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Triacs: Elektronisches Bauteil als Helfer bei Schaltvorgängen

Jeder, der schon einmal mit einem Dimmer die Helligkeit einer Glühlampe reguliert hat, hat unbewusst auch schon einmal einen Triac angesteuert. Was ein Triac ist und wie er funktioniert, wollen wir mit unserem Ratgeber genauer erklären.


Was ist ein Triac?

Ein Triac zählt zu den aktiven Bauelementen. Er ist ebenso wie ein Thyristor ein elektronisches Bauteil, mit dem man z.B. eine Glühlampe ein- und ausschalten bzw. steuern kann.

Da der Schaltvorgang ohne mechanisch bewegte Kontakte erfolgt, sind diese elektronischen Schalter keinen Verschleißerscheinungen unterworfen. 

Im Gegensatz zu einem Thyristor, der den Strom nur in eine Richtung fließen lässt, kann ein Triac den Strom in beide Richtungen durchschalten. Somit sind Triacs perfekt für den Betrieb mit Wechselspannung geeignet.

Der Name Triac leitet sich von der englischen Bezeichnung „Triode Alternating Current Switch“ ab. Im deutschen Sprachgebrauch wird auch der Begriff Zweirichtungs-Thyristortriode oder Symistor verwendet.


Wo werden Triacs eingesetzt?

Triacs werden vornehmlich für Schaltvorgänge bzw. zur Leistungsregelung im Wechselspannungsbereich genutzt.

Zu den Einsatzgebieten zählen Glühlampendimmer, Lichtorgeln oder auch die Drehzahlregelung von Elektromotoren in Küchengeräten oder Elektrowerkzeugen.

Da Triacs nicht in der Lage sind, sehr große Ströme zu verkraften, werden in der Leistungselektronik nach wie vor einzelne Thyristoren verwendet.


Wie ist ein Triac aufgebaut?

Um den Aufbau besser zu verstehen, kann man sich einen Triac wie zwei antiparallel geschaltete Thyristoren vorstellen. Dabei werden jeweils eine Anode (A) und eine Kathode (K) der beiden Thyristoren zusammengefasst.

Die dabei entstehenden Hauptelektroden werden mit H1 und H2 bzw. nach der englischen Bezeichnung Main Terminal (MT1 und MT2) bezeichnet. Alternativ dazu sind aber auch die Bezeichnungen Anode 1 und Anode 2 gebräuchlich.

Im Regelfall ist die Hauptelektrode H2 (MT2) mit dem Gehäuse des Triacs verbunden. Demzufolge muss eine isolierte Montage erfolgen, damit die Montagefläche nicht spannungsführend ist.

Die Steuereingänge der beiden Thyristoren (Gates) werden ebenfalls miteinander verbunden.

Um den internen Kristallaufbau übersichtlich darstellen zu können, schaltet man einen kathodengesteuerten Thyristor oder auch p-Gate Thyristor (1) und einen anodengesteuerten Thyristor oder auch n-Gate Thyristor (2) entsprechend Skizze A parallel.

Die Skizze B zeigt den Kristallaufbau der beiden Halbleiter.

Fügt man beide Halbleiterkristalle in einen Block zusammen, würde das entsprechend Skizze C aussehen.

Um beide Thyristoren mit einem gemeinsamen Gate ansteuern zu können, sind zusätzliche N-dotierte Zonen mit in den Halbleiterkristall eingefügt worden (siehe Skizze D). Diese als Zünd- oder Hilfsthyristor-Strecken (3) fungierenden Bereiche sind dafür verantwortlich, dass Triacs einen höheren Ansteuerstrom zum Durchschalten (Zünden) benötigen als Thyristoren.

Die Hauptelektrode H1 (MT1) weist direkten Halbleiterkontakt zum Gate auf und dient somit als Bezugspotential für das Gate.

Das Gate kann mit einem positiven oder negativen Impuls angesteuert werden.

Je nach Triac-Typ reicht für die Ansteuerung ein Impuls von wenigen Volt, wobei dann ein Gatestrom von wenigen mA fließt.

Allerdings ist die Zündempfindlichkeit von der Polarität an H1 und H2 (siehe Skizze Zündart I+/I- und III+/III-) und von der Polarität des Gate-Impulses (siehe Skizze Zündart I+/III+ und I-/III-) abhängig.

Die größte Zündempfindlichlkeit haben Triacs bei der Steuerart I+ und III-. Die anderen beiden Zündarten benötigen einen zum Teil deutlich höheren Gatestrom.


Wie funktioniert ein Triac?

Das Prinzip bzw. die Funktionsweise eines Triacs lässt sich sehr leicht mit Hilfe eines Dimmers veranschaulichen.

Wenn die komplette Sinunswelle der Netzspannung (UB) am Leuchtmittel (1) anliegt, leuchtet dieses mit voller Helligkeit.

Um die maximale Helligkeit zu verringern, muss ein Teil der Sinuswelle abgeschnitten werden.

Und genau diese Funktion übernimmt ein Triac (2). Dazu wird er in Reihe (Serie) mit dem Verbraucher (Leuchtmittel) geschaltet.

Ohne Ansteuerung ist der Triac hochohmig. Das bedeutet: Der elektronische Schalter ist offen und die Spannung an der Lampe beträgt 0 Volt. Die Lampe leuchtet nicht.

Wenn zum Zeitpunkt t1 ein kurzer Ansteuerimpuls am Gate anliegt, schaltet der Triac durch. Er wechselt vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand. In der Fachsprache wird der Vorgang auch als Zündung bezeichnet. Der elektronische Schalter ist geschlossen und die Spannung an der Lampe (UL) springt schlagartig auf den momentanen Wert der Versorgungsspannung. Dadurch wird die Lampe mit Strom versorgt und beginnt zu leuchten.

Der gezündete Triac bleibt leitend, auch wenn der Ansteuerimpuls am Gate wieder abgeschaltet wird. Erst wenn die Wechselspannung zum Zeitpunkt t2 die 0-Linie kreuzt und somit der Haltestrom des Triacs unterschritten wird, sperrt er wieder. Fachleute sagen, der Triac wird gelöscht. Die Lampe wird nicht mehr mit Strom versorgt.

Der Triac bleibt nun so lange gesperrt, bis zum Zeitpunkt t3 der nächste Ansteuerimpuls am Gate anliegt und er wieder zündet. Da der Triac ja in beide Richtungen leitend ist, wird auch bei der negativen Halbwelle Strom über die Lampe fließen.

Zum Zeitpunkt t4 wird der Haltestrom unterschritten und der Triac sperrt wieder, bis er beim Zeitpunkt t5 erneut gezündet wird.

Da der Zündzeitpunkt t1 sehr frühzeitig erfolgt, erhält die Lampe einen sehr großen Anteil der Netz-Wechselspannung. Es wird lediglich nur ein kleiner Teil jeweils am Beginn jeder Halbwelle abgeschnitten. Dadurch leuchtet die Lampe noch sehr hell.

Wenn der Zündzeitpunkt später erfolgt bzw. weiter nach „rechts“ verschoben wird, verringert sich an der Lampe der übrigbleibende Teil der Sinuswelle (UL).

Die Lampe erhält dadurch weniger Energie und leuchtet somit dunkler.

Bei einer Netzfrequenz von 50 Hz wird die Lampe im Prinzip 100 Mal pro Sekunde (50 Mal bei der positiven Halbwelle und 50 Mal bei der negativen Halbwelle) ein- und ausgeschaltet.

Diese schnelle Schaltfolge kann das menschliche Auge nicht mehr als einzelne Schaltvorgänge wahrnehmen. Zudem gibt es bei Glühlampen auch noch einen kurzen „Nachglüheffekt“ beim Ausschalten.

Dies führt dazu, dass beim Dimmen der Eindruck einer gleichmäßigen Helligkeitsveränderung entsteht.   

Bei einem einstellbaren Dimmer wird demzufolge lediglich der Zeitpunkt verändert, zu dem der Zündimpuls den Triac durchschaltet. Dazu muss der Gate-Impuls immer an der richtigen Stelle der Sinuswelle ausgegeben werden.

Zu diesem Zweck benötigt die Regelung immer einen aktuellen Bezug zur momentanen Lage der Sinuswelle.

Im oben abgebildeten Schaltbild wurde dieser Zusammenhang mit einer blauen Linie dargestellt.

Hinweis:
Da im oben gezeigten Beispiel die Phase am Beginn der Halbwelle gesperrt und danach eingeschaltet wird, handelt es sich bei dieser Steuerung um einen Phasenanschnittdimmer. Diese Art der Dimmer ist für ohmsche Lasten wie Glühbirnen oder Hochvolt-Halogenlampen, aber auch für induktive Lasten wie konventionelle Halogentrafos perfekt geeignet.

Kapazitive Lasten wie elektronische Halogentransformatoren hingegen benötigen einen Phasenabschnittdimmer. Bei diesem Schaltungskonzept steigt die Spannung am Verbraucher synchron mit der Netzspannung an und wird dann nach einer definierten Zeit abgeschaltet. Allerdings werden dafür keine Triacs, sondern abschaltbare Thyristoren oder Power MOSFETs bzw. IGBTs als elektronische Schalter verwendet.


Wodurch unterscheiden sich Triacs?

Auch wenn die grundsätzliche Funktion bei Triacs immer gleich ist, können sich die einzelnen Exemplare doch erheblich unterscheiden.

Bauform

Eines der wesentlichen Unterscheidungsmerkmale ist die Bauform. Je nachdem, wieviel Strom bzw. Leistung ein Triac verkraften muss, wurden bei der Herstellung die Gehäuseform mit integrierter Kühlfläche sowie die Auslegung der Anschlüsse optimiert. Je höher der Leistungsdurchsatz, desto größer fällt der Triac aus.

Technische Daten

Aber selbst bei gleicher Bauform können die Unterschiede noch recht groß sein. Allerdings beziehen sich die Unterschiede dann in erster Linie auf die technischen Daten. Besonders die Angaben zur max. Spannung oder zum max. zulässigen Strom können erheblich voneinander abweichen. Im Zweifelsfall ist ein Blick in das Datenblatt unumgänglich.


Was muss beim Austausch eines Triacs beachtet werden?

Wenn ein defekter Triac in einem Gerät ausgetauscht werden soll, muss immer ein Ersatztyp mit der gleichen Bezeichnung verwendet werden. Nur so ist gewährleistet, dass der ausgetauschte Triac optimal zu der bestehenden Elektronik bzw. Schaltung passt. Beim Austausch des Originalteils gegen ein Exemplar mit annähernd gleichen technischen Daten ist Vorsicht geboten. Denn durch unterschiedliche Halbleiter-Kennlinien kann es zu nicht unerheblichen Fehlfunktionen kommen.

Wichtig:
Da Triacs im Netzstromkreis eingesetzt werden, muss man bei der Fehlersuche bzw. beim Austausch mit den geltenden Sicherheitsvorschriften vertraut sein. Bei unsachgemäßem Arbeiten bzw. bei der Fehlersuche unter Spannung besteht akute Lebensgefahr. Aus diesem Grund sollten Sie sich lieber an einen Fachmann wenden, falls Sie mit den notwendigen Vorgehensweisen nicht vertraut sind.

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