Stromrichter Allgemein

Steuersatz Die klassischen netzgeführten Stromrichter mit Thyristoren benötigen alle einen so genannten Steuersatz. Das ist ein Gerät, das die Zündimpulse für die Thyristoren im richtigen Moment erzeugt. Der hier gezeigte Steuersatz (von hps-Systemtechnik) ist einer, wie er oft für Versuchsaufbauten in Schulen verwendet wird. Bei so einer „Blue Box" sieht man sehr wenig von seinem Innenleben. Das Blockschaltbild ist aber sehr schön auf der Frontseite des Gerätes aufgedruckt.

Innenansicht Es zeigt sich aber, dass nicht wirklich viel drinnen ist. Die Bauteile sind relativ spärlich auf der riesigen Print angeordnet. Ein Nachbau der Schaltung ist mit den entsprechenden Datenblättern der IC-Hersteller sicher nicht allzu schwierig. Eine weitere Erleichterung sind die relativ geringen Frequenzen, was den Aufbau unkritisch gestaltet.

Auf der Gehäuseunterseite befindet sich das 2x15V Netzgerät mit dem Netzschalter, der Sicherung und dem Kaltgerätestecker.
Der Teil zur Phasensynchronisation an das Netz ist mit einem kleinen Trafo galvanisch von der Netzseite getrennt. Der Trafo besitzt mehrere Anzapfungen, so dass ein Betrieb mit verschiedenen Spannungen (220V,95V,24V) möglich ist. Die Bereiche sind aber sehr variabel, da immer nur die Nulldurchgänge der Spannung ausgewertet werden. Die Synchronisation des Sägezahnes übernimmt ein TCA 785 (Siemens). Der Vergleicher und der 1kHz Generator sind mit dem FZH 261 aufgebaut. Dazu könnte man sicher auch einen normalen OPV und einen NE555 verwenden. Das UND-Gatter befindet sich in einem FZH 2558, der sicher durch einen normalen TTL-Baustein ersetzt werden kann.
Die Sollwertspannung wird von den zwei OPVs LF351 so verarbeitet, dass mit zwei Potis der maximale und minimale Steuerwinkel eingestellt werden kann. Dieser Teil muss nicht unbedingt aufgebaut werden.
Der Ausgangsteil verwendet so genannte Zündübertrager, um die Spannung der Thyristorschaltung zu entkoppeln. Die Übertrager (braune Würfel) werden von einer Transistor-Schaltstufe (BD242) getrieben. Ein Übertrager hat je zwei getrennte Ausgänge, um auch eine Vollbrücke ansteuern zu können. Die Dioden an jedem Übertragerausgang verhindern das entstehen von negativen Steuerimpulsen.



Funktion des Steuersatzes
Dieser Stromrichter gehört zu den so genannten netzgeführten Stromrichtern. D.h. er synchronisiert die Steuerimpulse auf die Netzfrequenz. Das erledigt der mit Phi gekennzeichnete Block. Ihm wird die Netzspannung zugeführt, die er dann begrenzt, und in digitale Signale umwandelt.

Begrenzung der Netzspannung Im Oszillogramm ist gut zu erkennen, dass eigentlich nur die Nulldurchgänge der Netzspannung detektiert werden. Denn immer dann ändert das Digitalsignal seinen Zustand. Wichtig ist auch, dass die Polarität der Spannung erkannt wird. Die Information darüber steckt in den zwei Signalen, die die UND-Gatter ansteuern. Für die gibt es leider keinen Messpunkt auf der Frontplatte. Man kann sich diese Signale aber leicht vorstellen, indem man das hier gezeigte Signal einfach invertiert. Jetzt markiert es die negative Halbwelle, nach Umkehrung die Positive.
 
 

Netzsynchroner Sägezahn Aus diesem netzsynchronen Rechtecksignal wird jetzt ein Sägezahn erzeugt. Das geschieht über Nadelimpulse, die den Beginn jeder Halbwelle markieren. Die Nadelimpulse erhält man leicht durch Differentiation des Rechtecksignals. Jeder Impuls startet dann den Sägezahngenerator neu, wodurch auch dieser netzsynchron wird. Diese Sägezahnspannung wird nun mit der Sollwertvorgabe für den Steuerwinkel verglichen.
 
 

Steuerimpulse für beide Halbwellen Immer dann, wenn der Momentanwert des Sägezahnes den Sollwert überschreitet, liefert der Vergleicher eine positive Ausgangsspannung. Diese triggert das nachgeschaltete Flip-Flop und verhindert somit ein Rücksetzen des Steuerimpulses bei verrauschter Eingangsspannung. Das Flip-Flop wird erst mit dem nächsten Neustart des Sägezahngenerator zurückgesetzt. Dadurch steht der Steuerimpuls bis zum Ende der Halbwelle an. Diese Steuerimpulse sind jetzt noch für beide Halbwellen gleich.
 
 

Steuerimpulse für positive Halbwelle Durch das oben beschriebene netzsynchrone Rechtecksignal wird jetzt eine Unterscheidung der beiden Halbwellen getroffen. Das erledigen die zwei UND-Gatter am Ausgang. Eines erhält nur bei der positiven Halbwelle eine Freigabe, das andere nur bei der Negativen. Dadurch fällt jeder zweite Steuerimpuls für einen Ausgang weg, und wir erhalten die gewünschten Signale für die Zündübertrager. Über einen 1kHz Rechteckgenerator können auch so genannte Mehrfachzündimpulse erzeugt werden. Diese verwendet man dann, wenn der Thyristor nicht von Beginn des Zündimpulses an stromführend ist und dadurch wieder löschen würde. Dieses Problem führt und direkt zur Funktionsweise des Thyristors. 



Der Thyristor
Thyristor Der Name "Thyristor" ist ein Kunstwort aus Thyratron und Transistor. Die Vorgänger der Thyristoren waren die Thyratrons. Das sind Quecksilberröhren, mit einer Zündelektrode. Bei einer Quecksilberröhe ist das Zünden schön zu sehen, wenn sie beim Einsetzen des Stromes hell aufleuchtet. Daher stammt auch der Ausdruck "ein Thyristor zündet".

Thyristoraufbau Ein Thyristor besteht aus vier Halbleiterschichten p-n-p-n. Die beiden äußeren Schichten bilden die Anschlüsse für den Hauptstromkreis und werden wie bei einer Diode mit A(=Anode) für die p-Schicht und K(=Kathode) für die n-Schicht bezeichnet. Die Steuerelektrode ist an eine der beiden mittleren Schichten angeschlossen. Je nachdem, ob die n oder p Schicht dazu verwendet wird, spricht man von einem Anoden-Gate-Thyristor bzw. von einem  Kathoden-Gate-Thyristor. Den Namen gibt jene Hauptelektrode, die näher am Gate ist als die andere. Der gebräuchlichere Typ ist der Kathoden-Gate-Thyristor. Bei diesem ist die Steuerelektrode an die p-Schicht angeschlossen.
 
 

Ersatzschaltung Die Funktion eines Thyristors geht aus der Ersatzschaltung hervor. Die 4 Halbleiterschichten kann man sich als eine Zusammenschaltung aus einem pnp und einem npn Transistor vorstellen.  Aus dem Ersatzschaltbild wird die Funktion ersichtlich. Die Beschreibung soll hier nur für den Kathoden-Gate-Thyristor gegeben werden. Der Gate-Anschluss ist in diesem Fall Gk.
Nach dem Anlegen der Spannung an die Hauptelektroden (A=positiv, K=negativ) passiert zunächst nichts. Beide Transistoren sind gesperrt, es kann kein Strom fließen. Wird jetzt die Spannung am Gate gegenüber der Kathode in positiver Richtung erhöht, so beginnt in T2 ein Basisstrom zu fließen. Dadurch wird die Kollektor-Emitterstrecke von T2 leitend, was wiederum einen Basisstrom für T1 bedeutet. Wenn T1 leitend wird, verstärkt das wiederum zusätzlich den Basisstrom von T2. Ab einem gewissen Strom wird der Thyristor durch die gegenseitige Verstärkung der Basisströme schlagartig leitend. Man sagt der Thyristor zündet. Ist der Thyristor einmal gezündet, so wird er durch den fließenden Laststrom im leitenden Zustand gehalten. Es ist keine weitere Steuerung über das Gate mehr möglich. Der Thyristor kann nur gelöscht werden, indem der Laststrom kurz unterbrochen wird. Dann ist wieder der Ausgangszustand erreicht und der Thyristor sperrt.

Aus der Funktionsweise des Thyristors wird klar, warum er nur sehr schlecht in Gleichstromschaltungen einzusetzen ist.  Ist er einmal gezündet, kann er nicht mehr abgeschaltet werden. Für Gleichstrom gibt es Spezialschaltungen mit Umschwingkreis, wodurch eine Löschung über einen Hilfsthyristor möglich wird.
Wird er allerdings in einem Wechselstromkreis eingesetzt, so löscht er im Nulldurchgang des Stromes automatisch ohne, dass eine zusätzliche Beschaltung nötig wäre. In der nächsten Halbwelle kann er dann zu einem beliebigen Zeitpunkt gezündet werden und ist dann wieder bis zum Nulldurchgang leitend.

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