Informations- und Kommunikationstechnik

Der Thyristor

Der Thyristor ist ein Si-Halbleiterbauteil, der als schneller elektronischer Schalter die Arbeitszustände gesperrt oder leitend hat. Er kann in Gleich- und Wechselstromkreisen eingesetzt werden und arbeitet als Schaltverstärker, der mit einer geringen Steuerleistung, meist einem kleinen Steuerimpuls, eine große Ausgangsleistung schaltet. Thyristoren findet man in Steuer- und Regelschaltungen, in der Antriebssteuerung und Drehzahlregelung elektrischer Motoren aller Leistungen sowie der Helligkeits- und Temperatursteuerung oder Regelung. Er kann als schaltbare Diode den Leistungsbedarf von Gleichrichtschaltungen und Netzteilen steuern. Der gesteuerte Silizium-Gleichrichter wird im englischen Sprachbereich daher als Silicon Controlled Rectifier, SRC bezeichnet.

Der innere Halbleiteraufbau besteht aus einer mehrfachen pn-Schichtenfolge mit drei nach außen geführten Elektroden. Anode und Kathode bilden den Hauptstromweg und das Gate dient als Steuerelektrode. Die Wirkweise gleicht einer gesteuerten Diode. Jeder pn-Übergang kann als Diodenstrecke interpretiert werden. Die Ersatzschaltung mit drei Dioden zeigt, dass die 4-Schichtenfolge ohne Ansteuerung den Strom zwischen Anode und Kathode immer sperrt. Dabei ist es egal, in welcher Polaritätsfolge der Hauptstromkreis angeschlossen ist.

Thyristor-Schichtfolge

Im Rückwärts-Sperrzustand ist die Anode negativ gegenüber der Kathode und die Dioden D1 und D3 sind gesperrt. Die mittlere Diode weist Durchlassrichtung auf. Ohne Ansteuerung entspricht die Kennlinie des Thyristors somit einer normalen Si-Diode. Es gibt eine Durchbruchspannung mit lawinenartig zunehmendem Sperrstrom. Es handelt sich um einen unerlaubten Betriebszustand. Der Thyristor nimmt dabei nicht seinen normalen leitenden Schaltzustand ein. Mit dem plötzlich einsetzenden Sperrstrom nimmt die Verlustleistung schnell zu, wobei die Gefahr der Bauteilzerstörung gegeben ist. Im Rückwärts-Sperrzustand ist eine Steuerung über das Gate normalerweise nicht gegeben.

In Vorwärtsrichtung geschaltet ist die Anode positiv gegenüber der Kathode und die mittlere Diode sperrt. Es bedarf einer kleinen Steuerspannung, die den mittleren pn-Übergang leitend steuert. Damit wird der gesamte Kanal niederohmig und leitend. Der Thyristor zündet und kann ab diesem Zeitpunkt nicht mehr über die Steuerelektrode gelöscht und gesperrt werden. Bei den meisten Thyristoren wird die mittlere Diode mit einem positiven Steuersignal leitend geschaltet. Es sind p-Gate Thyristoren, die mit einem gegenüber der Katode positiven Gatepotenzial den Thyristor zünden und leitend steuern.

Ebenso könnte ein negatives Potenzial an der oberen n-Schicht die mittlere Diode leitend steuern und so den Thyristor zünden. Dieser n-Gate Thyristor wird auch als PUT, Programmable Unijunction Transistor bezeichnet. Sein Verhalten entspricht mehr einem Unijunktion Transistor, der mittels Spannungsteiler am Gate "programmiert" geschaltet werden kann.

Die folgende Grafik zeigt das Kennlinienfeld eines p-Gate Thyristors in Abhängigkeit von der Gate-Kathodenspannung UGK. Je höher sie ist, desto größer ist der Steuerstrom. Die Kurven wurden für die nebenstehende Messschaltung mit einem Analog-Speicheroszilloskop in X/Y-Schaltstellung erstellt. Bei einer kleinen Steuerspannung UGK ≤ 0,9V ergab sich ein höherer Haltestromwert (Position I). Mit UGK > 0,9V lag der Haltestrom niedriger (Position II).

Thyristor-Kennlinien

Thyristor-Ersatzschaltung mit Transistoren

Thyristor-Ersatzschaltung

Bei einem gedachten Schrägschnitt durch die Viererschichtfolge des Thyristorkristalls entstehen zwei Schichtfolgen, die einem pnp- und npn-Transistor entsprechen. Die Thyristorfunktion kann praktisch durch die Zusammenschaltung dieser beiden Transistortypen nachgebildet werden, was zum Teil auch in Sensorschaltungen, den berührungsempfindlichen Schaltflächen kommerziell erfolgte.

Die Arbeitsweise der Ersatzschaltung kann wie folgt beschrieben werden. In Rückwärtsrichtung und ohne die im Anodenkreis eingesetzte Diode sind beide Transistoren gesperrt. Eine Gate-Steuerspannung mit UGK ≈ 5 V ändert an diesem Zustand nichts. Da die Sperrspannung der Basis-Emitterdiode eines Transistors ist für höhere Betriebsspannungen nicht geeignet ist, übernimmt das die vorgeschaltete Diode im Anodenkreis.

In Vorwärtsrichtung mit positiver Anode und negativer Katode sind beide Emitter-Basisstrecken leitend. Ohne zusätzliche Widerstände ist bei offenem Gate die Basis-Kollektorstrecke des pnp-Transistors hochohmig. Der untere Transistor erhält somit keinen ausreichenden Basisstrom und bleibt gesperrt. Ein positiver Gate-Impuls lässt den npn-Transistor leitend werden. Dadurch fließt im pnp-Transistor ein großer Basisstrom, der über die Stromverstärkung zum Emitter-Kollektorstrom führt. Der untere Transistor erhält jetzt dauerhaft Basisstrom, bleibt leitend und hält seinerseits den oberen Transistor dauerhaft leitend. Dieser Zustand entspricht dem gezündeten Thyristor.

Die Ersatzschaltung mit bipolaren Transistoren bleibt in Vorwärtsrichtung ohne Gate-Ansteuerung nicht sicher gesperrt. Vielfach reichen die geringen Restströme im Sperrzustand und die hohen Stromverstärkungsfaktoren der Transistoren aus, die Schaltung leitend zu steuern. Das geschieht, wenn das Produkt beider Stromverstärkungen größer eins wird. Abhilfe schafft ein niederohmiger Ableitwiderstand RGK, der den Sperrstrom des oberen Transistors übernimmt und so den unteren Transistor sicher gesperrt hält. Bei Ansteuerung begrenzt der Gate-Vorwiderstand auf den maximal erlaubten Basis-Emitterstrom.

Bei bipolaren Transistoren ist der erlaubte Kollektorstrom wesentlich höher als der Basisstrom über die Basis-Emitterdiode. In der gezündeten Ersatzschaltung würde das für beide Transistoren nicht mehr zutreffen. Der untere niederohmige npn-Transistor würde einen hohen Basisstrom für den pnp-Transistor zulassen und der niederohmige pnp-Transistor kann den Basisstrom des unteren Transistors nicht begrenzen. Eine Ersatzschaltung für große Leistungen und Ströme kann mit einem pnp-Leistungstransistor und einem npn-Kleinleistungstransistor ermöglicht werden, wenn der Anoden-Katodenstrom über den Basisableitwiderstand RGK geführt wird. Der npn-Transistor sorgt für ein sicheres Durchsteuern beim Zündimpuls und die durch den Kollektorstrom entstehende Spannung am Ableitwiderstand hält den npn-Transistor leitend. Bei zu kleinem Vorwiderstand am Gate kann der Kollektorstrom über diesen als Gate-Rückstrom in die Ansteuerschaltung fließen. Das kann mit einer zusätzlichen Sperrdiode verhindert werden.

Thyristoreigenschaften

Rückwärts-Sperrzustand

Das Anodenpotenzial ist negativ gegenüber dem Kathodenpotenzial. Der Thyristor sperrt wie eine normale Diode. Es kann ein sehr geringer Sperrstrom fließen. Im Rückwärts-Sperrzustand ist eine Steuerung über das Gate normalerweise nicht gegeben. Im Sperrzustand sollte keine positive Spannung am Gate anliegen.

Durchbruch-(Sperr)-Spannung

Oberhalb dieser maximalen Sperrspannung wird der Halbleiter plötzlich leitend und durch Überschreiten der maximalen Verlustleistung zerstört.

Blockierzustand

Die Anode ist positiv gegenüber der Kathode. Das Gate wird nicht angesteuert. Der Thyristor verbleibt im Sperrzustand. Es fließt ein geringer Blockierstrom.

Nullkippspannung mit Überkopfzündung

Ohne Gate-Ansteuerung gelangt ab einer ausreichend hohen positiven Anodenspannung, die als Nullkippspannung bezeichnet wird, der mittlere gesperrte np-Übergang in den Durchbruch. Der Blockierstrom steigt plötzlich an und der Thyristor zündet. Diese Betriebsart ist für Thyristoren verboten.

Gatesteuerung

Bei einem p-Gate Thyristor hebt ein gegenüber der Katode positives Gatepotenzial bei ausreichend hohem Gatestrom den Blockierzustand auf. Der Thyristor zündet und verhält sich wie eine Diode in Durchlassrichtung. Nach dem sicheren Zünden kann das Gate stromlos bleiben. Ein Abschalten oder Sperren über das Gate ist nicht möglich. Die Steuerung sollte mit geeigneten Zündimpulsen und nicht mit konstanter Gleichspannung erfolgen. Beim n-Gate Thyristor ist ein gegenüber der Kathode negativer Zündimpuls notwendig.

Haltestrom

Im gezündeten Zustand muss zum Abschalten und Sperren des leitenden Thyristors der Durchlassstrom den Haltestromwert unterschreiten. Dieser Wert wird mit zunehmender Kristalltemperatur niedriger.

Rate-Effekt

Ohne Gate-Ansteuerung kann der Thyristor zünden, wenn die Änderung des Anoden-Kathodenpotenzials in Flussrichtung sehr schnell erfolgt. Ab einer Steilheit dU / dt > 100 V/μs löst ein Verschiebestrom in den Sperrschichtkapazitäten die Zündung aus. Durch geeignete Schaltungsmaßnahmen, wie der shorted-emitter-Technik mit integriertem Gate-Vorwiderstand und Gate-Kathoden-Widerstand, kann diese Empfindlichkeit herabgesetzt werden.

Fotothyristor

Durch Zufuhr von Wärme- oder Lichtenergie lassen sich Ladungsträger in der Sperrzone generieren, die zum Durchschalten der Anoden-Kathodenstrecke führen. Dieser Effekt ist unerwünscht und wird nur bei Fotothyristoren genutzt. Sie haben anstelle des Gates eine Glas- oder Kunststofflinse für den steuernden Lichteinfall.