Thyristor

Der Thyristor ist ein Elektronisches Bauteil, ein Mehrschichthalbleiter. Der Name ist eine Schöpfung aus Thyratron und Transistor und bezeichnet einen steuerbaren Gleichrichter in Halbleiterausführung.

Aufbau & Funktionsweise

Er hat drei pn-Übergänge in der Folge pnpn. Wie eine Diode hat der Thyristor Anode und Kathode und zusätzlich einen Gate-Anschluss.

Schaltzeichen

Im Grundzustand ist der Thyristor in beiden Richtungen sperrend. In Flussrichtung sperrt er bis zu seiner Durchbruchspannung (Nullkippspannung für eine Gate-Kathoden-Spannung von 0 V). In Sperrrichtung verhält er sich wie eine normale Diode. Es gibt mehrere Arten der Zündung:

Konventionelle:
- Steuerstrom (pos. Spannung am Gate),
- Lichtzündung
Unkonventionelle, meist unzulässige
- Überschreiten der Nullkippspannung (Überkopfzündung bzw. Breakover)
- Überschreiten der zulässigen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit
- Temperaturerhöhung

Praktisch wird der Thyristor als steuerbare Diode eingesetzt. Durch Strominjektion in die dritte Schicht (Ansteuerung am Gate) kann der Thyristor gezündet werden (leitfähig schalten). Voraussetzung dafür ist eine positive Spannung zwischen Anode und Kathode, sowie ein Mindeststrom durch die mittlere Sperrschicht. Gelöscht (in den Sperrzustand versetzt) wird der Thyristor durch Unterschreiten des Haltestroms, im Allgemeinen durch Abschalten oder Umpolen der Spannung im Laststromkreis.

Varianten

GTO-Thyristor: Er ist asymmetrisch dotiert und kann an der Steuerelektrode nicht nur gezündet, sondern auch durch einen negativen Impuls wieder gelöscht werden. Der Löschimpuls muss relativ stark sein. Im Durchschnitt müssen 30 % des Laststroms kurzzeitig als Löschstrom aufgebracht werden

Thyristortetrode: Sie besitzt an der zweiten und an der dritten Schicht eine Elektrode. Sie kann an beiden Elektroden oder an jeder einzeln gezündet und gelöscht werden, jeweils mit einem positiven oder negativen Impuls.

Fotothyristor: Er wird nicht durch einen elektrischen Impuls, sondern mit Hilfe von Licht gezündet. Er ist ideal geeignet für die Anwendung in Anlagen der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, wird dort aber erst in den neuesten Anlagen verwendet, da bis vor kurzem Fotothyristoren für die geforderte hohe Leistung nicht hergestellt werden konnten.

Diac
Triac.

Einsatzgebiete

Thyristoren werden für große Ströme bis über 1000 A gebaut. Problematisch ist die Stromdichte in der 3. Schicht beim Zündvorgang. Beim Injizieren der Elektronen wird die Schicht an der Eintrittsstelle leitend. Bis die gesamte Siliziumfläche leitend ist, konzentriert sich der Strom auf den schon leitenden Bereich, in dem die gesamte Verlustleistung umgesetzt wird. Dabei kann die Verlustleistungsdichte den zulässigen Wert überschreiten und zu örtlichen Temperaturerhöhungen, über die Schmelztemperatur (1685 K) des Siliziums hinaus, führen. Deshalb ist es besonders wichtig, dass der Zündstrom einen steilen Stromanstieg hat. Dazu werden in der Praxis Diacs eingesetzt. Diese Vorgänge brauchen Zeit. Die üblichen Thyristoren haben daher Grenzfrequenzen von 200 Hz.

Thyristoren haben ein breites Anwendungsfeld, von der Steuerung elektrischer Motoren bis zur Lichtsteuerung (Dimmung). Thyristoren haben steuerbare Quecksilberdampfgleichrichter, wie Thyratrons, Ignitrons und Excitrons fast vollständig ersetzt. Sie werden auch für größte Leistungen, wie in Anlagen der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung verwendet.

Im Bereich einiger Megawatt, wie z. B. in Elektrolokomotiven, wurden Thyristoren ihrerseits bereits wieder durch IGBTs verdrängt.

Die Kennbuchstaben für den Halbleiter, die ihn grob klassifizieren, werden meist aufgedruckt.