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

Schaltzeichen eines Thyristors

[Bearbeiten] Aufbau und Funktionsweise

Er hat drei pn-Übergänge in der Folge pnpn. Wie eine Diode hat der Thyristor Anode und Kathode, im Gegensatz zur 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:

• Konventionelle:
  • Steuerstrom (ein positiver Strom oder Stromimpuls am Gate),
  • Lichtzündung (Fotothyristor)
• Unkonventionelle, meist unzulässige
  • Überschreiten der Nullkippspannung (Überkopfzündung bzw. Breakover)
  • Überschreiten der zulässigen Spannungsanstiegsgeschwindigkeit
  • Temperaturerhöhung

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.

[Bearbeiten] Varianten

Thyristor 100 Ampere/800 Volt
kleines Bild: Thyristor 13 Ampere/800 Volt in Standardgehäuse TO-220 (Bleistift zum Größenvergleich)

• GTO-Thyristor: Er ist asymmetrisch dotiert und kann an der Steuerelektrode nicht nur gezündet, sondern auch durch einen negativen Impuls wieder gelöscht werden. Der Löschimpuls muss relativ stark sein. Im Durchschnitt müssen 30 % des Laststroms kurzzeitig als Löschstrom aufgebracht werden
• Thyristortetrode: Sie besitzt an der zweiten und an der dritten Schicht eine Elektrode. Sie kann an beiden Elektroden oder an jeder einzeln gezündet und gelöscht werden, jeweils mit einem positiven oder negativen Impuls.
• Fotothyristor: Er wird nicht durch einen elektrischen Impuls, sondern mit Hilfe von Licht gezündet. Er ist ideal geeignet für die Anwendung in Anlagen der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung, wird dort aber erst in den neuesten Anlagen verwendet, da bis vor kurzem Fotothyristoren für die geforderte hohe Leistung nicht hergestellt werden konnten. Fotothyristoren kleiner Leistung finden Anwendung als integrierte Bauteile in Optokopplern.
• Diac
• Triac
• ITR (Integrated Thyristor/Rectifier): Ein Bauteil, das neben einem Thyristor eine zu ihm antiparallel geschaltete Diode enthält.
• Vierschichtdiode (auch "Dinistor" für Dioden-Thyristor): Thyristor ohne Steuerelektrode. Das Bauteil zündet bei Erreichen einer definierten Durchbruchspannung. Im Gegensatz zum Diac ist die Vierschichtdiode nur in eine Richtung durchlassfähig.

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.

[Bearbeiten] Einsatzgebiete

Leistungsregelung am steuerbaren Gleichrichter durch Verschiebung der Thyristor-Einschaltzeitpunkte

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.

[Bearbeiten] Siehe auch

• Klemmschaltung (Stromversorgung) (Thyristor-Crowbar)
• Phasenanschnittsteuerung

[Bearbeiten] Weblinks

• Thyristorbeschaltung
• Der Thyristor bei "das ELKO"
• Thyristor-Crowbar: Mit der Brechstange gegen zuviel Spannung! Eine praktische Anwendung...