Thyristor vs. Transistor: Unterschiede und beste Einsatzmöglichkeiten

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Was sind Thyristoren?

Thyristoren sind Halbleiterbauelemente, die als bistabile Schalter funktionieren und zwei stabile Zustände haben – ein und aus – und auch als siliziumgesteuerte Gleichrichter oder SCRs bezeichnet werden. Thyristoren sind in einer Vielzahl von Anwendungen unverzichtbar, von der Stromübertragung und Motorsteuerung bis hin zu Heizsystemen und Lichtsteuerung. Transistoren hingegen können Signale schalten und verstärken. Stattdessen sind Thyristoren speziell dafür gemacht, hohe Ströme und Spannungen zu steuern.

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Thyristorsymbol

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In Schaltplänen und technischen Dokumentationen ist das Thyristorsymbol – eine bildliche Darstellung seiner inneren Struktur – von wesentlicher Bedeutung. Mit einem zusätzlichen Steueranschluss, dem sogenannten Gate, sieht es wie eine Diode aus. Die Richtung des Stromflusses wird durch die Anode angezeigt, die ein nach außen zeigender Pfeil ist, und die Kathode, die eine senkrecht dazu verlaufende Linie ist. Der Steueranschluss, der das Schaltverhalten des Thyristors einleitet, wird durch das Gate dargestellt, eine vertikale Linie, die Anode und Kathode kreuzt.

Thyristormodule

Für Leistungssteuerungsanwendungen bieten Thyristormodule – kompakte Baugruppen mehrerer Thyristoren – eine praktische und effektive Lösung. Diese Module reduzieren die Anzahl der Komponenten und vereinfachen das Schaltungsdesign, indem sie Thyristoren, Gate-Treiber und Schutzschaltungen in einem einzigen Paket kombinieren. Ein kompakter Formfaktor kann beibehalten werden, während die Leistungssteuerungsfunktionen durch die Integration mehrerer Thyristoren in ein einziges Modul verbessert werden.

Was sind Transistoren?

Im Gegensatz dazu sind Transistoren Halbleiterbauelemente mit der Fähigkeit, Signale zu schalten und zu verstärken. Sie bestehen aus zwei Back-to-Back-Dioden, die aus drei Halbleiterschichten bestehen. Im Gegensatz zu Thyristoren verriegeln Transistoren nicht, was bedeutet, dass sie im ausgeschalteten Zustand bleiben, sofern kein winziges Steuersignal an den Basisanschluss angelegt wird. Durch dieses Steuersignal wird ein größerer Stromfluss zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen des Transistors ermöglicht, wodurch der Transistor leitet.

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Transistorsymbol

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Drei Pfeile bilden das Symbol für einen Transistor: Einer zeigt vom Kollektor zur Basis, einer vom Emitter zur Basis und einer vom Kollektor zum Emitter. Der Transistortyp wird durch die Richtung der Pfeile angegeben.

Thyristor vs. Transistor

Obwohl es sich bei beiden um Halbleiterbauelemente handelt, funktionieren Thyristoren und Transistoren unterschiedlich und haben unterschiedliche Anwendungen. Aufgrund ihrer Neigung zum Einrasten benötigen Thyristoren ein externes Signal, um vom leitenden in den nichtleitenden Zustand zu wechseln. Transistoren im Verstärkungsmodus hingegen können den Stromfluss mit einem kleinen Steuersignal steuern. Schaltverhalten: Thyristoren haben ein Einrastverhalten, was bedeutet, dass sie, sobald sie ausgelöst werden, im leitenden Zustand bleiben, auch wenn das Auslösesignal abgeschaltet wird. Aufgrund dieser Eigenschaft eignen sie sich für Anwendungen, die über längere Zeiträume einen hohen Stromfluss benötigen. Transistoren hingegen haben kein Einrasten. Bis ein kleines Steuersignal an den Basisanschluss angelegt wird, bleiben sie im Aus-Zustand. Dieses Steuersignal ermöglicht einen stärkeren Stromfluss zwischen den Kollektor- und Emitteranschlüssen des Transistors, wodurch der Transistor leitet. Nach dem Entfernen des Steuersignals kehrt der Transistor in seinen Aus-Zustand zurück. Stromsteuerung: Hochleistungsschaltanwendungen sind die Hauptanwendung für Transistoren. Aufgrund ihrer Fähigkeit, hohe Ströme und Spannungen zu bewältigen, eignen sie sich perfekt für die Steuerung von Heizelementen, Kraftübertragungssystemen und Motoren. Transistoren sind anpassungsfähigere elektronische Geräte, da sie sowohl Strom steuern als auch Signale verstärken können. Sie werden häufig in Schaltkreisen zur Signalverarbeitung verwendet, einschließlich Logikgattern und Verstärkern. Abschaltmechanismus: Zum Abschalten eines Thyristors sind bestimmte Methoden erforderlich, wie Sperrvorspannung, Kommutierungsschaltungen oder das Absenken des Anodenstroms unter den Haltestrom. Um die Kontrolle über den Stromfluss wiederherzustellen und eine unbeabsichtigte Leitung zu verhindern, sind diese Techniken erforderlich. Um einen Transistor abzuschalten, muss lediglich das Steuersignal entfernt werden, das an den Basisanschluss angelegt wird. Dies ist ein einfacher Vorgang, der sehr wenig Strom verbraucht.

Video zum Thema Thyristor vs. Transistor

Wie funktionieren Thyristoren?

Die Herstellung von Thyristoren umfasst eine Reihe komplizierter Schritte, darunter:

Kristallwachstum: Ein großer Einkristallblock wird gebildet, indem hochreines Silizium einem Prozess unterzogen wird, der als Czochralski-Ziehen bekannt ist.
Waferschneiden: Als nächstes wird der Siliziumblock in dünne Wafer geschnitten, von denen jeder als Grundlage für ein separates Thyristorgerät dient.
Dotierung und Diffusion: Um die wesentlichen PN-Übergänge herzustellen, die den Eckpfeiler der Funktionsweise des Thyristors bilden, werden den Siliziumscheiben Verunreinigungen wie Phosphor und Bor hinzugefügt. Dieser als Dotierung bezeichnete Prozess wird durch eine Reihe von Methoden erreicht, beispielsweise durch Diffusion und Ionenimplantation.
Metallisierung: Um elektrische Verbindungen zu den Anschlüssen des Thyristors zu erleichtern, werden Kontaktbereiche – normalerweise aus Aluminium oder Molybdän – auf die Scheibe aufgebracht.
Verkapselung: Um die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der verarbeiteten Wafer unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu gewährleisten, werden sie anschließend in Schutzbehälter aus Kunststoff oder Keramik verkapselt.
Testen und Auswerten: Es werden strenge Testprotokolle verwendet, um die elektrischen Eigenschaften und die Funktionalität der hergestellten Thyristoren zu bestätigen.

Wie funktionieren Transistoren?

Schritt 1: Vorwärtsvorspannung der Emitter-Basis-Verbindung Da die positiven und negativen Anschlüsse einer Spannungsquelle jeweils mit dem Emitter und der Basis verbunden sind, ist die Emitter-Basis-Verbindung in Vorwärtsrichtung vorgespannt. Dank dieser Vorwärtsvorspannung können sich Elektronen vom Emitter zur Basis bewegen. Schritt 2: Rückwärtsvorspannung der Basis-Kollektor-Verbindung Bei einer rückwärts vorgespannten Basis-Kollektor-Verbindung ist der positive Anschluss einer Spannungsquelle mit dem Kollektor und der negative Anschluss mit der Basis verbunden. Aufgrund dieser Sperrvorspannung können die meisten Elektronen nicht von der Basis zum Kollektor wandern. Schritt 3: Anlegen einer kleinen Spannung an die Basis Das elektrische Feld der Basis-Kollektor-Verbindung ändert sich, wenn eine kleine Spannung angelegt wird, wodurch ein kleiner Strom vom Emitter zum Kollektor fließen kann. Der Fluss eines viel größeren Stroms zwischen Emitter und Kollektor, der als Kollektorstrom bezeichnet wird, kann durch diesen kleineren Strom, den sogenannten Basisstrom, reguliert werden. Schritt 4: Verstärken oder Schalten von Signalen Die Stromverstärkung „β“ des Transistors ist das Verhältnis des Kollektorstroms zum Basisstrom. Dank dieser sehr hohen Verstärkung kann ein sehr kleines Signal an der Basis ein viel größeres Signal am Kollektor steuern. Transistoren haben zwei Hauptbetriebsarten: Schalten und Verstärken. Der Transistor erhöht die Spannungs- oder Stromverstärkung eines Eingangssignals, wenn er sich im Verstärkungsmodus befindet. Anwendungen wie Oszillatoren, Signalverarbeitungsschaltungen und Verstärker erfordern diese Verstärkung. Wenn sich der Transistor im Schaltmodus befindet, fungiert er als Schalter und schaltet ein Eingangssignal ein und aus. Anwendungen wie Logikgatter, digitale Schaltungen und Leistungssteuerungssysteme erfordern diese Schaltfähigkeit.

Was macht ein Thyristor?

Universelle Anwendungen von Thyristoren

Motorsteuerung: Thyristoren werden in zahlreichen Anwendungen wie Aufzügen, Pumpen, Kompressoren und Antriebssystemen eingesetzt, um die Drehzahl und das Drehmoment von Elektromotoren zu steuern.
Stromübertragung: In Hochspannungs-Stromübertragungssystemen sind Thyristoren für die Regulierung des Stromflusses über große Entfernungen unverzichtbar.
Heizsysteme: Um eine präzise Temperaturregelung und Energieeffizienz in industriellen Prozessen zu gewährleisten, werden Thyristor-Leistungsregler verwendet, um die an Heizelemente gelieferte Leistung zu steuern.
Lichtsteuerung: In Lichtsteuerungssystemen werden Thyristoren verwendet, um die Helligkeit von Lampen zu regeln und energieeffiziente Dimm- und Schaltfunktionen zu bieten.

Thyristoren zur Heizungssteuerung

Die Aufrechterhaltung einer präzisen Temperaturregelung ist entscheidend, um sowohl die Prozesseffizienz als auch die Produktqualität in industriellen Prozessen wie Kunststoffformung und Metallverarbeitung zu gewährleisten. Prozesskontrolle und Energieeinsparungen werden durch eine präzise Regelung der Heizelemente erreicht, die von Thyristor-Leistungsreglern bereitgestellt wird, die hohen Strom- und Spannungspegeln standhalten können.

Was macht ein Transistor?

Verstärker: Radioempfänger und Audioverstärker sind zwei Beispiele für Geräte, die durch den Einsatz von Transistoren zur Verstärkung schwacher Signale ermöglicht werden.
Logikgatter: Transistoren, die UND-, ODER- und NICHT-Operationen ausführen, sind die grundlegenden Komponenten digitaler Logikschaltungen.
Signalverarbeitung: Filterung, Modulation und Demodulation sind nur einige der Einsatzmöglichkeiten von Transistoren in der Signalverarbeitung.

Fazit

Transistoren und Thyristoren sind Schlüsselkomponenten des technologischen Fortschritts im sich schnell verändernden Bereich der Elektronik. Dank ihrer einzigartigen Eigenschaften und sich ergänzenden Stärken sind sie für ein breites Anwendungsspektrum geeignet und verändern damit die Art und Weise, wie wir mit Elektronik und der Umwelt interagieren. Transistoren sind bei der Stromregelung und Signalverstärkung überlegen, aber Thyristoren sind die Besten, wenn es um das Schalten hoher Leistungen geht. Diese Wunderwerke der Halbleitertechnologie arbeiten harmonisch zusammen, um Innovationen voranzutreiben und die Richtung der Elektronik in der Zukunft zu bestimmen.