Thyristor, Diac Und Triac

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 Frequenzsteuerung o Gleichrichtung o als Schalter • Steuerungstechnik: o wirtschaftliche Steuerung (es ist notwendig dem Verbraucher eine gesteuerte Leistung zuzuführen)

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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 • • • •

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K d

Positives Potential Anode Diodenstrecken DI und Durchlassrichtung Diodenstrecke DII in Sperrrichtung Vierschichtdiode bei dieser Polung, aber bestimmtem Spannungsbereich Vergrößert man die UAK  niederohmig

liegt an DIII in geschaltet geschaltet sperrt auch nur in Spannung

ennlinienfel

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

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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)

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Prinzip: Antiparallelschaltung von zwei Thyristordioden(Bild 1) Verbindet man die einzelnen Schichten, wie in Bild 2 zusammen, so ergibt sich ein FünfschichtHalbleiterbauelement (Bild 3)

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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 Zündoder 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