Thyristor und Triac

Ein Thyristor ist ein elektronischer Leistungsschalter aus Halbleitermaterial. Er hat drei Anschlüsse: Anode, Kathode und Gate. Solange am Gate kein Impuls anliegt, sperrt er den Stromfluss in beide Richtungen. Ein kurzer positiver Stromimpuls am Gate lässt ihn von der Anode zur Kathode leitend werden – und das bleibt er, bis der Strom durch ihn unter einen bestimmten Mindestwert fällt.

Genau dieses Verhalten unterscheidet ihn vom Transistor: Während ein Bipolartransistor seinen Kollektorstrom kontinuierlich proportional zum Basisstrom regelt und sofort wieder sperrt, sobald die Ansteuerung wegfällt, verhält sich der Thyristor wie ein elektronischer Schalter mit Selbsthaltung. Einmal gezündet, bleibt er ohne weiteres Steuersignal eingeschaltet.

Der Triac ist die Weiterentwicklung für den Einsatz im Wechselstromkreis. Er funktioniert wie zwei antiparallel verschaltete Thyristoren in einem Gehäuse und kann dadurch beide Halbwellen einer Wechselspannung schalten – mit einer einzigen Steuerelektrode.

Diese beiden Bauteile sind die Klassiker der Leistungselektronik im Bereich bis einige Kilowatt. Sie schalten Ströme von wenigen Ampere bis in den Bereich von hunderten Ampere, halten Spannungen bis weit über 1000 Volt aus und werden in zahllosen Geräten verbaut.

Ein Thyristor besteht aus vier abwechselnd dotierten Halbleiterschichten in der Reihenfolge P-N-P-N. Daraus ergeben sich drei pn-Übergänge im Inneren. Die äußeren Anschlüsse sind:

• Anode (A) an der oberen P-Schicht
• Kathode (K) an der unteren N-Schicht
• Gate (G) an der mittleren P-Schicht

Das Schaltzeichen erinnert nicht zufällig an eine Diode: Auch der Thyristor lässt Strom nur in einer Richtung passieren – nämlich von der Anode zur Kathode. Der zusätzliche Gate-Anschluss am Kathodenseitigen Balken kennzeichnet ihn als steuerbares Element.

Das Zwei-Transistor-Ersatzschaltbild

Um zu verstehen, warum ein Thyristor nach dem Zünden von allein leitend bleibt, hilft ein Modell: Die vier Schichten lassen sich gedanklich in zwei verschachtelte Transistoren zerlegen – einen PNP- und einen NPN-Transistor, deren Basen und Kollektoren über Kreuz verbunden sind.

Sobald ein kleiner Gate-Strom in die Basis des NPN-Transistors fließt, beginnt dieser zu leiten. Sein Kollektorstrom ist aber gleichzeitig der Basisstrom des PNP-Transistors – also wird auch der PNP-Transistor angesteuert. Dessen Kollektorstrom liefert wiederum mehr Basisstrom für den NPN. Die beiden Transistoren ziehen sich gegenseitig immer weiter in den leitenden Zustand. Sobald sie voll durchgesteuert sind, hält sich das System selbst. Das Gate-Signal darf weg.

Die Kennlinie zeigt den Strom durch den Thyristor in Abhängigkeit von der Spannung zwischen Anode und Kathode (U_AK).

Vier Bereiche prägen das Verhalten:

Vorwärts-Sperrbereich: Die Spannung an der Anode ist positiv gegenüber der Kathode, aber ohne Gate-Impuls fließt nur ein winziger Sperrstrom. Würde man die Spannung immer weiter erhöhen, käme es bei der Vorwärts-Durchbruchspannung U_BO zum unkontrollierten Zünden. Dieser Fall ist im normalen Betrieb unerwünscht und wird durch Auswahl eines Thyristors mit ausreichender Spannungsfestigkeit vermieden.

Leitender Bereich: Nach einem Gate-Impuls springt der Arbeitspunkt von der Sperrkennlinie auf die steile leitende Kennlinie. In diesem Zustand verhält sich der Thyristor fast wie eine Diode in Durchlassrichtung: kleiner Spannungsabfall (typisch 1 bis 2 Volt), hoher Strom. Der Strom wird allein durch die äußere Beschaltung (Last, Spannung) bestimmt.

Halten und Löschen: Damit der Thyristor leitend bleibt, muss der Strom durch ihn größer sein als der Haltestrom I_H. Unterschreitet der Strom diesen Wert – zum Beispiel beim natürlichen Nulldurchgang im Wechselstromkreis – fällt das Bauteil zurück in den Sperrzustand. Dieser Vorgang heißt Löschen oder Kommutieren.

Rückwärts-Sperrbereich: Bei negativer Spannung zwischen Anode und Kathode sperrt der Thyristor wie eine Diode in Sperrrichtung. Ein Gate-Impuls hat hier keine Wirkung. Erst bei der sehr hohen Rückwärts-Durchbruchspannung würde der Thyristor zerstört.

In der Praxis bedeutet das: An Wechselspannung schaltet sich der Thyristor in jeder positiven Halbwelle nach dem Zünden ein und am Ende der Halbwelle beim Stromnulldurchgang von selbst wieder aus. Für die negative Halbwelle bleibt er gesperrt.

Der Triac ist im Inneren ein 5-Schicht-Halbleiter, lässt sich funktional aber als zwei antiparallel verschaltete Thyristoren in einem gemeinsamen Gehäuse beschreiben. Der Name kommt aus dem Englischen: TRIode for Alternating Current.

Die Anschlüsse heißen MT1 und MT2 (Main Terminal 1 und 2) – nicht Anode und Kathode, weil keiner der beiden eine feste Polung hat. Der dritte Anschluss ist wieder das Gate. Über das Gate kann der Triac in beiden Halbwellen gezündet werden, unabhängig davon, ob MT2 gerade positiver oder negativer als MT1 ist.

In jeder Halbwelle gilt das gleiche Spiel wie beim Thyristor: Gate-Impuls löst die Zündung aus, der Triac bleibt bis zum nächsten Stromnulldurchgang leitend, dann löscht er. Im Wechselstromkreis wiederholt sich das hundertmal pro Sekunde – bei 50 Hz Netzfrequenz zweimal pro Periode.

Theoretisch lassen sich vier Zündquadranten unterscheiden, je nachdem ob MT2 und Gate gerade positiv oder negativ sind. Praktisch reicht es zu wissen: Der Triac zündet in den meisten Anwendungen sicher in den ersten drei Quadranten, der vierte (MT2 negativ, Gate positiv) ist weniger empfindlich und wird in der Schaltungsauslegung gemieden.

Wer hört, was ein Lichtdimmer macht, denkt vielleicht an stufenlose Spannungsabsenkung. Tatsächlich macht ein Dimmer mit Triac etwas anderes: Er hackt aus jeder Halbwelle der Netzspannung ein Stück heraus, indem er den Triac erst nach einer bestimmten Verzögerung zündet. Je später die Zündung, desto kleiner das Stück, das an die Last durchgelassen wird. Dieses Verfahren heißt Phasenanschnittsteuerung.

Der Zündwinkel α gibt an, wie weit nach dem Spannungsnulldurchgang der Triac (oder Thyristor) gezündet wird. Er wird oft in Grad angegeben, von 0° (Triac zündet sofort, volle Spannung an der Last) bis 180° (Triac zündet erst am Ende der Halbwelle, praktisch keine Spannung an der Last). Bei α = 90° sieht die Last nur noch die zweite Hälfte jeder Halbwelle – wie im Diagramm gezeigt.

Berechnung der Effektivspannung an ohmscher Last

Bei einem Triac mit Phasenanschnitt und rein ohmscher Last (Heizung, Glühlampe) lässt sich die effektive Lastspannung in Abhängigkeit vom Zündwinkel berechnen. α wird hier in Bogenmaß (Radiant) eingesetzt – oder die Formel passend mit Grad-zu-Bogenmaß-Umrechnung verwendet:

Die Wirkleistung an der ohmschen Last folgt direkt aus der Effektivspannung:

Einige Eckwerte zur Orientierung: α = 0° → U_eff = U_voll (volle Leistung). α = 90° → U_eff ≈ 0,707 · U_voll, also etwa die halbe Wirkleistung. α = 180° → U_eff = 0 (Last komplett abgeschaltet). Wichtig: Die Beziehung zwischen Zündwinkel und Effektivspannung ist nicht linear, was bei der Dimensionierung von Dimmern und Steuerungen zu beachten ist.

Thyristoren und Triacs stecken in vielen Geräten der täglichen Praxis. Einige typische Einsatzgebiete:

Universalmotor-Drehzahlsteuerung: Akku-freie Bohrmaschinen, Stichsägen, Handmixer und ähnliche Werkzeuge nutzen einen Universalmotor, der mit Wechsel- oder Gleichspannung läuft. Ein Triac mit Phasenanschnitt verändert die Effektivspannung am Motor – und damit dessen Drehzahl. Die Elektronik sitzt direkt im Gerät, oft kombiniert mit einer Drehzahl-Rückführung über einen Tachogenerator.

Lichtdimmer: Klassische Wand-Dimmer für Glühlampen und Halogenlampen arbeiten mit einem Triac plus Diac als Triggerelement. Der Diac ist eine spannungsgesteuerte Zündhilfe: Er beginnt erst ab einer bestimmten Spannung zu leiten und liefert dann den scharfen Zündimpuls für das Triac-Gate. Für moderne LEDs ist diese Schaltung nur dann geeignet, wenn die LEDs ausdrücklich als „dimmbar mit Phasenanschnitt“ gekennzeichnet sind.

Heizungs- und Lüftersteuerung: Bügeleisen, Lötkolben, Heißluftpistolen, Kachelofengebläse und kleine industrielle Lüfter werden häufig über einen Triac geregelt. Bei reiner Heizung lässt sich entweder Phasenanschnitt einsetzen oder eine Wellenpaketsteuerung, bei der ganze Sinusperioden ein- und ausgeblendet werden – letzteres erzeugt weniger Oberschwingungen, ist aber für Lichtsteuerung wegen sichtbarem Flimmern ungeeignet.

Solid State Relais (SSR): Industriell sehr verbreitet sind Halbleiterrelais, die intern einen Triac oder antiparallel verschaltete Thyristoren enthalten und elektrisch über eine LED-/Optokoppler-Eingangsseite angesteuert werden. Sie schalten Heizungen, Magnetventile und kleinere Motoren ohne mechanischen Kontakt – verschleißfrei, geräuschlos und schnell.

Klassische Thyristoren werden außerdem in der Leistungselektronik bis hinein in den Megawatt-Bereich eingesetzt, etwa in Stromrichtern für Bahnnetze oder Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragungen. Auch in Sanftanlaufgeräten für Asynchronmotoren und in den Stromrichterbrücken vieler Frequenzumrichter und Antriebsregelgeräte finden sich Thyristoren oder ihre modernen Verwandten (GTO, IGBT) als Leistungsschalter. Die Details dieser Anwendungen würden den Rahmen dieses Beitrags sprengen und werden in den jeweiligen Themen behandelt.