SCR

Ein Silicon Controlled Rectifier ist ein Halbleiterbauelement mit drei Anschlüssen, das als elektronisch gesteuerter Schalter für Hochstromkreise fungiert. Er leitet Strom in nur eine Richtung (wie eine Diode), bleibt aber ausgeschaltet, bis ein kleines Signal am Gate-Anschluss ihn zum Durchschalten bringt. Nach der Auslösung leitet er weiter, bis der Durchlassstrom unter seinen Haltewert sinkt. Das macht ihn ideal zur Steuerung großer Leistungen mit minimalem Eingangssignal.

Ein SCR hat drei Anschlüsse: Anode (positiv), Kathode (negativ) und Gate. Das Gate ist die Steuerelek­trode; ein kleiner positiver Spannungs- oder Strompuls zwischen Gate und Kathode schaltet die Anode-Kathode-Strecke von Sperrbereich in Durchlassbereich. Das Bauelement funktioniert wie ein Verriegelungsschalter: Nach der Auslösung bleibt es eingeschaltet, auch wenn das Gate-Signal entzogen wird, solange nicht der Hauptstrom unterbrochen oder umgekehrt wird. Dieses Verriegelungsverhalten ist zentral für seine Brauchbarkeit in Stromkreisen.

Aufbau und Nennwerte

SCRs werden aus vier Schichten aus wechselndem P- und N-Silizium aufgebaut, wobei die Gate-Verbindung eine der inneren Schichten anzapft. Sie gibt es in verschiedenen Gehäusen von kleinen Kunststoffbauteilen mit einigen Ampere bis zu Hockeyschläger-förmigen Modulen mit Nennwerten von Hunderten von Ampere. Typische Spannungsnennwerte liegen zwischen 50 Volt und über 6000 Volt; Stromwerte reichen von unter 1 Ampere bis zu 5000 Ampere und darüber. Der Gate-Zündstrom (der Mindestimpuls zum Auslösen) liegt bei kleinen SCRs typischerweise im Milliamperebereich, bei größeren Typen mit empfindlichem Gate aber nur im Mikroamperebereich.

SCRs haben Thyratrons (gasgefüllte Röhren) in industriellen Anwendungen weitgehend verdrängt, weil sie keine Aufwärmzeit brauchen, kompakter sind, weniger Wärme erzeugen und bei niedrigeren Spannungen arbeiten. Sie bleiben Standard in AC-Stromregelkreisen, Motorgeschwindigkeitsantrieben, Lichtdimmern und Batterieladegeräten. In Drehstromsystemen können mehrere SCRs in Brückenschaltungen gestapelt werden, um beide Halbwellen der Netzspannung zu steuern.

Die Haupteinschränkung ist, dass ein SCR nicht durch das Gate abgeschaltet werden kann; er schaltet nur ab, wenn der Hauptstrom natürlicherweise auf null sinkt (in AC-Kreisen) oder zu null gezwungen wird (in DC-Kreisen, was einen separaten Kommutierungskreis erfordert). Moderne Varianten wie GTO-Thyristoren und IGBTs bieten Gate-Abschaltfähigkeit, aber Standard-SCRs bleiben für viele Anwendungen billiger und robuster. Ausfallarten sind Gate-Leckstrom, thermisches Durchgehen bei unzureichender Kühlung und Sperrschicht-Durchbruch, wenn Spannungsspitzen die Nennwerte übersteigen.