Ratgeber
Anfang des 20. Jahrhunderts war die Forschung noch bei den Quecksilberdampf-Stromrichtern, welche mit Vakuumtechnik in Glasgleichrichtern betrieben wurden. Mit der Forschung an Oxidkeramiken und der Entwicklung von Dioden, wurde ein Meilenstein in der Halbleitertechnik gesetzt.
Nachdem die Braunsche Elektronenstrahl-Röhre als erster steuerbarer elektrischer Widerstand von der Transistor-Diode abgelöst wurde, war der Weg zur Entwicklung der Thyristor-Diode geebnet.
Zum damaligen Zeitpunkt dienten diese als Gleichrichter unter Anderem zum Einsatz in militärischen Kommunikationsanlagen. Der erste Prototyp wurde im Jahr 1956 an den Bell Laboratories entwickelt. Im weiteren Verlauf wurde im Jahr 1957 von dem Unternehmen General Electric der Prototyp eines Silicon Controlled Rectifier (SCR) entwickelt.
Ein Gleichrichter, gesteuert durch Silicium-Kristalle. Trotz der kleinen Bauform und dem geringen Gewicht kann das Bauelement mit wenig Steuerleistung und einer hohen Schaltfrequenz, große Lasten schalten. Das stellt die Weichen für eine Vielzahl von Anwendungen in der Informationstechnik und ebnet den Weg für die zunehmend kompakter werdende Elektronik.
1. Anode / 2. Gate / 3. Kathode
Der SCR ist ein Bauelement aus der Halbleitertechnik zur Steuerung großer elektrischer Leistungen und in der Familie der Diode eingeordnet. Die Funktion ist vergleichbar mit der zweier zusammengeschalteter Transistor-Dioden. Analog kann man die Funktion mit einem Schleusenwerk vergleichen.
Eine Spannung kommt an der Anode in das Bauelement gegen das geschlossene Gate an, im Beispiel gegen das Schleusentor. Der Pegel hebt sich mit dem einfließenden Strom an.
Wird mit einer Fremdenergie das Schleusentor geöffnet, kann der Strom fließen. Analog dazu wird der Gate-Anschluss der Diode mit Spannung versorgt, das Bauteil zündet und der Strom kann von der Anode zur Kathode fließen. Die Gate-Spannung ist dabei unabhängig von der Flussspannung.
Der Thyristor ist eine Aneinanderreihung zweier Transistoren. Das stellt in unserem Beispiel der Schleuse dar, dass die Energie zum Öffnen der Tore eine andere sein kann als die im Flusskreis. Dadurch entsteht auch eine andere Kennlinie als beim Transistor. Während dieser eine stetige Kennlinie aufweist, hat der Thyristor nur zwei Schaltzustände: leitend und nichtleitend. Darüber hinaus bleibt das Gate geöffnet, auch wenn keine Spannung mehr am Gate anliegt.
Diese Selbsthaltung wird aufgehoben, indem die Stromstärke von der Anode zur Kathode einen bestimmten Wert unterschreitet und die Spannung am Gate abfällt. Dieser Wert wird als Haltestrom bezeichnet.
Der Thyristor ist in der Grundform eine Diode für Gleichspannungen. Das Bauteil besitzt drei Anschlüsse, die Anode, die Kathode und das Gate.
Der innere Aufbau ist wie die Transistor-Diode aus mehreren abwechselnd angeordneten Kristallschichten, entweder p-dotiert oder n-dotiert zusammengesetzt. Die Dotierung bezeichnet die Ausstattung des Halbleitermaterials mit positiv oder negativ geladenen Elektronen.
Der Thyristor ist auf kristalliner Ebene zusammengesetzt aus zwei Transistoren. Ein pnp-Transistor wird von der Ebene n nach p verbunden mit einem npn-Transistor von der ebene n nach p.
Es entsteht eine Thyristor-Diode mit einer p-n-p-n Dotierung. Die mittleren beiden Ebenen n und p sind die Verbindungsstellen der beiden Transistoren.
Die Anode ist an der ersten p-Dotierten, die Kathode der letzten n-Dotierten Schicht. An einer der mittleren Schichten wird das Gate angeschlossen.
So entsteht entweder ein n-gesteuerter oder ein p-gesteuerter Thyristor. Das Bauelement verfügt über vier Arten im Betrieb, innerhalb der vorgegebenen Parametern.
Das Gate ist geschlossen, es fließt kein Strom von der Anode zur Kathode. Die Diode ist gesperrt.
Das Gate ist geöffnet, es fließt ein Strom von der Anode zur Kathode. Die Diode ist leitfähig.
Das Gate ist geschlossen, es fließt kein Strom von der Kathode zur Anode. Die Diode ist gesperrt.
Das Gate ist geöffnet, es fließt kein Strom von der Kathode zur Anode. Die Diode ist gesperrt.
1. Anode / 2. Gate / 3. Kathode
Da der Strom im Normalbetrieb ausschließlich von der Anode zur Kathode fließt, handelt es sich um ein Steuerglied für Gleichspannungen. Seine Wirkung ist unidirektional.
Legt man die Kristallschichten zweier Thyristoren in entgegengesetzter Richtung, antiparallel übereinander und führt ausschließlich einen Gate-Anschluss nach Außen, erhält man einen Triac.
Dieser verfügt nicht wie der Thyristor über einen Anoden- und einen Kathoden-Anschluss, sondern über zwei Anodenanschlüsse. Diese sind typischerweise mit A1 und A2 gekennzeichnet. Damit wird die Eigenschaft gekennzeichnet, dass die Diode in beide Richtungen betrieben werden kann.
Der Triac beeinflusst neben der Amplitude der positiven auch die der negativen Halbwelle gleichermaßen. Er ist somit ein Steuerglied für Wechselspannungen und verfügt über vier Arten im Betrieb innerhalb der vorgegebenen Parametern.
Das Gate ist geschlossen, es liegt an Anode 1 eine positive oder an Anode 2 eine negative Spannung an. Die Diode ist gesperrt.
Das Gate ist geöffnet, es liegt an Anode 1 eine positive oder an Anode 2 eine negative Spannung an. Die Diode ist leitfähig.
Das Gate ist geschlossen, es liegt an Anode 1 eine negative oder an Anode 2 eine positive Spannung an. Die Diode ist gesperrt.
Das Gate ist geöffnet, es liegt an Anode 1 eine negative oder an Anode 2 eine positive Spannung an. Die Diode ist leitfähig.
1. Main Terminal / 2. Gate
Da der Triac über zwei Anoden verfügt, kann der Strom von beiden Seiten in die Diode fließen. Es handelt sich um einen Steuerglied für Wechselspannungen. Seine Wirkung ist bidirektional.
Legt man die Kristallschichten zweier Thyristoren in entgegengesetzter Richtung antiparallel übereinander und führt keinen Gate-Anschluss nach außen, erhält man einen Diac.
Er wird umgangssprachlich auch als Trigger-Diode bezeichnet und verfügt wie auch der Triac über die beiden Anodenanschlüsse A1 und A2 und ist für Wechselspannungen geeignet.
Die besondere Eigenschaft, die ein Diac von Nutzen macht, ist die Selbsthaltung in Wechselstromkreisen. Er ist somit ein Schalter für Wechselspannungen und verfügt auch über vier Arten im Betrieb, innerhalb der vorgegebenen Parametern.
Liegt ein positiver Impuls an der Anode 1 an, so wird ein positiver Strom von der Anode 2 abgegeben, bis die Haltespannung unterschritten wird.
Liegt ein negativer Impuls an der Anode 1 an, so wird ein negativer Strom von der Anode 2 abgegeben, bis die Haltespannung unterschritten wird.
Liegt ein positiver Impuls an der Anode 2 an, so wird ein positiver Strom von der Anode 1 abgegeben, bis die Haltespannung unterschritten wird.
Liegt ein negativer Impuls an der Anode 2 an, so wird ein negativer Strom von der Anode 1 abgegeben, bis die Haltespannung unterschritten wird.
Der Diac ist durch seine Eigenschaft zur Selbsthaltung ein Wechselspannungsschalter. Er wird typischerweise zur Versorgung des Gates eines Triacs eingesetzt, um eine kontinuierliche Ansteuerung zu gewährleisten. Seine Wirkung ist bidirektional.
Der Thyristor eignet sich durch seine Selbsthaltung beispielsweise als Gleichstromschalter in einer Kondensatorschaltung. Der Strom geht im Leistungsstrompfad vom Plus-Pol der Spannungsquelle über die Lampe zur Anode des Thyristors. Durch einen Kondensator ist der Steuerpfad mit dem Leistungspfad verbunden. Dieser ist in der Grundstellung geladen. Ein Vorwiederstand verhindert, dass beim Zuschalten des Leistungspfads die Spannung im Steuerpfad abreißt. Mit einem Impuls des Tasters zum Einschalten wird über den Steuerkreis das Gate geöffnet, der Thyristor wird in den niederohmigen Zustand geschaltet.
Der Strom fließt nun über die Kathode des Thyristors zum Minus-Pol der Spannungsquelle ab, die Lampe leuchtet. Durch einen Impuls des Aus Tasters wird der Strom im Steuerkreis abgeführt. Der Kondensator wird in der Polarität umgekehrt geladen, dadurch reißt die Spannung an der Anode des Thyristors schlagartig ab. Das Gate schließt und die Lampe erlischt.
In einem Wechselstromkreis werden Thyristoren als Gleichrichter eingesetzt, um aus einem Wechselstrom einen Gleichstrom zu erzeugen. Über ein Steuergerät werden netzsynchrone Zündimpulse während der positiv gerichteten Halbwelle generiert und an das Gate gesendet. Es gelangt die angeschnittene positive Halbwelle zum Verbraucher.
Beim Nulldurchgang wird der Thyristor wieder gelöscht.
Verändert man das Zeitintervall für den Zündimpuls, wird der Mittelwert der Gleichspannung verändert. So lassen sich mit wenig Aufwand und geringem Energieverlust beispielsweise Dimmer-Schaltungen oder Drehzahlsteuerungen für Elektromotoren realisieren.
Ein Wechselrichter erzeugt aus einem Gleichstrom einen Wechselstrom.
Ein Impulsgenerator versorgt die Gates der Brückenschaltung in Abhängigkeit der gewünschten Frequenz auf der einen Seite mit zunehmend längeren Pulsweiten, auf der anderen Seite mit zunehmend kürzeren Pulsweiten.
Durch diese Steuerung entsteht im Mittelwert ein sinusähnliches Signal. Dieses wird im Anschluss durch eine Filterschaltung aus Spulen und Kondensatoren zu einem reinen Sinus geglättet.
Dieses Signal kann durch weitere Stufen der Wechselrichterbrücke verfeinert werden. Das Verfahren wird zur Energiegewinnung bei Photovoltaik- und Windkraftanlagen oder zur Energierückgewinnung durch den Motor als Generator in der Elektromobilität eingesetzt.
Darüber hinaus dient es dazu, ein Netzgerät mit einer Batterie betreiben zu können, beispielsweise zur Versorgung von Steckdosen in einem Wohnmobil.
Kombiniert man den Gleichrichter mit einem Wechselrichter, erhält man einen Frequenzumrichter.
Dieser erzeugt aus der Netzspannung eine Gleichspannung und wandelt diese im weiteren Prozess mit einer gewünschten Frequenz wieder in eine Wechselspannung um.
Beim Auslegen eines Frequenzumrichters ist darauf zu achten, dass die induktive Last bei steigender Frequenz größer wird. Das bedeutet, dass bei konstanter Spannung der Strom sinkt, je höher die Frequenz eingestellt ist.
Erkennen kann man dies beispielsweise bei einem angeschlossenen Motor an dem abgegebenen Drehmoment.
Je langsamer der Motor dreht, desto geringer ist das übertragbare Drehmoment. Bei zunehmender Frequenz hebt ein Frequenzumrichter deswegen die Spannung an, um den steigenden induktiven Widerstand auszugleichen.
Die Grenzen dieses Systems können aus dem Datenblatt des angeschlossenen Geräts, beispielsweise einem Motor entnommen werden.
1. (steuerbarer) Gleichrichter / 2. Siebung und Glättung / 3. Drechstromrichter