Die Vierschichtdiode ist das einfachste Mitglied der Thyristorfamilie: ein Thyristor ohne Gate. Sie hat nur Anode und Kathode und schaltet von selbst, sobald die Spannung an ihr einen bestimmten Wert überschreitet. Erfunden wurde sie Ende der 1950er-Jahre im Labor von William Shockley, daher der englische Name Shockley diode; andere Namen sind Thyristordiode oder Dynistor. Als eigenes Bauteil kaufst du sie heute kaum noch – ihre Aufgaben haben Diac, Triggerdioden und integrierte Schaltungen übernommen. Ihr Prinzip lebt aber weiter, etwa in den Überspannungsschutz-Thyristoren auf Telefon- und Datenleitungen. Und wer sie verstanden hat, versteht auch das Kippverhalten aller anderen Thyristoren.
Aufbau und Funktionsweise
Die Vierschichtdiode besteht aus vier abwechselnd dotierten Siliziumschichten p-n-p-n mit drei pn-Übergängen J1, J2 und J3. Die äußere p-Schicht ist die Anode, die äußere n-Schicht die Kathode. Anders als beim Thyristor ist keine der inneren Schichten nach außen geführt.
Welche Übergänge sperren, hängt von der Polung ab:
- Anode negativ: J1 und J3 sind in Sperrrichtung gepolt, J2 in Durchlassrichtung. Es fließt nur ein kleiner Sperrstrom. Erst bei sehr hoher Spannung brechen die Übergänge durch – das darfst du nicht ausnutzen, die Diode kann dabei zerstört werden.
- Anode positiv: J1 und J3 sind in Durchlassrichtung gepolt, nur der mittlere Übergang J2 sperrt. Auch jetzt fließt zunächst kaum Strom. Steigt die Spannung bis zur Schaltspannung US, setzt am mittleren Übergang ein Lawinendurchbruch ein. Der Durchbruchstrom stößt die interne Mitkopplung an, die unter Thyristoreffekt ausführlich beschrieben ist, und das Bauteil kippt in den niederohmigen Zustand.
Nach dem Kippen fällt die Spannung an der Diode auf die Haltespannung UH von etwa 1 V. Der Strom wird dann nur noch durch den äußeren Stromkreis begrenzt. Deshalb braucht jede Vierschichtdiode einen Vorwiderstand oder eine andere strombegrenzende Last. Wieder hochohmig wird sie erst, wenn der Strom unter den Haltestrom IH sinkt.
Schaltzeichen
Für die Vierschichtdiode sind mehrere Schaltzeichen im Gebrauch. Alle gehen vom Diodensymbol aus – Dreieck in Durchlassrichtung, Strich an der Kathode – und ergänzen es um einen zusätzlichen Strich, der es von einer gewöhnlichen Diode und von der Z-Diode unterscheidet. Shockley selbst verwendete ein Symbol, in dem die Ziffer 4 steckt. Weil die Darstellung uneinheitlich ist, solltest du das Bauteil im Schaltplan zusätzlich beschriften. Einen Überblick über genormte Symbole gibt Schaltzeichen.
Kennlinie und Kennwerte
Die Kennlinie teilt sich in vier Bereiche. Im Sperrbereich (Anode negativ) fließt nur ein kleiner Sperrstrom. Im Blockierbereich (Anode positiv, unterhalb von US) ist die Diode ebenfalls hochohmig; der Strom steigt nur langsam bis zum Schaltstrom IS. Dann folgt der Übergangsbereich: Spannung und Widerstand brechen zusammen, die Kennlinie springt zurück. Im Durchlassbereich schließlich verhält sich die Diode wie eine Leistungsdiode, die Spannung steigt mit dem Strom nur wenig über UH.
Typische Werte klassischer Vierschichtdioden:
| Kennwert | Bedeutung | typischer Bereich |
|---|---|---|
| US | Schaltspannung (Nullkippspannung) | 10 V bis 250 V, Streuung einige Prozent |
| IS | Schaltstrom, fließt unmittelbar vor dem Kippen | einige µA bis wenige mA, oft um 0,1 mA |
| UH | Haltespannung im leitenden Zustand | 0,5 V bis 2 V |
| IH | Haltestrom, darunter sperrt die Diode wieder | 1 mA bis 50 mA |
| IR | Sperrstrom bei negativer Anode | einige µA |
Die Werte schwanken von Exemplar zu Exemplar und mit der Temperatur deutlich. Vor allem der Haltestrom ist im Datenblatt nur mit einem weiten Bereich angegeben. Rechne also immer mit dem ungünstigsten Wert. Warum die Ströme mit der Temperatur steigen, erklärt Temperaturverhalten von Halbleitern.
Anwendung: Kippschwinger
Die klassische Schaltung ist der Kippschwinger oder Sägezahngenerator. Ein Kondensator lädt sich über einen Widerstand R aus der Betriebsspannung UB auf. Parallel zum Kondensator liegt die Vierschichtdiode. Erreicht die Kondensatorspannung US, kippt die Diode und entlädt den Kondensator schlagartig. Fällt der Strom unter IH, sperrt sie wieder, und das Spiel beginnt von vorn. Am Kondensator entsteht eine Sägezahnspannung, in der Diode fließen kurze, kräftige Stromimpulse – früher die Zündimpulse für Thyristoren.
Die Ladezeit folgt aus der Ladekurve des RC-Glieds. Der Kondensator startet nach jeder Entladung etwa bei UH und lädt sich in Richtung UB auf, bis US erreicht ist:
Die Entladung dauert nur Mikrosekunden und fällt nicht ins Gewicht. Für die Funktion muss der Widerstand in einem Fenster liegen:
- Nicht zu groß: Kurz vor dem Kippen zieht die Diode den Schaltstrom IS. Den muss der Widerstand bei US noch liefern, sonst bleibt die Spannung knapp unter US stehen: R < (UB − US) / IS.
- Nicht zu klein: Nach dem Kippen muss der Strom durch den Widerstand unter IH fallen, sonst bleibt die Diode dauerhaft leitend: R > (UB − UH) / IH.
Die Formel zeigt auch, warum die Schaltung als Zeitgeber ungenau ist: US streut von Exemplar zu Exemplar, und gerade der Nenner UB − US ist klein. Für stabile Frequenzen ist ein Timer wie der NE555 die bessere Wahl. Den Ladevorgang selbst kannst du mit dem Rechner Kondensator laden und entladen nachvollziehen.
Was aus der Vierschichtdiode wurde
- Diac und Triggerdioden: Zum Zünden von Triacs hat sich der symmetrische Diac durchgesetzt, der in beiden Richtungen kippt.
- SIDAC: Für höhere Spannungen gibt es den SIDAC, ein in beiden Richtungen kippendes Bauteil mit Schaltspannungen von etwa 80 bis 330 V. Ein Beispiel ist der K1200G im Gehäuse DO-15 mit 110 bis 125 V Kippspannung und 1 A Dauerstrom. Er erzeugt Zündimpulse für Gasentladungslampen, Gasanzünder und Weidezaungeräte.
- Überspannungsschutz-Thyristoren: Auf Telefon- und Datenleitungen sitzen Thyristoren ohne Gate, die bei einer Überspannung kippen und die Leitung kurzschließen, bis der Störimpuls vorbei ist. Anders als eine TVS-Diode, die die Spannung nur begrenzt, fällt an ihnen im leitenden Zustand nur wenig Spannung ab; sie setzen deshalb kaum Leistung um.
- Thyristortriode: Wer den Kippzeitpunkt frei wählen will, nimmt einen Thyristor mit Gate, siehe Thyristortriode.
Praxistipps
- Haltestrom mit Reserve rechnen: Der kleinste Haltestrom im Datenblatt entscheidet, ob die Diode sicher wieder sperrt. Wird sie warm, sinkt IH weiter.
- Rückwärtsbetrieb vermeiden: Die Vierschichtdiode sperrt rückwärts nur bis zu ihrer Durchbruchspannung. Liegt Wechselspannung an, schützt eine Diode in Reihe.
- Stromimpuls begrenzen: Beim Entladen des Kondensators kann der Spitzenstrom Ampere erreichen. Ein kleiner Widerstand in Reihe zur Diode schont sie.
- Ersatz suchen statt Restposten kaufen: Für neue Schaltungen sind ein Diac, ein Komparator oder ein Mikrocontroller meist billiger und genauer.
Selbsttest
Worin unterscheidet sich die Vierschichtdiode von einem Thyristor?
Sie hat keinen Gate-Anschluss. Sie zündet nur, wenn die Spannung die Schaltspannung US erreicht.
Welcher Übergang sperrt bei positiver Anode?
Nur der mittlere Übergang J2; die beiden äußeren sind in Durchlassrichtung gepolt.
Warum braucht eine Vierschichtdiode immer einen Vorwiderstand oder eine strombegrenzende Last?
Nach dem Kippen fällt an ihr nur etwa 1 V ab; den Strom begrenzt allein der äußere Stromkreis.
Ein Kippschwinger an 40 V nutzt eine Diode mit US = 30 V, UH = 1 V, IH = 10 mA. Wie groß muss R mindestens sein?
R > (40 V − 1 V) / 10 mA = 3,9 kΩ, sonst bleibt die Diode nach dem ersten Kippen leitend.
Welche Periodendauer ergibt sich mit R = 22 kΩ und C = 470 nF an dieser Diode?
R · C ≈ 10,3 ms, T ≈ 10,3 ms · ln(39 V / 10 V) ≈ 10,3 ms · 1,36 ≈ 14 ms, also etwa 71 Hz.