Thyristoren und Triacs – Halbleiter-Bauelemente für vielseitigen Einsatz
Thyristoren und Triacs sind steuerbare, schnelle Silizium-Leistungshalbleiter, die das kontaktlose Ein- und Ausschalten bzw. die Leistungsregelung von Gleich- (mit abschaltbaren (GTO)-Thyristoren) und Wechselspannungsverbrauchern (Triac: nur Wechselspannung) über einen Steueranschluss (Gate) ermöglichen. Der Thyristor wird im englischen Sprachraum oft auch SCR (Silicon Controlled Rectifier) genannt. General Electric hat dieses Bauteil 1957 entwickelt. Vom Thyristorprinzip abgeleitete Bauteile bzw. Komponenten sind u. a. Triacs, Diacs oder Fotothyristoren.
In der Praxis findet man Thyristoren und Triacs in Gleichrichterschaltungen und Motorsteuerungen aller Art – vom Haushaltgerät bis zu leistungsstarken elektrischen Antrieben mit mehreren hundert Volt Betriebsspannung und Strömen von mehreren hundert Ampere wie z. B. in Elektroloks. Auch in Frequenzumrichtern für Drehstromantriebe werden diese Bauteile eingesetzt. Ein weiterer wesentlicher Einsatzbereich sind Dimmer. Thyristoren und Triacs sind auch die Basis der so genannten Halbleiter-Relais (SSR – Solid State Relais).
Was ist ein Thyristor und wie funktioniert er?
Das Grundprinzip des Thyristors ist das einer Diode, die über einen Steueranschluss verfügt, die das Leiten oder (hochohmige) Sperren einer Halbleiterstrecke erlaubt. Der Thyristor arbeitet so als Schaltverstärker. Er besteht aus drei p-n-Übergängen, die so angeordnet sind, dass sich eine Anode-Katoden-Strecke ergibt, die durch den Steueranschluss (Gate) leitend geschaltet („gezündet”) wird, sobald an diesem eine gegenüber dem Katodenpotential positive, zeitlich begrenzte Steuerspannung bzw. ein Steuerimpuls anliegt. Der leitende Zustand bleibt dabei auch erhalten, wenn nach dem Zündimpuls die Steuerspannung entfällt. Das Abschalten erfolgt erst, wenn ein definierter Haltestrom, der im Lastkreis fließt, unterschritten wird. Dies wird durch Abschalten oder Umpolen des Laststromkreises oder bei Wechselspannungsbetrieb durch den Nulldurchgang des Stroms im Laststromkreis erreicht. Bei letzterer Betriebsart zündet der Thyristor bei Anliegen einer positiven Halbwelle und am Gate anliegenden Zündspannung. Danach wird er im Nulldurchgang gelöscht und bleibt also mit der negativen Halbwelle gesperrt. Will man beide Halbwellen schalten, muss man zwei Thyristoren in einer Vollwellenschaltung einsetzen.
Ein Sonderfall des Thyristors ist der Fotothyristor, bei dem der Effekt ausgenutzt wird, dass das Auftreffen von Licht auf die Sperrzone den Thyristor ebenfalls zünden kann. Dies wird bei bestimmten Ausführungen von Optokopplern ausgenutzt, die statt eines Gate-Anschlusses eine galvanisch getrennte Ansteuerung durch eine Leuchtdiode besitzen.
Eine einfache Thyristor-Schaltung besteht aus dem Zündstromkreis und dem Laststromkreis, in dem auch das Löschen stattfindet.
Was ist ein Triac und wie funktioniert er?
Der Triac ist eine technische Ableitung des Thyristors, dessen Bezeichnung die Abkürzung für „Triode for Alternating Current” ist. Dies weist auf seine Funktion als Wechselstromschalter hin, der in beide Richtungen schalten kann. Betrachtet man sein Schaltzeichen, findet man hier zwei antiparallel geschaltete Thyristoren mit zwei Anodenanschlüssen und einem gemeinsamen Gate-anschluss. Für die gemeinsame Ansteuerung beider Halbleiterstrecken gibt es zwei interne Zündstrecken, die ein Durchsteuern mit positiven und negativen Steuerimpulsen erlauben. Im Gegensatz zum Thyristor erfolgt hier das wechselseitige Löschen und Zünden nach dem ersten Zünden mit jedem Nulldurchgang – also mit positiver und negativer Halbwelle. Damit wird mit dem Triac nur ein einziges Bauteil für eine Vollwellen-Wechselspannungssteuerung benötigt. Triacs findet man meist in Phasenanschnittdimmern, die der kontinuierlichen Drehzahl- oder Beleuchtungssteuerung dienen.
Der Triac kann auch als Schutz-Komponente in Stromversorgungsschaltungen eingesetzt werden. Hier wird er durch eine Überspannung am Eingang oder falsch gepolt angelegte Spannung durchgeschaltet und löst eine Sicherung aus.
