mini|hochkant|Thyristor Thyristor ist die Bezeichnung für ein Bauteil in der Elektrotechnik. Es ist ein Kofferwort aus den beiden Bezeichnungen Thyratron und Transistor.General Introduction to Thyristors and its Applications, abgefragt am 18. Dezember 2011, engl.
Ein Thyristor ist ein Halbleiterbauelement, das aus vier oder mehr Halbleiterschichten wechselnder Dotierung aufgebaut ist. Thyristoren sind einschaltbare Bauelemente, das heißt, sie sind im Ausgangszustand nichtleitend und können durch einen kleinen Strom an der Gate-Elektrode eingeschaltet werden. Nach dem Einschalten bleibt der Thyristor auch ohne Gatestrom leitend. Ausgeschaltet wird er durch Unterschreiten eines Mindeststroms, des sogenannten Haltestroms.
Aufbau und Funktionsweise Allgemeines Der Thyristor hat drei pn-Übergänge in der Folge pnpn. Wie eine Diode hat er eine Anode und eine Kathode, im Vergleich zur Diode kommt noch ein Gate-Anschluss dazu.
zentriert
Im Grundzustand ist der Thyristor in beiden Richtungen sperrend. In Durchlassrichtung sperrt er bis zu einer bestimmten Zündspannung (Nullkippspannung für eine Gate-Kathoden-Spannung von 0 V). Durch einen positiven Stromimpuls am Gate kann er auch unterhalb der Zündspannung in den leitenden Zustand geschaltet werden. In Sperrrichtung sperrt er den Strom wie eine normale Diode.
Thyristoren arbeiten je nach Anforderungen in einem der folgenden drei Zustände:
Vorwärtsleitend (forward conducting): Dies ist der primäre Betriebsmodus eines Thyristors. Er wird in den leitenden Modus geschaltet und bleibt in diesem Zustand, bis der Strom unter einen bestimmten Wert fällt, der als Haltestrom bezeichnet wird. Vorwärtssperrend (forward blocking): Der Thyristor blockiert den Stromfluss, obwohl Spannung in die Richtung angelegt wird, die einer Diode signalisieren würde, ihn zu leiten. Rückwärtssperrend (reverse blocking): Der Strom versucht, in die entgegengesetzte Richtung durch den Thyristor zu fließen. Eine Diode blockiert ihn jedoch und der Thyristor wird nicht aktiviert.
Es gibt mehrere Möglichkeiten der Zündung: Konventionelle Steuerstrom (ein positiver Strom oder Stromimpuls am Gate), Lichtzündung (Fotothyristor) Unkonventionelle, meist unzulässige Überschreiten der Nullkippspannung (Überkopfzündung bzw. Breakover). Nur zulässig beim sogenannten Dynistor, einer speziellen Bauform von Thyristor, welche die Überkopfzündung erlaubt und das Nachfolgebauelement der ehemaligen Shockley-Diode darstellt. Überschreiten der zulässigen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit Temperaturerhöhung
Praktisch wird der Thyristor als steuerbare Diode eingesetzt.
Einschalten mini|So funktioniert ein Thyristor: 1. Lampe ist aus, 2. Strom rechts ein, 3. Schaltstrom links, 4. Lampe leuchtet. Durch Strominjektion in die dritte Schicht (Ansteuerung am Gate) kann der Thyristor gezündet (leitfähig geschaltet) werden. Voraussetzung dafür ist eine positive Spannung zwischen Anode und Kathode sowie ein Mindeststrom durch die mittlere Sperrschicht. Charakteristisch für den Einschaltvorgang des Thyristors ist dabei, dass der Vorgang durch eine Mitkopplung unterstützt wird. Der Ablauf des Einschaltvorgangs ist daher – im Gegensatz zu anderen Leistungshalbleitern – nicht über das Gate in der Geschwindigkeit zu beeinflussen. Problematisch ist die Stromdichte in der dritten 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 Diffusionstemperatur oder gar die Schmelztemperatur (1683 K) des Siliziums hinaus führen. Deshalb ist es wichtig, dass die Stromanstiegsgeschwindigkeit (kritische Stromsteilheit) einen gewissen Wert nicht übersteigt, was jedoch in den meisten Fällen durch Induktivitäten der Last und der Leitungen sichergestellt ist. Soll eine kapazitive Last geschaltet werden, muss die Stromanstiegsgeschwindigkeit ggf. durch Zusatzmaßnahmen begrenzt werden. Bei stark induktiven Lasten hingegen eilt der Stromanstieg dem Spannungsanstieg nach. Es kann daher dazu kommen, dass unmittelbar nach Erlöschen des Zündimpulses der sogenannte Einraststrom noch nicht erreicht wird, darunter versteht man den Mindestwert des Stromes, welcher durch den Thyristor fließen muss, damit dieser beim Einschalten auch ohne Gatestrom leitfähig bleibt. Das führt zu undefinierten Schaltvorgängen, welche auch von (mit Triacs arbeitenden) Wechselstromdimmern (Phasenanschnittsteuerung) her bekannt sind, dabei kann man oft ein Flackern von derart gesteuerten Lampen im unteren Lastbereich beobachten. Um den Effekt zu vermeiden, wird ein Snubber-Netzwerk eingesetzt, darunter versteht man ein RC-Glied (Serienschaltung eines Widerstandes und eines Kondensators, typische Werte: 470 Ω und 100 nF), welches zwischen Anode und Kathode der Thyristorstrecke geschaltet wird. Beim Zünden entlädt sich der Kondensator über den Widerstand und den Thyristor und stellt damit für kurze Zeit einen kleinen Strom zur Verfügung, um den Einraststrom zu überschreiten. Oft findet man bei Thyristorschaltungen auch eine in Serie geschaltete Drosselspule zur Funkentstörung.
Abschalten Gelöscht (also in den Sperrzustand versetzt) wird der Thyristor entweder durch Unterschreiten des Haltestroms (engl. Holding Current), was im Allgemeinen beim Abschalten oder Umpolen der Spannung im Laststromkreis oder beim Strom-Nulldurchgang des Lastkreises (z. B. im Gleichrichter) geschieht, oder durch Umpolen in die Sperrrichtung. Die Geschwindigkeit dieses Vorgangs wird durch die Freiwerdezeit tq begrenzt, die erforderlich ist, damit der Thyristor nach Beendigung der Stromleitungsphase wieder seine volle Steuer- und Sperrfähigkeit erhält. Diese wird erst wieder erlangt, wenn die dafür maßgebende mittlere Sperrschicht durch Rekombination von Ladungsträgern geräumt ist. Die Freiwerdezeit ist eine Bauteileigenschaft und wird im Datenblatt angegeben. Je nach Typ kann sie 10 bis 400 µs betragen. Die Freiwerdezeit erfordert im Moment des Erlöschens bei induktiven Verbrauchern eine Begrenzung der Spannungsanstiegsgeschwindigkeit, das geschieht ebenso durch das oben erwähnte Snubber-Netzwerk. Andernfalls (die Induktivität führt noch den Haltestrom) kann es zur spontanen Wiederzündung („Über-Kopf-Zünden“) kommen. Neuere Thyristoren („snubberless“-Typen) sind in der Lage, diesen Spannungsanstieg auch ohne RC-Glied zu bewältigen.
Zu beachten: Der Haltestrom (Holding Current) ist jener Strom, der mindestens durch den leitfähigen Thyristor fließen muss, damit dieser leitfähig bleibt. Währenddessen versteht man unter dem Einraststrom (Latching Current) jenen, der unmittelbar nach Erlöschen des Gate-Impulses fließen muss, damit der Thyristor nicht augenblicklich wieder in den Sperrzustand zurückfällt. Beide Ströme sind Bauteilcharakteristika und werden in den Datenblättern angeführt, manchmal findet man nur den Haltestrom. Der Einraststrom ist immer etwas höher als der Haltestrom, beide liegen aber in derselben Größenordnung (für Kleinleistungsthyristoren typisch unter 100 mA, für große Scheibenthyristoren einige 100 mA).
Speziell dafür ausgelegte Varianten (GTO-Thyristoren) können auch durch einen negativen Stromimpuls am Gate in den Sperrzustand versetzt werden. Die erforderliche Stromstärke des negativen Löschimpulses ist jedoch um Größenordnungen höher als die des Zündimpulses. Häufig wird zur Bereitstellung des Löschimpulses ein geladener Kondensator an den Gate-Anschluss geschaltet.
Schalteigenschaften Der Übergang vom Zustand Vorwärtssperrend in den Zustand Vorwärtsleitend hat eine bestimmte Dauer, die sogenannte Einschaltzeit eines Thyristors, die in Verzögerungszeit (delay time), Anstiegszeit (rise time) und Ausbreitungszeit (spread time) unterteilt ist. Nach Anlegen des Gatestroms beginnt der Thyristor in einem sehr kleinen Bereich zu leiten. Die Verzögerungszeit kann als die Zeit definiert werden, die der Gatestrom benötigt, um von 90 % auf 100 % seines Endwerts anzusteigen. Anders betrachtet ist die Verzögerungszeit das Intervall, in dem der Anodenstrom vom Vorwärtsleckstrom auf 10 % seines Endwerts ansteigt und gleichzeitig die Anodenspannung von 100 % auf 90 % ihres Anfangswerts fällt. Die Anstiegszeit eines Thyristors ist die Zeit, die der Anodenstrom benötigt, um von 10 % auf 90 % seines Endwerts anzusteigen. Gleichzeitig fällt die Anodenspannung von 90 % auf 10 % ihres Anfangswerts. Die fallende Anodenspannung und der steigende Anodenstrom hängt von der Art der Last ab. Schließt man eine induktive Last an, fällt die Spannung schneller ab als der Strom steigt. Das liegt daran, dass die Induktion keine anfänglich hohe Stromänderung durch sich zulässt. Schließt man andererseits eine kapazitive Last an, lässt diese keine anfänglich hohe Spannungsänderung durch sich zu, weshalb der Strom schneller ansteigt als die Spannung fällt. Die Ausbreitungszeit eines Thyristors ist die Zeitspanne, die der Anodenstrom benötigt, um von 90 % auf 100 % seines Maximums anzusteigen, während die Anodenspannung auf ihr Minimum abfällt. Während dieser Phase weitet sich die Leitung über die Kathode aus, wodurch der Thyristor vollständig aktiviert wird. Die Ausbreitungszeit wird durch den Querschnitt der Kathode beeinflusst. Sobald der Thyristor eingeschaltet ist und der Anodenstrom den Haltestrom überschreitet, verliert das Gate die Kontrolle. Um den Thyristor abzuschalten, muss der Anodenstrom unter den Haltestrom fallen, und die Trägerladungen in den vier Schichten müssen gelöscht werden, bevor die Durchlassspannung wieder angelegt wird.
Geschichte Die ersten Thyristoren wurden 1957 bei General Electric (GE) entwickelt, nachdem William B. Shockley, Jewell James Ebers und John Lewis Moll die Vorarbeit an den Bell Laboratories geleistet hatten.Hans-Joachim Fischer, Wolfgang E. Schlegel: Transistor- und Schaltkreistechnik. 4. Auflage. Militärverlag der DDR, Leipzig 1988, ISBN 3-327-00362-9. Das Bauteil wurde von GE zunächst als SCR (von , dt. gesteuerter Silizium-Gleichrichter) bezeichnet. Westinghouse stellte wenig später ähnliche Bauteile her und bezeichnete diese als Trinistor. Die AEG nannte ihre Bauteile zunächst steuerbare Siliziumzelle. Der Begriff Thyristor setzte sich erst in den 1960er Jahren durch, im englischen Sprachraum ist jedoch weiterhin SCR gebräuchlich.
Der Thyristor war das erste steuerbare Leistungshalbleiter-Bauelement für große Leistung und erschloss sich schnell vielfältige Anwendungsgebiete. Inzwischen sind Thyristoren in vielen Anwendungen durch andere Leistungshalbleiter verdrängt worden, besitzen aufgrund ihrer hohen Schaltleistung und Robustheit aber vor allem im Bereich von Hochstromanwendungen nach wie vor einen großen Marktanteil. Es werden nach wie vor neue Typen mit verbesserten Parametern entwickelt, z. B. mit geringeren Zündströmen, verbessertem Abschaltverhalten bzw. Robustheit gegenüber steilen Spannungsanstiegen beim Abreißen des Haltestromes an induktiven Lasten, die ansonsten eine Entlastungsschaltung () erforderlich machen.
Varianten mini|Thyristor 100 Ampere/800 Voltkleines Bild: Thyristor 13 Ampere/800 Volt in Standardgehäuse TO-220 (Bleistift zum Größenvergleich)Der gebräuchlichste Thyristortyp ist der siliziumgesteuerte Gleichrichter (englisch silicon-controlled rectifier). Wenn die Kathode im Vergleich zur Anode negativ geladen ist, fließt kein Strom, bis ein Impuls an das Gate angelegt wird. Dann leitet der sliziumgesteuerte Gleichrichter Strom, bis die Spannung zwischen Kathode und Anode umgekehrt oder unter einen bestimmten Schwellenwert oder Haltewert gesenkt wird. Netzthyristor: Solche Thyristoren sind vorrangig auf Durchlass- und Sperreigenschaften optimiert und haben Freiwerdezeiten von mehr als 100 µs. Damit sind sie für Anwendungen bei Netzfrequenz geeignet.