Informations- und Kommunikationstechnik

Triggerhalbleiterelemente

Zur Steuerung von Thyristoren und Triacs sind meistens elektronische Schaltungen notwendig, die einstellbare Spannungs- oder Stromimpulse erzeugen. Zum Teil kann auch der Einsatz einfacher Halbleiterbauelementen ausreichend sein, von den einige nachfolgend vorgestellt werden.

Vierschichtdiode – Thyristordiode

Ein Thyristorhalbleiter entspricht mit der Dotierfolge p-n-p-n einer Vierschichtdiode. Die Dotierungen der einzelnen Schichten einer Vierschichtdiode sind, wie auch bei den Thyristoren, unterschiedlich stark. Ist die Anodenspannung negativer als die der Katode, so bilden sich die beiden Sperrzonen I und III aus. Die Diode ist bis auf einen sehr geringen Sperrstrom nicht leitend. Ist die Anode positiv gegenüber der Katode, so bleibt aufgrund der besonderen Dotierung eine Sperrzone II in der Mitte bestehen. Der Halbleiter sperrt solange, bis ab einer bestimmten Spannungshöhe diese Sperrzone mit Ladungsträgern geflutet wird. Der Halbleiter kippt dann in den niederohmigen, leitenden Zustand. Dieser Vorgang ist vergleichbar mit der Nullkippspannung eines Thyristors beim dort unerwünschten und eigentlich 'verbotenen' Überkopfzünden.

Vierschichtdiode

Im Blockierbereich nimmt kurz vor dem Erreichen der Schaltspannung US der Sperrstrom zu und leitet beim Schaltstrom IS den Kippvorgang ein. Die Diode wird niederohmig und plötzlich leitend. Im Durchlassbereich muss der Strom mit einem Widerstand auf zulässige Werte begrenzt werden. Im durchgeschalteten Zustand ist über der Diode eine niedrige Haltespannung UH messbar. Wird sie oder der Haltestrom IH unterschritten, kippt die Diode in den Sperrzustand zurück. Die Ersatzschaltung lässt erkennen, dass es sich bei der Vierschicht- auch Thyristordiode um einen Thyristor ohne Ansteuerung handelt.

Vierschichtdioden werden für kleine und mittlere Schaltspannungen von 20 ... 200 Volt hergestellt. Der Haltestrom liegt im Milliamperebereich zwischen 10 ... 50 mA. Die Haltespannung entspricht mit 0,8 V einer leitenden Schaltdiode. Der Sperrwiderstand liegt im MΩ-Bereich. Der Durchlasswiderstand ist mit wenigen Ohm sehr klein.

Fünfschichtdiode – Zweirichtungs-Thyristordiode

Zwei auf einem Halbleiterkristall antiparallel geschaltete Vierschichtdioden sind im Aufbau einem Triac mit fehlender Gateelektrode vergleichbar. Das Kennlinienfeld liegt im I. und III. Quadranten und entspricht dem einer Vierschichtdiode. Bei angelegter Wechselspannung gibt es daher keinen Sperrbereich aber zwei Durchlass- und Blockierbereiche. Die Fünfschichtdiode arbeitet nicht ideal symmetrisch. Die Symmetrieabweichung zwischen beiden Schaltspannungen beträgt bis zu 5 Volt.

Fünfschichtdiode

Da das Halbleiterelement einem Triac mit fehlender Steuerelektrode gleicht, wird es auch als Diodenwechselstromschalter oder Diac aus dem Englischen: diode for alternating current bezeichnet. Die Haltespannung einer Fünfschichtdiode ist ebenso niedrig wie die der Vierschichtdiode. Unbedingt notwendig ist eine Strombegrenzung für den Einschaltzustand. Die Fünfschichtdiode eignet sich zur Ansteuerung von Triacs im Wechselstromkreis.

Diac – Zweirichtungsdiode

Diac - Triggerdiode

Zwei gleichartige Dioden mit besonderer Dotierung, die gegeneinander in Reihe geschaltet sind, ergeben die Schichtfolge p-n-p oder n-p-n. Dieses Dreischichtelement hat wie die Kollektor-Emitterstrecke eines Transistors unabhängig der äußeren Polung immer eine aktive Sperrschicht. Denkt man sich die Dioden als Z-Dioden, so wird beim Überschreiten der Z-Spannung die Sperrschicht abgebaut und der Halbleiterkristall niederohmig. Dieser Schaltvorgang kann in positiver als auch negativer Richtung ausgelöst werden. Die Zweirichtungs- oder Triggerdiode ist demnach ein Wechselstromschalter, das eigentliche Diac Bauelement.

Verglichen mit einer Z-Diode geht die Haltespannung nach dem Durchschalten des Diacs auf einen niedrigeren Wert zurück. Ihr Wert liegt wesentlich höher als bei der Fünfschichtdiode. Die Schaltspannung beträgt um 30 V, die Haltespannung um 20 V. Der Schaltstrom ist mit >50 μA sehr klein. Vor zu hohem Betriebs- oder Impulsstrom muss der Diac durch zugeschaltete Widerstände geschützt werden. Die Symmetrieabweichung ist mit rund 3 V geringer als bei der Fünfschichtdiode.