: Antiparallelschaltung von zwei Thyristoren Dadurch ist es möglich beide Halbwellen einer

Wechselspannung zu steuern

Jeder Thyristor eigener Steueranschluss(G1 und G2) Schaltungsaufwand verhältnismäßig groß

Darum neues Halbleiterbauelement entwickelt Triac

Neben der Steuerelektrode G hat der Triac zwei Anoden. Die Anode A2 ist direkt mit dem Gehäuse verbunden.Damit für die beiden Thyristoren ein Steueranschluss ausreicht, wird in dem Triac zwei Zünd- oder Hilfsthyristorenstrecken eingebaut, damit er mit positivem und negativem Steuerimpuls in den niederohmigen Zustand gekippt werden kann.

Triggermodus(Steuerarten)

Triacs werden meist mit der I+- oder III--Steuerung betrieben. Die Steuerempfindlichkeit ist bei diesen beiden Steuerarten besonders groß. Bei den beiden anderen Steuerarten sind etwa doppelt so große Steuerimpulse notwendig.Die Steuerelektrode verliert nach der Zündung des Triacs seine Wirksamkeit. Er bleibt im

niederohmigen Zustand, bis die Haltespannung UH unterschritten wird. Dann kippt er in den hochohmigen Zustand.

I+-Steuerung III--Steuerung

I--Steuerung III+-Steuerung

Schaltzeichen

Triac-Schaltungen erzeugen durch Verformen von Strom- und Spannungsschwingungen Oberwellen. Die Frequenzen reichen bis in den Rundfunkbereich, und erzeugen dort Störungen.Triac-Schaltungen müssen in jedem Fall mit Kondensatoren und Drosseln entstört werden.

Anwendungen Lichtsteuerungen aller Art Motorsteuerung, Drehzahlsteuerung fast leistungslose Steuerung von Wechselstromleistung möglich Steuerung von Elektrowärmegeräte