2. Die Einrichtungs-Thyristortriode: der Thyristor

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1 D ER T HYRISTOR 1. Mehrschicht-Halbleiter: Thyristoren Unter der Bezeichnung Thyristoren werden Mehrschicht-Halbleiter zusammengefasst. Diese Mehrschicht-Halbleiter haben drei oder mehr PN-Übergänge und ein ausgeprägtes Schaltverhalten. Übersicht über die wichtigsten Mehrschicht-Halbleiter mit ihren Schaltzeichen 2. Die Einrichtungs-Thyristortriode: der Thyristor 2.1 Aufbau von Thyristoren Thyristoren sind elektronische Schalter mit zwei Schaltzuständen: Schaltzustand EIN ^= leitend und Schaltzustand AUS ^= gesperrt. Kapitel 01: Der Thyristor 1

2 Das Umschalten vom gesperrten in den leitenden Zustand wird als Zünden und das Umschalten vom leitenden in den gesperrten Zustand als Löschen bezeichnet. Sowohl der Zündvorgang als auch der Löschvorgang laufen in sehr kurzer Zeit ab. Die beiden Hauptanschlüsse der Thyristoren werden wie bei der Diode mit Anode (A) und Katode (K) bezeichnet. Ein Stromfluss ist nur möglich, wenn die Anode positiv gegenüber der Katode ist. Thyristortrioden haben einen Steueranschluss, der als Gate (G) bezeichnet wird. Die Zündung über das Gate erfolgt mit einem Steuerstrom. Der Zündvorgang löst einen wesentlich größeren Hauptstrom durch das Bauelement aus. Die Einrichtungs-Thyristortrioden kurz Thyristoren 1 Siliziumkristall mit vier Schichten. genannt, bestehen aus einem Man unterscheidet den katodenseitig gesteuerten und den anodenseitig gesteuerten Thyristor. Da die kathodenseitig gesteuerten Thyristoren am weitesten verbreitet sind werden wir nur sie im folgenden behandeln. Katodenseitig gesteuerter und anodenseitig gesteuerter Thyristor 1 Für die Bezeichnung von Thyristoren (Einrichtungs-Thyristortrioden) wird gelegentlich die Kurzform SCR benutzt, die von der englischen Bezeichnung Silicon Controlled Rectifier abgeleitet ist. Kapitel 01: Der Thyristor 2

3 Schnitt durch einen Hochleistungsthyristor Verschiedene Thyristoren 2.2 Einsatz von Thyristoren Thyristoren werden als elektronische Leistungsschalter in der Leistungselektronik und Antriebstechnik eingesetzt. Sie werden entsprechend ihrer Verwendung für kleine und große Ströme (3A bis 2000A) sowie für Spannungen bis zum kv-bereich (100V bis 3kV) gefertigt. Je nach Anwendung werden Heizleistung, Helligkeit von Lampen oder Drehzahlen von Motoren gesteuert oder durch ergänzende Schaltungseinrichtungen geregelt. Kapitel 01: Der Thyristor 3

4 2.3 Zündung von Thyristoren Thyristoren werden durch Ansteuerung des Gates gezündet. Bei den katodenseitig gesteuerten Thyristoren ist eine positive Gatespannung U G (positiv gegenüber der Katode) zum Zünden erforderlich. Sie bewirkt, dass ein Gatestrom I G in den Thyristor hineinfließt (Richtung Anode Katode). Strom-Spannungs-Kennlinien von Thyristoren Der Zündvorgang hängt wesentlich von der Größe des Gatestromes I G ab. Abhängig von der Höhe des Gatestromes erfolgt die Zündung des Thyristors bei unterschiedlichen Spannungswerten. Je größer der Gatestrom I G ist, desto kleiner ist die Spannung, bei der ein Zündvorgang eintritt. Der Verlauf der Kennlinie eines Thyristors im Übergangsbereich hängt von verschiedenen, nicht genau erfassbaren Einflüssen beim Zünden ab. Da ein stationärer Betrieb (stabiler Arbeitspunkt) in diesem Übergangsbereich nicht möglich ist, wird die Kennlinie hier gestrichelt gezeichnet. Kapitel 01: Der Thyristor 4

5 2.4 Löschen von Thyristoren Nach der Zündung ist die Anoden-Katoden-Strecke eines Thyristors niederohmig, und es fließt ein großer Durchlassstrom. Ein Löschen über das Gate ist bei den üblichen Thyristoren nicht mehr möglich. Um den Thyristor wieder in den Sperrzustand zu bringen, muß der Durchlassstrom kleiner als der Haltestrom I H werden. Dieser Haltestrom I H hängt vom jeweiligen Thyristortyp ab und liegt zwischen einigen ma und etwa 100mA. 2.5 Kenndaten von Thyristoren a. Statische Kennwerte Von den Herstellern werden für die einzelnen Thyristortypen eine Vielzahl von Kennwerten bzw. Kenndaten und Grenzwerten angegeben. Die wichtigsten sind: Haltestrom I H (H ^= hold) Der Haltestrom I H ist der kleinste Wert des Durchlassstromes. Wird I H unterschritten, kippt der Thyristor sofort in den hochohmigen Zustand zurück. Zündstrom I G bzew. I GT (GT ^= gate) Als Zündstrom I G wird der obere Wert des Gatestromes angegeben, der erforderlich ist, um den Thyristor zu zünden. Durchlassspannung U T (T ^= Thyristor) Als Durchlassspannung wird die im Durchlassbereich zwischen den Hauptanschlüssen A und K auftretende Spannung bezeichnet. Nullkippspannung U (BO)0 (BO ^= break over) Als Nullkippspannung U (BO)0 wird diejenige Spannung zwischen Anode und Katode bezeichnet, bei der der Thyristor bei offenem Gate d.h. ohne Zündimpuls zündet. Da dieses Überkopfzünden von Thyristoren nicht immer zulässig ist, wird dieser Spannungswert in Datenblättern oft nicht angegeben. Kapitel 01: Der Thyristor 5

6 b. Grenzwerte Grenzwerte sind Maximalwerte die im Betrieb nicht überschritten werden dürfen. Periodische Spitzensperrspannung U DRM und U RRM (direct [reverse] repetitive maximum) Die positive Spitzensperrspannung U DRM und die negative Spitzensperrspannung U RRM sind die höchstzulässigen Augenblickswerte von periodischen Sperrspannungen. Beide Werte sind in der Regel gleich groß. Bei der Auswahl der Spannungsklassen von Thyristoren wird meistens noch ein Sicherheitsfaktor von 1,5 bis 3 berücksichtigt. Dauergrenzstrom I TAV (Thyristor average value current) Der Dauergrenzstrom I TAV ist der arithmetische Mittelwert des höchsten, dauernd zulässigen Durchlassstromes bei einem Stromflusswinkel θ = Schutzmaßnahmen bei Thyristoren Thyristoren sind im Betrieb vielfältigen elektrischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. So können Überspannungen, Überströme und Übertemperaturen auftreten, die kurzfristig zur Zerstörung der Sperrschichten führen. Thyristoren sollten daher nur mit entsprechenden Schutzmaßnahmen betrieben werden. a. Überstromschutz Zum Schutz gegen Kurzschlussströme werden superflinke Schmelzsicherungen eingesetzt. In der Regel reicht es aus, eine superflinke Sicherung zu wählen, deren Nennstrom gleich oder etwas kleiner als I TAV des Thyristors ist. Bei Thyristoren für hohe Nennströme werden zusätzlich thermische oder magnetische Überstromauslöser eingesetzt. b. Überspannungsschutz Thyristoren sind sehr empfindlich gegen Überspannungen. Diese können entweder durch den Betrieb des Thyristors selbst entstehen (innere Überspannungen) oder sie können auch aus dem Netz kommen (äußere Überspannungen). Kapitel 01: Der Thyristor 6

7 Zur Begrenzung der Überspannungen wird ein RC-Glied parallel zum Thyristor geschaltet. Diese Schaltung wird als TSE-Beschaltung (Trägerstaueffekt- Beschaltung) bezeichnet. Auch Varistoren (variable resistor, VDR voltage dependent resistor), können für den Überspannungsschutz verwendet werden. Thyristorschutzbeschaltungen 2.7 Kenn- und Grenzwerte des Thyristors TIC 106D Kapitel 01: Der Thyristor 7