Licht

Leistungshalbleiter in der Dimmertechnik

Die rasante Weiterentwicklung der Leistungshalbleiter hat erst dazu beigetragen, dass Dimmertypen wie der „Sinusdimmer“ in der Leistungsklasse mit vertretbarem Aufwand zu realisieren sind. Die Bezeichnung IGBT muss jedoch nicht gleichbedeutend mit Sinusdimmer sein. Aber wie funktioniert ein Halbleiter?


Fangen wir mit dem einfachsten Halbleiterbauelement, einer Diode, an:

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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 Halbleiterbauelements stellt die Diode dar. Deshalb wird 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, wobei die eine Schicht durch dotiertes Halbleitermaterial erstellt wird. 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 gefüllt und somit entsteht dort ein Loch. Man kann hier beim Stromfluss auch von Löcherleitung sprechen, die nun als 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 dem die freien Ladungsträger verarmt und somit nicht leitfähig sind. Dieser Übergang besteht aus zwei Raumladungszonen die ein Potenzialgefälle, also die Diffusionsspannung, zwischen der N- und der P-Schicht, aufbaut.

Das Silizium-Kristallgefüge mal mit Arsen mal mit Bor Atomen
Silizium mit vier Elektronen auf der Außenschale bildet ein Kristallgitter, da die äußeren Elektronen gut eine Paarbildung ausführen. Damit stehen keine freien Ladungsträger für einen Stromfluss zur Verfügung. Erst bei Verunreinigung mit Fremdatomen wie Arsen oder Bor, die jeweils ein Elektron auf der Außenbahn zu viel oder zu wenig für das perfekte Kristallgitter aufweisen, sind freie Ladungsträger für einen Stromfluss verfügbar. (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Der PN-Übergang mit beaufschlagter Spannung
Treffen beide Stoffe aufeinander, so werden sich in der Grenzschicht die freien Elektroden in die Löcherplätze einfinden – somit ist dieser Körper elektrisch neutral und auch nichtleitend.
Beaufschlagt man eine Spannung in Sperrrichtung, so wird diese Schicht immer breiter. Ein Strom kann sich nicht einstellen, bis die Spannung wesentlich größer wird und dann irgendwann ein „Überschlag“ auftritt. Wird die Spannung in Flussrichtung angelegt, benötigt man eine kleine Spannung, um die Sperrschicht zu überwinden. Danach stellt sich ein Stromfluss ein.
(Bild: Herbert Bernstädt)

Bei der Diode wird die P-Schicht Anode genannt und die N-Schicht Kathode. Damit nun der Strom in der Durchlassrichtung von der Anode zur Kathode hindurchfließen kann, muss erst die Raumladungszone verkleinert – also die Sperrschicht überwunden – werden. Dazu ist es notwendig, mindestens 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, dass zur N-Schicht, die einen Elektronenüberschuss ausweist, immer mehr Elektronen gedrückt werden, so dass 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 lawinenartigen Stromfluss nach sich zieht und damit die Zerstörung des Bauelements bewirkt, außer die Diode wurde speziell für diesen Zweck entwickelt, wie z. B. die Zenerdiode.

Insbesondere bei Leistungsdioden müssen bei 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 Stroms auch Spannungsspitzen induziert, die das Bauteil zerstören können.
Die Parameter ändern sich mit der Temperatur, so dass z. B. eine 10 K höhere Sperrschichttemperatur ein Verdoppeln des Sperrstroms verursacht. Die Schleusenspannung verringert sich um 1,3 mV pro Kelvin.

 

Ersatzschaltbild
Ersatzschaltbild einer Diode

Betrachtet man die Kennlinie, so erkennt man, dass 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).

 

Typische Kennlinie einer Diode und damit im Prinzip auch einer Leuchtdiode.

Das elektrische Verhalten einer Diode in Form einer Kennlinie. Man erkennt bei Anlegung einer Spannung in Durchlassrichtung, dass sich erst ein Stromfluss einstellt, wenn die Durchlassspannung überwunden wurde. Danach wird die Stromhöhe nur noch durch den inneren Widerstand der LED begrenzt. Kleinste Spannungsänderungen haben dann große Stromänderungen zur Folge. Deshalb ist es besser eine LED über die Stromhöhe zu steuern anstatt mit der Spannung. In Sperrrichtung betrieben ist die LED recht robust, so dass sie bei Verpolung einfach nicht leuchtet, da kein Stromfluss zustande kommt. 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 bis 0,4 bei Germanium und 0,6 bis 0,8 bei Silizium)
  • rF = Differentieller Durchlasswiderstand (z. B. 8 m)
  • URRM = Periodische Spitzensperrspannung
  • IFRMS = Durchlassstrom Effektivwert

 

Diac – Triggerdiode

Einen Diac (Diode Alternatiting Currenbildt switch) oder 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 Sperrrichtung. Wird die Durchbruchspannung, die nur eine geringe Toleranz aufweist und meist bei Werten zwischen 20 bis 40 V erhältlich ist, überstiegen, so wird das Bauelement plötzlich leitend. Wie beim Überschreiten der Sperrspannung der Diode steigt der Strom lawinenartig an und die Spannung am Bauteil bricht zusammen. Verringert sich die Spannung um etwa 5 bis 10 V, so sperrt das Element wieder. Da das Bauelement symmetrisch aufgebaut ist, ist es polaritätslos.

Schaltbild, Aufbau und Kennlinie des Diac
Schaltbild, Aufbau und Kennlinie des Diac (Bild: Herbert Bernstädt)

Wie der Name bereits sagt, wird der Diac zum Triggern eingesetzt. Triggern bei Dimmern bedeutet 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.

Thyristor

Der Thyristor (eng. SCR Silicon controlled rectifier) besteht aus vier Schichten, so dass 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 so viel Energie einfließen lässt, dass ein lawinenartiger Effekt die Sperrschicht in Durchlassrichtung aufhebt. Der Strom, der nun fließen kann, sorgt auch dafür, dass sich die Sperrschicht nicht zurückbilden kann. Der Thyristor bleibt „geschaltet“ und zwar solange bis der Strom in die andere Richtung wechselt, was bei unserem Netz-Wechselstrom automatisch eintritt. Der Strom in die Gegenrichtung bewirkt, dass 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 denen einer Diode und können genauso berechnet werden.

Schaltbild, Aufbau und Kennlinie des Thyristors
Schaltbild, Aufbau und Kennlinie des Thyristors (Bild: Herbert Bernstädt)

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
  • IFRMS = Durchlassstrom Effektivwert
  • IG = obere Zündstrom
  • UG = obere Zündspannung
  • IH = Haltestrom
  • U(BO) = Kippspannung (Überkopfzünden)

 

Formel Stromanstieg
Grenzlastintegral

Das Grenzlastintegral, dient oft 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- bis 3-fachen Nennstrom aufweisen (um auch dem Kaltwiderstand 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 * 230 Volt = 37 Watt Leuchtmittel. Dies ist der Grund, weshalb eine Mindestlast gefordert ist bzw. warum man bei Kleinstlasten eine Lampe (meist 60 Watt) parallel zuschaltet.

Zur Beurteilung eines Bauteils 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 Beginn der Schaltphase erst eine kleine Fläche nahe der Gateelektrode leitend ist. So entstehen dort hohe Stromdichten, die das Kristallgefüge zerstören können. Verhindert wird dies auch durch Induktivitäten, welche die Anstiegszeit des Laststroms 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 Thyristor auf, so schaltet er unverzüglich durch. Beim Freiräumen der Ladungsträger aus der Sperrschicht ist das Ventil in Sperrrichtung 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.

Formel Spannungsspitze durch schnelle Stromänderung
Differenzial Spannung durch Stromänderung

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 Dämpfungswiderstand) 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 dass bei Einsatz des VIP 90 auf einem bestimmten Dimmerkreis nicht nur ein Lastwiderstand zur Erhaltung des Haltestroms, sondern noch der C der Schutzbeschaltung entfernt werden muss. Es werden Phasenanschnittsdimmer sowohl mit Thyristoren als auch mit Triacs ausgerüstet.

 

Triac

Der Begriff Triac ist die Abkürzung von TRIode AC semiconductor switch. Denn der Triac kann AC, also Ströme in beiden Richtungen, schalten, weil er vom Prinzip her aus zwei antiparallel geschalteten Thyristoren besteht. Die bekannte 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 Triac-Schaltung 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 Potenzialen 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 Wendelschlüssen oder kaltem Lampenstart im ungünstigsten Schaltmoment, auftreten können. Triacs mit ihrem unsymmetrischen Aufbau aus fünf Schichten sind da empfindlicher und geben auch nicht ganz so exakt die Symmetrie zur positiven und negativen Halbwelle wieder, was aber für das Leuchten eines Halogenbrenners unerheblich ist. Bei Induktivitäten kann dies durch Aufbau eines statischen magnetischen Feldes zu zusätzlichen Verlusten mit allen negativen Auswirkungen wie unnötige Erwärmung beitragen. Ein weiterer Vorteil gegenüber Triacs ist, dass der Thyristor nachdem er geschaltet hat, in der nächsten Halbwelle, bei der der antiparallele Thyristor arbeiten muss, selber weiter abkühlen kann und damit nicht so stark thermisch belastet wird.

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

Oszibild Thyristorspannung
„Angstabstand“ bei preiswerten Dimmern verursacht bei 100 % noch einen kleinen Anschnitt (Bild: Herbert Bernstädt)

 

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

Prinzip Aufbau Triac
Schaltbild, Aufbau und Kennlinie des Triac (Bild: Herbert Bernstädt)

 

GTO (Abschaltthyristor)

Um eine Phase nicht nur anzuschneiden sondern abzuschneiden, wurde ein Bauelement gesucht, das in der Lage ist, vom leitenden in den sperrenden Zustand mithilfe 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 langsam schaltende GTO wird vor allem in Bahnumrichtern (Umrichter im ICE) eingesetzt, und wurde beim Phasenabschnittsdimmer wegen der aufwendigen Gate-Unit und komplizierten Anwendung vom IGBT oder MOSFET verdrängt.

Prinzip Aufbau
Schaltbild, Aufbau und Kennlinie des GTO (Gate Turn Off) (Bild: Herbert Bernstädt)

Mit der Möglichkeit den Strom wieder zu unterbrechen sind Dimmertypen wie Phasenabschnitts- oder Sinusdimmer prinzipiell möglich.

 

Transistor (Bipolartransistor)

Um eine Sinusform der Ausgangspannung zu erstellen, denkt man zunächst an die Audioverstärker-Technik. Die dort eingesetzten Transistoren erstellen eine Spannung in gewünschter Amplitudenhöhe 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 Leistungstransistors 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.

Prinzip Aufbau Transistor
Schaltbild, Aufbau und Kennlinie des Transistors (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Der Bipolartransistor besitzt eine NPN- 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.

 

MOSFET

Der Leistungs-MOSFET ist ein Feld-Effekt-Transistor (FET), welcher zum Einschalten eine Gleichspannung an seinem 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 schnell schaltendes Bauelement (ca. 4 ns).

Prinzip Aufbau Mosfet
Schaltbild, Aufbau und Kennlinie des MOSFETs (Bild: Herbert Bernstädt)

 

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

 

IGBT

Der IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) ist die Kombination eines MOSFETs 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.

Prinzip Aufbau IGBT
Schaltbild, Aufbau und Kennlinie des IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) (Bild: Herbert Bernstädt)

 

Weiterhin kann man den IGBT so langsam durchschalten, dass der Strom langsam ansteigt und somit die den Stromanstieg begrenzenden Drosseln nicht in ihrer vollen Größe benötigt werden. So eignet sich ein IGBT ideal zum anspruchsvollen Schalten bei Phasenabschnitts- oder Sinusdimmer-Anwendungen. 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 Dimmerprinzipien realisieren. Aber ein Dimmerprinzip kann mit unterschiedlichen Leistungshalbleitertypen aufgebaut sein, wodurch sich die Qualität und das Verhalten des Dimmers entscheidend verändern. Aus diesem Grund ist es nicht unerheblich bei der Auswahl eines Dimmers mit welchen Bauteilen der Dimmer bestückt ist, wenn man bestimmte Qualitätsanforderungen an seine Anlage stellt.

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