Thyristoren

Thyristoren sind eine breite Klassifikation von bipolar leitenden Halbleiterbauelementen mit vier (oder mehr) abwechselnden N-P-N-P-Schichten. Thyristoren umfassen:Silizium-gesteuerter Gleichrichter (SCR), TRIAC, Gate-Ausschalter (GTO), Silizium-gesteuerter Schalter (SCS), AC-Diode (DIAC), Unijunction-Transistor (UJT), programmierbarer Unijunction-Transistor (PUT). In diesem Abschnitt wird nur der SCR untersucht; obwohl die GTO erwähnt wird.

Shockley schlug 1950 den Vierschicht-Diodenthyristor vor. Er wurde erst Jahre später bei General Electric realisiert. SCRs sind jetzt verfügbar, um Leistungsstufen von Watt bis Megawatt zu bewältigen. Die kleinsten Geräte, die wie Kleinsignaltransistoren verpackt sind, schalten Hunderte von Milliampere bei fast 100 VAC. Die größten verpackten Geräte haben einen Durchmesser von 172 mm und schalten 5600 Ampere bei 10.000 VAC. Die SCRs mit der höchsten Leistung können aus einem ganzen Halbleiterwafer mit mehreren Zoll Durchmesser (100 mm) bestehen.

Silikongesteuerter Gleichrichter (SCR)

Siliziumgesteuerter Gleichrichter (SCR):(a) Dotierungsprofil, (b) BJT-Ersatzschaltung.

Der siliziumgesteuerte Gleichrichter ist eine vierschichtige Diode mit einem Gate-Anschluss wie in Abbildung oben (a). Wenn es eingeschaltet ist, leitet es wie eine Diode für eine Polarität des Stroms. Wenn es nicht ausgelöst wird, ist es nichtleitend. Der Betrieb wird im Hinblick auf das Äquivalent des verbundgeschalteten Transistors in der obigen Abbildung (b) erklärt. Zwischen den Gate- und Kathodenanschlüssen wird ein positives Triggersignal angelegt. Dies bewirkt, dass der NPN-äquivalente Transistor leitet. Der Kollektor des leitenden NPN-Transistors zieht nach unten und bewegt die PNP-Basis in Richtung seiner Kollektorspannung, wodurch der PNP leitet. Der Kollektor des leitenden PNP zieht hoch und bewegt die NPN-Basis in Richtung seines Kollektors. Diese positive Rückkopplung (Regeneration) verstärkt den bereits leitenden Zustand des NPN. Darüber hinaus leitet der NPN jetzt auch ohne ein Gate-Signal. Wenn ein SCR einmal leitet, läuft er weiter, solange eine positive Anodenspannung vorhanden ist. Für die gezeigte DC-Batterie gilt dies für immer. SCRs werden jedoch am häufigsten mit Wechselstrom oder pulsierender Gleichstromversorgung verwendet. Mit Ablauf der positiven Hälfte der Sinuswelle an der Anode hört die Leitung auf. Darüber hinaus hängen die meisten praktischen SCR-Schaltungen davon ab, dass der Wechselstromzyklus auf Null geht, um abzuschalten oder kommutieren der SCR.

Abbildung unten (a) zeigt das Dotierungsprofil eines SCR. Beachten Sie, dass die Kathode, die einem äquivalenten Emitter eines NPN-Transistors entspricht, stark dotiert ist, wie N+ anzeigt. Auch die Anode ist stark dotiert (P+). Er ist der äquivalente Emitter eines PNP-Transistors. Die beiden mittleren Schichten, die den Basis- und Kollektorbereichen der äquivalenten Transistoren entsprechen, sind weniger stark dotiert:N- und P. Dieses Profil in Hochleistungs-SCRs kann über einen ganzen Halbleiterwafer mit beträchtlichem Durchmesser verteilt werden.

Thyristoren:(a) Querschnitt, (b) Symbol des gesteuerten Siliziumgleichrichters (SCR), (c) Symbol des Gate-Abschalt-Thyristors (GTO).

Die schematischen Symbole für SCR und GTO sind in den Abbildungen oben (b &c) dargestellt. Das grundlegende Diodensymbol zeigt an, dass die Leitung von Kathode zu Anode wie bei einer Diode unidirektional ist. Das Hinzufügen einer Gate-Leitung zeigt die Steuerung der Diodenleitung an. Der Gate-Ausschalter (GTO) hat bidirektionale Pfeile um die Gate-Leitung, die anzeigen, dass die Leitung durch einen negativen Impuls deaktiviert sowie durch einen positiven Impuls eingeleitet werden kann.

Zusätzlich zu den allgegenwärtigen SCRs auf Siliziumbasis wurden experimentelle Siliziumkarbid-Bauelemente hergestellt. Siliziumkarbid (SiC) arbeitet bei höheren Temperaturen und leitet die Wärme besser als jedes andere Metall nach Diamant. Dies sollte entweder physisch kleinere oder leistungsstärkere Geräte ermöglichen.

RÜCKBLICK:

• SCRs sind das am weitesten verbreitete Mitglied der Familie der Thyristor-Vierschichtdioden.
• Ein positiver Impuls, der an das Gate eines SCR angelegt wird, löst diesen in den leitenden Zustand aus. Die Leitung wird auch dann fortgesetzt, wenn der Gate-Impuls entfernt wird. Die Leitung hört erst auf, wenn die Anoden-Kathoden-Spannung auf Null abfällt.
• SCRs werden aufgrund der kontinuierlichen Leitung am häufigsten mit Wechselstrom (oder pulsierendem Gleichstrom) verwendet.
• Ein Gate-Ausschalter (GTO) kann durch Anlegen eines negativen Impulses an das Gate ausgeschaltet werden.
• SCRs Schalter mit Megawatt Leistung, bis zu 5600 A und 10.000 V.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Thyristoren-Arbeitsblatt