Wissenswertes über Triacs, Thyristore & Mosfets

Mag ich anklicken, wenn dieser Ratgeber hilfreich war
Wissenswertes über Triacs, Thyristore a  data-cke-saved-name=_GoBack name=_GoBack  /a n & Mosfets

Sie bringen das Herz von jedem Elektronik-Bastler zum Schmelzen – doch gerade Neueinsteiger in diesem Bereich fragen sich oft: Was sind Thyristoren, Triacs und Mosfets eigentlich? Die richtige Auswahl hängt schließlich davon ab, genau zu wissen, womit man es zu tun hat. Denn nur dann kann das optimale elektronische Bauteil für das eigene Projekt gefunden werden.

Triacs, Thyristoren & Mosfets: Was ist das eigentlich?

Eines haben die drei Schalter gemeinsam: sie sind allesamt Halbleiter. Als Halbleiter werden jene Stoffe bezeichnet, deren Leitfähigkeit von der Temperatur abhängt, der sie ausgesetzt sind. Je höher diese ist, desto besser leiten sie. Je mehr sie sich dem Nullpunkt annähert, desto schlechter wird die Leitfähigkeit. Der Halbleiter kann sogar zum Isolator werden. Diese Stoffe sind nicht nur in ihrer reinen Form verwendbar. Durch das Hinzufügen von Fremdkörpern nehmen die Halbleiter verschiedene spezifische Eigenschaften an, die je nach Einsatzgebiet variiert werden. So präparierte Stoffe werden dotierte Halbleiter genannt.

Wie Halbleiter allgemein unterschieden werden

Halbleiter werden in drei Gruppen, die sich an ihrer chemischen Struktur orientieren, aufgeteilt:

  • Die einkristalline Form verwendet Kristalle als Halbleiter, deren Gitterform homogen ist. Als Kristalle sind hier keine Edelsteine zu verstehen, sondern verschiedene chemische Elemente, die eine kristalline Struktur annehmen können.
  • Die polykristalline Form besteht aus vielen Einzelkristallen, die voneinander abgegrenzt sind. Diese Form weist einen anderen Wirkungsgrad als die einkristalline Form auf und wird daher zum Teil in anderen Gebieten eingesetzt, wie etwa bei Solarzellen.
  • Halbleiter in amorpher Form haben keine geordnete Struktur mehr. Diese wurde beispielsweise durch starkes Erhitzen aufgelöst und so rasch wieder abgekühlt, dass sich keine neue kristalline Form mehr bilden konnte. Ein chemisches Element, welches alle drei Zustände aufweisen kann, ist Silizium.

Eine weitere Aufteilung ist jene in direkte und indirekte Halbleiter. Die Energie innerhalb des Leiterbands eines Halbleiters ist impulsabhängig. Bei einem direkten Halbleiter reicht der Impuls durch ein kleines Photon aus, bei indirekten muss der Antrieb etwas größer sein.

Wozu dienen Halbleiter?

Halbleiter gehören zu den elementarsten Bauteilen im Bereich der Elektronik. Sie ermöglichen erst den Bau elektronischer Schaltungen, was direkte Auswirkungen auf die Entwicklung der Mikroelektronik hatte. Diese ermöglicht es, immer kleineren Bauteilen größere Rechenleistungen abzuverlangen. Die derartige Entwicklung kann heute anhand der Tablets und Mobiltelefone erahnt werden. Solche Geräte weisen eine weitaus höhere rechnerische Leistung auf als ein fünf bis zehn Jahre alter PC, der mehr als zehnmal so groß ist.

Halbleiterbauteile werden zu großen Teilen im Computerbereich verwendet. Hier sind sie in vielen Schnittstellen und im Arbeitsspeicher und der CPU zu finden.

Einige interessante Informationen zu Thyristoren

Ein solches Halbleiterbauelement ist aus verschiedenen Schichten aufgebaut. Diese wurden unterschiedlich dotiert, um verschiedene Eigenschaften anzunehmen. Der Name von derartigen Halbleitern setzt sich aus den Begriffen Thyratron und Transistor zusammen. Ein Thyratron ist ein gasgefüllter Röhrengleichrichter. Ein Transistor dient der Schaltung und Verstärkung elektronischer Signale.

Was ist die Aufgabe von Thyristoren?

Thyristoren werden als steuerbare Dioden eingesetzt. Im Gegensatz zu gewöhnlichen Dioden haben sie allerdings drei Materialübergänge. Diese werden als p-n-Übergänge bezeichnet. Thyristoren sperren in beide Richtungen, bis sie von einem positiven Stromimpuls vom dritten Übergang, dem sogenannten Gate, aus in einen leitenden Zustand versetzt werden. Dieser Vorgang schaltet den Thyristor ein. Er wird durch eine positive Rückkopplung unterstützt. Das bedeutet, dass das ausgesendete Signal sich selbst verstärkt.

Vor allem beim Zündvorgang muss darauf geachtet werden, dass die Stromgeschwindigkeit nicht zu schnell ansteigt, denn das könnte zu einem Überhitzen und Schmelzen der Gate-Schicht führen. Ein zu geringer Stromfluss nach dem Einleitungsimpuls hingegen ist manchmal nicht ausreichend, um die Leitfähigkeit des Thyristors zu erhalten. Um negative Effekte dadurch zu vermeiden, werden meist Serienschaltungen von Widerständen und Kondensatoren eingebaut. Diese nehmen einen Teil der Entzündungsenergie auf und können diesen im Notfall abgeben, um eine ausreichende Stromversorgung zu gewährleisten.

Wodurch wird eine Thyristor ausgeschaltet?
Ausgeschaltet
oder gelöscht wird ein Thyristor, indem der Stromfluss die notwendige Leitgrenze unterschreitet. Es dauert eine gewisse Zeit, bis der Thyristor wieder eingesetzt werden kann, da die Ladungsträger seiner Schichten erst wieder neu ausgerichtet werden müssen. Geschieht das nicht, kann es zu einer ungewollten Wiederentzündung kommen. Damit die Neuausrichtung passiert, muss der Haltestrom in Einraststrom umgewandelt werden. Wenn der Stromimpuls während des Löschvorgangs verschwindet, sperrt der Thyristor sofort die Leitfähigkeit und kann nicht neu ausgerichtet werden.

Auch negative Stromimpulse können einen leitfähigen Transistor wieder sperren. Dieser Impuls muss wesentlich stärker sein als der Eingangsimpuls und wird oft durch einen zusätzlich eingebauten, geladenen Kondensator zur Verfügung gestellt.

Wie werden Thyristoren eingesetzt?

Thyristoren werden vielfach in Netzteilen eingesetzt. In diesen sind sie vor allem auf ihre Durchlass- und Sperreigenschaften hin gebaut. Doch auch in kleinen Haushaltsgeräten wie einem Mixer werden sie für die Regelung der Drehzahlen verwendet. Zudem können Sie auch in industriellen Bereichen Thyristoren finden. Da sie sehr unterschiedlich gebaut werden können und dadurch ganz verschiedene Eigenschaften annehmen, zählen Thyristoren zu den vielseitigsten elektronischen Bauteilen. Die meisten Thyristoren werden in Plastikgehäusen, Modulgehäusen oder als Scheibenzellen hergestellt. In all diesen Gehäusen ist immer auch ein Kühlkörper verbaut. Dieser kann, muss aber nicht, isoliert sein. Bei Modulgehäusen ist er es praktisch immer.

Was Sie über Triacs wissen sollten

Triacs sind eine Weiterentwicklung des Thyristoren-Prinzips. Genau gesagt funktionieren sie wie eine Antiparallelschaltung zweier Thyristoren. Deshalb werden sie auch Zweirichtungs-Thyristortrioden genannt. Der gebräuchlichere Name Triac ist ein Kürzel für die englische Bezeichnung Triode for Alternating Current. Während ein Thyristor alleine den Strom nur in einer Richtung schalten kann, ermöglichen Triacs das Schalten von Wechselstrom. Auch sie bestehen als verschieden dotierten Halbleiterschichten.

Woraus besteht ein Triac?

Ein Triac besteht aus zwei Hauptelektroden und einer Steuerelektrode – dem Gate und dem Thyristor. Die beiden Einzel-Thyristoren sind durch eine Zündbrücke miteinander verbunden, damit ein Impuls ausreicht, um den Triac in seine leitende Form zu bringen. Der Impuls kann sowohl positiv als auch negativ sein. Triacs sind jedoch asymmetrisch gebaut, weshalb die Zündempfindlichkeit auf diese Impulse von der Polarität des Triacs abhängt. Meistens sind sie auf positive Entzündungsladungen hin gebaut. Im Gegensatz zu Thyristoren können Triacs nicht für sehr große Stromflüsse verwendet werden.

Wofür werden Triacs verwendet?

Ihr Einsatzgebiet liegt größtenteils in der Leistungsregelung verschiedener elektrischer Verbraucher, die mit Wechselstrom angetrieben werden. Das kann beispielsweise die Dimmfunktion einer Lampe oder Glühbirne sein oder die Drehzahlstellung kleinerer Motoren für kleinere Bohrer, Handstaubsauger und ähnlichen Geräten.
Diacs sind beinahe identisch aufgebaut, haben allerdings keinen Steueranschluss. Sie werden oft als Zündschalter von Triacs eingesetzt. Ihr Name setzt sich aus der Bezeichnung Diode für Alternating Current zusammen.Diacs sind symmetrisch aufgebaut, durch Abweichungen der Kristallgitterform ist der Energiedurchfluss in die negative und in die positive Richtung allerdings nicht immer gleich. Dieser Effekt wird als Symmetrieabweichung gekennzeichnet.

Der Opto-Triac ist eine Sonderform, die aus Foto-Thyristoren hergestellt wird, welche optisch geschalten werden. Für die p-n-Übergänge wird hier eine Leuchtdiode verbaut. Das hat zur Folge, dass der Steuerstromkreis vom Laststromkreis getrennt werden kann. Opto-Triacs werden zumeist in Halbleiter-Relais, also fernbetätigten Schaltern, angewendet. Sie verbrauchen wenig Platz, sind günstig in der Herstellung und können durch die Stromkreistrennung hohe Isolationsspannungen erreichen.

Einige interessante Details über Mosfets

Die Bezeichnung Mosfet entstammt der Entnahme der ersten Buchstaben der tatsächlichen Bezeichnung metal-oxide-semiconductor field-effect transistor. Mosfets sind nicht strom-, sondern spannungsgesteuerte Schaltungselemente. Wegen ihres isolierten Gates werden sie auch IGFET, insulated-gate field-effect transistor, genannt. Infolge der günstigen Herstellung und der hohen Anzahl von Transistoren auf integrierten Schaltkreisen werden Mosfets vielfach in analogen und digitalen Schaltungen verbaut. Aus Computer-Prozessoren sind sie beispielsweise gar nicht mehr wegzudenken.

Wie Thyristoren oder Triacs haben auch Mosfets mindestens drei Anschlüsse, einer davon ist die Gate genannte Steuerelektrode. Gelegentlich wird ein vierter Anschluss, der sogenannte Bulk, verbaut. Da Mosfets spannungsgesteuert sind, kann die Stromstärke mit Hilfe von Widerständen beeinflusst und verändert werden.

Als Schaltung kann der Mosfet den Stromfluss immer nur in eine Richtung unterbinden. Dieser Effekt ist bei speziellen Anwendungen sogar erwünscht. Brückenschaltungen sind darauf ausgelegt, den Rückstromfluss zu erhalten. Die Erhol- oder Löschzeit ist bei dieser Bauform allerdings relativ lang. Zudem führt die notwendige hohe Stromspannung zu relativ großen Energieverlusten.

Welche Mosfetsformen gibt es?

Es gibt zwei verschiedene Mosfet-Grundformen: die p-Kanal-Form und die n-Kanal-Form. Diese bezeichnen die Leitungsrichtungen positiv und negativ. Beide profilieren sich durch sehr kurze Schaltzeiten und geringer Schaltverluste. Je kleiner die Oberfläche der Mosfets ist, desto gleichwertiger funktionieren die beiden Typen. Auf einer größeren Oberfläche zeigt sich der n-Kanal-Typ überlegen. Mosfets ermöglichen hohe Wirkungsgrade elektronischer Schaltungen bei sehr niedrigen Spannungen, was beispielsweise einen Batteriebetrieb ermöglicht.

Mosfets sind nicht einfach handzuhaben, da sie sehr empfindlich sind und bei falschen oder zu starken Auf- und Entladungen leicht zerstört werden. Deswegen sind oft Schutzvorrichtungen wie Dioden oder Drahtbrücken verbaut.

Nicht nur in Computern, sondern auch in Schaltnetzteilen, Gleichrichtern, Spannungsreglern und Hochfrequenzsendern finden Mosfets vielfach Verwendung. Es gibt einige etwas anders gebaute Varianten wie VMOS-Fets und FinFets. Diese werden dank der Weiterentwicklung durch die Forschung für die Computertechnik zunehmend interessanter und könnten die gewöhnlichen Mosfets über kurz oder lang ablösen.

Möchten Sie Ihr Wissen weitergeben? Erstellen Sie Ihren eigenen Ratgeber… Verfassen Sie einen Ratgeber
Weitere Ratgeber erkunden