der Thyristor

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DER THYRISTOR
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
^ leitend und Schaltzustand AUS ^
EIN =
= gesperrt.
Kapitel 01: Der Thyristor
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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 genannt, bestehen aus einem
Siliziumkristall mit vier Schichten.
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
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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
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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
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2.3 Zündung von Thyristoren
Thyristoren werden durch Ansteuerung des Gates gezündet. Bei den katodenseitig
gesteuerten Thyristoren ist eine positive Gatespannung UG (positiv gegenüber der
Katode) zum Zünden erforderlich. Sie bewirkt, dass ein Gatestrom IG in den Thyristor
hineinfließt (Richtung Anode – Katode).
Strom-Spannungs-Kennlinien von Thyristoren
Der Zündvorgang hängt wesentlich von der Größe des Gatestromes IG ab. Abhängig
von der Höhe des Gatestromes erfolgt die Zündung des Thyristors bei
unterschiedlichen Spannungswerten. Je größer der Gatestrom IG 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.
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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 IH werden. Dieser Haltestrom IH 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:
^ hold)
Haltestrom IH (H =
Der Haltestrom IH ist der kleinste Wert des Durchlassstromes. Wird IH unterschritten,
kippt der Thyristor sofort in den hochohmigen Zustand zurück.
Zündstrom IG bzew. IGT (GT ^
= gate)
Als Zündstrom IG wird der obere Wert des Gatestromes angegeben, der erforderlich
ist, um den Thyristor zu zünden.
Durchlassspannung UT (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.
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Grenzwerte
Grenzwerte sind Maximalwerte die im Betrieb nicht überschritten werden dürfen.
Periodische Spitzensperrspannung UDRM und URRM (direct [reverse]
repetitive maximum)
Die positive Spitzensperrspannung UDRM und die negative Spitzensperrspannung
URRM
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 ITAV (Thyristor average value current)
Der Dauergrenzstrom ITAV ist der arithmetische Mittelwert des höchsten, dauernd
zulässigen Durchlassstromes bei einem Stromflusswinkel θ = 180°.
2.6 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 ITAV 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).
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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
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