Elektronischer Leistungsschalter: der Thyristor

Um hohe elektrischer Leistungen zu schalten werden elektronischer „Schalter“ verwendet: der Thyristor. Auf dieser Seite erfahren Sie was ein Thyristor ist und wie die funktioniert.

was ist ein Thyristor?
wie funktioniert ein Thyristor?
was sind die Vor- und Nachteile einer Thyristor?
welche Ansteuermöglichkeiten gibt es für ein Thyristor?
wie verbinde ich ein Prozeßregler mit ein Thyristor?

Was ist ein Thyristor?

Kurz gesagt: eine steuerbare Diode:

Eine Diode lässt Strom nur in eine Richtung fließen: von der Plus-Seite (Anode) zur Minus-Seite (Kathode). Wird die Polarität der Spannung an der Diode umgekehrt, sperrt die Diode den Strom.
Es gibt auch sogenannte Thyristoren, das sind steuerbare Dioden, die hohe Ströme schalten können
In Durchlassrichtung kann über ein zusätzliches Steuersignal (das sogenannte Gate) bestimmt werden, auf welchem Zeitpunkt innerhalb der positiven Seite der sinusförmigen Netzspannung die steuerbare Diode öffnen soll. Erst nach Auslösen dieses Steuersignals fließt der Strom durch die steuerbare Diode.
Kehrt sich dann die Polarität der Spannung um, weil die sinusförmige Netzspannung negativ wird, dann sperrt die steuerbare Diode automatisch den Strom.

Eine solche steuerbare Diode nennen wir ein Thyristor.

Eine andere Bezeichnung ist „silicon controlled rectifier“ oder SCR. Eine Diode kann als Gleichrichter verwendet werden (der Strom kann nur in eine Richtung durch ein Diode fließen). Da die Diode in einem Thyristor jedoch gesteuert werden kann, wird der Thyristor auch als steuerbarer Gleichrichter bezeichnet: controlled rectifier.

Prinzip einer Thyristorsteuerung

Hier sehen Sie ein Video, das die Funktionsweise der steuerbaren Diode (=Thyristor) erklärt. In beiden Beispielen kommt die sogenannte Phasenanschnittsteuerung zum Einsatz.

Durch Modulieren des Steuersignals an das Gate des Thyristors im Hinblick auf die Zeit in der Sinuswelle kann die Strommenge durch die Lampe gesteuert werden.

Quelle: wikipedia – thyristor
Blau: öffnen Signal
Rot: Geschaltete Spannung

Quelle: youtube Kanal: Engineering Technology Simulation Learning Videos

Die gesamte Sinuswelle schalten (auch die negative Spannung)

Der Nachteil von schalten mit nur 1 Thyristor besteht darin, dass nur der positive Teil der sinusförmigen Netzspannung geschaltet werden kann
Um auch den negativen Teil des Sinus der Netzspannung schalten zu können, werden zwei Thyristoren anti-parallel geschaltet, wobei die Durchlassrichtungen gegensinnig miteinander gekoppelt sind.
Der Durchlassrichting eines Thyristors ist daher parallel geschaltet an die Sperrichtung von ene 2. Thyristor. Die Anode von die 1. Thyristor ist also mit der Kathode der 2. Thyristor verbunden. Diese Art der Schaltung wird als anti-parallel bezeichnet
Der Einschaltzeitpunkt ist bei beiden Dioden gleich: Zeitgleich nach dem Nulldurchgang, entweder in positiver oder in negativer Richtung, wird das Triggersignal zum Öffnen des Thyristors aktiviert.
Bei einer sinusförmigen Spannung, deren Polarität sowohl positiv als auch negativ ist (das Spannungsnetz), lasst immer ein Thyristor Strom durch und der andere Thyristor ist dann in Sperrrichtung.
So kann immer ein Strom laufen durch die angeschlossen elektrischer Last, unafhängig von der Polarität der angeschlossenen Spannung.

Eine andere Bezeichnung für zwei anti-parallel geschaltete Thyristoren ist der bidirectional controlled thyristor oder BCT.

Vor- und Nachteile eines Thyristors

Wie so oft hat jeder Vorteil auch einen Nachteil. Nachfolgend eine Übersicht:

Vorteile eines Thyristors:

elektronischer Schalter ohne Verschleiß: sehr hohe Betriebssicherheit und Zuverlässigkeit (mehr als 100-fache Lebensdauer eines elektromagnetischen Relais)
Ströme und Leistungen der elektrischen Heizung können in sehr kleinen Schritten präzise moduliert werden
hohe Energiedichte: Schalten hoher Ströme in einem relativ kompakten Gehäuse

Nachteile eines Thyristors:

In Sperrrichtung fließt immer ein sehr geringer Leckstrom von wenigen Mikroampere (µA). Mit einem Voltmeter kann dieser auch am Sperrausgang (Kathode) des Thyristors gemessen werden. Da dieser Strom jedoch sehr gering ist, liefert er keine Leistung (P=UxI, I ist sehr klein, also ist P auch klein).
höhere Anschaffungskosten im Vergleich zu elektromechanischen Relais

Aufgrund der hohen Betriebssicherheit und sehr langen Lebensdauer amortisieren sich die Mehrkosten eines Thyristors gegenüber einem elektromechanischen Relais schnell.

Modernes Thyristorgehäuse

Bisher mussten immer 2 separate eizelne Thyristoren in Kühlkörper eingeschraubt und antiparallel geschaltet werden.
Heutzutage werden Thyristoren auch in einem Komplettgehäuse geliefert, in dem bereits 2 Thyristoren in Anti-parallelschaltung untergebracht sind.
Diese Module lassen sich relativ einfach auf einem Kühlkörper montieren, wodurch kompakte Systeme mit hoher Energiedichte entstehen. Das spart Platz und Kosten.

Oben sehen Sie ein integrierter 6-Kanal Thyristoreinheit. Diese werden häufig in der Wärmebehandlungsindustrie eingesetzt.
Der Einheit besteht aus einem Kühlkörper mit Zwangskühlung (2 Lüfter)
Auf dem Kühlkörper sind 6 Stück anti-parallel geschaltete Thyristoren montiert
Jeder einzelne Thyristor kann maximal 136A / 480Vac schalten.
Diese Einheit ist für resistive/ohmse Laste geeignet
Die Thyristoren können pro Kanal separat angesteuert werden mit ein 12-24-Vdc Signal von ein Temperatur Regler oder SPS

Ansteuer Methoden

Durch das Öffnen des Thyristors am richtigen Zeitpunkt innerhalb der Netzspannungssinus kann die Leistungsabgabe an die angeschlossene Last in kleinen Schritten dosiert werden. Diese Art von Steuerung wird bezeichnet als Phasenanschnittsteuerung
Leider entstehen durch diese Umschaltung in der Mitte der Sinuskurve mittels Phasenanschnitt Oberwellen
Es besteht auch die Möglichkeit, innerhalb einer bestimmten Zeitspanne eine bestimmte Anzahl vollständiger Sinus durchzulassen und anschließend eine bestimmte Anzahl Sinus nicht durchzulassen (sogenanntes „Burst Firing“). Der Vorteil hierbei ist, dass praktisch keine Oberwellen verursacht werden.
Natürlich werden auch andere Steuerungsmethoden verwendet, aber die oben genannten sind diejenigen, die wir in den meisten modernen Anwendungen verwenden.

Phasenanschnittsteuerung

da die Spannung plötzlich mit einem Impuls in der Mitte der sinusförmigen Netzspannung eingeschaltet wird, beginnt der Strom sofort durch das Heizelement zu fließen und dies verursacht Oberwellen mit höheren Frequenzen als 50 Hz (oder 60 Hz) auf der Netzspannung und Blindstrom (Leistungsfaktor ist ungleich 1,0).
Dadurch erwärmt sich die Verkabelung weil es fließt praktisch mehr Strom hin und her durch die Verkabelung.
Diese Störungen können auch andere Geräte und sogar die Thyristorsteuerung selbst stören.
Im Bild rechts zeigt die rote Kurve, was die Störung mit der Spannung macht, die an der Last anliegt.
Es fließen unnötig Ströme hin un her durch die Last und den Thyristor.
Dadurch entsteht auch zusätzliche Wärme in der Verkabelung (aufgrund des Skin-Effekts: Höhere Frequenzen verlaufen auf der Außenseite des Kabels) und im Thyristor.

Vorteile:

sehr feine Dosierung der Leistung zur Belastung
neben ohmschen/resistive Lasten auch für nichtlineare Lasten geeignet:
- induktiv (primäre Seite einer Transformator)
- MoSi2/Kanthal-Super
- SiC (Siliziumkarbid)
- Glühbirnen (IR/UV)
Der durchschnittliche Strom zum Heizelement/zur Verkabelung ist niedriger als das Maximum (wenn nicht die volle Sinuswelle eingeschaltet ist)

Nachteile:

verursacht Oberwellen und Blindstrom (Leistungsfaktor ungleich 1,0) im Spannungsnetz: Filterung ist notwendig (kann mit einem Transformator und/oder einer Kondensatorbatterie erfolgen)

Nulldurchgangsschaltung oder Burst-Firing Steuerung (Durchlassen von einer Reihe vollständiger Sinus)

Um eine gute Alternative zur Phasenanschnittsteuerung zu bieten, wurden verschiedene andere Steuerungsmethoden entwickelt, darunter:

Nulldurchgangsschaltung: Die Sinuswelle wird immer kurz nach dem Nulldurchgang geschaltet, also bei nahezu 0 Vac
Burst-Firing: ist ähnlich wie Nulldurchgangsschaltung (auch nur Schaltung im Nulldurchgang), nur dass jetzt eine bestimmte Anzahl von ganze Sinus durchgelassen wird, die Anzahl ist abhängig von der gewünschten Leistung

Bitte beachten Sie: Auch bei dieser Steuerungsart kommt eine Phasenanschnittsteuerung zum Einsatz (ein Thyristor kann nicht anders gesteuert werden)
Allerdings liegt der Schaltzeitpunkt immer kurz nach dem Nulldurchgang des Sinus, so dass am Schaltmoment die Spannung am Thyristor sehr gering ist (und damit auch der Strom).
Im Praxis gibt es so sehr kleine bis keine Störungen
Der gesamte Sinus wird sofort geöffnet und der Strom durch das Heizelement ist maximal!!!
Bei dieser Art der Ansteuerung ist eine Modulation nur durch das Schalten bzw. Nichtschalten ganzer Sinus über einen bestimmten Zeitraum möglich.

Vorteile:

nahezu keine Oberwellen im Spannungsnetz: keine Filterung notwendig

Nachteile:

Der maximale Strom fließt immer durch die Last und die Verkabelung muss dafür ausgelegt sein
aufgrund ruckartiger Ansteuerung weniger geeignet für nichtlineare Lasten:
- induktive Lasten: sehr höher Einschaltstrom (Transformator)
- keramischer Heizelemente: SiC/Siliziumkarbid Stäbe brechen schneller

Einfache Integration von Thyristoren in die Prozessautomatisierung durch Thyristorsteller

Um Ihre Prozesssteuerung mit Thyristoren zu verbinden, wurden vollständig integrierte Thyristorsteller entwickelt
Thyristorsteller können mit einem analogen Signal das der gewünschten Leistung entspricht (4-20 mA/0-10 Vdc) gesteuert werden
Zur einfachen Integration in SCADA-/SPS-Systeme sind Versionen verfügbar, die über Feldbusschnittstellen (z. B. ProfiNET/DeviceNET/Modbus) gesteuert werden können.
Es sind Versionen erhältlich, die eine Begrenzung der maximalen Stromstärke, Spannung und/oder Leistung des Heizelements ermöglichen, sodass Sicherungen nicht versehentlich durchbrennen und die Lebensdauer der Heizelemente verlängert wird.