Elektronische Bauelemente sind für den Betrieb bei einer bestimmten maximalen Spannung vorgesehen. Alles, was höher ist als die maximal zulässige Spannung, kann erhebliche Schäden verursachen: schmelzende Leiter, Bauelemente, die die Arbeit einstellen, Gehäuse, die sich aufblähen, physische Löcher, Risse oder sogar Bauelemente, die in Flammen aufgehen, wenn der Schaltkreis an einer zu hohen Spannung liegt.
Spannung, die die für ein Bauelement festgelegten Grenzen übersteigt, ist die häufigste Ursache von Ausfällen. Wenn die Spannung über die Auslegungsgrenze angehoben wird, gibt es eine Überspannung. Spannungsspitzen, falsche Eingangsversorgung, Übertemperatur, mechanische Erschütterungen, elektrostatische Entladungen, geringer Widerstand zwischen Versorgungs- und Masse-Pins, kurzgeschlossene Pins, Bauelementeausfall und vieles mehr können zu einer Überspannungssituation führen. Je nach Dauer dieses Störungsereignisses spricht man von einer Transiente, einer Spannungsspitze oder von Überspannung.
Sicherheitseinrichtungen wie Sicherungen schützen die Elektronik vor Überstromschäden. Sie können jedoch unwirksam sein, wenn Transienten und Spannungsspitzen von Hochspannung an der Stromversorgung anliegen. Transistoren können ebenfalls Schutz bieten und gleichzeitig als Schalter und Verstärker gleichzeitig arbeiten. Typischerweise jedoch arbeiten Transistoren mit kleinen elektronischen Strömen im Milliampere-Bereich.
Abbildung 1: Thyristoren sind einfache Bauelemente, bieten jedoch wichtigen Schutz in Überspannungssituationen (Quelle: BBC)
Thyristoren dagegen bewältigen Leistungen von mehreren hundert Volt und bis zu 10 Ampere. Daher rührt der besondere Nutzen bei Schwankungen und Überstromsituationen. Einsatzgebiete sind Industrie-Leistungsschalter, Autozündungen, Überspannungsschutzgeräte, Thermostate, Elektromotor-Drehzahlsteuerungen und Halbleiterrelais. Auch in Telekommunikationsgeräten sind Thyristoren anzutreffen. In einer Überstromsituation schaltet der Thyristor durch und bleibt in diesem Zustand, bis eine Schaltung zurückgesetzt wird.
Ein Beispiel für eine Thyristor-Familie ist die Reihe NP1800SAT3G NP von ON Semiconductor für den Überspannungsschutz. Es handelt sich um bidirektionale Thyristor-Überspannungsschutzgeräte (TSPD) für den Einsatz in Fernmeldeleitungen, einschließlich Zentralstelle, für Zugangseinrichtungen und Customer Premises Equipment.
Als bidirektionale Elemente verfügen sie über die Funktionalität von zwei Bauelementen in einem Gehäuse, wodurch wertvolle Leiterplattenfläche gespart wird. Die Geräte wirken als Barriere, wenn Überspannung auftritt. Die Energie wird von der geschützten Schaltung bzw. dem geschützten Bauelement weggeleitet. Die NP-Reihe von ON Semiconductor unterstützt Hersteller dabei, eine Vielzahl von regulatorischen Anforderungen zu erfüllen.
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Die Bourns TISP400H1BJR-S-Thyristoren begrenzen Überspannungen auf digitalen Telekommunikationsleitungen, die normalerweise durch Einstreuungen von Wechselstromsystemen oder durch Blitzimpulse verursacht werden, die über eine Telefonleitung laufen oder in diese induziert werden. Ein einzelnes Bauelement bietet 2-Punkt-Schutz von Transformatorwicklungen und Niederspannungs-Elektronik.
Der Schutz besteht aus einem symmetrischen, spannungsgetriggerten bidirektionalen Thyristor. Während des Betriebs wird über Spannung anfänglich durch Breakdown-Clamping begrenzt, bis die Spannung auf einen Pegel ansteigt, der das Bauelement zum Durchschalten veranlasst, sodass über dem Thyristor nur noch eine geringe Spannung abfällt. Dieser Niederspannungszustand bewirkt, dass der Strom von der Überspannung sicher über das Bauelement abgeleitet wird. Das Bauelement schaltet sich aus (sperrt wieder), wenn der umgeleitete Strom unter den Haltestromwert fällt.
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Der Thyristor STMicroelectronics SMTPA62 Trisil™ wird ebenfalls für den Schutz von Telekommunikationsgeräten eingesetzt. Zu den Merkmalen zählen bidirektionaler Schutz, ein Spannungsbereich von 62 V bis 320 V, niedrige Kapazität von 12 pF bis 20 pF bei 50 V, geringer Leckstrom: IR= 2 μA (max.) und ein Haltestrom von 150 mA (min.)
Anwendungen im Telekommunikationsbereich sind analoge und digitale Leitungskarten – xDSL, T1/E1, ISDN, Endgeräte (Telefon, Fax, Modem) und zentrale Bürogeräte.
Die Trisil-Reihe von STMicroelectronics wurde entwickelt, um Geräte vor Blitzschlag und Transienten zu schützen, die von Wechselstromleitungen induziert werden. Die verfügbaren Gehäusebauformen sind SMA, SMB und DO-15. Thyristoren der Trisil-Reihe unterliegen nicht der Alterung und bieten eine Fail-Safe-Modus im Kurzschlussfall für besseren Schutz. Mit diesen Thyristoren können verschiedene Normen wie UL1950, IEC950/CSA C22.2, UL1459 und FCC Part 68 erfüllt werden.
Ein weiteres Beispiel ist das achtpolige thyristorbasierte QFN-Modul SDP1800Q38CB SIDAC, 170 V, 30 A, von Littelfuse, das Überspannungsschutz für VDSL2, ADSL2 und ADSL2+ bietet und dabei nur eine minimale Wirkung auf die Datensignale hat. Das Design der Schaltung ergibt eine kapazitives Lastcharakteristik, die für Anwendungen mit hoher Bandbreite geeignet ist. Das SMD-Gehäuse bietet eine Spitzenkapazität, die weit über den Anforderungen der meisten weltweit gültigen Normen und Empfehlungen für Blitzschutzeinrichtungen liegt.
Das Bauelement bietet symmetrischen Überspannungsschutz, niedrige Verzerrungen und Einfügungsdämpfung sowie geringe Bauhöhe.
Herstellung, Funktionsweise und Nutzen von Thyristoren
Thyristoren sind Festkörper-Halbleiter, die aus vier alternierenden Schichten von N- und P-Material bestehen (PNPN). Das Bauelement leitet, wenn das Gate einen Triggerstrom erhält und leitet dann so lange, bis die Spannung über Anode und Kathode umgekehrt wird. Zwar gibt es viele Typen, doch am häufigsten sind Diacs (DiodenACs), Triacs (Trioden-ACs) und gesteuerte Siliziumgleichrichter. Von außen betrachtet sind Thyristoren elektronische Bauteile mit drei Anschlüssen: Anode, Kathode und Gate.
Wenn die Spannung über einem Widerstand steigt, schaltet der Thyristor durch und die Stromschienen sind ein paar Millisekunden lang kurzgeschlossen, bevor die Sicherung anspricht. Je schneller der Thyristor, desto schneller ist die Reaktionszeit. Der Auftrag des Gates ist es, den Stromfluss zwischen Anode und Kathode zu steuern. Eine Sicherung ist 1000-mal langsamer als ein Thyristor, der im Vergleich dazu nur wenige Mikrosekunden bis zur Auslösung benötigt.
Thyristoren sind unidirektional, das heißt, sie führen nur Strom in einer Richtung, wenn ein Triggerstrom an das Gate angelegt wird. Ein kleiner Gatestrom steuert einen größeren Anodenstrom und der Anodenstrom muss größer als der Haltestrom sein, um die Leitfähigkeit der Strecke zu erhalten.
Einmal durchgeschaltet, arbeiten Thyristoren als Gleichrichterdioden. Sie bleiben in diesem Zustand, selbst wenn kein Gatestrom mehr fließt. Allerdings muss der Anodenstrom über dem Haltestrom bleiben. Wenn kein Strom mehr in ein Gate fließt, wird das Bauelement ausgeschaltet und es kann kein Strom mehr von der Anode zur Kathode fließen. Thyristoren haben keine beweglichen Teile, erzeugen keinen Lichtbogen, sind nicht anfällig für Korrosion oder Schmutz und können den Mittelwert eines Wechselstromlaststroms ohne große Verlustwärme steuern.
Thyristoren werden üblicherweise in Wechselstromkreisen verwendet, wo der Vorwärtsstrom bei jedem Zyklus auf null fällt, sodass es immer einen Ausschaltmoment gibt. Dies bedeutet, dass das Gate während jedes Zyklus angesteuert werden muss, nur um die Laststrecke wieder einzuschalten. Die wichtigste Aufgabe des Thyristors besteht jedoch in der Zeitsteuerung dieser Funktionen. So entsteht eine ausreichende Leistungssteuerung mit Schutzfunktion für die heute oftmals so empfindliche Elektronik.