 |
 |
 |
Leistungselektronische Bauelemente werden durch Kombination mehrerer Schichten von n- und p-leitenden Halbleitern hergestellt. Dabei spielen die geometrischen Abmessungen der Schichten, ihre Lage zueinander sowie Materialart und Dotierungsstärke eine entscheidende Rolle. Im Nachfolgenden soll auf diese Details nicht weiter eingegangen, sondern lediglich die prinzipielle Funktion der Bauelemente dargestellt werden.
Die Diode ist ein Halbleiterbauelement mit einem definierten pn-Übergang und zwei Anschlüssen. Sie leitet den elektrischen Strom in eine Richtung und sperrt ihn in die andere. Sie weist damit ein Ventilverhalten auf, das in Stellgeräten für elektrische Antriebe ausgenutzt wird.
| Schaltzeichen |
 (Polarität
für Durchlassrichtung) |
||
| Aufbau |
(Polarität für Durchlassrichtung) |
||
| Wirkungsweise |
Bei Anlegen einer positiven Spannung (Pluspol am p-leitenden und Minuspol am n-leitenden Halbleiter) werden auf der p-Seite der Grenzschicht Elektronen abgesaugt und es entstehen neue "Löcher". Auf der n-Seite der Grenzschicht werden "Löcher" mit Elektronen aufgefüllt. Im Ergebnis wird die Grenzschicht von beiden Seiten abgebaut. Es stehen wieder genügend Majoritätsträger zur Verfügung der elektrische Widerstand der Grenzschicht sinkt. Es kommt zu einem Stromfluss von der Anode zur Katode, die Diode leitet. (Die sehr geringe Durchlassspannung <1V wird vernachlässigt.) Bei Anlegen einer negativen Spannung (Pluspol am n-leitenden und Minuspol am p-leitenden Halbleiter) werden auf der p-Seite der Grenzschicht "Löcher" mit Elektronen aufgefüllt. Auf der n-Seite der Grenzschicht werden Elektronen abgesaugt. Im Ergebnis wird die Grenzschicht auf beiden Seiten erweitert und die Anzahl der Majoritätsträger sinkt. Damit steigt der elektrische Widerstand. Es entsteht kein Stromfluss, die Diode sperrt. (Der sehr geringe Sperrstrom wird vernachlässigt.) |
||
| Kennlinie (vereinfacht) |
|
Der Transistor ist ein aktives Halbleiterbauelement mit mindestens zwei pn-Übergängen und drei Anschlüssen. Ein Anschluss dient als Steueranschluss, zwei Anschlüsse dienen als Lastanschlüsse. In Abhängigkeit von der Spannung am Steueranschluss sowie der an den Lastanschlüssen wirkenden Spannung leitet oder sperrt der Transistor den elektrischen Strom. Der Stromfluss kann prinzipbedingt dabei jedoch nur in eine Richtung erfolgen. In die andere Richtung ist der Stromfluss immer gesperrt. Der Transistor wirkt damit wie ein Schalter, der den Stromfluss in eine Richtung ein- und ausschalten kann. Diese Verhalten wird in Stellgeräten für elektrische Antriebe ausgenutzt.
Transistoren werden in verschiedenen Ausführungen hergestellt. Die historisch gesehen erste Form waren die Bipolartransistoren. Sie wurden im Bereich der elektrischen Antriebstechnik weitgehend von Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) und bei kleineren Leistungen von Feldeffektivtransistoren verdrängt. Zur Darstellung der grundsätzlichen Zusammenhänge soll aber trotzdem auf Bipolartransistoren zurückgegriffen werden.
| Schaltzeichen |
|
||
| Aufbau |
 (Polarität für Durchlassrichtung) |
||
| Wirkungsweise (npn-Typ) |
Der Kollektor wird mit dem positiven Pol der Lastspannung, der Emitter wird mit dem negativen Pol der Lastspannung und die Basis wird mit einer positiven Steuerspannung beaufschlagt. Damit ist der kollektorseitige pn-Übergang in Sperrichtung und der emitterseitige pn-Übergang in Durchlassrichtung geschaltet. Die p-leitende Halbleiterschicht der Basis ist sehr schmal. Aus
diesem Grund beeinflussen sich die beiden im Transistor auftretenden
Grenzschichten. Aufgrund der positiven Steuerspannung an der Basis
wird der emitterseitige pn-Übergang mit Majoritätsträgern
überflutet. Diese Ladungsträger überschwemmen wegen
der räumlichen Nähe auch den kollektorseitigen pn-Übergang,
treten dort als Minjoritätsträger in Erscheinung und bauen
die ursprünglich sperrende Wirkung dieser Grenzschicht ab.
Aufgrund des höheren Spannungspotentials am Kollektor (im Bezug
auf die Basis) bewegen sich die Ladungsträger, die vom Emitter
in die Basis injiziert werden, fast vollständig zum Kollektor
weiter und treten dort als Laststrom in Erscheinung. Der Transistor
ist durchgeschaltet. (Die sehr geringe Durchlassspannung <2V
wird vernachlässigt.) Wird die positive Spannung von der Basis entfernt, tritt dieser Effekt nicht mehr auf. Es fließt dann kein Laststrom mehr, der Transistor ist gesperrt. (Der sehr geringe Sperrstrom wird vernachlässigt.) |
||
| Kennlinie (npn-Typ, vereinfacht) |
|
Der Thyristor ist ein aktives Halbleiterbauelement mit mindestens drei
pn-Übergängen und drei Anschlüssen. Ein Anschluss dient
als Steueranschluss, zwei Anschlüsse dienen als Lastanschlüsse.
Mit einem Spannungsimpuls (Zündimpuls) am Steueranschluss kann der
Thyristor bei entsprechender Polung durchgeschaltet (gezündet) werden.
Es fließt dann ein elektrischer Strom über die Lastanschlüsse.
Der Stromfluss kann prinzipbedingt jedoch nur in eine Richtung erfolgen.
In die andere Richtung ist der Stromfluss immer gesperrt.
Ist der Thyristor einmal durchgeschaltet, bleibt der Stromfluss auch erhalten,
wenn am Steueranschluss kein Spannungsimpuls mehr anliegt. Der Stromfluss
kann nur durch eine entsprechende Absenkung bzw. Umpolung der über
den Lastanschlüssen anliegenden Spannung unterbrochen werden. Dann
kommt der Laststrom von selbst zum Erliegen, der Thyristor sperrt wieder
und kann nur durch einen neuen Zündimpuls erneut durchgeschaltet
werden. Der Thyristor wirkt damit wie ein Schalter, der den Stromfluss
in eine Richtung einschalten kann. Das aktive Abschalten des Laststromes
ist im Gegensatz zum Transistor nicht möglich.
| Schaltzeichen |
 (Polarität
für Durchlassrichtung) |
||
| Aufbau |
 (Polarität
für Durchlassrichtung) |
||
| Wirkungsweise |
Die Anode wird mit dem positiven Pol der Lastspannung, die Katode wird mit dem negativen Pol der Lastspannung und das Gate mit einer positiven Steuerspannung beaufschlagt. Damit sind die beiden äußeren pn-Übergänge in Durchlassrichtung und der mittlere pn-Übergang in Sperrichtung geschaltet. Es fließt ein sehr kleiner Sperrstrom. Durch Erhöhung der Spannung am Gate nimmt die kinetische Energie
der Ladungsträger im Sperrstrom zu. Es kommt zur Stoßionisation
und Freisetzung weiterer Ladungsträger. Damit steigt der Sperrstrom.
Ab einer bestimmten Stärke des Sperrstromes schaukelt sich
dieser Effekt von selbst immer weiter auf, der mittlere pn-Übergang
wird von Ladungsträgern überschwemmt und verliert seine
Sperrfähigkeit. Es tritt ein stabiler Stromfluss zwischen Katode
und Anode auf. Der Thyristor ist durchgeschaltet. (Die sehr geringe
Durchlassspannung <1V wird vernachlässigt.) Erst durch eine äußere Einwirkung (Abschalten des Laststromes) kann der durchgeschaltete Zustand beendet und die Sperrfähigkeit wieder hergestellt werden. |
||
| Kennlinie |
|
|
|
|
|
Anzeigen
|
w-tech, Neumannstr. 29, D-90763 Fürth, Tel. +49 (0)911 73 99
715, Fax +49 (0)911 73 99 716, info@w-tech.de
Impressum
