5. Thyristor, Triac und Diac

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1 5. Thyristor, Triac und Diac 5.1 Aufbau und Funktion Thyristor Der Thyristor kann verstanden werden als eine Kombination aus zwei Transistoren. Diese Schaltung entspricht der Funktion einer gesteuerten Diode, die über einen Gateanschluss die Verbindung von Anode und Kathode so durchschaltet, dass von einer positiv vorgespannten Anode ein Strom zur Kathode fließen kann. Dabei reicht ein kurzer positiver Impuls am Gate, um den Thyristor zu zünden. Der Strom von der Anode zur Kathode fließt danach weiter, auch wenn am Gate kein Steuersignal mehr anliegt. Fällt die Stromstärke zwischen Anode und Kathode kurzzeitig auf Null zurück, sperrt der Thyristor danach wieder vollständig, bis eine neuer Gateimpuls die Anode-Kathode Strecke freigibt. Prinzipieller Aufbau eines Thyristors Realisierung des Thyristors als Vierschichtelement mit 3 pn-übergängen 60

2 Kennlinie eines Thyristors: Beim Betrieb des Thyristor unterscheidet man verschiedene Zustände: 1. U AK <0 Der Thyristor sperrt (Sperrkennlinie), unabhängig vom Gatestrom I G 2. U AK >0 I G =0 Solange U AK <U BO (Kippspannung) ist und I G =0 ist, sperrt der Thyristor (Vorwärtssperrkennlinie) 3. U AK >0 I G =0 Bei Erreichen von U AK =U BO (Kippspannung) springt der Arbeitspunkt in die Durchlasskennlinie. Der Thyristor ist schlagartig sehr niederohmig. 4. U AK >0 I G >0 Bei steigendem Gatestrom springt der Arbeitspunkt bei immer kleineren Werten von U AK in die Durchlasskennlinie. Der Thyristor wird durch den Gatestrom gezündet (Größenordnung ma für I G ). 5. U AK >0 I G =0 Nach dem Zünden des Thyristors verbleibt der Arbeitspunkt in der Duchlasskennlinie, auch wenn der Gatestrom wieder auf I G =0 zurückfällt. Erst wenn der Strom I A den Wert des Haltestroms I H erreicht bzw. unterschreitet, springt der Arbeitspunkt wieder auf die Vorwärtssperrkennlinie und der Thyristor sperrt. 61

3 Dynamisches Schaltverhalten eines Thyristors bei der Phasenanschnittsteuerung: Prinzipschaltung und praktische Realisierung Zeitfunktionen 62

4 5.1.2 Triac Schaltet man zwei Thyristoren antiparallel zueinander, erhält man ein Bauelement, das in beiden Richtungen den Strom fließen lässt, man kann also für beide Halbwellen einer Sinusschwingung u AK (t) für ein Durchschalten bzw. Zünden nutzen. Durch zusätzliche integrierte Hilfsthyristorstrecken ist es möglich, die beiden getrennten Gateanschlüsse G 1 und G 2 zu einem gemeinsamen Gate G zusammen zu fassen. Dies führt zu dem sogenannten Triac (Triode Alternating Current Switch), der nicht mehr Anode und Kathode aufweist, sondern zwei Anoden besitzt. Der Triac kann darüber hinaus sowohl mit positiven als auch negativen Stromimpulsen gezündet werden. Prinzipieller Aufbau und Schaltungssymbol eines Triacs Kennlinie: 63

5 Dynamisches Schaltverhalten eines Triacs bei der Phasenanschnittsteuerung: Triacschaltung Zeitfunktionen 64

6 5.1.3 Diac Schaltet man zwei Thyristoren antiparallel zueinander und steuert man die beiden Gates über einen Schwellwert an (mittels Zenerdiode), so erhält man einen Diac (Diode for Alternating Current). Es resultiert ein zweipoliges Element ohne weiteren Steuereingang. Interner Aufbau und Schaltsymbol eines Diacs Kennlinie (Beispiel DB3) : mit V B0 = 32 V (typ.) I B0 = 0,1 ma (max.) V = 5 V (min.) (aus Datenblatt SGS-Thomson ) 65

7 5.2 Einsatzbeispiel Dimmerschaltung Bei der typischen Phasenanschnittsteuerung wird der Triac nach dem Nulldurchgang der Versorgungsspannung u 1 (t) verzögert gezündet. Diese Phasenverschiebung erreicht man mit einem RC-Netzwerk, über dessen Zeitkonstante durch Variation des Widerstandes (Potentiometer) der Zündzeitpunkt eingestellt werden kann. Das Zünden des Triac erfolgt über einen Diac, der in Serie zum Gateanschluss des Triacs geschaltet ist. Erst wenn die Zündspannung des Diac erreicht ist (typisch 32 Volt), fließt plötzlich ein Gatestrom. Dabei verringert sich schlagartig die über dem Diac abfallende Spannung um typisch etwa 8 Volt. Der Kondensator C 0 wird dabei entsprechend entladen. Da das RC-Glied über den gezündeten Triac nunmehr kurzgeschlossen ist, entlädt sich C 0 über R 0 weiter. Beim nächsten Nulldurchgang der Versorgungsspannung wird der Triac gelöscht und ist wieder hochohmig, so dass auch über dem RC-Glied wieder u 1 (t) ansteht. Der Spannungsverlauf über C 0 eilt entsprechend der vorliegenden Zeitkonstanten nach und die nächste phasenverschobene Zündung kann erfolgen. Phasenanschnittsteuerung für eine Dimmerschaltung Zeitfunktionen 66