Funktionsweise von Dioden, Transistoren und Thyristoren – Grundlagen der Leistungselektronik.
U_F ≈ 0,7 V (Si)Typische Flussspannung einer Silizium-Diode
β = I_C / I_BKollektor- zu Basisstrom
Halbleiter sind das Herzstück moderner Elektrotechnik. Von der einfachen Diode bis zum komplexen Prozessor bilden sie die Grundlage für Elektronik, Leistungsumrichter und Steuerungstechnik.
Dieser Ratgeber erklärt die wichtigsten Halbleiter-Bauelemente und ihre Anwendungen in der Elektroinstallation.
Halbleiter (Silizium, Germanium) liegen elektrisch zwischen Leitern und Isolatoren:
| Material | Leitfähigkeit | Beispiele |
|---|---|---|
| Leiter | Sehr hoch | Kupfer, Aluminium |
| Halbleiter | Steuerbar | Silizium, Germanium |
| Isolator | Sehr niedrig | Kunststoff, Keramik |
| Typ | Dotierung | Ladungsträger |
|---|---|---|
| n-Typ | Phosphor, Arsen | Elektronen (−) |
| p-Typ | Bor, Aluminium | Löcher (+) |
| Typ | U_F | Anwendung |
|---|---|---|
| Silizium (Si) | 0,7 V | Standard |
| Schottky | 0,3 V | Schnelle Schaltung |
| Zener | U_Z | Spannungsstabilisierung |
| LED | 1,5-3,5 V | Beleuchtung |
| Parameter | Bedeutung |
|---|---|
| U_F | Flussspannung (Durchlass) |
| U_R | Sperrspannung (max.) |
| I_F | Durchlassstrom (max.) |
| t_rr | Sperrverzögerungszeit |
| Typ | Steuerung | Anwendung |
|---|---|---|
| BJT (NPN/PNP) | Stromgesteuert | Verstärkung, Schalten |
| MOSFET | Spannungsgesteuert | Schaltnetzteile, FU |
| IGBT | Spannungsgesteuert | Leistungselektronik |
| Typ | Eigenschaft | Anwendung |
|---|---|---|
| Thyristor (SCR) | Einmal zündbar | Dimmer, Sanftanlauf |
| Triac | Bidirektional | Lichtdimmer |
| GTO | Abschaltbar | Bahntechnik |
| IGCT | Schnell schaltend | Mittelspannungsumrichter |
| Bauelement | Anwendung | Produkt |
|---|---|---|
| Diode | Gleichrichtung | Netzteil, Ladegerät |
| Thyristor | Phasenanschnitt | Dimmer, Sanftanlauf |
| Triac | Wechselstromschalten | Lichtdimmer |
| IGBT | Wechselrichter | Frequenzumrichter |
| MOSFET | DC/DC-Wandlung | Schaltnetzteil |
Aufgabe
Eine rote LED (U_F = 2V, I_F = 20mA) soll an 24V DC betrieben werden.
Lösung
Vorwiderstand R = 1,2 kΩ / 0,6W für LED an 24V DC.
DIN EN 60747: Halbleiterbauelemente
DIN EN 60146: Stromrichter
Wichtige Festlegungen:
Halbleiter – Zusammenfassung:
Diode:
Transistor:
Thyristor:
Anwendungen:
| Bauelement | Produkt |
|---|---|
| Diode | Netzteil |
| Thyristor | Dimmer |
| IGBT | Frequenzumrichter |
Der BJT (Bipolartransistor) ist stromgesteuert – der Basisstrom bestimmt den Kollektorstrom. Der MOSFET ist spannungsgesteuert – die Gate-Source-Spannung steuert den Drain-Strom. MOSFETs sind in der Leistungselektronik bevorzugt, da sie weniger Ansteuerleistung benötigen.
IGBTs kombinieren die Vorteile von MOSFETs (einfache Ansteuerung) und Bipolartransistoren (hohe Stromtragfähigkeit). Sie können hohe Spannungen (bis 6,5 kV) und hohe Ströme (bis mehrere kA) mit Schaltfrequenzen von einigen kHz schalten. Das macht sie ideal für Frequenzumrichter und Wechselrichter.