Versuch 8: Thyristor

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IH (R) Sperrbereich I UH (N) (F) Durchlassbereich ISt > 0 ISt = 0 UBT0 (B) Blockierbereich Abbildung 2: Strom-Spannungs-Kennlinie mit Nullkippspannung UBT0 Haltespannung UH und Haltestrom IH. Sperrichtung gepolt. Somit ist der Thyristorstrom im wesentlichen durch den Sperrstrom über die beiden äußeren pn-Übergänge bestimmt (unabhängig vom Potential der Steuerelektrode). Wegen der niedrig dotierten Basen (sn, sp) sind sehr hohe Sperrspannungen möglich. In Abbildung 3 a) sind der Potentialverlauf und die Raumladungszonen für den gesperrten Thyristor dargestellt. 3.2 Verhalten bei positiver Anodenspannung Bei Polung in Schaltrichtung liegen die beiden äußeren pn-Übergänge in Flussrichtung, der mittlere dagegen in Sperrichtung. Steigert man, vom stromlosen Zustand ausgehend, die Spannung, so fließt nur der geringe Sperrstrom den mittleren sn-Übergangs, solange die Steuerspannung UST ≤ 0 V ist. Es ergibt sich die Blockierkennlinie (B) wie sie in Abbildung 2 zu sehen ist. In Abbildung 3 b) sind die Raumladungszone und der Potentialverlauf für diesen Betriebszustand dargestellt. Im Durchlassbereich existiert noch ein weiterer Betriebszustand, der durch den Vergleich mit der psn-Diode verständlich wird. Beim psn-Gleichrichter wird die schwach dotierte sn-Zone bei Betrieb in Flussrichtung, mit Ladungsträgern aus der stark dotierten p-Zone überschwemmt. Für starke Flussströme ist es unbedeutend, ob diese Zone aus zwei verschieden dotierten Bereichen besteht. Man erhält die Durchlasskennlinie (F). Die Flussspannung liegt je nach Strom und Thyristortemperatur zwischen 4 U
A 000 111 000 111 sn sp 01 n 01 K A sn 00000 11111 00000 11111 U 000 111 01 G U 00000 11111 G (+) UAK p sp (+) p (+) n (+) UAK x x a) Sperrpolung b) Blockierpolung Abbildung 3: Raumladungszonen und Potentialverlauf des Thyristors in a) Sperrbetrieb (links) und b) Blockierbetrieb (rechts). 1 und 2 V. Der Übergang von der Blockier- in die Flusskennlinie erfolgt bei Erreichen der Nullkippspannung UBT0 (über Kopf zünden) oder wird durch einen Zündimpuls zwischen Kathode und der anschließenden p-Basis (Gate) eingeleitet (positive Steuerspannung). 3.3 Der Zündvorgang 3.3.1 Erläuterung des Zündens anhand des Zweitransistormodells Denkt man sich den Thyristor aus zwei Transistoren zusammengesetzt (Abbildung 4), lässt sich der Zündvorgang sehr anschaulich darstellen. Schließt man den Steuerkreis des Thyristors, so führt der Steuerstrom ISt zugleich Basistrom des Transistors T1, zu einer um den Stromverstärkungsfaktor β verstärkten Elektroneninjektion des n-Emitters E1 in die p-Basis B1, die dort zum Teil rekombinieren. Der Hauptteil des Emitterstromes gelangt zum Kollektor C1 (IC1 = αnpn·IE1 ) und steuert nun über die Basis B2 den pnp-Transistor T2. Dies führt zu einer verstärkten Löcherinjektion des p-Emitters E2 (Anode) in die Basis B2, wovon ein Großteil zu Kollektor C2 fließt (IC2 = αpnp · IE2 ) und wiederum als Steuerstrom für den npn- Transistor T1 wirkt. Der Gesamtstrom I schaukelt sich mittkopplungsartig auf, sodass die schwach dotierten Zonen schließlich mit Ladungsträgern überschwemmt werden. Der zunächst gesperrte mittlere pn-Übergang Ü2 verliert seine Sperrfähigkeit. 3.3.2 Die Zündbedingung Die Zündbedingung des Thyristors lässt sich aus der Strombilanz der n-Basis B2 welche keine äußeren Anschlüsse besitzt, angeben (siehe Abbildung 5). Über den pn- Übergang Ü1 fließt der von Löchern geführte Gesamtstrom I der n-Basis zu. Davon K 5
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Seite 9 und 10: Abbildung 7: Streugrenzen der Steue
Seite 11 und 12: UAK 0.9 0.1 td tr te = td + tr Abbi
Seite 13 und 14: 5 Vergleich von Thyristor und mecha

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