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Thyristor

Der Thyristor ist ein aus einem Mehrschichthalbleiter bestehender steuerbarer Gleichrichter. Die Bezeichnung Thyristor ist ein Kofferwort aus Thyratron und Resistor.

Inhaltsverzeichnis

Aufbau und Funktionsweise

Er hat drei pn-Übergänge in der Folge pnpn. Wie eine Diode hat der Thyristor Anode und Kathode, im Gegensatz zu Diode kommt aber noch ein Gate-Anschluss hinzu.

Im Grundzustand ist der Thyristor in beiden Richtungen sperrend. In Durchlassrichtung sperrt er bis zu einer Zündspannung (Nullkippspannung für eine Gate-Kathoden-Spannung von 0 V). Durch einen positiven Stromimpuls am Gate kann er in den leitenden Zustand geschaltet werden. In Sperrrichtung sperrt er den Strom wie eine normale Diode. Es gibt mehrere Möglichkeiten der Zündung:

Praktisch wird der Thyristor als steuerbare Diode eingesetzt. 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. Gelöscht (in den Sperrzustand versetzt) wird der Thyristor durch Unterschreiten des Haltestroms, im Allgemeinen durch Abschalten oder Umpolen der Spannung im Laststromkreis, oder im Stromnulldurchgang des Lastkreises (z.B. im Gleichrichter). Die Freiwerdezeit begrenzt dabei die Frequenz dieses Vorgangs. Ein negativer Stromimpuls am Gate, in Höhe des Laststroms, versetzt den Thyristor ebenfalls wieder in den Sperrzustand.

Varianten

Neben diesen erwünschten Bauelementen können sich durch die abwechselnden Dotierungen der n-Kanal- und p-Kanal-Feldeffekttransistoren in CMOS-Halbleiterbauteilen unerwünschte, sogenannte „parasitäre Thyristoren“ ausbilden. Bei Zündung dieser Thyristoren durch kurze Spannungsspitzen an den Eingängen einer CMOS-Stufe (Latch-Up-Effekt) kann es zur Zerstörung des CMOS-Bauteils kommen.

Einsatzgebiete

Thyristoren werden für große Ströme bis über 10 kA (Kiloampere) gebaut. Problematisch ist die Stromdichte in der dritten Schicht beim Zündvorgang. Beim Injizieren der Elektronen wird die Schicht an der Eintrittsstelle leitend. Bis die gesamte Siliciumfläche 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 Schmelztemperatur (1683 K) des Siliciums hinaus, führen. Deshalb ist es besonders wichtig, dass der Zündstrom einen steilen Stromanstieg hat. Dazu werden in der Praxis Diacs eingesetzt. Diese Vorgänge brauchen Zeit. Die üblichen Thyristoren haben daher Grenzfrequenzen von 200 Hz.

Anwendung finden sie auch von der Steuerung elektrischer Motoren bis zur Lichtsteuerung (Dimmung). Ende der 1970er Jahre wurden sie auch in den Horizontalendstufen von Fernsehgeräten eingesetzt, später wurden sie von Bipolartransistoren bzw. MOSFETs ersetzt.

Thyristoren haben steuerbare Quecksilberdampfgleichrichter wie Thyratrons, Ignitrons und Excitrons fast vollständig ersetzt. Sie werden auch für größte Leistungen wie in Anlagen der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung verwendet.

Im Bereich einiger Megawatt, wie z. B. in Elektrolokomotiven, wurden Thyristoren ihrerseits bereits wieder durch IGBTs verdrängt.

Die Kennbuchstaben für den Halbleiter, die ihn grob klassifizieren, werden meist aufgedruckt.

Siehe auch

Klemmschaltung (Stromversorgung) (Thyristor-Crowbar)