BE_II

- Thyristoren
- IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor)
- IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)
- Diac
- Triac

- GTO: Abschhaltthyristor (Gate Turn- off Thyristor)
- zünden: durch einen Steuerstrom, wie bei herkömmlichen Thyristoren
- löschen: durch einen Steuerstrom in umgekehrter Richtung
- Der GTO vereint die Vorteile des Thyristors und des Leistungstransistors: hohe Strom- und Span-nungsbelastbarkeit sowie vereinfachte Löschung und kurze Schaltzeiten
- Aktuelle Weiterentwicklung: (MCT, FCT, GCT bzw. IGCT) und andere moderne Bauelemente (IGBT), mit verbesserten Ansteuer- und Schalteigenschaften verdrängt.

- TRIAC: Triode alternating current switch
- Aufbau und Funktion entspricht der Gegenparallelschaltung von 2 Thyristoren
- spezielle Hilfsschichten im Gatebereich ermöglichen die Zündung beider Thyristoren sowohl mit positiven als mit negativen Gatestrom
- der Zündstrom fließt von G nach H2

- DIAC: Diode alternating current switch
- Sobald die Spannung eine be-stimmte Schwellenspannung übersteigt, schaltet er durch und die p-n-Strecken werden leitfähig.
- Diese Art der Zündung nennt man auch Überkopfzündung, sie kann in beiden Spannungsrichtungen erfolgen ... je nach Kippspannung.
- Erst wenn der den Diac durchfließende Strom einen bestimmten Wert, den Haltestrom unterschreitet, steigt der Widerstand wieder rapide an.
- Dieser Vorgang wird auch als Löschen des Diacs bezeichnet

- Bevor der Thyristor wieder mit einer Vorwärtsspannung beaufschlagt werden kann, muss eine bestimmte Freiwerdezeit vergehen.
- dem zufolge ist die Freiwerdezeit:
o die Zeit zwischen dem Stromnulldurchgang und dem Zeitpunkt, bei dem eine wiederkeh-rende Vorwärtsspannung den Thyristor nicht mehr zündet

im Durchlassbetrieb:
- Der Thyristor muss erst die Zündspannung überschreiten, damit der Einraststrom im linea-ren Betrieb fließen kann.
- Ein gezündeter Thyristor ist von Ladungsträgern überschwemmt und lässt sich über den Gateanschluss nicht mehr abstellen.
- Er bleibt so lange niederohmig, bis der Durchlassstrom einen Mindestwert, den Haltestrom, I unterschreitet.
- Dann ist der Thyristor in den hochohmigen Zustand zurückgekippt.

- Er führt zur Zerstörung des Thyristors, da durch die zu hohe Stromdichte die zulässige thermische Belastung überschritten wird (Kritische Stromsteilheit)
o Beim Einschalten des Thyristors fließt der Gatestrom vorwiegend zum Rand J3 des n+ Emitters
o Auf dem Weg zur Mitte verursacht der Bahnwiderstand einen Spannungsfall und der Steuerstrom wird immer geringer
o Nach dem Zünden durch einen Zündimpuls hat sich nur in einem schmalen Randbereich eine Stromdichte eingestellt, die größer als die Einraststromdichte ist
o Die Strombelastbarkeit des Thyristors ist in diesem Moment deutlich geringer als der Nennwert.

- Erhöhte Anodenspannung (Überkopfzündung):
o Durchbruchspannung des sperrenden pn- Übergangs (J2) wird überschritten und der stei-gende Sperrstrom leitet des Zündvorgang ein
o Da jedoch diese „Überkopfzündung“ den Thyristor gefährdet, wird dies im periodischen Be-trieb vermieden und nur in Sonderfällen zugelassen.
o solange die Kippspannung U_BO (breakover voltage) {s.o.: Nullkippspannung U(B0)null} nicht überschritten wird, bleibt der Thyristor gesperrt
- Schneller Spannungsanstieg (Rate – Effekt):
o ein steiler Spannungsanstieg verursacht Ladeströme in die Sperrschichtkapazität des pn – Übergangs (J2), die zur Zündung führen können
o Typische Werte: 0,1 ... 2 kV/μs
- Energiezufuhr (Wärme, Licht, Strahlung)
o Erhöhte Ladungsträgergeneration in der Sperrschicht (J2) erhöht den Sperrstrom, der den Zündvorgang einleiten kann

- an das Gate wird kurzzeitig die Spannung Ug von einigen Volt angelegt.
- Ug treibt in der Basis B1 des unteren Transistors T1 den Defektelektro-nenstrom I_B1
- dieser löst den Elektronenstrom I_E1 = ß1 *I_B1 ≈ I_C1 aus
- I_C1 fließt zur Basis B2 des Transistors T2 und wird dort zu I_B2
- I_B2 löst nun I_E2 aus (I_E2 = ß2 * I_B2 ≈ I_C2)
- der Kollektorstrom I_C2 fließt nun als starker Basisstrom I_B1 in den ersten Transistor zurück
- hier wird wiederum ein verstärkter Elektronenstrom von E1 nach E2 wirksam
- der „Kreis“ ist nun geschlossen und die Spannung U_G kann abgeschaltet werden
- in kurzer Zeit sind beide Transistoren voll durchgesteuert.
- Das gesamte Kristallgebiet wird mit Elektronen und Defektelektronen überschwemmt, die Sperrschicht S2 wird dadurch abgebaut

...

- Der Thyristor befindet sich bis zur positiven Sperrspannung U_D im sogenannten Blockier-zustand
- Der Thyristor kann durch erhöhen der Spannung (über U_D hinaus) durch eine sogenannte „Überkopfzündung“ geschaltet werden. Dieser Vorgang sollte im periodischen Betrieb vermieden und nur in Sonderfällen verwendet werden.

- Sägezahngenerator
- Erzeugung von Trigger Impulsen

- Rückwärts oder Sperrbereich (1):
o Im Sperrbereich verhält sich die Thyristordiode wie eine herkömmliche Diode mit dem Rückwärtsstrom Irr
- Vorwärts – oder Durchlassbereich (2):
o bei steigender Spannung U_AK fließt nur ein kleiner Vorwärtssperrstrom Irv
- Durchlass – oder Haltespannung (3):
o Überschreitet U_AK die Zünd – oder Kippspannung U_Z (10...200V), wird die Vierschichtdiode leitend und die Spannung bricht auf die Durchlass- oder Haltespannung U_H (1... 2V) zusam-men
- Haltestrom (4):
o Oberhalb des Haltestromes I_H (einige mA), zeigt die Vierschichtdiode die Stromcharakteristik einer in Durchlassrichtung betriebenen normalen Diode
- Löschung: wird der Haltestrom unterschritten löscht die Vierschichtdiode wieder

- Halbleiterschalter für hohe Leistungen:
o Ersetzen einfache Schalter
o haben zwei Betriebszustände \(\to\) offen und geschlossen
o Umschaltzeiten im Bereich von μs
o Grenzwerte (Stand: 4 / 2003):
-- Sperrspannungen von 6500V – 8500V
-- Ströme in Bereich von mehreren kA, bei Durchlassspannungen von einigen Volt
-- höhere Spannungen und Ströme sind Reihen- bzw. Parallelschaltung erreichbar
o Im oberen Leistungssegment werden häufig Thyristoren, IGCT und IGBT s eingesetzt
o keine idealen Schalter \(\to\)Verluste
-- betragen ca. 0,5% der übertragenen Leistung
-- Durchlassverluste
-- Abschaltverluste

- aus dem Datenblatt mit I_Cmax = 4A und I_Bmax = 100mA
o \(\to\) B = I_Cmax / I_Bmax
o \(\to\) B = 4000mA / 100mA = 40

Kennlinienfeld:
- Die unteren beide Zweige zeigen nur das Verhalten des Transistors T1 (T2 ist inaktiv)
- Damit T2 aktiv wird muss mindestens die Schleusenspannung U_BE2 erreicht werden
- Ist der Kollektorstrom (er fließt ausschließlich über T1) I_C < U_BE2 / R2 wird T2 nicht aufgesteuert
- Erst wenn I_C > U_BE2 / R2 reicht der über T1 fließende Kollektorstrom um den Transistor T2 aufzusteuern. T2 ist aktiv und arbeitet im normalen Arbeitsbereich, wenn U_CE > U_BE2
- Der Übergang in den aktiven Bereich von T2 verursacht einen deutlichen Anstieg des Kollektorstroms

- Darlingtonschaltung \(\to\) Zusammenschaltung mehrerer Transistoren in Verstärkerstufen:
o Die Kollektoren sind direkt verbunden
o der Emitter des ersten Transistors liefert den Basisstrom des zweiten Transistors usw.
o Nach außen 3 Elektroden
o die Widerstände R1 und R2 verbessern das Sperrverhalten
o ohne sie würden die Sperrströme der Kollektor-Basisdiode durch die jeweilige Basiszone zum Emitter gelangen und den Transistor aufsteuern
o über die Widerstände wird dieser Strom jeweils an der BE Diode vorbeigeführt
o Da es sich um Sperrströme handelt und die BE –Diode bei sehr kleinen Strömen sehr hochohmig ist, können die Widerstände hochohmig gewählt werden
o Bei aktivem Transistor (I_BE > 0mA) fließt so nur ein sehr kleiner Strom über den Widerstand ab
- Darlingtontransistoren werden auch mit integrierter Schutzdiode hergestellt und erlauben so das Schalten induktiver Lasten
o bis ca. 100V und 10A
o ohne Schutzdiode \(\to\) Sperrspannungen von 600V … 1200V und Ströme von 25A … 75A

Eine hohe Sperrspannung UND eine hohe Stromverstärkung lassen sich beim einfachen BPT nicht gleichzeitig realisieren.

- Die als Schmitt-Trigger bekannte Schaltung springt bei einer bestimmten Eingangsspannung aus dem Ruhezustand in den Arbeitszustand (Ein und Ausschaltpegel fallen nicht zusammen).
- Unterschreitet die Eingangsgröße einen weiteren festen Wert, so erfolgt die Umschaltung zurück in den Ruhezustand.
- Die Schaltung arbeitet wie ein Komparator mit Hysterese und wird auch als Schwellwertschalter bezeichnet.
- Anwendung: Abläufe sollen oft erst ab einer bestimmten Spannung starten

- bei einer Emitterschaltung \(\to \) ein sinusförmiges Signal am Eingang bewirkt ein um 180° phasenverschobenes Signal am Ausgang.
- Beim Oszillator (Schwingschaltungen) muss die Ausgangsspannung phasenrichtig auf den Eingang zurückgekoppelt werden (Mittkopplung)
- Mittels RC – Phasenschieber ist dieses für niedrige Frequenzen möglich
o 4x Hochpässe mit der Grenzfrequenz f₀: C₁ – R₁ bis C₄ – R₄ \(\to\) 4 x 45° = 180°
- Einschalten von U_B \(\to\) Spannungsprung am Kollektor, dieser wirkt auf den ersten Hochpass

- Kein Stabiler Zustand
- Besteht aus zwei Emitter Schaltungen
- Basisstromversorgung über zwei verschiedene Wege
o R_B1 bzw. R_B2
o über Kreuz C₁ bzw. C₂
- In einer astabilen Kippstufe oder Multivibra-tor schalten sich zwei Transistoren abwech-selnd selbst vom leitenden in den gesperrten Zustand.
- Die Schaltung funktioniert ohne ein zusätzliches äußeres Steuersignal.

- Hat zwei stabile Zustände
- besteht aus zwei Emitter Schaltungen
- Die Basisstromversorgung wird überkreuz realisiert
- der Schaltzustand kann über die Steuereingänge E1 und E2 umgeschaltet werden
- Annahme:
o T1 hat durchgeschaltet \(\to\) A/ = low und A = high
- Umschaltung:
o Positiver Impuls an Steuereingang E₂:
\(\to\) T₂ steuert durch \(\to\) Basispotential an T₁ sinkt und T₁ sperrt
\(\to\) A/ = high und A = low
o Alternativ kann diese Umschaltung auch durch einen negativen Impuls an E₁ ausgelöst werden, da T₁ dadurch sperrt.
- Auch ohne Ansteuerimpuls an E₂ wird die Basis von T₁ nun mit R_B1 mit Strom versorgt.
- Anwendung: RS – FF, 1Bit –Speicherelement,

- Wird eingesetzt um bei einer nicht stabilen Eingangsspannung eine stabile Ausgangsspannung einzustellen.
- Häufig eingesetzt, um die Brumspannung der bereits gleichgerichteten Wechselspannung in Netzteilen noch besser zu glätten.
- Die Z – Diode und R_V sorgen für ein konstantes Basispotential
- R_V und C bilden einen Tiefpass
o\(\to\) der zur Glättung der Brummspannung beiträgt und Wechselströme ableitet
- Vorteile:
o Spannungsstabilisierung für höhere Leistungen (Vergleich Stabilisierung mit nur Z-Diode)
o zur Glättung reicht eine kleine Kapazität weil nur kleine Ströme entnommen werden

- Eine hochohmige Signalquelle darf durch einen niederohmigen Verbraucher nicht belastet werden.
- Abhilfe schafft in diesem Fall ein Impedanzwandler mit Transistor
- Funktion:
o U_a ist immer um U_BE kleiner als U_e
o die Spannungsverstärkung ist ≈ 1, d. h. die Emitter Spannung folgt der Basisspannung
o \(\to\) Emitterfolger
o Eine Strombelastung an U_A verursacht einen höheren Kollektorstrom
o folge \(\to\) minimal höherer Basisstrom I_a / B
o Die Signalquelle wird damit geringfügig durch den Laststrom I_a / B belastet

- der Transistor kann als Stromquelle eingesetzt werden:
o in dem man eine konstante Eingangsspannung anlegt (Z – Diode)
o und den Kollektor als Ausgang verwendet (R_V)
- für einen Stabilen Betrieb ist eine Stromgegenkopplung er-forderlich (R_E)
- am Ausgang der Stromquelle muss eine Last angeschlossen sein, durch die der Strom fließen kann (R_V)
- I_C ist über V_B und R_E einstellbar und weitgehend unabhängig von U_B oder R_V
- bei einer Verringerung von I_C (≈ I_E) sinkt das Potential V_E
o der Anstieg von U_BE steuert den Transistor weiter auf und umgekehrt

- In Nullpunktnähe (des Eingangssignals z. b. Sinusspannung) wird der Strom auch in dem Lei-tenden Transistor sehr klein und sein Innenwiderstand sehr hoch.
- daher ändert sich die Ausgangsspannung bei Belastung in diesem Bereich weniger als die Eingangsspannung.
- dies ist die Ursache für den Kennlinienknick in Nullpunktnähe.
- die damit verbundene Verzerrung der Aus-gangsspannung nennt man Übernahmeverzerrung.

- Basispotential von T₃ sinkt und dieser wird über R_L aufgesteuert
- der Laststrom fließt hier als zusätzlicher Emitterstrom durch T₃
- Die Spannung an R₃ bleibt unverändert da R₃ relativ niederohmig ist
- die etwas erhöhte Spannung U_BE3 führt zusätzlich zu einer verringerten Spannung U_BE2
- der auf diese Weise verringerte Strom durch T₂ wird von einem Strom durch R_LAST ersetzt
- Beide Stromänderungen summieren sich zum gesamten Laststrom.

Die Gegentaktverstärkung oder Differenzverstärkung ist definiert als Verhältnis der Ausgangsspannungsänderung
eines Differenzverstärkers zur Änderung der Differenz der Eingangsspannungen. Bei einem
idealen Differenzverstärker mit den Eingangsspannungen Ue1 und Ue2 gilt mit dem Verstärkungsfaktor
V für die Ausgangsspannung
U_a.

- Idee:
o Zwei identisch aufgebaute Verstärker weisen auch identische Arbeitspunktverschiebungen auf
- Prinzip:
o Zwei Transistoren mit gemeinsamer Emitteranschluss und Konstantstromquelle für den Emitterstrom
- Es gilt folgender Zusammenhang: I_K = I_E1 + I_E2 mit: U_E1 = U_E2
o Daraus folgt \(\to I_{E1} = I_{E2} = {I_K \over 2} \to\) I_B vernachlässigt \(\to I_{C1} = I_{C2} \approx {I_K \over 2 }\)
o Somit ist: U_a1 = U_{a2 ^\(\to\)} und die sogenannte Gleichtaktverstärkung ist null.

- Stabilisierung von I_C durch Gegenkopplung mittels R_B
- Steigt I_C, verringert sich das Kollektorpotential auf Grund des größeren Spannungsabfalls an R_C
- Infolge der Gegenkopplung über R_B sinkt der Basisstrom und damit auch I_C (I_C = B*I_B)
- Folge: \(\to\) der ursprüngliche Ruhestrom bleibt erhalten
- Information:
o Je kleiner R_B desto größer die Gegenkopplung (R_B \(\to\) ∞ Folge: Keine Gegenkopplung)
o Kleinerer Basisstrom \(\to\) größere Nichtlinearität und Temperaturabhängigkeit
o \(\to\) größeren Basisstrom wählen
o Eine gute Stabilisierung wird erreicht, wenn B*R_C >> R_B

- Stromgegenkopplung durch Emitterwiderstand:
o Durch Temperaturschwankungen fließt ein höherer Kollektorstrom (Transistor leitender)
o Der Emitterstrom erhöht sich ebenfalls und es ergibt sich am Emitterwiderstand der Spannungsabfall ΔU_E = ΔI_E * R_E
o Um genau (ΔU_E ) diesen Spannungswert verkleinert sich dann die Basis – Emitterspannung U_BE
o Der Transistor sperrt mehr

\(\left(\!\begin{array}{c} u_1\\ i_2 \end{array}\right) = \left(\!\begin{array}{c} h_{11} h_{12}\\ h_{21} h_{22} \end{array}\right) * \left(\!\begin{array}{c} i_1\\ u_2 \end{array}\right)\)

- r_BB = Basisbahnwiderstand
- r_BE = Eingangswiderstand
- r_CE = Ausgangswiderstand
- i_CK = spannungs- bzw. stromgesteuerte Stromquelle

- Zerstörung des Transistors, wobei die zulässige Grenzverlustleistung P_tot noch nicht erreicht ist.
- Ursache:
o Ungleichmäßige Stromverteilung bei leitender Emitterdiode,
o Stromdichte an den Emitterrändern besonders hoch (Inhomogenitäten, Verdrängungseffekte)
o Punktuelle Stromdichtenmaxima \(\to\) hot spot (räumlich begrenzte Überhitzung infolge einer Stromfokusierung).