TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN

Bearbeitet durch:

Niederberger Hans-Rudolf dipl. Elektroingenieur FH/HTL/STV dipl. Betriebsingenieur HTL/NDS Vordergut 1

8772 Nidfurn

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Web www.ibn.ch

3. Auflage 14. Januar 2010

1

2

3

Bild 14.6.1

John Bardeen

US-amerikanischer Physiker

*23. 5. 1908 Madison, Wis.

†30. 1. 1991 Boston

Nobelpreisträger für Physik: 1956 zusammen mit W. Shockley und

H. Brattain für Arbeiten über Transistoren;

1972 zusammen mit L. N. Cooper und J. R. Schrieffer für eine Theorie der Supraleitung.

© Wissen Media Verlag

L. N. Cooper J.R. Schrieffer

TECHNOLOGISCHE GRUNDLAGEN

Kapitel 17

ELEKTRONIK

DIGITALTECHNIK

PROGRAMMIERUNG

Inhaltsverzeichnis

17 ELEKTRONIK, DIGITALTECHNIK UND PROGRAMMIERUNG

17.1 Elektronik 17.1.1 Einleitung 17.1.2 Halbleiterphysik

17.1.2.1 Geschichtliches

17.1.2.2 Elektrizitätsleitung in Halbleitern

17.1.2.3 Die wichtigsten Elemente der Halbleitertechnik 17.1.2.4 Eigenleitung in einem Halbleiter

17.1.2.5 Störstellenleitung 17.1.2.6 p-Leitfähigkeit 17.1.2.7 n-Leitfähigkeit 17.1.2.8 pn-Übergang

17.1.2.9 Polarisierung des pn-Übergang in Sperrichtung 17.1.2.10 Polarisierung des pn-Übergang in

Durchlassrichtung

17.1.2.11 Zusammenfassung der Grundlagen 17.1.3 Halbleiter-Dioden

17.1.3.1 Einführung

17.1.3.2 Prinzipieller Aufbau

17.1.3.3 Laborübung „Entdeckendes Lernen an der Diode“

17.1.3.4 Gleichstromverhalten der Dioden 17.1.3.5 Einsatz der Dioden

17.1.3.6 Zener-Dioden oder Referenzdioden 17.1.3.7 Leuchtdiode

17.1.4 Transistor, Thyristor, Diac und Triac 17.1.4.1 Prinzipieller Aufbau Transistoren

17.1.4.2 Berechnungen zum Transistor als Schalter 17.1.4.3 Funktion in vereinfachter Darstellung 17.1.4.4 Grundschaltungen des Transistors 17.1.4.5 Kennlinien des Transistors

17.1.4.6 Der Thyristor 17.1.4.7 Der Diac 17.1.4.8 Der Triac

17.1.4.9 Transistor und Diodenanschlüsse 17.1.4.10 Diodenanschlüsse

17.1.4.11 Anwendungen mit Halbleiterbauteilen

BiVo

Probleme umfassend bearbeiten Verstehen und anwenden Erinnern

BET Bearbeitungstechnik 2.1 Werkstoffe 2.1.2 Einteilung der Stoffe 2.1.2 Elektrische Eigenschaften

Thermisches Verhalten Verwendung

TG Technologische Grundlagen 3.3 Elektronik

3.3.1 Dioden, Transistoren, Thyristoren, optoelekt- rische Elemente, betriebsabhängige Wider- stände, einfache Diodenschaltungen, unge- steuerte Gleichrichter

3.3.2 Elektronische Systeme in Energienutzung, Licht- und Wärmeerzeugung, Antriebstechnik, Kommunikationstechnik, elektronische Mess- geräte, Gebäudeautomation, Signalverarbei- tung (Operationsverstärker), Eingabeeinhei- ten, Verarbeitungseinheiten, Ausgabeeinhei- ten, Analogie elektrotechnisches Energiesys- tem

3.3.3 Analoge und digitale Schaltungen Dimmer, Sprachübertragung, Drehzahlrege- lung, Datenübertragung

3.5 Erweiterte Fachtechnik 3.5.6 Chemische Grundbegriffe

Periodensystem, Atome, Elektronen 3.5.7 Leuchtdiode

TD Technische Dokumentation 4.2 Anlagedokkumentation

4.2.1 Programmdarstellungen, Steuerungstechnik, Gebäudeautomation

4.2.2 Symbole, Kennzeichnungen, Elektronikschal- tungen

EST Elektrische Systemtechnik

5.1 Installationstechnik und Technik der Ener- gienutzung

5.1.4 Schutzorgane, Frequenzumrichter 5.1.6 Elektronische Transformatoren 5.2 Technik der Energienutzung

5.2.2 Leuchtdionden, Lampenschaltungen, Dämme- rungsschalter, Sensorsteuerungen 5.2.7 Netzersatzanlagen, Überspannungsschutz 5.2.8 Photovoltaik

5.3 Elektrotechnik

5.3.1 Gleich- und Wechselspannung 5.3.3 Kirchhoffsche Gesetze 5.3.6 Digitale Messgeräte 5.4 Steuerungstechnik 5.4.1 Digitale Steuerungen 5.4.2 Halbleiterrelais, Halbleiterschutz 5.4.3 Gleichrichter, Wechselrichter, Frequenzum-

richter

5.4.4 Speicherprogrammierbare Kleinsteuerungen 5.5 Gebäudeautomation

5.5.1 Gebäudeautomation 5.5.2 Bussysteme

5.5.3 Einsatz von Bussystemen

17 Elektronik, Digitaltechnik und Programmierung

17.1 Elektronik

17.1.1 Einleitung

Die industrielle Elektronik ist ein Spezialgebiet aus den vielfältigen Anwendungsgebieten der Elektronik.

Soweit wie möglich ersetzt man steuertechnische Vorgänge in industriellen elektrotechnischen Anlagen, die bis heute vorwiegend elektromechanisch (Endschalter, Schütze, Relais, und dgl.) gelöst wurden, durch, in der Elektronik entwickelte Schaltungen, die angepasst wurden auf den jeweiligen industriellen Einsatz.

Früher: Heute:

Rotierende ≅ ≅ ≅ ≅ Strom-Umformer Statische (ruhende) Um- former

El.-mech. Schütze und Relais Kontaktlose Schütze und Relais, elektronische Schütze Mechanische Überwachungs- PTC-Widerstände

schalter NTC-Widerstände

Endschalter mechanisch Optische Schalter, Fotozellen

Vorteile der elektronischen Schaltungen:

1. Keine beweglichen Teile

2. Geringerer Wartungsaufwand

3. Kleinere Verluste (Wärme)

4. Kleinere Abmessungen

5. Geräusche kleiner

17.1.2 Halbleiterphysik 17.1.2.1 Geschichtliches

Die Bedeutung der Halbleiter wurde hauptsächlich durch die Erfindung des Transistors im Jahre 1948 durch J. Bardeen, W. Shockley und W.H. Brattain klar. In den Anfängen verwen- dete man Halbleiter vorwiegend in portablen Radios und in Hörgeräten. Es begann dann eine vollständige Umwälzung auf fast allen Gebieten der Elektrotechnik, besonders in der Kon- struktion von Elektronenrechnern und Satelliten. Zu der grossen Auswahl von Transistoren wurde eine ganze Familie verwandter Komponenten entwickelt.

Beispiele:

Dioden

Transistor

Thyristor

Diac und Triac

Integrierte Schaltungen

Leiterplatte mit Integrierten Schaltelementen

5 5

1 2

Bild 14.8.1

Heute werden vollständige elektronische Schalt-

funktionen auf einem winzigen Stück eines halb-

leitenden Materials produziert.

17.1.2.2 Elektrizitätsleitung in Halbleitern

Zwischen den Stoffen, die gute Stromleiter oder aber gute Isolatoren sind, liegt eine Gruppe von halb oder schlecht leitenden

Stoffen.

Diese Stoffgruppe ist in der heutigen Zeit nicht mehr wegzudenken und sie

wird als Halbleiter bezeichnet.

Wie aus der nachstehenden Tabelle ersichtlich ist, sind Germanium Silizium und Selen typische Vertreter dieser Stoffgattung.

10⁻2

] / [Ωmm² m

1 102

104

106

108

1010

1012

1014

1016

1018

1020

1022

1024

Bild 14.7.1

10⁻2

] / [Ωmm² m

102

104

106

108

1010

1012

1014

1016

1018

1020

1022

1024

3 2

5 1

4

6

Abb. 1:

Leitfähigkeit von Isolierstoffen Halbleitern und Leitern

Kunststoffe, Isolierstoffe

Selen

Silicium

Germanium

Kupfer

Eisen

Halbleiter sind also schlechte oder eben „halbe“ Leiter, zu dem aber auch schlechte Isolatoren. Wie wir in früheren Kapiteln gesehen haben, hängt die Leitfähigkeit eines Materials von der Anzahl der sich im Material befindlichen

freien Elektronen ab, die aus den äussersten Schalen der Elektronenhülle stammen. In einem guten Leiter sind sehr viele freie Elektronen

vorhanden, im Halbleiter wenige und in einem Nichtleiter

(Isolator) praktisch keine.

17.1.2.3 Die wichtigsten Elemente der Halbleitertechnik

Die nachstehende Tabelle (Abb. 2) gibt uns eine Übersicht über die in der Halbleitertechnik hauptsächlich verwendeten chemischen Elemente. Die wichtigsten

davon sind das Germanium und das Silizium.

Germanium ein selten vorkommendes Metall.

Abb. 2

Ausschnitt aus der Tabelle der chemischen Elemente

Wertigkeit 3 Valenz- elektronen

4 Valenz- elektronen

5 Valenz- elektronen

Elektronen- schalen

Gruppe ΙΙΙ ΙV V

Ordnungszahl 5 6 7 K,L

Element Bor

B

Kohlenstoff C

Stickstoff

N 2

Ordnungszahl 13 14 15 K,L,M

Element Aluminium Al

Silizium Si

Phosphor

P 3

Ordnungszahl 21 22 23 K,L,M,N

Element Skandium Sc

Titan Ti

Vanadium

V 4

Ordnungszahl 31 32 33 K,L,M,N

Element Gallium

Ga Germanium

Ge Arsen

As 4

Ordnungszahl 39 40 41 K,L,M,N,O

Element Yttrium Y

Zirkon Zi

Niob

Nb 5

Ordnungszahl 49 50 51 K,L,M,N,O

Element Indium In

Zinn Sn

Antimon

Sb 5

Akzeptoren Grund-

material Donatoren

Silizium dagegen steht auf der Grenze zwischen Nichtmetallen und Metallen und kommt in Form von Salzen, Kieselsäure und Siliziumoxid sehr häufig vor;

ungefähr 25% der Erdkruste besteht aus Silizium.

Um die Wirkungsweise der Halbleiterbauelemente zu verstehen, muss man das Verhalten der Elektronen kennen. Die Elektronen eines Atoms lassen sich in Gruppen gliedern (Abb. 2). Je- de dieser Gruppen ist durch einen bestimmten Abstand vom Atomkern gekennzeichnet. Sie bilden eine sogenannte Elektronenschale. Die Elektronen der äussersten Schale sind sowohl für die chemische Verbindung, wie für den Zusammenhang der Halbleiterwirkung massge- bend.

Sie bestimmen die chemische Wertigkeit, also die Valenz

des Elementes, zu dem das Atom gehört. Aus diesem Grunde nennt man die

Elektronen der äussersten Schale auch Valenzelektronen.

Halbleiter bestehen aus festen Stoffen, deren Atome oder Moleküle regelmässig angeordnet sind. Die Halbleiter haben kristallinen Aufbau.

Dadurch ergibt sich für Silizium der gleiche Kristallgitteraufbau wie für Germanium.

Abb. 3

Kristallgitter von Germanium und Silizium

Kristallgitter von Germanium

Ge +4

Ge +4

Ge +4

Ge +4

Ge +4 Ge

+4 Ge

+4 Ge

+4

Kristallgitter von Silizium

Si

+4 Si

+4 Si

+4 Si

+4

Si +4 Si

+4 Si

+4 Si

+4

Aus obiger Tabelle ist ersichtlich, dass die Ordnungszahl von Germanium 32 und die Anzahl der Valenzelektronen 4 ist. Silizium hat die Ordnungszahl 14 und ebenfalls 4 Valenzelektro- nen.

Ausgangsmaterial für die Herstellung von Halbleiterdioden und Transistoren sind Germanium und Silizium. Beide haben auf der äussersten Elektronenschale 4 Valenzelektronen. Die vier Valenzelektronen haben das Bestreben, sich mit je einem Elektron eines anderen Atomes aus dem gleichen oder anderen Stoff zu festen Paaren zu binden (Abb. 2) und jeweils den eige- nen Kern und den des anderen Atoms gemeinsam zu umkreisen.

Diese Paarbildung nennt man kovalente Bindung, sie ist für das Entstehen der Kristallform verantwortlich. Germanium und Silizium kristallisieren in der sogenannten Diamantstruktur.

Die Germanium-Atome bilden ein Kristallgitter, in dem jedes Ge-Atom immer von vier anderen umgeben ist (Abb. 2).

Abb. 4 Kovalente Bindung

Periode Schale

Periodensystem der Atome

1 2

Tabelle 1

1 4

1 H He

Wasserstoff Helium

K 1 1 Halbmetall Schwermetall Metalle Edelmetalle 2 2

7 ² 9 11 12 14 16 19 20

2 ^K 2 Li ² Be ² B ² C ² N ² O ² F ² Ne

Lihium Berylium Bor Kohlenstoff Stickstoff Sauerstoff Fluor Neon

L 1 3 4 ³ 5 ⁴ 6 ⁵ 7 ⁶ 8 ⁷ 9 ⁸ 10

K 2 23 ² 24 Nichtmetall Edelgase Leichtmetall ² 27 ² 28 ² 31 ² 32 ² 35 ² 40

3 ^{L 8} Na ⁸ Mg ⁸ Al ⁸ Si ⁸ P ⁸ S ⁸ Cl ⁸ Ar

Natrium Magnesium Aluminium Silizium Phosphor Schwefel Chlor Argon

M 1 11 ² 12 ³ 13 ⁴ 14 ⁵ 15 ⁶ 16 ⁷ 17 ⁸ 18

1a 2a 3b 4b 5b 6b 7b 8 1b 2b 3a 4a 5a 6a 7a

L 8 39 8 40 8 45 8 48 8 51 8 52 8 55 8 56 8 59 8 58 8 63 8 64 8 69 8 74 8 75 8 80 8 79 8 84

4 ^{M 8} K ⁸ Ca ⁹ Sc ¹⁰ Ti ¹¹ V ¹³ Cr ¹³ Mn ¹⁴ Fe ¹⁵ Co ¹⁶ Ni ¹⁸ Cu ¹⁸ Zn ¹⁸ Ga ¹⁸ Ge ¹⁸ As ¹⁸ Se ¹⁸ Br ¹⁸ Kr

Kalium Kalzium Scandium Titan Vanadium Chrom Mangan Eisen Kobalt Nickel Kupfer Zink Gallium Germanium Arsen Selen Brom Krypton

N 1 19 ² 20 ² 21 ² 22 ² 23 ¹ 24 ² 25 ² 26 ² 27 ² 28 ¹ 29 ² 30 ³ 31 ⁴ 32 ⁵ 33 ⁶ 34 ⁷ 35 ⁸ 36

M 18 85 18 88 18 89 18 90 18 93 18 98 18 99 18 102 18 103 18 106 18 107 18 114 18 115 18 120 18 121 18 130 18 127 18 132

5 N 8 Rb ⁸ Sr ⁹ Y ¹⁰ Zr ¹² Nb ¹³ Mo ¹³ Tc ¹⁵ Ru ¹⁶ Rh ¹⁸ Pd ¹⁸ Ag ¹⁸ Cd ¹⁸ In ¹⁸ Sn ¹⁸ Sb ¹⁸ Te ¹⁸ I ¹⁸ Xe

Rubidium Strontium Yttrium Zirkon Niob Molybdän Technikum Rutherium Rhodium Palladium Silber Cadmium Indium Zinn Antimon Tellur Jod Xenon

O 1 37 ² 38 ² 39 ² 40 ¹ 41 ¹ 42 ² 43 ¹ 44 ¹ 45 ⁰ 46 ¹ 47 ² 48 ³ 49 ⁴ 50 ⁵ 51 ⁶ 52 ⁷ 53 ⁸ 54

N 18 133 ¹⁸ 138 ¹⁸ 139 ³² 180 ³² 181 ³² 184 ³² 187 ³² 192 ³² 193 ³² 195 ³² 197 ³² 202 ³² 205 ³² 208 ³² 209 ³² 210 ³² 210 ³² 222

6 ^{O 18} Cs ⁸ Ba ⁹ La 58 10 Hf ¹¹ Ta ¹² W ¹³ Re ¹⁴ Os ¹⁵ Ir ¹⁷ Pt ¹⁸ Au ¹⁸ Hg ¹⁸ Tl ¹⁸ Pb ¹⁸ Bi ¹⁸ Po ¹⁸ At ¹⁸ Rn

Cäsium Barium Lanthan bis ^{Hafnium Tantal Wolfram Rhenium Osmium Iridium Platin Gold} Quecksilber Thallium Blei Bismuth Polonium Astat Radon

P 1 55 2 56 2 57 71 2 72 2 73 2 74 2 75 2 76 2 77 1 78 1 79 2 80 3 81 4 82 5 83 6 84 7 85 8 86

O 18 223 ¹⁸ 226 ¹⁸ 227 ³² 261 ³² 161

7 ^{P 8} Fr ⁸ Ra ⁹ Ac 90 10 Ku ¹⁰ Ha

Francium Radium Actinium bis Kutschatowium Hanium

Q 1 87 2 88 2 89 103 2 104 3 105 106

N 19 140 ²¹ 141 ²² 142 ²³ 145 ²⁴ 152 ²⁵ 151 ²⁵ 158 ²⁶ 159 ²⁷ 164 ²⁸ 165 ²⁹ 166 ³¹ 169 ³² 174 ³² 177

6 ^O Lanthaniden ⁹ Ce ⁸ Pr ⁸ Nd ⁸ Pm ⁸ Sm ⁸ Eu ⁹ Gd ⁹ Tb ⁹ Dy ⁹ Ho ⁹ Er ⁸ Tm ⁸ Yb ⁹ Lu

(Metalle der seltenen Erden) ^{Cer Praseodym Neodym Promethium Samarium Europium Gadolinium Terbium Dysprosium Holmium Erbium Thulium Ytterbium Lutetium}

P 2 58 2 59 2 60 2 61 2 62 2 63 2 64 2 65 2 66 2 67 2 68 2 69 2 70 2 71

O 18 232 ²⁰ 231 ²¹ 238 ²² 237 ²⁴ 242 ²⁵ 243 ²⁵ 247 ²⁷ 249 ²⁸ 251 ²⁹ 255 ³⁰ 253 ³¹ 256 ³² 251 ³² 247

7 ^P Actiniden ¹⁰ Th ⁹ Pa ⁹ U ⁹ Np ⁸ Pu ⁸ Am ⁹ Cm ⁸ Bk ⁸ Cf ⁸ Es ⁸ Fm ⁸ Md ⁸ No ⁹ Lr

17.1.2.4 Eigenleitung in einem Halbleiter

Bei elektrisch Leitenden Stoffen wurden beim Aufbau des Kristallgitters nicht alle Elektronen benötigt, daher haben diese Stoffe freie Elektronen. Beim absoluten Nullpunkt sind in einem Halbleiter alle Valenzelektronen am Aufbau des Kristallgitters beteiligt. Somit sind keine freien Elektronen vorhanden, der Halbleiter ist bei dieser Temperatur ein Isolator.

Da sich die Atome innerhalb eines solchen Kristalls nicht in Ruhe befinden, sondern je nach Höhe der Kristalltemperatur um ihren Standort herum schwingen, reisst der Atomverband an manchen Stellen auf. Dies bewirkt, dass da und dort ein Elektron frei wird. An diesen Stellen, an denen

Elektronen aus dem Verband ausgebrochen sind, entstehen Löcher.

Da hier Elektronen (negative Ladungsträger) fehlen, stellen diese Löcher oder wie man auch sagt, Defektelektronen ene Art positiver Ladungsträger dar.

Abb. 6

Defektelektron oder Loch.

Die abgesprungenen Elektronen behalten

aber nur kurze Zeit ihre Freiheit. So schnell wie sie aus dem Atomverband herausge- schlüpft sind, schlüpfen sie an einer anderen Stelle wieder in den Verband hinein und zwar dort, wo sich zufällig ein Loch befindet (Rekombination).

Dieser Vorgang wiederholt sich in ständigem Wechsel, d.h.:

In jedem Kristall sind stets positive und negative Ladungsträger vorhanden.

Aus diesem Aufbrechen von Valenzbindungen ergibt sich eine gewisse Leitfähigkeit des Materials.

Man nennt sie Eigenleitfähigkeit.

Bei Zimmertemperatur sind ca. 10

Ladungsträgerpaare pro cm

im Halbleitermaterial vorhan- den.

Mit zunehmender Temperatur erhöht sich die Eigenleitfähigkeit, denn bei höheren Temperatu-

ren schwingen die Atome stärker, wobei mehr Elektronen frei werden. Bei allzu hohen Tempe-

Diese Eigenleitung der Halbleiter wird bei NTC-Widerständen nutzbringend angewendet. Bei Halbleiterdioden und Transistoren ist die Eigenleitung jedoch nicht erwünscht, weil sie die Da- ten der Bauelemente stark temperaturabhängig macht.

Durch Kühlung und durch geeignete Schaltungsmassnahmen

muss man in der Praxis den Temperatureinfluss kompensieren.

17.1.2.5 Störstellenleitung

Die Leitfähigkeit von reinen Halbleiterwerkstoffen ist sehr gering (Abb. 1). Die Zahl der bewegli- chen Ladungsträgern im Kristall kann durch Einfügen von Fremdatomen wesentlich erhöht werden. Diese Verunreinigung geschieht mit Atomen, die ein Valenzelektron mehr oder weniger aufweisen als die Atome der Halbleiterkristalle (Abb. 3). Da Silizium und Germanium 4-wertig ist, wird man also 3- oder 5-wertige Atome als Fremdatome in das Kristallgitter einbauen. Das Einbauen von Fremdatomen in einen Halbleiter, zur Veränderung

seiner elektrischen Eigenschaften, nennt man dotieren.

Durch Einbauen von Störatomen (Störstellen) in das Kristallgitter wird die Anzahl der freien

Ladungsträger erhöht, somit kann man den Halbleiter, unabhängiger von der Temperatur, lei-

tend machen.

17.1.2.6 p-Leitfähigkeit

Werden in dem Germaniumkristall Fremdatome mit nur 3 Valenzelektronen, z.B. Aluminium (Al) oder Indium (In), eingebaut, so entsteht eine Bin- dungslücke. Von den vier Valenzelektronen des benachbarten Germaniums werden nur drei durch das Indium- oder Aluminiumatom gebunden.

Das Fehlen des vierten Valenzelektrons bewirkt

das Entstehen eines Loches.

Abb. 7

Darstellung der p-Leitung.

Man spricht in diesem Fall von p-Leitung bzw. p-Germanium. Das Zeichen p steht hier deshalb, weil die positiven Löcher die eigentliche Ursache der Leitfähigkeit sind.

Das reine Germanium wird mit ca. 10

bis 10

Al-Atomen pro cm

dotiert. Somit kommen zu- sätzlich zu den aus Ladungsträgerpaaren vorhandenen 10

Löcher noch weitere 10

bis 10

dazu.

Merke

In der p-Leitung sind die Löcher die Majoritätsträger.

(Majoritätsträger = die im dotierten Halbleitermaterial in der Mehrzahl vorhandenen Ladungs- träger)

Die 10

Elektronen, die von den Ladungsträgerpaaren der Eigenleitfähigkeit herrühren, sind hier in der Minderheit also Minoritätsträger.

Merke

Alle Stoffe, die infolge ihrer Wertigkeit 3 (3 Valenzelektronen) das reine Halbleitermaterial

zu p-leitendem Material machen, nennt man Akzeptoren (Abb. 2).

Sobald sich das Loch von dem Al-Atom, durch das es entstanden ist, entfernt hat, ist aus dem elektrisch neutralen Al-Atom ein negatives Aluminium-Ion entstanden.

Es hat jetzt eine Elementarladung mehr als normal. Im gegensatz zu Flüssigkeits- und

diese Al-Ionen nicht beweglich.

17.1.2.7 n-Leitfähigkeit

Beim Einbau 5-wertiger Fremdatome können nur vier der fünf Valenzelektronen durch die Valen- zelektronen der vier benachbarten Germaniumato- me gebunden werden. Das fünfte Elektron ist ein überflüssiges, es findet keinen Bindungspartner und

es entsteht ein freies Elektron.

Abb. 8

Darstellung der n-Leitung.

Als 5-wertige Fremdatome verwendet man Antimon (Sb), Arsen (As) oder Phosphor (P). Die elektrische Leitfähigkeit eines durch ein 5-wertiges Fremdatom verunreinigten Germaniumkris- talls beruht auf der Beweglichkeit seiner überschüssigen negativen Elektronen. Aus diesem Grunde nennt man diese Art der Leitung n-Leitung und ein Germaniumkristall dieser Art n- Germanium.

Das reine Germanium wird mit ca. 10

bis 10

Arsen-Atomen pro cm

dotiert. Somit stehen pro cm

10

bis 10

freie Elektronen zur Verfügung. Dazu kommen noch je cm

10

Elektro- nen der infolge der thermischen Bewegung entstandenen Ladungsträgerpaare.

Merke

In der n-Leitung sind die Elektronen die Majoritätsträger.

(Majoritätsträger = die im dotierten Halbleitermaterial in der Mehrzahl vorhandenen Ladungs- träger). Die 10

Löcher pro cm

, die ebenfalls von den Ladungsträgerpaaren herkommen, sind hier in der Minderheit also Minoritätsträger.

Merke

Alle Stoffe, die infolge ihrer Wertigkeit 5 (5 Valenzelektronen) das reine Halbleitermaterial

zu n-leitendem Material machen, nennt man Donatoren (Abb. 2).

Sobald sich das Elektron vom Arsen-Atom gelösst hat, entsteht aus dem Arsen-Atom ein

positives Arsen-Ion. Es besitzt ein Elektron weniger als normal.

Auch diese Arsen-Ionen sind nicht beweglich. Sie tragen ebenfalls zur

Bildung der Sperrschicht bei.

17.1.2.8 pn-Übergang

Ein p- oder n-leitender Halbleiter wirkt allein nur wie ein ohmischer Widerstand. Erst mit dem Aneinandersetzen von p- und n-leitenden Halbleitern erhält man besondere Eigenschaften.

Dies geschieht nicht durch das Zusammenfügen zweier Germaniumstückchen, sondern durch verschiedene

In der nächsten Umgebung der Grenzfläche spielen sich Vorgänge ab, die für die technische Anwendung eines solchen pn-Überganges ausschlaggebend sind.

Abb. 9: Halbleiter mit p- und n-Dotation

negatives Ion positives Ion Loch

Elektron

Von besonderer Bedeutung ist die Zone (Grenze), wo die beiden Schichten aneinan- der grenzen.

Abb. 10

Darstellung mit den Majoritätsträgern in p- und n-dotiertem Halbleiter

An der Grenzschicht können die Elektronen in die p-Schicht und die Löcher in die n-Schicht Gelangen. Diese Verschiebung nennt man Diffusion.

Treffen die Elektronen in der p-Schicht auf Löcher oder die Löcher in der n-Schicht auf Elektronen, so vereinigen sie sich mit diesen, was man als Rekombination

bezeichnet.

p n

Sperrschicht

Spannungsverlauf

0 + -

Abb. 11

Spannungsverlauf an der Sperrschicht

negatives Ion positives Ion Loch

Elektron

Durch diesen Vorgang wird die Grenzschicht immer ärmer an beweglichen Ladungsträgern.

Wenn alle Ladungsträger durch die Rekombination verschwunden sind, wirken in der Grenzschicht nur noch die Ladungen der Ionen.

Diese Ionen sind nicht beweglich. Die Ionen in der p- bzw. n-Schicht verhindern, dass weitere Elektronen bzw. Löcher diffundieren.

Die Grenzschicht wird so zur Sperrschicht da sie mangels beweglicher Ladungsträger nicht mehr leitfähig ist. Zwischen beiden Zonen ist ein Spannungsunterschied entstanden, dieser wirkt nun einer weiteren Diffusion von Ladungsträgern entgegen.

Diese Spannung nannt man Diffusionsspannung.

17.1.2.9 Polarisierung des pn-Übergang in Sperrichtung

Legt man an die p-Schicht den Minuspol und an die n-Schicht den Pluspol einer Gleichspan- nungsquelle, so werden in beiden Schichten die beweglichenLadungsträger von der Sperr- schicht weg zu den Anschlüssen hin gezogen.

Die Polarität ist derjenigen der Majoritätsladungsträger entgegengesetzt.

p n

Sperrschicht Majoritätsträger Minoritätsträger

- +

Abb. 12

pn-Übergang in Sperr-Rrichtung

negatives Ion positives Ion Loch

Elektron

Wirkung der angelegten Spannung auf die

Minoritätsladungsträger

Majoritätsladungsträger Merke

Die Majoritätsladungsträger werden von den Polen angezogen. Die Sperrschicht verbreitert sich. Zwischen

den Anschlüssen herrscht ein gosser Widerstand.

Die Minoritätsträger bestimmen diesen Widerstand, sie fliessen durch die Sperrschicht hindurch und verursachen den Sperrstrom.

Es entsteht eine Stromsperre.

17.1.2.10 Polarisierung des pn-Übergang in Durchlassrichtung

Legt man an die p-Schicht den Pluspol und an die n-Schicht den Minuspol einer Gleichspan- nungsquelle, so werden die Löcher vom Pluspol zur n-Schicht und die Elekktronen vom Minus- pol zur p-Schicht gestossen.

Die Polarität ist derjenigen der Majoritätsladungsträger gleichgesetzt.

p n

Sperrschicht Majoritätsträger Minoritätsträger

+ -

Abb. 13

pn-Übergang in Durchlass-Richtung

negatives Ion positives Ion Loch

Elektron

Wirkung der angelegten Spannung auf die

Minoritätsladungsträger Majoritätsladungsträger

Merke

Ist die angelegte Spannung grösser als die Diffusionsspannung, so schwindet die Sperrschicht.

Die Majoritätsladungsträger werden von den Polen Abgestossen.

Die Minoritätsladungsträüger sind in Bewegung. Sie fliessen durch die Sperrschicht hindurch und verursachen den Durchlassstrom.

Es entsteht eine Stromleitung. Der pn-Übergang wirkt wie ein

Stromventil bzw Stromschalter.

Merke

Der pn-Übergang bildet die Grundlage der bipolaren Halbleiterbauelemente wie:

Dioden, Transistoren und Thyristoren.

17.1.2.11 Zusammenfassung der Grundlagen

Die elektrische Leitfähigkeit der Halbleiterwerkstoffe ist

als die der Leiter, aber als die der Nichtleiter.

In den Halbleitern treten nebst den negativen auch noch als Ladungsträger auf. Bei Temperaturzunahme erhöht Sich die , da immer mehr Valenzelektronen aufbrechen.

Da dadurch weitere Ladungsträgerpaare entstehen, ist im Halbleiter die Anzahl der immer gleich gross wie die Anzahl der

Wird das Halbleitermaterial mit 5-wertigem Stoff dotiert, so überwiegt die Zahl der Demzufolge entsteht eine Schicht aus

Wird das Halbleitermaterial mit 3-wertigem Stoff dotiert, so überwiegt die Zahl der Demzufolge entsteht eine Schicht aus

An der Grenzschicht zwischen

entsteht durch eine Diese

Grenzschicht wird fast und dadurch zur

Der Spannungsunterschied zwischen der p-Schicht und der n-Schicht nennt man

Diese Spannung muss über-

Wunden werden, damit der pn-Übergang leitend wird.

17.1.3 Halbleiter-Dioden 17.1.3.1 Einführung

Halbleiterdioden sind zweipolige Bauelemente, deren Widerstand von der Polung der angeleg- ten Spannung abhängt.

Als Halbleitermaterial wurde früher für Dioden Kupfer-Oxydol (Cu

O) und Selen (Se) verwendet und heute vorallem:

Germanium (Ge) Silizium (Si)

Die Diode besteht aus zwei Schichten. Einer p- und einer n-Schicht.

Löcher

p-Schicht n-Schicht

Sperrschicht

Anode Kathode

K

A Elektronen

Abb. 14

pn-Übergang einer Diode

Merke

Die Diode wirkt als Stromventil d.h. sie ist leitend, wenn die

Spannung in Anoden-Kathoden-Richtung anliegt. In der

anderen Richtung wirkt sie als Stromsperre. Aus diesem Grund wird sie häufig

zur Gleichrichtung und zur Gleichstromsteuerung eingesetzt.

17.1.3.2 Prinzipieller Aufbau

Abb. 15

Prinzip einer Diode

Symbol der Diode:

Bei anlegen der Spannung

Bei anlegen der Spannung

Abb. 16 Reale Dioden

Unterstes Bild Brückengleichrichter

17.1.3.3 Laborübung „Entdeckendes Lernen an der Diode“

Auftrag

Untersuchen Sie die Diode in Sperr- und Durchlassrichtung. Es sind die Spannungen und die Ströme in einer Tabelle festzuhalten. (Bauteile: Laborspeisung, 1,0 k Ω -Widerstand, Diode 1N4007, Voltmeter, Ampère-Meter). Um welchen Diodentyp handelt es sich hier.

Vollständiges Mess-Schema

Mess-Tabelle

17.1.3.4 Gleichstromverhalten der Dioden

Die nachfolgenden Kennlinien zeigen den Zusammenhang zwischen Strom und Spannung bei Dioden.

Bild 14.10.1 1

2 3 4 5

6

Abb. 17 Diodenkennlinien

Bestimmung des dynami- schen Wider- standes:

Die Kennlinien zeigen, dass die Silizium- und Germaniumdioden einen grösseren Sperrwider- stand und einen kleineren Durchlasswiderstand als Selen- und Kupfergleichrichter haben.

Ein grösserer Durchlasswiderstand verursacht einen schlechteren Wirkungsgrad, dadurch wer- den diese Dioden stark erwärmt.

17.1.3.5 Einsatz der Dioden

Die Germanium-Dioden sind für kleine Leistungen und hohe Frequenzen geeignet. Sie wird verwendet für:

U = 100 ° C ϑ

Maximale Betriebstemperatur

Hochfrequenzgleichrichter Schwingungserzeuger Logische Schaltungen

Die Siliziumdioden wird für die Gleichrichtung grosser Leistungen verwendet. Sie sind weniger Temperaturempfindlich als Ge-Dioden.

Sie werden verwendet für:

U = 170 ° C ϑ

Maximale Betriebstemperatur

Netzgleichrichter

Sperrspannung 400V – 1000V Ströme 1A – 1000A

Achtung!

Halbleiterbauteile sind sehr empfindlich auf Überspannungen und Überströme. Sie können selbst durch statische Entladungen beim Berühren zerstört werden.

Vor Überströmen sind sie gegebenenfalls mit superflinken Sicherungen zu schützen.

Halbleiterbauteile stellen keine galvanischen Trennung dar!

Neben der einfachen Diode gibt es eine Reihe von speziellen Halbleiterdioden für unterschied- liche Einsatzzwecke:

•

Laserdiode

•

Leistungsgleichrichter (p

sn

-Diode)

•

LED Leuchtdiode

•

Photodiode

•

Schottky-Diode

•

Solarzelle

•

Step-Recover-Diode

•

Supressordiode

•

Thyristor

•

Tunnel-Diode

•

Varaktor (variable Reaktance) Kapazitätsdiode

•

Vierschichtdiode

•

Zener-Diode oder Z-Diode

17.1.3.6 Zener-Dioden oder Referenzdioden 17.1.3.6.1 Grundlagen

Zener-Dioden sind Siliziumdioden mit besonderen Eigenschaften. In Durchlassrichtung unterscheidet sich ihr Verhalten nicht von dem der nor- malen Dioden. Auch der Sperrstrom ist normal, d.h. sehr klein und unab- hängig von der Sperrspannung, solange diese einen bestimmten Wert nicht überschreitet. Dann aber steigt der Sperrstrom plötzlich so stark an, dass man die Diode wieder als leitend betrachten kann. Die Spannung bei der das geschieht, heisst Durchbruchspannung. Das starke Ansteigen des Stromes wird dadurch hervorgerufen, dass Elektronen in der Sperrschicht unter dem Einfluss der äusseren Spannung aus ihren Bindungen gerissen werden. Nach dem amerikanischen Physiker Zener, der sich mit Untersu- chungen solcher Vorgänge befasste, nennt man dies den Zener-Effekt.

Die Z-Diode wird auch Zenerdiode und die Durchbruchspannung auch Zenerspannung genannt.

Ausser dem Zenereffekt tritt auch noch der Avalanche-Effekt (Lawinenef- fekt) auf. Im elektrischen Feld der Sperrschicht werden die Elektronen so stark beschleunigt, dass sie beim Auftreffen auf andere Atome weitere Elektronen befreien. Die Zahl der freien Elektronen nimmt dadurch lawi- nenartig zu.

Beide Effekte sind für die starke Zunahme des Sperrstromes massge- bend.

Zenerdioden zwischen 5...7 V haben den kleinsten dynamischen Wider- stand.

Abb.18 Symbole für Zenerdioden

Abb. 19 Kennlinien von

Zenerdioden

Abb. 20 Reale Zenerdiode

17.1.3.6.2 Berechnungsbeispiel mit einer Zenerdiode

Aufgabe

Die Eingangsspannung einer Netzspeisung nach der Gleichrichtung und Glättung kann zwischen 10….15V schwanken.

Wie muss der Vorwiderstand einer Stabelisierungsschaltung mit Zenerdiode gemäss der gegebenen Schaltung gewählt werden, wenn der Lastwiderstand

beträgt.

Wir überprüfen den Strom in der Z-Diode mit dem gewählten Widerständen

500Ω:

Anwendungen

mit Z-Dioden

Abb. 21 Spannungsbegrenzung

Mit Z-Diode

Abb. 22 Spannungsstabilisierung

Mit Zenerdiode

Abb. 23 Symetrische Stabilisierung

Abb. 24 Prinzip der Spannungsbegrenzung

17.1.3.7 Leuchtdiode

Eine Leuchtdiode (auch Lumineszenz-Diode, kurz LED für Light Emitting Diode bzw. lichtemittierende Diode) ist ein elektronisches Halbleiter-Bauelement. Fließt durch die Diode Strom in Durchlass- richtung, so strahlt sie Licht, Infrarotstrahlung (als Infrarotdiode) o- der auch Ultraviolettstrahlung mit einer vom Halbleitermaterial ab- hängigen Wellenlänge ab.

Abb. 25 Symbol Leuchtdiode

Leuchtdiode 5 mm Gehäuse

17.1.4 Transistor, Thyristor, Diac und Triac 17.1.4.1 Prinzipieller Aufbau Transistoren

Der Transistor besteht aus zwei p-n-Übergängen, d.h. aus drei Schichten (2 Dioden). Es sind zwei Schichtfolgen möglich.

Symbol der Transistoren:

Abb. 26 Reale Transistoren

Die Schichten sind verschieden dotiert; die Dotierung nimmt vom Emitter zum

Kollektor ab. Es ist ein Gefälle in der Konzentration der Majoritäts-

träger. Die Basis ist sehr dünn, einige µ µ µ µ-Meter.

17.1.4.2 Berechnungen zum Transistor als Schalter

In der nachfolgenden Schaltung soll der Widerstand

be- stimmt werden, damit die Lampe H1 optisch max. brennt.

Versuchsschaltung:

Gegeben

R

1000 Ω

U 8 V

Messungen

U

V

I

mA

I

A

17.1.4.3 Funktion in vereinfachter Darstellung

Der Transistor ist ein VERSTÄRKERELEMENT, er lässt sich steuern,

er ist steuerbar .

⇒ Bei Basisstrom I

= 0 ist die Basis-Emitter-Spannung UB=0

Es fliesst kein Strom durch den Transistor.

⇒ Bei Basisstrom I

> 0 ist die Basis-Emitter-Spannung UB>0

Es fliesst ein Strom durch den Transistor.

⇒ Bei Basisstrom I

>> 0 ist die Basis-Emitter-Spannung UB>0,7V

Es fliesst ein grosser Strom durch den Transistor.

Die Steuerung des Transistors erfolgt an

der Basis. Feststellung

Der Transistorstrom (Kollektor-Emitter) hängt vom

Steuer- und Basisstrom IB

ab.

17.1.4.4 Grundschaltungen des Transistors

Die Grundschaltungen sind auf die Elektroden benannt, welche für den Ausgang und den Eingang verwendet werden.

Emitterschaltung

Stromverstärkung hoch

100 Eingangswiderstand

500Ω - 2kΩ Spannungsverstärkung hoch

250 Ausgangswiderstand

500Ω - 100kΩ Leistungsverstärkung

100 - 1000 Einsatzgebiet

• Kleinsignalverstärker

• Elektronische Schalter

• Mit Basisvolger für HF Anwendungen geeignet

Kollektorschaltung (Emitterfolger)

Stromverstärkung hoch

100 Eingangswiderstand

3kΩ - 1MΩ Spannungsverstärkung

0,95 Ausgangswiderstand

0,5Ω - 30Ω Leistungsverstärkung

ca. 1000 Einsatzgebiet

• Impedanzwandler

• Christall-Tonabnehmer

• Piezo-Schallaufnehmer

• Kondensator-Mikrofon

• Elektret-Mikrofon

• Audio-Verstärker- Endstufen

Basisschaltung

Stromverstärkung niedrig

unter 1 Eingangswiderstand klein

25Ω - 500Ω Spannungsverstärkung hoch

200 Ausgangswiderstand hoch

100kΩ - 1MΩ Leistungsverstärkung

ca. 1000 Einsatzgebiet

17.1.4.5 Kennlinien des Transistors

Eingangskennlinie Ausgangskennlinie

(Diode in Durchlassrichtung) (Diode in Sperrichtung) Eingangswiderstand

r U

BE

I

BE B

= ∆

∆

Ausgangswiderstand

r U

CE

I

CE C

= ∆

∆

Strom-Steuerkennlinie Spannungs-

Steuerkennlinie

17.1.4.6 Der Thyristor

17.1.4.6.1 Der Aufbau eines Thyristors

Gate=G (Tor)

K

A

Kathode

n p

Anode

17.1.4.6.2 Wirkungsweise eines Thyristors

Durch das Aneinanderreihen von vier abwechslungsweisen p- und n-Schichten haben wir drei pn-Übergänge erhalten. Verbinden wir die Anode des Thyristors mit dem negativen Pol und die Kathode mit dem positiven Pol einer Batterie, so finden Ladungsverschiebungen statt.

Bei der angegebenen Polung werden

pn1 und pn3 zur Sperrschicht, da die

Ladungsträger zur Anode bzw. zur

Kathode hingezogen werden und

somit die Übergänge ladungsträger-

arm werden. Der Übergang pn2 wird

mit Ladungsträgern angereichert und

somit leitend. Da pn1 und pn3 sper-

ren, fliesst kein Strom durch den

Thyristor.

Verbinden wir die Anode mit dem Pluspol und die Kathode mit dem Minuspol der Batterie, so werden die Löcher von der positiven Ano- de abgestossen, und die Elektronen werden von der negativen Kathode abgestossen.

Der Übergang pn2 ist an Ladungsträgern verarmt und wird zur Sperrschicht.

Da pn2 bei positiver Anode keinen Strom durch den Thyristor lässt, wird dieser Zustand als blockieren bezeichnet.

Durch Änderung der Polung an den äusseren Elektroden Anode und Kathode kann man den Thyristor nicht leitend machen, dies ist aber mit der Steuerelektrode möglich.

Der Übergang vom Zustand Blockieren in Durchlassen wird Zünden des Thyristors genannt.

Für das Zünden ist die Steuerelektrode mittels eines gesonderten Stromkreises an die Zünd- oder Steuerspannung zu legen.

Durch die Teilung des Thyristors erhalten wir einen pnp-Transistor T

und einen npn-

Transistor T

. Aus der Abb. Geht hervor, dass jeweils die Basis des einen Transistors mit dem Kollektor des anderen Transistors fest verbunden ist. Der Emitter von T

ist mit der Anode und der Emitter von T

ist mit der Kathode des Thyristors identisch. Die Steuerelektrode S ent- spricht der Basis von T

. Der Hauptstromkreis entspricht in der Polung dem Blockierzustand des Thyristors. Wird nun der Schalter S geschlossen, spielen sich folgende Vorgänge ab:

Durch den Steuerstrom I gelangen Löcher in die Basis des T

; dies löst im Emitter einen ver-

stärkten Elektronenstrom aus, der zum Kollektor des T

fliesst. Nun ist aber der Kollektor des

T

mit der Basis des T

verbunden, so dass der Kollektorstrom von T

zum Basisstrom von T

wird. Im Transistor T

erregt dieser Basisstrom im Emitter einen Kollektorstrom. Der Kollektor

von T

ist mit der Basis von T

verbunden. Der Kollektorstrom von T

fliesst als verstärkter Ba-

sisstrom nach T

zurück. Der Vorgang beginnt nun von vorne. Er wiederhohlt sich so lange,

bis die sperrende Schichten B-C der Transistoren T

und T

ganz mit Ladungsträgern über-

17.1.4.6.3 Steuerung des Thyristors

Der Thyristor ist nun gezündet, d.h. er ist durchlässig. Wir wollen nun untersuchen, wie der durchlässige Zustand wieder rückgängig gemacht werden kann oder wie es gelingt, den Durchlassstrom wieder zu löschen. Um das zu erreichen, müssen die Ladungsträgerüber- schwemmungen im Innern des Thyristors beseitigt werden.

Die erste Möglichkeit, den Thyristor zu löschen, besteht im Unterbrechen des Hauptstromkrei- ses. Die Ladungsträger im Innern des Thyristors verschwinden durch Rekombination, d.h. in- dem sich jeweils ein Loch und ein Elektron vereinigen.

Die zweite Möglichkeit besteht darin, den Thyristor zu sperren (z.B. durch Umpolen der Batte- rie im Hauptstromkreis). Der größte Teil der Ladungsträger wird dann aus dem Innern des Thyristors abgesaugt, und der Rest verschwindet durch Rekombination.

Der Thyristor kann jedoch nicht durch den Steuerkreis gelöscht werden. Im Durchlaßzustand ist der Steuerstrom sogar überflüssig. Bei den üblichen Leistungsthyristoren kann durch den Steuerkreis der Durchlasszustand herbeigeführt werden. Beendet werden kann er aber nur durch einen Eingriff in den Hauptstromkreis.

Um den Thyristor zu zünden, wird nur ein kurzer Steuerstromstoss benötigt. Es ist also mög- lich, den Thyristor mit einem Impuls zu steuern.

Die Impulssteuerung ist ein wesentliches Merkmal des Thyristors. Ein Vergleich mit dem Transistor zeigt deutlich den Unterschied. Beim Transistor kann mit dem Basisstrom der Kol- lektorstrom gesteuert werden. Die Größe des Kollektorstromes ist also abhängig von der Grö- ße des Basisstromes. Der Transistor ist durch den Basisstrom stufenlos steuerbar.

Beim Thyristor kann die Grösse des Durchlassstromes jedoch nicht beeinflusst werden. Im gezündeten Zustand führt der Thyristor immer den vollen Strom.

Der Thyristor hat eine Impulssteuerung, im Gegensatz zum Transistor also keine stetige Steu-

erung.

17.1.4.6.4 Der Thyristor an Wechselpannung Fall a)

Thyristor an Wechselspan- nung mit Gate-Anschluss an Gleichspannung.

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 P h a s e n w i n k e l [ ° ]

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 P h a s e n w i n k e l [ ° ]

Fall b)

Thyristor an Wechselspan- nung mit Gate-Anschluss an einer Wechselspannung.

(2V, 50..100 Hz)

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 P h a s e n w i n k e l [ ° ]

-100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 390 420 450 480 510 540 570 600 630 660 690 720 750 780 810 840 870 900 930 P h a s e n w i n k e l [ ° ]

17.1.4.7 Der Diac

17.1.4.7.1 Aufbau und Wirkungsweise des Diac

Der Diac ist ein Halbleiter-Bauelement mit fünf Schichten, abwechs- lungsweise p und n. Sein Verhalten gleicht zwei parallelen gegeneinan- der geschalteten Vierschicht-Dioden. Er wird häufig zum Steuern von Triacs gebraucht.

Abb. 33 Symbol Triac

Ersatzschaltung Strom-Spannungskennlinie

des Diacs: des Diacs:

Beim Diac sind beide Vierschicht-Dioden im gleichen Kristall untergebracht.

Vergrössert man die Spannung U von 0 V an, so fliesst zuerst nur ein kleiner Sperrstrom. Er- reicht die Spannung einen bestimmten Wert, so kippt der Diac. Die Spannung fällt zusammen, und der Strom steigt rapid an.

Der Diac ist in seinen Eigenschaften praktisch symetrisch. Die Werte der positiven und nega-

tiven Kippspannungen weichen nicht viel voneinander ab.

17.1.4.8 Der Triac

17.1.4.8.1 Aufbau und Wirkungsweise des Triac

Der Nachteil von Thyristoren ist, daß man sie nur in einer Richtung schalten kann. Sie werden nur durchlässig, wenn die Anodenspannung positiv ist.

Wenn man zwei Thyristoren parallel gegeneinander schaltet, entsteht ein Bauelement, das bei positiver und auch bei negativer Anodenspan- nung durchlässig ist. Diese Schaltung wird mit Triac bezeichnet.

Abb. 33 Symbol Triac

Ersatzschaltung Strom-Spannungskennlinie

des Triacs: des Triacs:

Beim Triac sind diese beiden Thyristoren in einem einzigen Bauelement vereinigt.

Von den beiden Toren der Thyristoren wird nur eines herausgeführt.

Der Name Triac kommt von TRI = 3 Elektroden

AC = alternating current = Wechselstrom

Die Strom-Spannungs-Kennlinie des Triacs setzt sich aus den Blockier- und Durchlaß- Kennlinien der beiden Thyristoren zusammen.

Ist kein Torstrom vorhanden, so blockiert der Triac in beiden Richtungen. Mit Hilfe eines Tor- impulses kann der Triac gekippt werden, und zwar bei positiver oder bei negativer Anoden- spannung.

Der Triac hat den großen Vorteil, daß bei Überschreiten der Nullkippspannung kein Schaden

entsteht.

17.1.4.8.2 Anwendung des Triacs

Der Triac wird fast ausnahmslos zur Leistungsregelung in Wechselstromkreisen eingesetzt.

Wegen seiner einfachen Steuerbarkeit ist nur ein geringer Schaltungsaufwand zur Impuls- steuerung notwendig.

Die Impulssteuerung kann durch Kippschaltungen mit Glimmlampen oder eine Doppelbasisdi- ode oder durch einen Diac erfolgen.

(z.B. Leistungsregelung durch Phasenanschnittsteuerung)

17.1.4.8.3 Steuerung des Triacs

Die Nullkippspannung des Triacs (d.h. die zum Zünden erforderliche Spannung, wenn kein Steuerimpuls zugeführt wird) muß so hoch liegen, daß er ohne Steuerimpuls nicht etwa durch die Spannungsspitzen der Wechselspan-nung gezündet werden kann. Das bedeutet für die Anwendung in 230Volt-Netzen, daß die Nullkippspannung über 325 V liegen muß. Praktisch wählt man dafür Triacs mit etwa 400 V Nullkippspannung.

Zur Steuerung nützt man das Verhalten einer Kapazität und eines Diacs aus. Steigt die ange- legte Spannung, so lädt sich der Kondensator auf. Der zeitliche Anstieg der Kondensator- spannung hängt dabei von der Größe des Vorwiderstandes und der Kapazität des Kondensa- tors ab. Der Diac kann erst einen Steuerimpuls für den Triac abgeben, wenn die Ladespan- nung des Kondensators ihren Zündspannungswert von ca. 30 Volt erreicht hat. Der Vorgang wiederholt sich für die entgegengesetzte Richtung der angelegten Spannung.

Mit dem Regelwiderstand R

kann man die Zeitkonstante beeinflussen. Je größer R

ist, desto langsamer lädt sich der Kondensator auf, und um so später wird auch der Zündspannungs- wert des Diacs erreicht. Der Widerstand Rv soll den Steuerstrom begrenzen, damit der Diac und der Triac nicht überlastet werden.

Triac und Diac werden heute vielfach zusammen in einem Gehäuse eingebaut. («Ditriac

,Quadrac»)

17.1.4.8.4 Bezeichnungen für Halbleiter

17.1.4.9 Transistor und Diodenanschlüsse

17.1.4.9.1 Transistoranschlüsse

17.1.4.10 Diodenanschlüsse