Thyristortetrode

Ein gewöhnlicher Thyristor hat nur ein Gate, und das kann ihn bloß einschalten. Was wäre, wenn alle vier Schichten nach außen geführt wären? Genau das ist die Thyristortetrode, auf Englisch Silicon Controlled Switch (SCS): ein Thyristor mit zwei Steueranschlüssen, einem an jeder inneren Schicht. Damit lässt er sich von zwei Seiten zünden und, solange der Strom klein bleibt, sogar wieder ausschalten. Als eigenes Bauteil ist die Tetrode heute fast verschwunden. Ihr Prinzip begegnet dir aber ständig – im programmierbaren Unijunction-Transistor (PUT), in Selbsthalteschaltungen aus zwei Transistoren und in jedem Lehrbuch zum Thyristoreffekt.

Aufbau

Die Tetrode hat dieselbe Schichtfolge p-n-p-n wie der Thyristor, aber vier Anschlüsse:

• Anode (A) an der äußeren p-Schicht,
• Anodengate (G_A) an der inneren n-Schicht,
• Kathodengate (G_K) an der inneren p-Schicht,
• Kathode (K) an der äußeren n-Schicht.

In Datenblättern und älteren Büchern heißen die Gates auch G1 und G2; welches welches ist, musst du dort nachsehen. Im Zwei-Transistor-Modell entspricht das Anodengate der Basis des PNP-Transistors und das Kathodengate der Basis des NPN-Transistors. Bei der Tetrode kommst du also an beide Basen heran.

Die Bauteile sind für kleine Leistungen gebaut. Der typische Vertreter BRY39 von Philips steckt in einem kleinen Metallgehäuse TO-72 mit vier Beinen, sperrt bis etwa 70 V und verkraftet einige hundert Milliampere in kurzen Impulsen. Für Lastströme von mehreren Ampere taugt die Tetrode nicht.

Schaltzeichen

Das Schaltzeichen ist das Thyristorsymbol mit zwei Gate-Leitungen: eine geht von der Kathodenseite ab wie beim gewöhnlichen Thyristor, die andere von der Anodenseite wie beim anodenseitig gesteuerten Thyristor. Die beiden Varianten mit nur einem Gate zeigt Thyristortriode: zünden und löschen.

Zünden über zwei Gates

Liegt die Anode positiv gegenüber der Kathode, hast du zwei Wege zur Zündung:

• Über das Kathodengate: Ein Strom in G_K hinein, also eine positive Spannung gegenüber der Kathode, steuert den NPN-Teil auf – genau wie beim normalen Thyristor.
• Über das Anodengate: Ein Strom aus G_A heraus, also eine Spannung, die etwas negativer ist als die Anode, steuert den PNP-Teil auf.

Beides zusammen geht ebenfalls; die Ströme helfen sich gegenseitig. Danach rastet die Tetrode ein wie jeder Thyristor und bleibt leitend, solange der Anodenstrom über dem Haltestrom liegt.

Löschen über die Gates

Der eigentliche Vorteil der Tetrode: Sie lässt sich bei kleinen Strömen über ein Gate wieder ausschalten. Ziehst du das Kathodengate auf Kathodenpotenzial herunter oder leicht darunter, nimmst du dem NPN-Teil den Basisstrom weg. Ein kräftiger Strom aus G_K heraus führt den Strom am NPN-Teil vorbei, die Mitkopplung bricht zusammen, und die Tetrode sperrt. Am Anodengate geht es spiegelbildlich: Hebst du G_A auf Anodenpotenzial an, erlischt der PNP-Teil.

Das funktioniert nur, solange der Anodenstrom klein ist – typisch im Bereich bis zu einigen zehn Milliampere. Der Strom, den das Gate zum Löschen ableiten muss, liegt in derselben Größenordnung wie der Anodenstrom. Für große Ströme wurde das Prinzip im GTO-Thyristor weiterentwickelt, der mit einer besonderen Struktur auch Hunderte Ampere über das Gate abschaltet.

Wie jeder Thyristor reagiert auch die Tetrode auf schnelle Spannungsanstiege: Die Sperrschichtkapazität lädt sich um, und der Verschiebungsstrom kann sie ohne Ansteuerung zünden. Weil beide Gates herausgeführt sind, hilft hier ein Widerstand von jedem Gate zu seiner Hauptelektrode. Ein offenes Gate ist bei der Tetrode doppelt so viel Ärger.

Anwendungen

Früher steckten Tetroden in Zählern, Ringzählern und Schieberegistern, als Speicherzellen in frühen Digitalschaltungen, in Impulsformern, Lampentreibern für Anzeigen und in Kippschwingern. Sie zeigten mit einem einzigen Bauteil eine gespeicherte Information an, ohne dass ein Strom ständig nachgeführt werden musste. Logik-ICs und Mikrocontroller haben diese Aufgaben längst übernommen.

Weiterleben im PUT

Schließt du nur das Anodengate an, erhältst du einen anodenseitig gesteuerten Thyristor. Als programmierbarer Unijunction-Transistor (PUT), etwa der 2N6027 im TO-92, ist dieses Bauteil bis heute erhältlich. Die Spannung am Anodengate legst du mit einem Spannungsteiler fest. Die Anode zündet, wenn ihre Spannung die Gate-Spannung um etwa 0,2 bis 0,6 V übersteigt. Damit wird der PUT zu einem Kippschwinger mit einstellbarer Schaltschwelle – darum „programmierbar“.

Die Rechnung ist dieselbe wie beim Kippschwinger mit der Vierschichtdiode, nur dass du die Zündspannung U_P selbst festlegst:

Dabei ist U_V die Talspannung, auf die der Kondensator nach dem Zünden absinkt, beim 2N6027 rund 1 V.

Weil die Zündschwelle am Teiler hängt, ändert sie sich mit der Versorgungsspannung mit. Das macht den PUT als Zeitgeber unempfindlich gegen langsame Schwankungen von U_B. Für Netzanwendungen findest du ihn noch in alten Zündschaltungen für Thyristoren; für neue Projekte ist ein Timer wie der NE555 meist einfacher.

Weiterleben im Transistor-Latch

Baust du das Zwei-Transistor-Modell aus einem PNP- und einem NPN-Transistor diskret auf, etwa mit BC557 und BC547, hast du eine Tetrode zum Selbermachen, an der alle vier Anschlüsse frei sind. Solche Latch-Schaltungen findest du in Selbsthalteschaltungen: Ein Taster zündet sie über die Basis des NPN-Transistors, ein zweiter Taster schließt diese Basis gegen Masse kurz und löscht sie. Mit Widerständen zwischen Basis und Emitter beider Transistoren stellst du Halte- und Zündstrom gezielt ein. Wie die beiden Transistoren für sich arbeiten, steht unter Bipolartransistor.

Praxistipps

• Beide Gates beschalten: Je ein Widerstand von G_K zur Kathode und von G_A zur Anode, typisch 1 bis 10 kΩ, macht die Tetrode unempfindlich gegen Störungen.
• Löschen nur bei kleinen Strömen: Rechne damit, dass das Gate zum Löschen einen Strom in der Größe des Anodenstroms ableiten muss. Bei Lasten über einige zehn Milliampere klappt das nicht mehr zuverlässig.
• Ersatz suchen: Tetroden wie BRY39 oder 3N84 bekommst du nur noch als Restposten. Für Reparaturen hilft oft ein diskreter Aufbau aus zwei Transistoren; für Kippschwinger der PUT.
• Pinbelegung prüfen: Bei vierbeinigen Metallgehäusen liegt oft ein Anschluss am Gehäuse. Welcher, steht im Datenblatt.

Selbsttest