Thyristor - Relais auf elektronisch
Materialbedarf
Anz. | Bezeichnung | Datenblatt | Ersatz |
1 | Batterie/Spannungsquelle 9V | ||
1 | Thyristor BRX45 (BRX44-BRX47) | BT149; BRY55 | |
1 | Widerstand 470 Ohm | ||
1 | Widerstand 1 kOhm | ||
1 | Widerstand 10 kOhm | ||
1 | Elektrolytkondensator 10 µF/16V | ||
2 | Mikrotaster | ||
1 | Standard-Leuchtdiode 3mm oder 5mm | 3mm, 5mm | |
1 | Multimeter |
Grundlagen
Sehr viele haben sie zu Hause und man ist sich gar nicht bewusst, dass sie in den Geräten arbeiten ... Die Thyristoren.
Man findet sie z.B. in Dimmern, Geschwindigkeitsregelungen von Bohrmaschinen und Waschmaschinen. Vom Gehäuse her sehen sie aus wie Transistoren und können dementsprechend auch leicht mit diesen verwechselt werden. Ein Thyristor besitzt auch 3 Anschlüsse. 2 Davon heißen Anode und Kathode. Der 3. Anschluss wird Gate genannt. Vom internen Aufbau her ähnelt der Thyristor einer Diode, nur das zwischen den beiden Halbleiterschichten noch eine neutrale Schicht eingearbeitet ist. Die Elektronen können nicht einfach über diese Schicht kommen. Man muss zuvor erst diese dritte Schicht mit Elektronen 'füttern'. Sobald einige Elektronen sich dort befinden ist die Schranke durchbrochen und der Stromfluss kommt zustande und bleibt erhalten.
Das
Schaltsymbol des Thyristors ist dem einer Diode auch ähnlich. Nur das ein
dritter Anschluss hinzugefügt wurde. Hier werden nur Thyristoren eingesetzt,
die einen positiven Schaltstrom (Zündstrom) benötigen. Diesen Typ nennt man
P-Gate-Thyristor. Für einen Thyristor mit negativen Zündstrom wird die
Bezeichnung N-Gate-Thyristor verwendet. Die Bezeichnung Thyristor ist eigentlich eine zusammengesetzte Bezeichnung. Man hat aus den Bezeichnungen Thyratron und Transistor den Thyristor geschaffen. |
Wann schaltet ein Thyristor?
Der
Grundaufbau einer kleinen Thyristorschaltung ist hier zu sehen. Wenn man
jedoch diese nun in Betrieb nimmt, passiert vorerst gar nichts. Um die LED zum Leuchten zu bringen muss der Thyristor erst die AK-Strecke freigeben und das tut er nur dann, wenn er dazu den 'Befehl' bekommt. Dies geschieht durch den dritten Anschluss. An diesem Anschluss, dem Gate, muss erst ein kleiner Strom fließen, bevor der Thyristor den Strom über der Anode/Kathode freigibt. Man sagt auch, das der Thyristor gezündet werden muss. Die Bezeichnung dieses Vorgangs stammt noch aus der Zeit der Röhrentechnik. Wie erreichen wir dies nun? |
Wenn
der Taster und der Widerstand in die Schaltung eingebaut sind, und nun
betätigt wird, leuchtet die LED auf. Sie leuchtet auch weiter, wenn man den
Taster schon längst wieder losgelassen hat. Aber man möchte doch die Last, in unserem Fall eine LED, doch auch mal wieder abschalten. Dazu gibt es hier 2. Möglichkeiten: 1. Trennen der Versorgungsspannung. 2. Kurzes entfernen der Leuchtdiode aus der Schaltung. Wird diese dann wieder eingesetzt, bleibt sie dunkel.
Beide Methoden sind ja nicht sonderlich effektiv. Man muss im Prinzip auch nur dafür sorgen, dass der Mindeststrom, der durch den Thyristor fließen muss, unterschritten wird. Diesen Strom nennt man übrigens auch Haltestrom und beträgt bei dem BRX45 ca. 5 mA. |
Wie
jedes elektronisches Bauteil, entstehen beim Betrieb des Thyristors
bestimmte Spannungen. Für uns am wichtigsten ist natürlich die Spannung
an der AK-Strecke. Da es sich hier im Grundprinzip um eine Diode handelt, werden wir die typische Diodenspannung von 0,6-0,8 V messen. Diese Spannung bleibt auch hier relativ konstant. Messen wir diese Spannung auch am Gate des Thyristors? |
Bei
dieser Messung sollte der Taster ständig betätigt sein oder durch eine
Drahtbrücke ersetzt werden. Für einige ist es wohl keine Überraschung mehr, das wir hier ebenso eine Spannung von ca. 0,7 V messen. Damit der Thyristor zünden kann, muss diese Spannung mindestens erreicht werden. Bei dem Thyristor, den wir hier verwenden, reicht ein Gate-Strom von 200 µA aus, damit dieser zündet. Wer möchte kann ja den Widerstand R2 mal mit einem Wert vertauschen, der ist, z.B. 22 kOhm. Auch bei diesem Wert, wird die Schaltung einwandfrei funktionieren. |
Abschalten des Thyristors
Um
den Haltestrom zu unterschreiten gibt es die einfache Möglichkeit, ihn
kurzzeitig umzuleiten. Da sich elektrischer Strom immer den 'bequemsten' Weg
sucht, reicht hierfür ein Taster aus, der parallel zur AK-Strecke geschaltet
wird. Wenn man nun den Thyristor mit S1 zündet, kann man den Thyristor durch Betätigen von S2 wieder zum Sperren bringen. Einen Nachteil dieser Methode soll natürlich nicht verschwiegen werden. Thyristoren werden vielfach in Bereichen eingesetzt, bei denen man mit Strömen von einigen Ampere arbeitet. Diesen Strom muss der 'Aus'-Taster natürlich auch bewältigen können. Dies kann unter Umständen eine ziemlich teure Angelegenheit werden. Für unsere Zwecke reicht dieses aber aus. Man muss ja nur dafür sorgen, das der Haltestrom kurzzeitig unterschritten wird. |
Dies
erreichen wir durch das Ergänzen von einem Elko und einen Widerstand. Wird der Thyristor gezündet, kann sich der Elko über R3 und der AK-Strecke des Thyristors aufladen. Wird nun S2 betätigt, entlädt sich C1 schlagartig und bildet kurzfristig einen Kurzschluss welcher parallel zu T1 liegt und diesen zum Löschen bringt. Die Leuchtdiode erlischt sofort. Die Kontakte des Tasters S2 werden hier nur sehr kurzzeitig mit einem hohen Strom belastet, welches selbst für kleine Taster oft problemlos möglich ist. Anstatt eines Tasters könnte man auch einen Transistor verwenden, der durch eine andere Steuerschaltung den Thyristor zur Löschung bringt. |
Aufbau eines Triacs
Ein
Thyristor funktioniert ja leider nur in einer Richtung. Will man ein
Bauteil haben, welches in beiden Stromrichtungen arbeitet, muss man nur
einen zweiten Thyristor entgegengesetzt parallel schalten und die beiden
Gates verbinden. Nun haben wir einen Triac. Triacs werden meist in Wechselstromsteuerungen eingebaut. Ein sehr häufig verwendeter Typ ist der TIC216. |
Um nicht jedes mal den Innenaufbau eines Triacs zeichnen zu müssen, hat man sich hier auch ein Schaltsymbol überlegt. Es sind deutlich die beiden Einzelthyristoren zu erkennen. |