Transformatoren zur Steuerung von Thyristoren – was sind sie und wofür werden sie verwendet?

Ein Thyristor ist eines der wichtigsten leistungsfähigen Halbleiterbauelemente, die in elektronischen Schaltungen verwendet werden. Er besteht aus vier Halbleiterschichten und hat drei Anschlüsse: Anode, Kathode und Gate. Wenn zwischen Anode und Kathode eine geeignete Spannung anliegt und ein Stromimpuls auf das Gate gegeben wird, geht der Thyristor in den Leitungszustand über und beginnt, Strom in Durchlassrichtung zu führen. Der Gate-Strom steuert das Einschalten.

Der Thyristor leitet, bis der Strom im Stromkreis unter einen bestimmten Haltewert fällt oder eine spezielle Thyristorabschaltmethode angewendet wird. Aus diesem Grund wird er oft mit einem Schalter verglichen, den man einschalten, aber nicht immer leicht ausschalten kann.

Transformator in Thyristorschaltungen

Der Transformator in Thyristorsteuerungen erfüllt eine isolierende und anpassende Funktion. Er ermöglicht eine sichere Verbindung der Steuerkreise mit dem Thyristor und gewährleistet die Übertragung der Impulse, die zum Einschalten des Thyristors erforderlich sind. Die Sekundärwicklungen des Transformators ermöglichen die Übertragung der Gate-Impulse relativ zur Kathode und halten dabei die richtigen Strom- und Spannungswerte ein.

Der Einsatz eines Transformators schützt außerdem den Controller und den gesamten Steuerteil vor Störungen und hohen Spannungen, die in Leistungskreisen auftreten. Auf diese Weise können Thyristoren in Hochleistungsgeräten mit kleinen Signalen aus Niederspannungselektronik gesteuert werden.

Transistor vs. Thyristor – Unterschiede

Obwohl Thyristoren und Transistoren Halbleiterbauelemente sind, unterscheiden sich ihre Funktionsprinzipien erheblich. Ein Bipolartransistor oder MOSFET arbeitet linear und kann den Strom kontinuierlich entsprechend dem Steuersignal regulieren. Ein Thyristor hingegen geht nach dem Gate-Impuls in den Leitungszustand über und bleibt darin, bis der Strom im Stromkreis sinkt.

Man kann sagen, dass ein Transistor einem einstellbaren Ventil ähnelt, während ein Thyristor einem Schalter gleicht. In vielen industriellen Anwendungen werden Schaltungen verwendet, in denen beide Elemente zusammenarbeiten, um die Leistungssteuerung zu realisieren.

Triac – eine Thyristorvariante

Ein Triac ist ein Halbleiterbauelement, ähnlich einem Thyristor, das jedoch Strom in beiden Richtungen leitet. Dadurch werden Triacs häufig in Netzgeräten eingesetzt, in denen Wechselstrom fließt. Ein Gate-Impuls kann den Triac unabhängig von der Sinuspolarität einschalten.

Triacs werden in der Leistungsregelung von Wechselstromverbrauchern eingesetzt, z. B. in Dimmern, Drehzahlreglern oder Phasensteuerungen. In solchen Schaltungen wird oft ein Impulstransformator verwendet, der eine geeignete Verbindung und Isolation ermöglicht.

Elektronische Phasensteuerung

Die Phasensteuerung ist eine der häufigsten Methoden zur Nutzung von Thyristoren und Triacs. Sie besteht darin, dass der Thyristor nur in einem bestimmten Teil der Sinuswelle der Netzspannung eingeschaltet wird. So kann die an die Last abgegebene Leistung durch Steuerung des Stromflusses geregelt werden.

Der Transformator in der Phasensteuerung liefert den Gate-Impuls zum richtigen Zeitpunkt, entsprechend dem Phasenwinkel der Netzspannung. Dadurch kann die Leistung in Geräten, die mit Wechselstrom betrieben werden, stufenlos geregelt werden.

Funktionsprinzip von Thyristor und Steuertransformator

Das Funktionsprinzip des Thyristors basiert auf positiver Rückkopplung zwischen den internen Strukturen, wodurch der Strom nach der Gate-Impulsgabe geleitet wird. Der Transformator dient dazu, diesen Impuls sicher und kontrolliert zu übertragen.

Das Schema eines solchen Systems umfasst eine Spannungsquelle, einen Thyristor mit Anode und Kathode sowie einen Transformator mit Sekundärwicklungen. Der durch die Gate-Zone geleitete Impuls schaltet den Thyristor ein. Strom- und Spannungswerte müssen gemäß den Spezifikationen gewählt werden, um eine Beschädigung des Thyristors zu vermeiden.

GTO-Thyristor – schaltbarer Thyristor

Eine interessante Variante ist der GTO-Thyristor (Gate Turn-Off), der nicht nur eingeschaltet, sondern auch über einen Gate-Impuls ausgeschaltet werden kann. In diesem Fall muss der Steuertransformator sowohl positive als auch negative Gate-Impulse übertragen. Der GTO-Thyristor wird daher in fortschrittlichen Leistungssteuerungen und Gleichstrommotorantrieben eingesetzt.

Charakteristik und Symbol des Thyristors

Das Symbol des Thyristors zeigt Anode, Kathode und Gate. Die Strom-Spannungs-Kennlinie zeigt, dass der Thyristor im Sperrrichtungszustand keinen Strom leitet, während er im Durchlasszustand nach Gate-Impuls leitet. Der Widerstand im Leitungszustand ist sehr niedrig, was die Steuerung hoher Leistungen ermöglicht.

Praktische Anwendungen

Thyristoren werden in Leistungsregelkreisen, gesteuerten Gleichrichtern, Gleichstrommotorantrieben und auch in Haushaltsgeräten eingesetzt. Der Transformator in solchen Schaltungen sorgt für galvanische Trennung und Anpassung der Steuersignale.

Die Phasensteuerung mit Thyristoren und Triacs ermöglicht eine stufenlose Regelung von Spannung und Strom in vielen Geräten. So kann die Helligkeit von Lampen, die Geschwindigkeit von Motoren und die Leistung von Heizgeräten reguliert werden.

Schaltpläne und elektronische Schaltungen

Thyristorschaltungen enthalten üblicherweise Schutzdioden, Gate-Strombegrenzungswiderstände und Impulstransformatoren. Eine solche Schaltung kann an das Netz angeschlossen werden, wobei auf die richtige Polarität zu achten ist.

Die Funktionsweise eines Thyristors kann unter einfachen Bedingungen überprüft werden, indem der Strom zwischen Anode und Kathode nach Signalgabe an das Gate gemessen wird. Leitet der Thyristor, wurde der Zündimpuls korrekt geliefert.

Fazit

Der Thyristor ist ein Halbleiterbauelement von großer Bedeutung in der Leistungselektronik. Der Steuertransformator für Thyristoren ist ein Schlüsselbauelement, das eine sichere und effiziente Verbindung der Steuerkreise ermöglicht. Damit können Phasensteuerungen, Strom- und Leistungsregelungen in Industrie- und Haushaltsanwendungen realisiert werden.

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