Thyristortriode: zünden und löschen

Einen Thyristor einzuschalten ist leicht: ein kurzer Stromstoß ins Gate, fertig. Schwieriger sind die Details. Zündet er bei Kälte noch zuverlässig? Bleibt er an einer Motorwicklung eingeschaltet, deren Strom nur langsam steigt? Und wie bekommst du ihn wieder aus, wenn er an Gleichspannung hängt? Dieser Artikel behandelt die rückwärts sperrende Thyristortriode – das Bauteil, das im Alltag einfach „Thyristor“ heißt – aus Sicht der Schaltung: zünden, leiten, löschen. Den Überblick über die Familie findest du unter Thyristor, die Physik dahinter unter Thyristoreffekt.

Anschlüsse und Schaltzeichen

Die Thyristortriode hat drei Anschlüsse: Anode (A), Kathode (K) und Gate (G). Fast alle handelsüblichen Typen sind kathodenseitig gesteuert: Das Gate sitzt an der inneren p-Schicht, und ein positiver Strom vom Gate zur Kathode zündet. Im Schaltzeichen geht die Gate-Leitung von der Kathodenseite ab. Seltener ist die anodenseitig gesteuerte Variante mit dem Gate an der inneren n-Schicht. Sie zündet, wenn Strom aus dem Gate herausfließt, das Gate also negativer als die Anode wird. Als programmierbarer Unijunction-Transistor (PUT) und in der Thyristortetrode begegnet sie dir noch.

Zünden

Ein kathodenseitig gesteuerter Thyristor zündet, wenn drei Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind: Die Anode ist positiv gegenüber der Kathode, in das Gate fließt mindestens der Zündstrom I_GT, und dieser Strom fließt so lange, bis der Anodenstrom den Einraststrom I_L überschritten hat. Danach ist das Gate wirkungslos.

Gate-Strom mit Reserve

Das Gate verhält sich wie eine Diode zur Kathode: Die Zündspannung U_GT liegt um 0,6 bis 1,5 V. Der Zündstrom I_GT steht im Datenblatt als Höchstwert für 25 °C. Bei Kälte steigt er auf ein Mehrfaches; die Kurve dazu findest du im Datenblatt als „normalized gate trigger current“. Lege deine Ansteuerung deshalb auf das Zwei- bis Dreifache des Höchstwerts aus. Umgekehrt nennt das Datenblatt eine Spannung U_GD, unter der der Thyristor sicher nicht zündet, beim BT151 bei hoher Temperatur 0,25 V. Störspannungen am Gate müssen darunter bleiben.

Wenn du nur einen Mikrocontroller-Pin hast, nimm einen Thyristor mit empfindlichem Gate: Typen wie MCR100 oder BT169 zünden schon mit weniger als 0,2 mA. Sie sind dafür anfälliger für Störzündungen und vertragen kleinere Spannungssteilheiten.

Einraststrom und Impulsdauer

Der Gate-Impuls muss so lange dauern, bis der Laststrom den Einraststrom I_L erreicht hat – beim BT151 bis zu 40 mA. Bei einer ohmschen Last geht das in wenigen Mikrosekunden. An einer Induktivität steigt der Strom aber nur mit di/dt = U / L an (siehe Spule an Gleichspannung).

Bei großen Thyristoren kommt die kritische Stromsteilheit (di/dt)_cr hinzu. Direkt nach der Zündung leitet nur ein kleiner Bereich um das Gate; steigt der Strom zu schnell, wird dieser Fleck überhitzt. Ein kräftiger, steiler Gate-Impuls zündet eine größere Fläche auf einmal und erhöht die Belastbarkeit.

Potenzialtrennung

Am Netz liegt die Kathode eines Thyristors oft nicht an Masse. Dann muss die Ansteuerung galvanisch getrennt sein, über einen Zündübertrager oder über einen Optokoppler mit Thyristor- oder Triac-Ausgang.

Löschen

Ein leitender Thyristor sperrt erst wieder, wenn sein Anodenstrom unter den Haltestrom I_H fällt. Das Gate kann daran nichts ändern. Anschließend braucht er noch die Freiwerdezeit t_q, bis die gespeicherten Ladungsträger verschwunden sind. Erst dann darf wieder Spannung in Vorwärtsrichtung anliegen, sonst zündet er von selbst erneut. Beim BT151 beträgt t_q typisch 70 µs, schnelle Inverter-Thyristoren schaffen 10 bis 20 µs.

Natürliche Kommutierung am Wechselstrom

Am Wechselstrom erledigt sich das Löschen von selbst: Am Ende jeder Halbwelle geht der Strom durch null, in der folgenden Halbwelle liegt Sperrspannung an. Bei 50 Hz dauert eine Halbwelle 10 ms – reichlich Zeit für die Freiwerdezeit. Darum sind Thyristoren in Gleichrichtern und Wechselstromstellern so einfach einzusetzen.

Zwangslöschung am Gleichstrom

Am Gleichstrom musst du den Strom gezielt unterbrechen: mit einem Schalter in Reihe, einem Taster parallel zum Thyristor, der ihn kurzschließt, oder elektronisch mit einem Löschkondensator. Die klassische Schaltung zeigt das Bild: Leitet Th1, lädt sich C über R₁ auf, Anschluss b positiv. Zündest du den Hilfsthyristor Th2, zieht er b auf 0 V. Der Kondensator kann seine Spannung nicht sprunghaft ändern; Punkt a springt auf −U_B. Th1 liegt jetzt in Sperrrichtung und erlischt. Danach lädt sich C über die Last um, und die Spannung an a steigt wieder an.

Th1 muss so lange in Sperrrichtung bleiben, bis die Freiwerdezeit vorbei ist. Bei ohmscher Last steigt die Spannung an a von −U_B in Richtung +U_B und erreicht null nach

Solche Löschschaltungen waren der Grund, warum Gleichstromsteller mit Thyristoren groß, schwer und laut waren. Heute nimmt man für abschaltbare Gleichströme MOSFETs oder den IGBT; als abschaltbarer Thyristor gab es den GTO-Thyristor.

Anwendung: gesteuerter Gleichrichter

Ersetzt du in einem Einweggleichrichter die Diode durch einen Thyristor, bestimmst du selbst, wann in jeder positiven Halbwelle der Strom zu fließen beginnt. Der Zündzeitpunkt wird als Zündwinkel α angegeben, gemessen vom Nulldurchgang der Spannung. Bei α = 0° verhält sich die Schaltung wie ein normaler Gleichrichter, bei α = 180° fließt gar kein Strom.

Für eine ohmsche Last ergibt sich der Mittelwert der Lastspannung (Durchlassspannung des Thyristors vernachlässigt) aus dem Scheitelwert Û:

Den Zusammenhang zwischen Scheitel-, Effektiv- und Mittelwert erklären Effektivwert und Gleichrichtwert. Mit zwei Thyristoren in einer Brückenschaltung nutzt du beide Halbwellen und verdoppelst den Mittelwert. Für Wechselstromlasten wie Lampen und Heizungen nimmt man statt zweier antiparalleler Thyristoren meist einen Triac.

Phasenanschnitt verformt den Netzstrom stark und erzeugt Oberschwingungen, die ins Netz und in benachbarte Geräte stören. Größere Geräte brauchen deshalb Netzfilter und Drosseln.

Praxistipps und häufige Fehler

• Nur den typischen Zündstrom eingeplant: Bei Kälte oder mit einem anderen Exemplar zündet der Thyristor dann nicht. Rechne mit dem Höchstwert und Reserve.
• Zu kurzer Zündimpuls bei induktiver Last: Der Thyristor geht nach dem Impuls wieder aus. Impuls verlängern oder Impulsfolgen verwenden.
• Gate offen oder hochohmig: Ein Widerstand von Gate nach Kathode (100 Ω bis 1 kΩ) verhindert Störzündungen und erhöht die zulässige Spannungssteilheit.
• Negative Gate-Spannung: Mehr als einige Volt in Sperrrichtung am Gate zerstören den Gate-Übergang (BT151: höchstens 5 V). Eine antiparallele Diode am Gate schützt.
• Löschen am Gleichstrom vergessen: Ein Thyristor an Gleichspannung bleibt nach der Zündung leitend, bis jemand den Strom unterbricht.

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