Kapitel 5 - public.fh

Prof. Dr.-Ing. W.-P. Buchwald
Elektronische Bauelemente
5. Thyristor, Triac und Diac
5.1 Aufbau und Funktion
5.1.1 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
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Kennlinie eines Thyristors:
Beim Betrieb des Thyristor unterscheidet man verschiedene Zustände:
1.
UAK<0
Der Thyristor sperrt (Sperrkennlinie), unabhängig vom Gatestrom IG
2.
UAK>0
IG=0
Solange UAK<UBO (Kippspannung) ist und IG=0 ist, sperrt der
Thyristor (Vorwärtssperrkennlinie)
3.
UAK>0
IG=0
Bei Erreichen von UAK=UBO (Kippspannung) springt der Arbeitspunkt in die Durchlasskennlinie. Der Thyristor ist
schlagartig sehr niederohmig.
4.
UAK>0
IG>0
Bei steigendem Gatestrom springt der Arbeitspunkt bei immer
kleineren Werten von UAK in die Durchlasskennlinie. Der Thyristor wird durch den Gatestrom gezündet (Größenordnung mA
für IG).
5.
UAK>0
IG=0
Nach dem Zünden des Thyristors verbleibt der Arbeitspunkt in
der Duchlasskennlinie, auch wenn der Gatestrom wieder auf
IG=0 zurückfällt. Erst wenn der Strom IA den Wert des Haltestroms IH erreicht bzw. unterschreitet, springt der Arbeitspunkt
wieder auf die Vorwärtssperrkennlinie und der Thyristor sperrt.
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Dynamisches Schaltverhalten eines Thyristors bei der Phasenanschnittsteuerung:
Prinzipschaltung und praktische Realisierung
Zeitfunktionen
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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 uAK(t) für ein Durchschalten bzw. Zünden nutzen. Durch zusätzliche integrierte Hilfsthyristorstrecken ist es möglich, die beiden getrennten Gateanschlüsse G1 und G2
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:
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Dynamisches Schaltverhalten eines Triacs bei der Phasenanschnittsteuerung:
Triacschaltung
Zeitfunktionen
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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
VB0 = 32 V (typ.)
IB0 = 0,1 mA (max.)
V = 5 V (min.)
(aus Datenblatt SGS-Thomson )
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5.2 Einsatzbeispiel Dimmerschaltung
Bei der typischen Phasenanschnittsteuerung wird der Triac nach dem Nulldurchgang der Versorgungsspannung u1(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
C0 wird dabei entsprechend entladen.
Da das RC-Glied über den gezündeten Triac nunmehr kurzgeschlossen ist, entlädt sich C0
über R0 weiter. Beim nächsten Nulldurchgang der Versorgungsspannung wird der Triac gelöscht und ist wieder hochohmig, so dass auch über dem RC-Glied wieder u1(t) ansteht. Der
Spannungsverlauf über C0 eilt entsprechend der vorliegenden Zeitkonstanten nach und die
nächste phasenverschobene Zündung kann erfolgen.
Phasenanschnittsteuerung für eine Dimmerschaltung
Zeitfunktionen
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