Warum funktioniert ein Thyristor als Verstärker nicht?

Thyristoren werden aufgrund ihrer inhärenten Schalteigenschaften und nicht aufgrund ihrer linearen Verstärkungsfähigkeiten normalerweise nicht als Verstärker verwendet. Im Gegensatz zu Transistoren, die kleine Signale linear verstärken können, sind Thyristoren hauptsächlich für Schaltanwendungen konzipiert, bei denen sie entweder im „Ein“- oder „Aus“-Zustand arbeiten. Ihr Betrieb wird durch Auslösen des Gates gesteuert, um die Leitung einzuleiten. Sobald sie eingeschaltet sind, bleiben sie leitend, bis der Strom durch sie unter einen bestimmten Schwellenwert fällt oder bis sich die Spannung an ihnen umkehrt. Dieses binäre Schaltverhalten macht Thyristoren für die Signalverstärkung ebenso ungeeignet wie Transistoren, die ihre Leitfähigkeit proportional zum Eingangssignal modulieren können.

Thyristoren, insbesondere siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs), werden aus mehreren Gründen im Allgemeinen nicht für Wechselrichteranwendungen bevorzugt. Erstens können SCRs Strom nur in eine Richtung leiten, wodurch sie sich vor allem für die Gleichrichtung und nicht für die in Wechselrichtern erforderliche bidirektionale Wechselspannungsumwandlung eignen. Darüber hinaus verfügen Thyristoren über eine Eigenschaft, die „Latching“ genannt wird. Nach dem Einschalten leiten sie so lange weiter, bis der durch sie fließende Strom unter einen Haltestrompegel abfällt oder die Wechselspannung die Polarität umkehrt. Dieses Verriegelungsverhalten ist nicht ideal für Wechselrichter, bei denen eine präzise Steuerung des Schaltens und der bidirektionale Stromfluss für die effiziente Umwandlung von Gleichstrom in Wechselstrom unerlässlich sind.

Mit Thyristoren sind mehrere Nachteile verbunden. Ein großer Nachteil besteht darin, dass sie sich nicht von selbst ausschalten können, sobald sie in den Leitungszustand versetzt werden. Im Gegensatz zu Transistoren, die durch Steuerung des Basisstroms abgeschaltet werden können, benötigen Thyristoren zum Abschalten externe Maßnahmen (z. B. das Reduzieren des Stroms unter einen Haltestrompegel oder das Umkehren der Spannungspolarität). Diese Eigenschaft schränkt ihre Anwendung in Schaltkreisen ein, die ein schnelles Schalten oder eine präzise Steuerung der Leistungsabgabe erfordern. Darüber hinaus können Thyristoren anfällig für Überhitzung und Ausfälle sein, wenn sie Überstrombedingungen oder unzureichender Wärmeableitung ausgesetzt sind. Ihre Schaltgeschwindigkeit ist im Vergleich zu modernen Halbleiterbauelementen wie MOSFETs oder IGBTs auch langsamer, was ihren Einsatz in Hochfrequenz-Schaltanwendungen einschränkt.

Der Ausfall eines Thyristors kann durch verschiedene Faktoren verursacht werden, darunter Überspannungs- oder Überstrombedingungen, die die Nennwerte des Geräts überschreiten, unzureichende Wärmeableitung, die zu thermischem Durchgehen führt, oder falsche Auslösesignale, die zu fehlerhaftem Betrieb führen. Überstromzustände können zu thermischem Stress führen, der zu dauerhaften Schäden oder zur Zerstörung des Thyristors führt. Ebenso können Spannungsspitzen oder Transienten, die über die Nennspannung des Thyristors hinausgehen, zu Durchschlägen oder Durchschlägen an den Halbleiterübergängen führen. Unsachgemäße Triggersignale, wie z. B. falsches Timing oder falsche Amplitude des Gate-Impulses, können zu unzuverlässigem Schalten oder unvollständigem Einschalten führen, was zu Ineffizienzen oder Fehlfunktionen in der Schaltung führt.

Siliziumgesteuerte Gleichrichter (SCRs), eine Art Thyristor, sind im Allgemeinen nicht für Wechselrichteranwendungen geeignet, da sie den Stromfluss nicht bidirektional steuern können und ihr Sperrverhalten nach dem Einschalten aufweisen. Wechselrichter erfordern Halbleiterbauelemente, die schnell zwischen Ein- und Ausschaltzuständen wechseln können, um Wechselstrom aus einer Gleichstromquelle zu erzeugen. Sobald SCRs in den leitenden Zustand versetzt wurden, leiten sie so lange weiter, bis der durch sie fließende Strom unter einen bestimmten Wert fällt oder die Spannungspolarität umkehrt, was sie für Wechselrichterschaltungen unpraktisch macht, die eine präzise Steuerung des Schaltens und des bidirektionalen Stromflusses erfordern. Halbleiterbauelemente wie MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) oder IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) sind aufgrund ihrer Fähigkeit zum bidirektionalen Schalten und ihrer schnelleren Schaltgeschwindigkeiten bevorzugte Wechselrichterschalter, die zu einer höheren Effizienz und Zuverlässigkeit bei der Wechselstromversorgung beitragen Konvertierungsanwendungen.