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Ratgeber
Thyristoren und Triacs sind elektronische Bauelemente der Leistungselektronik. Der Aufbau eines Thyristors besteht intern aus mehreren PN-Übergängen, ähnlich einem Transistor.
Wie eine herkömmliche Diode hat der Thyristor eine Sperr- und eine Durchlassrichtung sowie einen Anoden- und einen Kathodenanschluss. Hinzu kommt ein drittes Anschlussterminal, das Gate.
Über das Gate kann der Thyristor durch einen positiven Stromimpuls in den leitfähigen Zustand geschaltet werden. Der Übergang vom Sperr- in den Durchlasszustand kann außer über die Steuerelektrode (das Gate) auch durch eine Überschreitung der sogenannten Zündspannung in Durchlassrichtung erfolgen.
Ein Triac (Kurzwort aus dem englischen Triode for Alternating Current) stellt im Prinzip eine Antiparallelschaltung von zwei Thyristoren dar. Damit wird es möglich, Wechselströme zu schalten, während ein einzelner Thyristor stets nur in eine Richtung Strom passieren lässt.
Wie ein Thyristor ist auch ein Triac mit drei Anschlüssen in Form von Anode, Kathode und Gate ausgestattet und wird über die Steuerelektrode oder durch Überschreitung der Zündspannung gezündet, also leitfähig geschaltet.
Beiden Bauteilen ist gemein, dass nach erfolgter Zündung der Anoden-Kathoden-Strecke der Stromfluss so lange aufrechterhalten bleibt, bis der sogenannte Haltestrom unterschritten wird. Dies geschieht bei Wechselspannungsanwendungen in aller Regel im Spannungs-Nulldurchgang, so dass hierbei eine automatische Löschung der leitenden Strecke erfolgt. Thyristoren und Triacs werden beispielsweise zur Strom-Gleichrichtung, für Phasenanschnittsteuerungen („Dimmer“), als Leistungssteller, elektronische Schalter und in Frequenzumrichtern eingesetzt.
Beide Bauteile sind in vielen unterschiedlichen Gehäusebauformen verfügbar. Während Typen für kleinere Ströme meist ein Kunststoffgehäuse haben, verfügen leistungsstärkere Ausführungen entweder über ein Gehäuse mit Kühlfinne zum Anschrauben oder sind in massive Kompaktgehäuse mit metallischer Grundplatte integriert.
Zudem gibt es Ausführungen mit einem angeformten Gewindebolzen zum Einschrauben in metrische Gewindebohrungen. Hierdurch kann eine gute thermische Ankopplung zur sicheren Abfuhr der elektrischen Verlustleistung erreicht werden.
Leistungsregler sind Triacs mit einer im Gehäuse integrierten elektronischen Schaltung, die über ein zusätzlich anzuschließendes Potentiometer oder eine Steuerspannung eine direkte Leistungsregelung von angeschlossenen Verbrauchern erlauben.
Bei Ersatzbeschaffungen für defekte Bauteile ist nicht nur darauf zu achten, dass die maximal zulässigen Werte für Strom und Spannung ausreichend sind, auch die Spezifikationen für Zündspannung, Zündstrom und Haltestrom müssen zum vormals eingesetzten Bauteil passen. Ebenfalls wichtig sind die mechanische Kompatibilität, Gehäuseabmessungen, Rastermaß und gegebenenfalls Gewindetyp. Beachtung verdient zudem die Isolationsspannung. Diese sollte deutlich über den maximal zu erwartenden Werten liegen, um eine hohe Zuverlässigkeit und elektrische Sicherheit zu gewährleisten.
Für Neudesigns in der Oberflächenmontagetechnik (SMT) sind beide Bauteil-Versionen seit einiger Zeit auch als SMD-Bauteile verfügbar. Spielen höhere Betriebsfrequenzen eine Rolle, sind die Werte für die sogenannte Freiwerdezeit („tq“) interessant. Ist diese Zeit nicht erreicht, findet keine Löschung der elektrischen Leitfähigkeit in der Sperrschicht statt, so dass bei einer kleineren Frequenzperiode eine dauerhafte Leitfähigkeit gegeben und kein Abschalten mehr möglich ist.
Unser Praxistipp: Spezifikationen beachten
Thyristoren und Triacs sind relativ robuste elektronische Bauteile. Beiden gemein ist aber, dass sie unbedingt innerhalb ihrer Spezifikationen bezüglich maximal zulässiger Anstiegsgeschwindigkeit des Laststroms betrieben werden müssen, um Beschädigungen zu vermeiden. Gleiches gilt für den Zündstrom: Ist er zu niedrig, geschieht die Umschaltung des gesamten Halbleiterkristalls vom Sperrzustand in die Leitfähigkeit zu langsam und der gesamte Laststrom fließt – ebenso wie bei zu kurzen Anstiegszeiten – zunächst nur in Teilbereichen der Siliziumfläche. Hierdurch kann es leicht zu lokalen Überhitzungen kommen, die das Bauteil irreparabel beschädigen. Auf eine ausreichende Steuerspannung ist daher stets zu achten.
Was ist der Unterschied zwischen einem Triac und einem Diac?
Während der Triac einen Steueranschluss - das Gate - besitzt, ähnelt ein Diac einer Zweirichtungs-Diode und ist nicht separat steuerbar. Die Strecke zwischen beiden Anschlüssen wird erst dann elektrisch leitfähig, wenn die angelegte Spannung die spezifizierte Durchbruchspannung übersteigt. Durch den antiparallelen Aufbau kann auch Wechselspannung geschaltet werden.
Wozu benötigt man überhaupt Thyristoren, wenn Triacs universeller einsetzbar scheinen?
Technisch bedingt lassen sich Thyristoren für deutlich größere Lastströme herstellen als Triacs. Mit ihnen lassen sich Ströme bis über 10.000 Ampere schalten, während Triacs für Ströme vom ein- bis dreistelligen Ampere-Bereich verfügbar sind.
Als Gleichrichter für hohe Ströme eignen sich Thyristoren im Besonderen. Sollte es notwendig sein, beispielsweise für das Schalten sehr hoher Ströme, erfüllen zwei antiparallel geschaltete Thyristoren die Funktionalität eines Triacs. Fertig aufgebaute Leistungsregler ermöglichen mit einem Minimum an Außenbeschaltung eine einfache Leistungs- oder Drehzahlregelung elektrischer Verbraucher wie beispielsweise Lampen, Heizgeräte oder Motoren. Für Netzspannungsanwendungen im 230-V-Wechselspannungsnetz eignen sich zwar auch Triacs und Thyristoren mit 400 Volt Spannungsfestigkeit, mehr Sicherheit und Zuverlässigkeit bei etwaigen kurzen Spannungsspitzen erreicht man allerdings mit Ausführungen, die mit mindestens 600 Volt spezifiziert sind.