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Leistungshalbleiter in der Dimmertechnik

Die rasante Weiterentwicklung der Leistungshalbleiter hat erst dazu beigetragen das Dimmertypen wie der "Sinusdimmer" in der Leistungsklasse mit vertretbaren Aufwand zu realiesieren sind, jedoch die Bezeichnung IGBT muss nicht gleichbedeuten mit Sinusdimmer. Aber wie funktioniert ein Halbleiter? Fangen wir mit dem einfachsten Halbleiterbauelement, einer einfachen Diode, an.

Diode

Unter Halbleiter versteht man Stoffe wie Silizium, Selen, Germanium oder Kohlenstoff die vier Valenzelektronen aufweisen und unter thermischer (auch Licht) Anregung Elektronen in das leere Leitungsband abgeben und somit einen Fluss von Elektronen also einen Stromfluss ermöglichen. Die Grundlage eines jeden Halbleiterbauelementes stellt die Diode dar. Deshalb wir sie zunächst einer Betrachtung unterzogen. Die Diode ist ein elektronisches Ventil, das nicht steuerbar ist. Sie läßt den Strom nur in einer Richtung passieren, in der rückwärtigen Richtung "sperrt" die Diode den Strom. Eine Diode besteht aus zwei Schichten. Die eine Schicht wird durch dotiertes Halbleitermaterial erstellt. Dotiert bedeutet, dass man einen Part des z.B. Siliziumkristalls verunreinigt. Man spricht von Donatierung, wenn als Fremdatom ein Stoff ausgewählt und in das Siliziumgefüge eingebracht wird, der ein Elektron mehr als Silizium aufweist. So wird eine N-Schicht gebildet die Elektronen im Überfluss bevorratet, da für die Atombindung nur vier zur Gitterbildung beim Halbleiter genutzt werden. Im Umgekehrten Fall, also die Dotierung mit Fremdatomen mit nur drei Valenzelektronen (Akzeptor) entsteht eine Elektronen Unterversorgung, also Plätze sind nicht


Betrachtet man sich die Kennlinie, so erkennt man, das im positiven Spannungsbereich vom 0 - Punkt aus rechts heraus der Strom sehr schnell positiv ansteigt (nach oben hin). Das bedeutet das Bauteil wird sehr niederohmig sobald die Durchlassspannung überschritten wurde. Betrachtet man sich die linke untere Fläche, also dort wo die Spannung am Bauteil negativ anliegt, und der Strom demzufolge auch negativ sein wird, so erkennt man, dass trotz ansteigender Spannung kein Stromfluss zustande kommt (Die Diode sperrt in Gegenrichtung).

Der Index F steht für forward (z.B. positiver angelegter Spannung), R steht für reverse also z.B. der Sperrbereich. Weiterhin gilt:

U(T0) = Schleusenspannung (Typ. 0,2-0,4 bei Germanium und 0,6 - 0,8 bei Silizium)

rF = Differentieller Durchlasswiderstand (z.B. 8 m )

URRM = Periodische Spitzensperrspannung

IFRMS = Durchlassstrom Effektivwert


Einen Diac (Diode Alternatiting Currenbildt switch) auch Triggerdiode genannt, findet man als preiswertes Steuerelement bei Dimmern für den Haushalt und sollte in professionellen Dimmern nicht zu finden sein. Der Diac besteht aus zwei entgegengesetzten Dioden in Reihenschaltung. So weist der Diac zwei PN - Übergänge auf. Bei einer anliegenden Spannung ist eine Diode in Durchlass und die andere in Sperrichtung. Wird die Durchbruchspannung, die nur eine geringe Tolleranz aufweist und meist bei Werten zwischen 20 - 40 V erhältlich ist, überstiegen, so wird das Bauelement plötzlich leitend. Wie beim Überschreiten der Sperrspannung der Diode steigt der Strom Lawienenartig an und die Spannung am Bauteil bricht zusammen. Verringert sich die Spannung um etwa 5 V bis 10 V, so sperrt das Element wieder. Da das Bauelement Symmetrisch aufgebaut ist es Polaritätslos.

Wie der Name bereits sagt, wird der Diac zum Triggern eingesetzt. Triggern bei Dimmern bedeutet, das eine das Liefern eines Zündimpulses zu einem bestimmten Zeitpunkt. Der Zeitpunkt wird hier durch das Laden eines Kondensators bestimmt, der eine immer höhere Spannung annimmt. Ist die Spannung groß genug, so Leitet der Diac plötzlich und der Thyristor kann zünden. Die Geschwindigkeit des Ladens des Kondensators wird über die Höhe des zugeführten Stroms geregelt. So kann mit einem einfachen Potentiometer der Dimmer gesteuert werden.

= Grenzlastintegral, dient meist zur Berechnung der Schutzeinrichtung und wird meist für 10 ms angegeben. Da der Thyristor nur eine sehr geringe Wärmekapazität hat und ein Kurzschluss Ihn innerhalb weniger ms zerstören kann, müssen superflinke Sicherungen verwendet werden. Der I²t - Wert der Sicherung muss kleiner sein als das Lastintegral des zu schützenden Thyristors. In der Praxis werden Thyristoren eingesetzt, die mindestens den 2 - 3 Fachen Nennstrom aufweisen (um auch den Kaltwiederstand eines Leuchtmittel Rechnung zu tragen) und über ein hohes Grenzlastintegral verfügen. Die Sperrspannung sollte für auftretende induktive Überspannungen auf den 1,5 bis 2,5 fachen Wert als die normal zu erwartende Sperrspannung aufweisen.

Bei einem Haltestrom von ca. 80 mA pro Ventil, folgt daraus eine Mindestlast von 160 mA * 230Volt = 37 Watt Leuchtmittel. Dies ist der Grund weshalb eine Mindestlast gefordert ist bzw. warum man bei Kleinstlasten ein Lampe (meist 60 Watt) Parallel zuschaltet.

Zur Beurteilung eines Bauteiles der Leistungselektronik sind die Hauptkriterien statische Eigenschaften wie Sperr und Durchlassverhalten, dynamische Eigenschaften wie du/dt und di/dt sowie natürlich die Thermischen Eigenschaften ausschlaggebend. Jeder pn -Übergang bedeutet auch eine Kapazität. Deshalb fließt bei einem positiven Spannungsanstieg ein kapazitiver Strom ähnlich dem Steuerstrom, was zur Zündung (Überkopfzünden) des Thyristors führen kann, wenn ein du/dt sehr hoch ist und damit der Kapazitätsstrom sehr hoch ausfällt. In Abhängigkeit der Stromanstiegsgeschwindigkeit di/dt steigt die Verlustleistung im Einschaltmoment stark an, da zu Begin der Schaltphase erst eine kleine Fläche nähe der Gateelektrode leitend ist. So entstehen dort hohe Stromdichten die das Kristallgefüge zerstören können. Verhindert wird dies auch durch Induktivitäten die die Anstiegszeit des Laststromes verzögern. Die Ausschaltverluste können wesentlich höher sein als die Einschaltverluste. Beim Ausschalten des Thyristors tritt der Trägerstaueffekt kurz TSE ein. Für das Freiräumen der Ladungsträger in der Sperrschicht wird eine Freiwerdezeit benötigt. Tritt innerhalb dieser Zeit eine Positive Spannung am Thristor auf, so schaltet er unverzüglich durch. Beim Freiräumen der Ladungsträger aus der Sperrschicht ist das Ventil in Sperrichtung gepolt. Wenn der letzte Ladungsträger ausgeräumt wurde, reißt der Strom augenblicklich ab, was ein hohes di/dt bedeutet und mit den im Stromkreis liegenden Induktivitäten eine Spannungsspitze nach sich zieht.



Der Begriff TRIAC ist die Abkürzung von TRIode AC semiconductor switch. Denn der Triac kann AC, das heißt er Ströme in beiden Richtungen schalten weil er vom Prinzip her aus zwei antiparallel geschaltete Thyristoren besteht. Die bekannt Bezeichnung der Anschlüsse von Dioden und Thyristoren war Anode und Kathode. Damit konnte die Flussrichtung definiert werden. Bei einem Triac dagegen wird die Bezeichnung zu Anode 1 und Anode 2, da das Einhalten einer Betriebsrichtung nicht mehr notwendig ist.

So ist eine Triacschaltung einfacher aufgebaut, da dieses Bauelement die Positive wie auch die negative Halbwelle der Netzspannung schalten kann. Die Steuerung über das Gitter kann sowohl mit negativen als auch positiven Potentialen erfolgen. Dabei ist es gleichgültig welche Polarität die gerade anliegende Wechselspannung hat. Der Thyristor dagegen kann nur in einer Spannungsrichtung betrieben werden und verlangt die zugehörige Zündungspolarität und somit einen höheren Schaltungsaufwand. Aber Thyristoren sind durch Ihren einfacheren Aufbau mit nur vier Schichten unempfindlicher gegenüber hohen di/dt Werten, welche bei Wedelschlüssen oder kalten Lampenstart im ungünstigsten Schaltmoment, auftreten können. Triacs mit Ihrem unsymmetrischen fünf Schichten Aufbau sind da empfindlicher und geben auch nicht ganz so exakt die Symmetrie zur positiven und negativen Halbwelle wieder, was aber für das Leuchten eines Halogenbrenner unerheblich ist. Bei Induktivitäten kann dies durch ein Aufbau eines statischen magnetischen Feldes zu zusätzlichen Verlusten mit allen negativen Auswirkungen wie unnötige Erwärmung beitragen. Ein weiterer Vorteil gegenüber Triacs ist das der Thyristor nachdem er geschaltet in der nächste Halbwelle, bei der der antiparalelle Thyristor arbeiten muss, selber weiter abkühlen kann und damit nicht so stark thermisch belastet wird.

Der Triac benötigt auch um sicher zu sperren auch eine kurze Zündpause beim Wechsel der Polarität. Deshalb folgt nach dem Nulldurchgang für ein von ca. 5° keine Zündung. Deshalb kann man bei Preisgünstigen Dimmer auch bei 100% Ansteuerung noch einen leichten Anschnitt erkennen.




Mit der Möglichkeit den Stromes wieder zu unterbrechen sind Dimmertypen wie Phasenabschnitt oder Sinusdimmer prinzipiell möglich.

Um eine Sinusform der Ausgangspannung zu erstellen, denkt man zunächst an die Audio Verstärkertechnik. Die dort eingesetzten Transistoren erstellen eine Spannung in gewünschter Ampltiudenhöhe bei gleichzeitiger beliebig gestalteter Spannungsform. Aber ein Linearbetrieb dieser Halbleitertransistoren ist für die Dimmertechnik nicht ratsam, da die enorme Verlustleistung die Bauteile sofort überhitzen würde. Transistoren, egal welchen Typs, werden in der Leistungselektronik praktisch immer im Schaltbetrieb eingesetzt, d.h. sie sind entweder ganz durchgeschaltet oder gesperrt.

Im Gegensatz zu Thyristoren können bipolare Transistoren keine negative Sperrspannung aufnehmen. Bipolare Transistoren benötigen eine beachtliche Ansteuerleistung, denn während der gesamten "Leitdauer" muss ein Basisstrom geliefert werden, der wegen der geringen Stromverstärkung des bipolaren Leistungstransitors beachtlich ist. Dieser Nachteil läßt sich durch den Einsatz von Darlington-Transistoren mildern; heute stehen jedoch mit dem MOSFET und dem IGBT (siehe unten) Bauelemente zur Verfügung, die dieses Problem nicht kennen.






Dennoch hat der MOSFET die unangenehme Eigenschaft bei Erwärmung seinen Innenwiederstand zu erhöhen. Dadurch werden die Verluste und natürlich auch die Temperatur höher. Deshalb werden in der Dimmertechnik insbesondere bei der Entwicklung von Sinusdimmer IGBTs bevorzugt.

Weiterhin kann man den IGBT so langsam durchschalten das der Strom langsam ansteigt und somit die Stromanstiegsbegrenzenden Drosseln nicht in Ihrer vollen Größe benötigt werden. So eignet sich ein IGBT ideal zum anspruchsvollen Schalten bei Phasenabschnitt oder Sinusdimmeranwendungen. Aber auch beim Phasenanschnitt hat dieses Bauteil Einzug gehalten. Bei dem IPS Dimmer wird die Phase nicht mit einem Thyristor geschaltet, sondern mit dem IGBT in einer Rampe zugesteuert.

Je nach Typ von Leistungshalbleiter lassen sich bestimmte Dimmerprinziepien realisieren. Aber ein Dimmerprinziep kann mit unterschiedlichen Leistungshalbleitertypen aufgebaut sein, wodurch die Qualität und Verhalten des Dimmers sich entscheidend verändert. Aus diesem Grund ist es nicht unerheblich bei der Auswahl eines Dimmers mit welchen Bauteil der Dimmer bestückt ist, wenn man bestimmte Qualiitätsanforderung an seine Anlage stellt.

Quellennachweis:

1) Physik für Ingenieure / Springer Verlag

2) Tabellenbuch Elektrotechnik / Friedrich

3) Elektronik iV A / Pflaum Verlag

4) Entertainment Technology / Genlyte Thomas Company, L.L.C.

5) IES BV / ETC

6) MA Lighting Technology

7) Strand Lighting

8) Lightpower

9) Betriebsgeräte und Schaltungen für elektrische Lampen /C.H. Strurm /E. Klein

10) VDE 0100 und die Praxis / Gerhard Kiefer

11) Norbert Ackermann

12) ADB


Schaltbild, Aufbau und Kennlinie der Diode







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gefüllt und somit entsteht dort ein Loch. Man kann hier beim Stromfluss auch von Löcherleitung sprechen die nun als der P-Schicht bezeichnet wird. Trifft nun eine N-Schicht auf eine P-Schicht, so diffundieren freie Elektronen zu den Löchern und eine Rekombination der Ladungsträger tritt ein. Es entsteht ein P-N- Übergang, bei der die freien Ladungsträger verarmt sind und somit nicht leitfähig ist. Dieser Übergang besteht aus zwei Raumladungszonen die ein Potentialgefälle also die Diffusionsspannung, zwischen der N- und der P- Schicht, aufbaut.




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Bei der Diode wird die P-Schicht Anode genannt und die N-Schicht Kathode. Damit nun der ein Strom in der Durchlassrichtung von der Anode zur Kathode hindurch fließen kann, muss erst die Raumladungszone verkleinert - also die Sperrschicht überwunden - werden. Dazu ist es notwendig mindesten die Schleusenspannung zu überschreiten. In der Praxis bedeutet dies, dass bei einer Siliziumdiode, 0,7 Volt zwischen der Anode und der Kathode beim Durchfluss von Strom abfällt, damit die Sperrschicht überwunden wird. Physikalisch kann man sich das so vorstellen, das zur N - Schicht die einen Elektronenüberschuss ausweist immer mehr Elektronen gedrückt werden, so das die N - Schicht nun immer näher zur P -Schicht drängt. Dasselbe natürlich auch umgekehrt. Zieht man aus der N - Schicht dagegen die Elektronen ab, so vergrößert sich die Sperrschicht, bzw. wenn die Anode gegenüber der Kathode negativ gepolt ist, verbreitert sich die Sperrschicht. Die Angelegte Spannung kann dabei soweit zunehmen bis zu der Durchbruchspannung, die einen Lawienenartigen Stromfluss nach sich zieht und damit die Zerstörung des Bauelementes bewirkt, außer die Diode wurde speziell für diesen Zweck entwickelt wie z.B. die Zenerdiode.

Insbesondere bei Leistungsdioden muss beim einem anliegenden Spannungs bzw. Stromwechsel vom leitenden in den sperrenden Zustand, erst einmal alle freien Ladungsträger aus der Sperrschicht herausgeräumt werden. Man spricht dabei von einem Träger-Staueffekt der eine Sperrverzugszeit andauert und eine Rückstromspitze verursacht. Sind Induktivitäten in der Schaltung, so werden hier durch das plötzliche Abreißen des Stromes auch Spannungsspitzen induziert die das Bauteil zerstören können.

Die Parameter ändern sich mit der Temperatur, so das z.B. 10 K höhere Sperrschichttemperatur ein verdoppeln des Sperrstromes verursacht. Die Schleusenspannung verringert sich um 1,3 mV pro Kelvin.

Der Thyristor (eng. SCR Silicon controlled rectifier) besteht aus vier Schichten, so das er auch Vierschichtdiode genannt wird. Die PNPN-Struktur weist somit drei Sperrschichten auf.

Der Thyristor hat einen Steuereingang (Gate). Wird kein Strom in das Gate eingespeist, so Sperren Thyristoren nicht nur wie eine Diode den Strom in einer Richtung, sondern sperren auch den Strom in Durchlassrichtung, und zwar solange, bis man in die mittlere Schicht soviel Energie einfließen läßt, bis ein lawinenartiger Effekt die Sperrschicht in Durchlassrichtung aufgehoben ist. Der Strom der nun fließen kann, sorgt auch dafür das sich die Sperrschicht nicht zurückbilden kann. Der Thyristor bleibt "geschaltet" und zwar solange bis der Strom sich in die andere Richtung wechselt, was bei unseren Netz-Wechselstrom ja automatisch eintritt. Der Strom in die Gegenrichtung bewirkt, das die vorher freigeräumte Sperrschicht wieder vom Elektronenüberschuß befreit wird und somit die Sperrschicht wieder aufgebaut ist. Er bleibt also solange sperrend, bis erneut eine Spannung für die richtige Stromflussrichtung anliegt und eine Zündung am Gate das Bauelement schaltet. Als Maß für die gewählte Zündverzögerung dient der Zündverzögerungswinkel , auch Steuerwinkel genannt. Die Durchlassverluste im leitenden Zustand entsprechen wie den einer Diode und können genauso berechnet werden.

Der Index F steht für forward (z.B. positiver angelegter Spannung), R steht für reverse also z.B. der Sperrbereich. Weiterhin gilt:

UDRM = URRM = höchst mögliche Spitzensperrspannung (positiv wie negativ)

rF = Differentieller Durchlasswiderstand (z.B. 8 m )

IFRMS = Durchlassstrom Effektivwert

IG = obere Zündstrom

UG = obere Zündspannung

IH = Haltestrom

U(BO) = Kippspannung (Überkopfzünden)

Die entstehenden Störspitzen überlagern sich mit der Netzspannung und gefährden den Thyristor. Deshalb wird der Thyristor mit einer TSE Schutzbeschaltung (Kondensator in Reihe mit einem Dämpfungswiederstand) betrieben. Diese Schutzschaltung kann gleichzeitig auch zum Schutz vor Überspannungen bei Schalthandlungen mit Induktivitäten genutzt werden. Jedoch kann bei Einsatz bestimmter elektronischer Lasten wie z.B. einem VIP 90 diese Schutzbeschaltung mit dem Kondensator Störungen verursachen, so das bei Einsatz des VIP 90 auf einem bestimmten Dimmerkreis nicht nur ein Lastwidersteand zur Erhaltung des Haltestromes, sondern noch der C der Schutzbeschaltung entfernt werden muss.

Es werden Phasenanschnittsdimmer sowohl mit Thyristoren als auch mit Triacs ausgerüstet.

Um auch Reserven auch bei hohen di/dt Werten zu haben wird oft die Faustformel: doppelter Laststrom für die Auswahl des Triacs, angewendet.


Um eine Phase nicht nur anzuschneiden, sondern abzuschneiden wurde ein Bauelement gesucht, das in der Lage ist vom leitenden Zustand in den Sperrenden Zustand mit Hilfe eines Impulses überführt zu werden. Der GTO (Gate-Turn-Off Thyristor) kann durch einen negativen Gateimpuls wieder ausgeschaltet werden. Zum Ausschalten benötigt er einen sehr großen Strom an seinem Steuereingang (Gate). Der langsamschaltende GTO wird vor allem in Bahnumrichtern (Umrichter im ICE) eingesetzt, und wurde beim Phasenabschnittsdimmer wegen der aufwendige Gate-Unit und kompliziert Anwendung vom IGBT oder MOSFET verdrängt.

Der Bipolartransistor besitzt eine npn-Struktur oder pnp-Struktur. Zum Einschalten des Transistors wird ein Strom in den Steuereingang (Basis) eingeprägt. Der durch die Last bestimmte Ausgangsstrom IC muss nun kleiner sein, als das Produkt Stromverstärkung I * Signalstrom IB, sonst wäre der Transistor nicht vollständig geschaltet und würde bei mangelnder Kühlung schlagartig zerstört.

Der Leistungs MOSFET ist ein Feld-Effekt-Transistor (FET), welcher zum Einschalten eine Gleichspannung an seinen Steuereingang (Gate) benötigt. MOS steht für Metal Oxid Semiconductor. Im Gegensatz zu allen anderen Transistoren steigen die Durchlassverluste nicht linear sondern quadratisch mit dem Strom an. Der MOSFET ist ein sehr schnellschaltendes Bauelement (ca. 4 ns).

Der IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ist die Kombination eines MOSFET's als Eingangsstufe und eines Bipolartransistors als Ausgangsstufe. Seine Verlustleistung ist linear zum Strom. Insbesondere im Vergleich zur bisher eingesetzten GTO-Thyristor-Technik sind der einfachere Aufbau, eine nahezu leistungslose Ansteuerung der IGBTs sowie die höhere Taktfrequenz ausschlaggebend. Für das Ein und Ausschalten sind nur kleine Steuerleistungen erforderlich und der Durchlasswiderstand ist sehr gering.