Thyristor

Dreh am Drehknopf eines alten Lichtdimmers, schalte eine Bohrmaschine mit Drehzahlregler ein oder schau dir den Sanftanlauf eines großen Pumpenmotors an: Überall arbeitet ein Bauteil aus der Thyristorfamilie. Am anderen Ende der Skala stehen Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen, in denen Hunderte Thyristorscheiben in Reihe Gigawatt zwischen Ländern verschieben. Was die Familie verbindet, ist ein ungewöhnliches Verhalten: Ein Thyristor lässt sich mit einem kurzen Impuls einschalten und bleibt danach von selbst eingeschaltet – er rastet ein wie ein Lichtschalter, nicht wie ein Taster.

Dieser Artikel gibt den Überblick über die ganze Familie. Die Einzelheiten zu Zünden, Löschen und den Sonderformen stehen in eigenen Artikeln, auf die du an der passenden Stelle verwiesen wirst.

Aufbau: vier Schichten, drei Übergänge

Ein Thyristor besteht aus vier abwechselnd dotierten Siliziumschichten in der Folge p-n-p-n. Zwischen ihnen liegen drei pn-Übergänge, üblich als J1, J2 und J3 bezeichnet. Die äußere p-Schicht ist die Anode (A), die äußere n-Schicht die Kathode (K). Beim gewöhnlichen Thyristor ist zusätzlich die innere p-Schicht nach außen geführt: der Steueranschluss oder Gate (G).

Legst du die Anode positiv gegen die Kathode, sind J1 und J3 in Durchlassrichtung gepolt, J2 aber sperrt – das Bauteil blockiert. Polst du umgekehrt, sperren J1 und J3. Ein Thyristor sperrt also zunächst in beiden Richtungen. Wie er trotzdem leitend wird, erklärt der Thyristoreffekt: Die vier Schichten verhalten sich wie ein PNP- und ein NPN-Bipolartransistor, die sich gegenseitig den Basisstrom liefern. Kommt diese Rückkopplung einmal in Gang, halten sich beide Transistoren selbst durchgeschaltet. Der Gate-Impuls ist nur der Anstoß.

Die Familie im Überblick

Alle Mitglieder nutzen denselben Vierschicht-Mechanismus, unterscheiden sich aber darin, wie sie gezündet werden, ob sie in einer oder in beiden Richtungen schalten und ob sie sich wieder abschalten lassen.

Im Alltag meint „Thyristor“ fast immer die rückwärts sperrende Thyristortriode, auf Englisch Silicon Controlled Rectifier (SCR). Verwandt, aber kein Thyristor im engeren Sinn ist der IGBT: Er enthält ebenfalls eine Vierschichtstruktur, ist aber so gebaut, dass sie gerade nicht einrastet – sonst ließe er sich nicht mehr abschalten.

Schaltzeichen

Das Thyristorsymbol ist das einer Diode, Dreieck in Durchlassrichtung und Strich an der Kathode, mit einer zusätzlichen Gate-Leitung. Beim üblichen kathodenseitig gesteuerten Thyristor geht sie schräg von der Kathodenseite ab. Diac und Triac zeigen zwei gegeneinander gerichtete Dreiecke, weil sie in beiden Richtungen leiten. Eine Sammlung weiterer Symbole findest du unter Schaltzeichen.

Kennlinie

Die Kennlinie zeigt die drei Zustände eines Thyristors. Bei negativer Anoden-Kathoden-Spannung fließt nur ein winziger Sperrstrom, bis bei U_RRM der Durchbruch droht. Bei positiver Spannung bleibt der Strom ebenfalls klein – das ist der Blockierbereich. Erreicht die Spannung ohne Gate-Strom die Nullkippspannung U_B0, schlägt das Bauteil um: Die Spannung bricht auf gut 1 V zusammen, und der Strom wird nur noch vom äußeren Stromkreis begrenzt. Ein Gate-Strom verschiebt diesen Kipppunkt zu viel kleineren Spannungen; mit dem vorgesehenen Zündstrom zündet der Thyristor schon bei wenigen Volt.

Im Durchlassbereich verhält sich der Thyristor ähnlich wie eine Leistungsdiode. Sinkt der Strom unter den Haltestrom I_H, kehrt er in den Blockierzustand zurück. In einem Wechselstromkreis geschieht das von selbst bei jedem Nulldurchgang – deshalb sind Thyristoren für Netzanwendungen so bequem.

Wichtige Kennwerte

Die Datenblattwerte lassen sich in drei Gruppen ordnen: Was der Lastkreis aushalten muss, was das Gate braucht, und wie schnell sich Spannung und Strom ändern dürfen. Als Beispiel dient der verbreitete BT151-650R im TO-220-Gehäuse:

Den Einraststrom I_L musst du vom Haltestrom unterscheiden: Er ist der Strom, der während des Zündimpulses mindestens erreicht werden muss, damit der Thyristor nach dem Impuls eingeschaltet bleibt. Er liegt meist zwei- bis dreimal über I_H. Bei sehr kleinen oder induktiven Lasten, deren Strom nur langsam ansteigt, ist das eine häufige Stolperfalle. Was beim Zünden und Löschen sonst zu beachten ist, steht unter Thyristortriode: zünden und löschen.

Rechenbeispiel: Verlustleistung und Kühlkörper

Ein BT151 soll als gesteuerter Gleichrichter Sinushalbwellen mit einem Mittelwert von 5 A führen. Das Datenblatt beschreibt die Durchlasskennlinie mit einer Schleusenspannung U_T0 = 1,06 V und einem Bahnwiderstand r_T = 30,4 mΩ. Die Verlustleistung setzt sich aus einem Teil mit dem Mittelwert und einem mit dem Effektivwert zusammen:

Bauformen

Kleine Thyristoren mit empfindlichem Gate stecken im TO-92 (etwa BT169 oder MCR100, rund 0,8 A, Zündstrom unter 0,2 mA). Die Mittelklasse von 4 bis 40 A sitzt im TO-220 oder dessen SMD-Variante D-PAK beziehungsweise D²PAK; hier liegt die Kühlfahne meist an der Anode. Für mehrere Hundert Ampere gibt es Schraubgehäuse und Module mit isolierter Bodenplatte. Die größten Thyristoren sind Scheibenzellen aus einem ganzen Siliziumwafer von bis zu 150 mm Durchmesser, die zwischen zwei Kühlkörper gepresst werden. Sie sperren um die 8 kV und führen mehrere Kiloampere; in Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen werden sie teils mit Licht über Glasfaser gezündet, damit die Ansteuerung nicht auf Hochspannungspotenzial liegen muss.

Anwendungen

• Gesteuerter Gleichrichter: Ein Thyristor anstelle einer Diode in einem Gleichrichter lässt sich in jeder Halbwelle später zünden. So stellst du die mittlere Ausgangsspannung ein, etwa für Gleichstrommotoren, Ladegeräte oder Galvanikanlagen.
• Phasenanschnitt: Mit einem Triac oder zwei antiparallelen Thyristoren wird die Leistung von Lampen, Heizungen und Universalmotoren gesteuert. Ausgelöst wird der Triac oft über einen Diac.
• Crowbar-Schutz: Eine Schaltung, die bei Überspannung die Versorgung kurzschließt, bis die Sicherung auslöst – siehe unten.
• Sanftanlauf und Hochleistung: Sanftanlaufgeräte für Drehstrommotoren, Schweißgeräte, Bahnstromrichter und HGÜ-Stationen nutzen Thyristoren, weil sie enorme Ströme mit sehr kleiner Durchlassspannung führen und Stoßströme gut vertragen.

Wo Gleichstrom abgeschaltet werden muss, etwa in Wechselrichtern, hat der Thyristor seine Rolle an den IGBT und an MOSFETs abgegeben. Der GTO-Thyristor war ein Zwischenschritt dorthin.

Crowbar: Überspannungsschutz mit der Brechstange

Ein schönes Beispiel für das Einrasten ist der Crowbar-Schutz (englisch für Brechstange). Ein Thyristor liegt parallel zur Versorgung einer empfindlichen Schaltung. Seine Gate-Ansteuerung besteht aus einer Z-Diode und einem Widerstand. Steigt die 12-V-Versorgung etwa durch einen defekten Regler über rund 15,6 V, leitet die 15-V-Z-Diode, am Widerstand R1 baut sich die Zündspannung auf, und der Thyristor zündet. Er schließt die Versorgung kurz und bleibt eingeschaltet, bis die Sicherung F1 auslöst. Die nachfolgende Schaltung sieht nie mehr als die Zündschwelle.

Wichtig ist, dass der Stoßstrom I_TSM des Thyristors größer ist als das, was die Quelle liefert, bis die Sicherung durchbrennt. Hier spielt der Thyristor seine Stärke aus: Ein BT151 mit 12 A Dauerstrom verträgt für 10 ms das Zehnfache.

Auswahl und Praxistipps

Wähle die Sperrspannung mit Reserve: Am 230-V-Netz beträgt der Scheitelwert schon 325 V, dazu kommen Spannungsspitzen. Üblich sind 600-V- bis 800-V-Typen. Den Strom legst du über die Verlustleistung und die Kühlung fest, nicht über den Nennwert allein. Prüfe danach, ob deine Ansteuerung den maximalen Zündstrom liefert, nicht nur den typischen.

Häufige Fehler:

• Thyristor in einer Gleichstromschaltung „ausschalten“ wollen: Gate-Strom wegnehmen genügt nicht. Ohne Unterbrechung des Laststroms bleibt er leitend.
• Zu kleine Last: Fließt nach der Zündung weniger als I_L, fällt der Thyristor nach dem Gate-Impuls wieder ab. Das passiert etwa bei LED-Lampen an Phasenanschnittdimmern.
• Störzündung: Schnelle Spannungsflanken oder eingekoppelte Störungen am offenen Gate zünden ungewollt. Ein Widerstand von Gate nach Kathode (einige 100 Ω bis 1 kΩ) und ein RC-Glied über dem Thyristor helfen.
• Kühlfahne an Netzspannung: Beim TO-220 liegt die Kühlfahne an der Anode. Isoliere sie vom Kühlkörper oder wähle ein vollisoliertes Gehäuse.
• Luft- und Kriechstrecken vergessen: Leiterbahnen mit Netzspannung brauchen Abstand. Den Mindestabstand ermittelst du mit dem Rechner Leiterabstand.

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