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E26 Thyristor Grundlagen
Eine Vierschichtdiode besteht aus einer Abfolge von vier verschieden dotierten Halbleiterschichten. Grundsätzlich ist ein Thyristor genauso aufgebaut, besitzt aber zusätzlich zur Anode und Kathode eine Gate- oder Steuerelektrode. Die Kennlinie der Vierschichtdiode entspricht im Wesentlichen der eines Thyristors mit nicht angeschlossener Gateelektrode, d.h. 𝐼𝐺 = 0.
ID
A IF
G
K
URM
IG>0
IH
UR
UF
IG=0
UDM
UD
IR Abb. 1 Kennlinie eines Thyristors Bei Rückwärtsbeanspruchung, d.h. die Polung der angelegten Spannung 𝑈𝑅 erfolgt in Sperrrichtung, fließt nur ein sehr geringer Sperrstrom. Beim Überschreiten einer maximalen Sperrspannung 𝑈𝑅𝑀 zündet der Thyristor unkontrolliert, der Sperrstrom 𝐼𝑅 steigt stark an und kann zur Zerstörung des Thyristors führen. Auch bei Polung in Durchlassrichtung fließt nur ein geringer Sperrstrom 𝐼𝐷 , der Thyristor blockiert. Beim Erhöhen der Spannung 𝑈𝐷 bis zur Nullkippspannung 𝑈𝐷𝑀 zündet der Thyristor, er wird niederohmig. Der sich einstellende Strom 𝐼𝐹 hängt von der Außenbeschaltung ab und fließt trotz der nur noch kleinen Restspannung 𝑈𝐹 zwischen Anode und Kathode weiter. Zum Löschen des Thyristors muß der Strom 𝐼𝐹 den Haltestrom 𝐼𝐻 , zumindest kurzzeitig, unterschreiten. E26, 3/07, S.1
Eine symmetrische Kennline erhält man im Prinzip durch Antiparallelschaltung zweier Vierschichtdioden oder Thyristoren, praktisch durch eine Fünfschichtdiode. Dieses Bauelement bezeichnet man als Diac oder, wenn eine gemeinsame Gateelektrode vorhanden ist, als Triac. Die Zündung eines Thyristors oder Triacs kann auch unterhalb der Nullkippspannung durch Stromfluß 𝐼𝐺 in die Gateelektrode erfolgen. Auf Grund der Sperrschichtkapazitäten 𝐶 fließt auch bei zeitlicher Änderung der Spannung 𝑈𝐷 ein dem Gatestrom in der Wirkung vergleichbarer Ladestrom 𝐼 = 𝐶 ∙ 𝑑𝑈𝐷 /𝑑𝑡 und kann zur Zündung der Vielschichtdiode führen.
Versuchsvorbereitung
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Aufbau und Anwendung von Diacs, Thyristoren und Triacs
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Effektivwerte, Phasenanschnittsteuerung, Wellenpaketsteuerung
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Berechnen Sie den Effektivwert eines phasenanschnittgesteuerten Stromes 𝐼𝑒𝑓𝑓 𝜑 in Abhängigkeit vom Anschnittwinkel 𝜑.
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Wie groß ist beim Tiefpass die Phasenverschiebung 𝜑 zwischen der Eingangsspannung 𝑈𝐸 𝑡 = 𝑈𝐸0 sin 𝜔𝑡 und der Ausgangsspannung 𝑈𝐴 𝑡 = 𝑈𝐴0 sin 𝜔𝑡 + 𝜑 ? Stellen Sie eine Gleichung zur Berechnung der Phasenverschiebung 𝜑 bis zum Erreichen eines bestimmten Spannungswertes 𝑈𝑍 in der Ausgangsspannung auf.
U UE0 UA0 UZ
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Aufgaben
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Bestimmen Sie die Kennlinie eines Thyristors. Messen Sie 𝐼𝐷 𝑈𝐷 bzw. 𝐼𝐹 𝑈𝐹 für verschiedene 𝐼𝐺 und 𝐼𝑅 𝑈𝑅 ! Ermitteln Sie den zur Zündung notwendigen Gatestrom 𝐼𝑍 bzw. die zugehörige Spannung 𝑈𝑍 . Stellen Sie Ihre Meßwerte grafisch dar.
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Messen Sie die Gate-Schaltzeit 𝑡𝐺 des Thyristors. Der Thyristor wird dazu mit einer pulsierenden Gleichspannung, aus der auch der Gatestrom abgeleitet wird, über einen geeigneten Vorwiderstand betrieben. Die Schaltzeit kann dann oszillografisch ermittelt werden.
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Ermitteln Sie die zur Zündung führende Anstiegsgeschwindigkeit der am Thyristor anliegenden Spannung. Betreiben Sie dazu den Thyristor mit einer sinusförmigen Spannung. Ermitteln Sie die zur Zündung führende Anstiegsgeschwindigkeit aus der zur Zündung führenden Frequenz der Spannung.
- Bauen Sie eine Phasenanschnittsteuerung mit einem Thyristor bzw. mit einem Triac (Abb.2) auf. Berechnen Sie 𝑅 und 𝐶 so, dass ein möglichst großer Regelbereich realisiert wird. (siehe Versuchsvorbereitung und Messung von 𝑈𝑍 )
R Thyristor bzw. Triac
C
Abb. 2 Schaltung zur Phasenanschnittsteuerung Bestimmen Sie den möglichen Bereich des Phasenanschnittwinkels 𝜑. Messen Sie den Effektivwert des Stromes 𝐼𝑒𝑓𝑓 𝜑 . Vergleichen Sie mit den zu erwartenden Werten. (Versuchsvorbereitung) -
Untersuchen Sie die Spannung am Verbraucher hinsichtlich zu erwartender Oberwellen.
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