Thyristoren verstehen: Wie sie funktionieren und wo sie eingesetzt werden

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Was sind Thyristoren?

Thyristoren, oft als siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs) bezeichnet, sind Halbleiterbauelemente, die als bistabile Schalter fungieren und nur dann Strom leiten, wenn sie ausgelöst werden. Sie bestehen aus drei PN-Übergängen und vier Schichten, die zwischen N- und P-Typ-Materialien wechseln. Eine Anode, eine Kathode und ein Gate stellen die drei Anschlüsse eines Thyristors dar, und dies ist das grundlegende Symbol dafür. Ein erhöhter Strom kann von der Anode zur Kathode fließen, indem der Thyristor eingeschaltet wird, wenn ein kleiner Strom an den Gate-Anschluss angelegt wird. Für Anwendungen, die eine hohe Strom- und Spannungsregelung erfordern, sind Thyristoren aufgrund dieser besonderen Eigenschaft perfekt geeignet.

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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 stehende Linie ist. Der Steueranschluss, der das Schaltverhalten des Thyristors initiiert, wird durch das Gate dargestellt, eine vertikale Linie, die Anode und Kathode kreuzt.

Video zu Thyristoren

Wie funktionieren Thyristoren?

Ausgangszustand: Es fließt kein Strom, da sich der Thyristor im offenen Schaltzustand befindet.
Zündung: Bei Anlegen eines Stromimpulses an das Gate brechen die pn-Übergänge durch und der Thyristor wird leitend.
Verriegelungsmechanismus: Aufgrund des Verriegelungsmechanismus bleibt der Thyristor auch nach dem Abschalten des Gate-Stroms leitend.
Ausschalten: Das Abschalten eines Thyristors erfolgt durch die Reduzierung des durch ihn fließenden Stroms unter den Haltestrom.

Wie werden Thyristoren hergestellt?

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

Kristallwachstum: Ein großer Einkristallblock wird geformt, 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 zu erzeugen, die den Grundstein für die Funktion des Thyristors bilden, werden den Siliziumwafern Verunreinigungen wie Phosphor und Bor hinzugefügt. Dieser Prozess, Dotierung genannt, wird durch eine Reihe von Methoden erreicht, wie Diffusion und Ionenimplantation.
Metallisierung: Um die elektrische Verbindung zu den Anschlüssen des Thyristors zu erleichtern, werden Kontaktbereiche – typischerweise aus Aluminium oder Molybdän – auf den Wafer aufgebracht.
Verkapselung: Um die Langlebigkeit und Zuverlässigkeit der verarbeiteten Wafer unter verschiedenen Betriebsbedingungen zu gewährleisten, werden sie anschließend in Schutzbehälter aus Kunststoff oder Keramik eingekapselt.
Testen und Auswerten: Es werden strenge Testprotokolle verwendet, um die elektrischen Eigenschaften und die Funktionalität der hergestellten Thyristoren zu bestätigen.

Woraus bestehen Thyristoren?

Halbleitermaterialien wie Silizium sind die Hauptkomponente von Thyristoren. Während des Herstellungsprozesses werden diese Materialien in PN-Übergänge umgewandelt, die für die Funktionalität des Geräts unerlässlich sind. Die elektrischen Eigenschaften des Thyristors hängen weitgehend davon ab, wie diese Materialien mit bestimmten Verunreinigungen dotiert werden. Anschließend wird die zusammengesetzte Struktur in einem wetterfesten Gehäuse untergebracht, um ein Thyristormodul zu erstellen, das seine Robustheit und Zuverlässigkeit unter verschiedenen Betriebsbedingungen garantiert.

Thyristoren vs. Transistoren

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. Andererseits können Transistoren im Verstärkungsmodus den Stromfluss mit einem kleinen Steuersignal steuern. Hier ist eine Tabelle, die die wichtigsten Unterschiede zwischen Thyristoren und Transistoren zusammenfasst:

Merkmal	Thyristor	Transistor
Schaltverhalten	Verriegelnd	Nicht verriegelnd
Stromregelung	Hochleistungsschaltung	Signalverstärkung und Stromregelung
Abschaltmechanismus	Erfordert spezielle Techniken	Abschalten mit minimalem Steuersignal
Anwendungen	Motorsteuerung, Kraftübertragung, Heizsysteme, Lichtsteuerung	Verstärker, Logikgatter, Signalverarbeitung

Wo können Thyristoren verwendet werden?

Leistungssteuerung: Leistungssteuerungsanwendungen wie Motorantriebe, Lichtsteuerung, Heizungssteuerung und Stromversorgungen verwenden häufig Thyristoren. Sie eignen sich für die Handhabung großer elektrischer Lasten, da sie hohen Spannungen und Strömen standhalten können.
Wechselstromschaltung: Thyristoren werden in Wechselstromschaltanwendungen wie Halbleiterrelais und der Regelung des Wechselstroms für Maschinen und Geräte in der Industrie eingesetzt.
Spannungsregelung: Um eine stabile Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten, werden Thyristoren in Spannungsregelungsschaltungen wie Spannungsreglern und Spannungsstabilisatoren verwendet.
Gleichrichtung: In Gleichrichterschaltungen werden Thyristoren verwendet, um Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln, der unter anderem in Gleichstrommotorantrieben, Schweißgeräten und zum Laden von Batterien verwendet wird.
Wechselrichter: Thyristoren sind wesentliche Bestandteile von Wechselrichtern, also Geräten, die Gleichstrom in Wechselstrom umwandeln, der in Solarstromsystemen und unterbrechungsfreien Stromversorgungen (USV) zum Einsatz kommt.
Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ): Zur effektiven Übertragung elektrischer Energie über große Entfernungen werden in HGÜ-Übertragungssystemen Thyristoren eingesetzt.
Induktionserwärmung: Thyristoren werden in Induktionserwärmungssystemen in Schmelz-, Schmiede- und Wärmebehandlungsprozessen von Metallen eingesetzt.

Werden Thyristoren noch verwendet und warum?

In vielen industriellen und kommerziellen Anwendungen sind Thyristoren trotz der Fortschritte in der Halbleitertechnologie immer noch unverzichtbar. Aufgrund ihrer Robustheit, Zuverlässigkeit und Fähigkeit, hohe Leistungspegel zu bewältigen, sind sie in der Leistungselektronik unverzichtbar. Darüber hinaus erklären die besonderen Eigenschaften von Thyristoren – wie ihre Beständigkeit gegen hohe Temperaturen und Spannungsschwankungen –, warum sie in rauen Umgebungen immer noch nützlich sind.

Sind Thyristoren ESD-empfindlich?

Da Thyristoren typischerweise anfällig für elektrostatische Entladungen (ESD) sind, müssen Handhabung und Schutz während der Herstellungs- und Montageprozesse sorgfältig erfolgen. Um die Möglichkeit von ESD-Schäden zu verringern, werden geeignete ESD-Schutztechniken wie Abschirmung und Erdung eingesetzt. Darüber hinaus können Thyristoren deaktiviert werden, indem der Anodenstrom unter einen Haltestromschwellenwert gesenkt wird. Dieser Abschaltmechanismus ist für die Steuerung des Thyristorbetriebs und die Vermeidung unbeabsichtigter Leitung unerlässlich.

Welcher Thyristor wird am häufigsten verwendet?

Der siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCR) ist mit seiner hohen Strombelastbarkeit und Belastbarkeit der beliebteste Thyristortyp unter den anderen Varianten. In industriellen Heizsystemen, in denen eine genaue Leistungsregelung für die Aufrechterhaltung idealer Betriebsbedingungen entscheidend ist, werden SCRs häufig eingesetzt. Ihre Fähigkeit, erhöhte Ströme und Spannungen zu bewältigen, macht sie perfekt für Anwendungen, die eine zuverlässige und effektive Leistungsregelung erfordern.

Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Thyristoren aufgrund ihrer unübertroffenen Fähigkeit zur Hochleistungssteuerung und -regelung wesentliche Komponenten moderner Elektronik- und Stromversorgungssysteme sind. Thyristoren sind aufgrund ihrer besonderen Funktionsprinzipien und ihres breiten Anwendungsspektrums in den Bereichen Handel, Industrie und Transport nach wie vor wesentliche Bestandteile der heutigen technologischen Umgebung. Es wird erwartet, dass Thyristoren relevant bleiben, solange ein Bedarf an effektivem Leistungsmanagement und Hochleistungselektronik besteht, was weitere Fortschritte in der Leistungselektronik und Systemintegration vorantreiben wird.