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Thyrịstor

 

[Kurzbildung zu griechisch thýra »Tür« und Transistor] der, -s/...'toren, steuerbares Halbleiterbauelement mit mindestens drei Zonenübergängen (von denen einer auch durch einen geeigneten Schottky-Kontakt ersetzt sein kann), das in einen Sperr- und einen Durchlasszustand geschaltet werden kann. Im engeren Sinn wird nach DIN unter Thyristor die mit drei Anschlüssen, d. h. nur einer Steuerelektrode (Gate), versehene, rückwärts sperrende Thyristortriode verstanden, die auch als SCR (Abkürzung für englisch silicon- oder semiconductor-controlled rectifier) bezeichnet wird. Ein solcher Thyristor besteht aus vier Halbleiterschichten, die abwechselnd mit Akzeptoren (p-Leitung) und Donatoren (n-Leitung) dotiert sind (pnpn-Schichtenfolge). Auf diese Weise entstehen drei hintereinander geschaltete, in ihrer Richtung jeweils entgegengesetzte p-n-Übergänge. Die Anschlüsse werden mit Anode (an der p-leitenden Schicht) und Kathode (an der n-leitenden Schicht) bezeichnet; die Steuerelektrode kann sowohl an der inneren p- als auch an der inneren n-leitenden Schicht angebracht sein. Die beidseitig steuerbare Thyristortetrode besitzt an beiden Seiten je einen Steueranschluss (n- und p-Gate). In seiner Funktion kann der Thyristor aufgefasst werden als eine Kombination von npn- und pnp-Transistor, bei der jeweils die Basis des einen mit dem Kollektor des anderen verbunden ist. Für eine Stromrichtung bleibt der Thyristor infolge der Sperrschichten S₁ und S₃ stets gesperrt. Durch einen Steuerstrom von der inneren p-Schicht (Gate) zur benachbarten n-Emitterschicht gelangen Elektronen als Majoritätsladungsträger bis in die Sperrschicht S₂, wobei sie dann einen Steuerstrom für den p-Emitter darstellen, der seinerseits Defektelektronen bis in S₂ liefert und damit den ursprünglichen Steuerstrom verstärkt. Wenn dann gleichzeitig zwischen Anode und Kathode eine Spannung in Durchlassrichtung liegt, wird die mittlere Sperrschicht S₂ durch die beiden Emitterströme in wenigen Mikrosekunden mit Ladungsträgern überschwemmt, wodurch der Thyristor durchlässig wird (»zündet«) und auch bleibt, wenn der Steuerstrom abgeschaltet wird; zum Zünden genügt somit ein Stromimpuls. Nimmt der Strom durch den Thyristor den Wert null an, z. B. weil im Stromrichterbetrieb eine Kommutierung stattgefunden hat, so ist die Sperrfähigkeit in Durchlassrichtung nach einer Freiwerdezeit von etwa 10 bis 200 ms wieder hergestellt.

 

Es gibt Thyristoren für Ströme von einigen A bis über 1 000 A und Sperrspannungen bis zu einigen kV. Der Spannungsabfall in Durchlassrichtung beträgt etwa 1 bis 2 V, die Durchlassverluste sind damit noch geringer als bei Quecksilberdampfgefäßen. Da bei Sperrschichttemperaturen oberhalb etwa 130 ºC infolge der dann einsetzenden Eigenleitung die Sperrfähigkeit des Thyristors verloren geht, muss die entstehende Verlustwärme möglichst rasch abgeführt werden. Dazu wird der Halbleiterkristall über möglichst geringe Wärmewiderstände mit einem Kühlkörper verbunden. Bei kleinen Thyristoren geschieht dies durch Schraubverbindung, bei größeren Thyristoren in Scheibenzellenausführung durch Einspannen zwischen zwei Kühlkörper.

 

Mit Thyristoren lassen sich große Leistungen durch kleine Steuerleistungen schalten oder steuern. In Wechselstromkreisen wird zur Steuerung die Phasenlage des Zündimpulses gegen den Beginn der jeweiligen Anodenspannungshalbwelle verschoben (Phasenanschnittsteuerung). Angewendet werden Thyristoren z. B. für Stromrichterantriebe, für die Drehzahlregelung von Drehstrommotoren, für die Gleichstromsteuerung, in Umrichtern und Wechselrichtern sowie als Schalter in der Digitalelektronik. Spezielle Thyristoren sind der Triac, ein Zweirichtungsthyristor (Wechselstromsteller), und der RC-Thyristor (Reverse-Conducting-Thyristor), der in einer Richtung dauernd durchlässig ist. Bis zu mittleren Stromstärken gibt es den Abschalt- oder GTO-Thyristor (Gate-turn-off-Thyristor), der über einen Steuerimpuls abschaltbar ist, und Thyristoren für direkte Zündung durch Lichtenergie (Photothyristor).

 

Literatur:

 

K. Heumann u. A. C. Stumpe: T.-Eigenschaften u. Anwendungen (³1974);

 A. Blicher: T. physics (Berlin 1976);

 A. Hoffmann u. K. Stocker: T.-Hb. (⁴1976);

 K. Heumann: Grundlagen der Leistungselektronik (⁶1996).