Leistungselektronik

Stand: 2004-03

Thomas Mertin
Netzwerk- und Elektrotechnik
D-41334 Nettetal

Bauteile der Leistungselektronik

1. Vierschichtdiode

Aufbau:

Diodenersatzschaltung

Kennlinie:

U_H = Haltespannung
U_B0 = Nullkippspannung (Schaltspannung)
I_H = Haltestrom
U_RRM = periodische Spitzensperrspannung

Schaltzeichen:

Anwendung:
Ansteuern von Thyristoren; Spannungsabhängiges Schalten in einer Richtung

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2. Diac

Diac = Diode alternating current switch (Diodenwechselstromschalter)

Diacs werden als Dreischicht - Halbleiterbauteile und als Fünfschicht - Halbleiterbauteile hergestellt. Dem entsprechend unterscheidet man Zweirichtungsdioden und Zweirichtungsthyristor.

Zweirichtungsdiode

Aufbau:

Wirkungsweise:
Wie man auch die äußere Spannung auch polt, ein pn-Übergang wird stets in Sperrrichtung betrieben, der andere in Durchlaßrichtung. Bei einer bestimmten Spannung U_B0 bricht der in Sperrichtung betriebene pn-Übergang durch. Der Durchbruch erfolgt ähnlich wie der einer Z-Diode. Nach dem Durchbruch ist der Diac niederohmig. Das Zurückkippen in den hochohmigen Zustand erfolgt bei Unterschreiten der Haltespannung.

Kennlinie:

Übliche Kennwerte:
Schaltspannung: U_B0 ≈ 32V
Schaltstrom: I_B0 ≈ 50µA
Haltespannung: U_H ≈ 20V
Symmetrieabweichung: S ≈ ±3V

Übliche Grenzwerte:
Höchstzulässige Verlustleistung: P_tot ≈ 0,5W
Höchstzulässiger Impulsstrom: I_PH ≈ 2A

Schaltzeichen:

Anwendung: Ansteuerung von Triac; Spannungsabhängiges Schalten in beider Richtungen

Zweirichtungsthyristordiode

Aufbau:

Wirkungsweise:
Eine Zweirichtungsthyristordiode ist im Prinzip eine Antiparallelschaltung von zwei Vierschichtdioden. Bei der Vereinigung der beiden Vierschichtdioden in einem Kristall werden jeweils n-leitende und p-leitende Zonen zusammengefaßt. Es ergibt sich ein Fünfschicht - Halbleiterbauteil.
Die Eigenschaften der Zweirichtungsthyristordiode entsprechen denen der Antiparallelschaltung von zwei Vierschichtdioden. Bei einer bestimmten Spannung U_B0 geht das Bauteil vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand über. Das Zurückkippen in den hochohmigen Zustand erfolgt bei der Unterschreitung des Haltestromes.

Kennlinie:

Übliche Kennwerte:
Schaltspannung: U_B0 ≈ 50V
Schaltstrom: I_B0 ≈ 0,4mA
Haltespannung: U_H ≈ 0,8V
Symmetrieabweichung: S ≈ ±4V

Übliche Grenzwerte:
Höchstzulässige Verlustleistung: P_tot ≈ 150mW
Höchstzulässiger Impulsstrom: I_PH ≈ 1A

Schaltzeichen:

Anwendung: Ansteuerung von Triac; Spannungsabhängiges Schalten in beider Richtungen

Anwendung des Diacs

Impulsgenerator
R_V » R_L ; U_B0 = 32V; ΔU = 8V

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3. Der Thyristor

Aufbau:
Der Aufbau der häufigsten Thyristoren ist unten dargestellt. Jeder Thyristor hat eine Anode (A), Kathode (K) und den Steueranschluß (G, Gate).


p-gesteuerter Thyristor	n-gesteuerter Thyristor

p-gesteuerter Thyristor = kathodenseitig steuerbare Thyristortriode (Rückwärtsrichtung sperrend)
n-gesteuerter Thyristor = anodenseitig steuerbare Thyristortriode

In der Praxis wird vorwiegend der kathodenseitig steuerbare (P-Gate) Thyristor verwendet.

Wirkungsweise:
Thyristoren sind Halbleiterbauteile mit vier Schichten unterschiedlicher Dotierung. Sie sind ähnlich aufgebaut wie Vierschichtdioden und haben wie diese zwei stabile Zustände, einen hochohmigen und einen niederohmigen Zustand. Das Umschalten vom hochohmigen in den niederohmigen Zustand ist über das sogenannte Gate steuerbar.

Transistor-Ersatzschaltbild für den Zündvorgang des Thyristors
Man kann sich einen Thyristor, wie unten dargestellt, aus zwei Transistoren zusammengesetzt denken.

Gibt man auf den Steueranschluß einen gegenüber der Kathode positiven Impuls, so steuert die Transistorstrecke T2 auf und leitet den gegenseitigen Aufsteuerungsvorgang zwischen T1 und T2 ein. Der Thyristor kippt in den niederohmigen Zustand.
Ein im niederohmigen Zustand befindlicher Thyristor bleibt niederohmig, bis der Haltestrom unterschritten wird.

Kennlinie:

U_B0(0) = Nullkippspannung
Die Nullkippspannung ist die Spannung, bei der ein mit offenem Gate in Schaltrichtung betriebener Thyristor in den niederohmigen Zustand kippt.
Überkopfzündung = unbeabsichtigtes Durchsteuern bei Überschreitung der Nullkippspannung.

Schaltzeichen:


Allgemein	kathodenseitig steuerbar	anodenseitig steuerbar

Anwendung: Schalter in der Leistungselektronik

Anwendung des Thyristors

Phasenanschnittssteuerung

Schaltungsbezeichnung: M1C - SR
M = Mittelpunkt; 1 = Pulsigkeit einer Netzperiode; C = gesteuert; SR = Stromrichter

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4. Der Triac

Triac = Diode alternating current switch (Triodenwechselstromschalter)

Aufbau:

Wirkungsweise:
Der Triac entsteht aus der Antiparallelschaltung zweier Thyristoren. Der Triac kann in beiden Halbwellen schalten. Thyristor T1 steuert z.B. die positive und Thyristor T2 steuert die negative Halbwelle einer Wechselspannung.

Faßt man diese beiden Thyristoren in einem Bauelement zusammen, erhält man ein Fünfschicht-Halbleiterbauteil mit einem Steueranschluß G.

Das Thyristorsystem T1 kann ohne Schwierigkeiten über diese Steuerelektrode gezündet werden, denn sie ist ja der eigentliche Steuereingang des Systems. T1 wird gezündet, wenn an G eine gegen A1 positive Spannung gelegt wird, die den Strom I_St in das Kristall treibt.
Die Steuerelektrode G ist aber bei diesem Aufbau nicht in der Lage, das Thyristorensystem T2 zu zünden, weder mit einem positiven noch mit einem negativen Steuerimpuls. Um eine Steuermöglichkeit zu schaffen, wird eine kleine n-Zone unterhalb des Steuerelektrodenanschlusses eindotiert. Zusätzlich erzeugt man meist noch eine kleine n-Zone an der Elektrode A2. Man hat nun zwei Hilfsthyristorstrecken geschaffen.

Ein Triac arbeitet wie eine Antiparallelschaltung von zwei Thyristoren. er steuert beide Halbwellen eines Wechselstromes. Die Steuerung erfolgt über eine einzige Steuerelektrode.

Kennlinie: