Как работает симистор

Общие сведения

Симистор (триак) является одним из видов тиристора и обладает большим количеством переходов p-n-типа. Его целесообразно применять в цепях переменного тока для электронного управления. Чтобы понять принцип работы симистора «чайникам» в этом вопросе, следует рассмотреть его структуру, функцию и сферы применения.

Информация о ключах

Ключи — устройства, которые применяются для коммутации или переключения в электрических цепях. Существует три их вида, и каждый из них обладает своими достоинствами и недостатками. Классифицируются ключи по типу переключения:

  1. Механические.
  2. Электромеханические.
  3. Электронные.

К механическим ключам относятся выключатели и рубильники. Применяются они в случаях необходимости ручной коммутации для замыкания одного или нескольких групп контактов. К виду электромеханических ключей следует отнести реле (контакторы). Электромагнитное реле состоит из магнита, представляющего катушку с подвижным сердечником. При подаче питания на катушку она притягивает сердечник с группой контактов: одни контакты замыкаются, а другие — размыкаются.

Среди достоинств применения электромеханических ключей можно выделить следующие: отсутствие падения напряжения и потери мощности на контактах, а также изолирование цепей нагрузки и коммутации. У этого типа ключей есть и недостатки:

  1. Число переключений ограниченно, поскольку контакты изнашиваются.
  2. При размыкании возникает электрическая дуга, которая приводит к разрушению контактов (электроэрозии). Невозможно применять во взрывоопасных средах.
  3. Очень низкое быстродействие.

Электронные ключи бывают на разной базе полупроводниковых элементов: транзисторах, управляемых диодах (тиристорах) и симметричных управляемых диодах (симисторах). Простейшим электронным ключом является транзистор биполярного типа с коллектором, эмиттером и базой, состоящего из 2 p-n-переходов. По структуре они бывают 2 типов: n-p-n и р-n-p.

Поскольку транзистор состоит из 2 p-n-переходов, то в зависимости от состояния, в которых они находятся, различают 4 режима работы: основной, инверсный, насыщения и отсечки. При активном режиме открыт коллекторный переход, а при инверсном — эмиттерный. При двух открытых переходах транзистор работает в режиме насыщения. При условии, что закрыты оба перехода, он будет работать в режиме отсечки.

Для использования транзистора необходимо всего 2 его состояния. Режим отсечки происходит при отсутствии тока базы, следовательно, при этом ток коллектора равен 0. При подаче достаточного значения тока на базу полупроводниковый прибор будет работать в режиме насыщения, т. е. в открытом состоянии.

Если рассматривать ключи на полевых транзисторах, то появляется возможность менять его проводимость при изменении величины напряжения на затворе, выполняющего функцию управляющего электрода. Управляя его работой при помощи воздействия на затвор, можно получить два состояния: открытое и закрытое. Ключи на полевых транзисторах обладают высоким быстродействием, чем на биполярных.

Электронные ключи, выполненные на тиристорах, обладают некоторыми особенностями. Тиристор является полупроводниковым радиоэлементом с p-n-p-n или n-p-n-p переходам и имеет 3, а иногда и 4 вывода. Состоит он из p-слоя (катода), n-слоя (анода) и управляющего электрода (базы). Его можно заменить 2 транзисторами разной структуры. Он представляет 2 ключа транзисторного типа, которые включены встречно. База одного транзистора подключается к коллектору другого.

При подаче на базу отпирающего тока управляемый диод откроется и останется в этом состоянии, пока величина тока не будет снижена до нулевого значения. При большом значении тока базы тиристор является обыкновенным полупроводниковым диодом, проводящим ток в одном направлении.

Он может функционировать в цепях переменного тока, но только на половину мощности. Для этих целей необходимо применять симистор.

Принцип работы симистора

Основным отличием симистора от тиристора является проводимость сразу в двух направлениях. Симистор можно заменить 2 тиристорами, которые имеют встречно-параллельное подключение на рисунке 1. На нем представлено условное графическое обозначение триака на электрических принципиальных схемах. В некоторой литературе можно встретить и другие названия: триак и симметричный управляемый диод.

Рисунок 1. Симистор (схема включения 2 тиристоров) и его графическое обозначение

Существует простой пример, который позволит понять даже «чайникам», как работает симистор. Дверь в гостинице можно открывать в двух направлениях, причем в нее могут войти и выйти сразу 2 человека. Этот простой пример показывает, что триак может пропускать ток сразу в двух направлениях (прямом и обратном), поскольку он состоит из 5 p-n-переходов. Управление его работой осуществляется при помощи базы.

Слои симисторного ключа, изготовленные из полупроводника, похожи на переход транзистора, но имеют еще 3 дополнительных области n-типа. Четвертый слой находится возле катода и является разделенным, поскольку анод и катод при движении тока выполняют некоторые функции, а при обратном направлении движения — меняются местами. Пятый слой находится возле базы.

При подаче сигнала на управляющий вывод произойдет отпирание симметричного управляющегося диода, поскольку его анод будет иметь положительный потенциал. В этом случае по верхнему тиристору потечет ток. При изменении полярности ток будет течь по нижнему тиристору (рисунок 1). Об этом свидетельствует его вольт-амперная характеристика (ВАХ) на рисунке 2. Она состоит из двух кривых, повернутых на 180 градусов.

Рисунок 2. ВАХ триака

Литерой «А» обозначено его закрытое состояние, а «В» — открытое. Urrm и Udrm — допустимые значения прямого и обратного напряжений. Idrm и Irrm — прямой и обратный токи.

Виды и сферы применения

Поскольку симистор является видом тиристора, то основным их отличием является параметры управляющего электрода (базы). Кроме того, они классифицируются по другим признакам:

  1. Конструкция.
  2. Величина тока, при которой наступает перегрузка.
  3. Характеристики базы.
  4. Значения прямых и обратных токов.
  5. Величина прямого и обратного напряжений.
  6. Тип электрической нагрузки. Бывают силовыми и обычными.
  7. Параметр силы тока, необходимой для открытия затвора.
  8. Коэффициент dv/dt или скорость, с которой происходит переключение.
  9. Производитель.
  10. Мощность.

Благодаря особенности пропускания тока в двух направлениях, их используют в цепях переменного тока, поскольку тиристор не может работать на полную мощность. Симметричные тиристоры получили широкое применение в таких устройствах:

  1. Приборах для регулировки яркости света или диммерах.
  2. Регуляторах оборотов для различного инструмента (лобзики, шуруповерты и т. д.).
  3. Электронной регулировке температур для индукционных плит.
  4. Холодильной аппаратуре для плавного запуска двигателя.
  5. Бытовой технике.
  6. Промышленности для освещения, плавного пуска приводов машин и механизмов.

Среди достоинств симисторов можно выделить незначительную стоимость, надежность и они не генерируют помехи (не используются контакты механического типа), а также длительный срок эксплуатации. К основным недостаткам следует отнести следующие: необходимость в дополнительном теплоотводе, невозможность использования на высоких частотах, а также влияние помех и шумов различного рода.

Для подавления помех следует подсоединить параллельно триаку, между катодом и анодом, цепочку из конденсатора и резистора с номиналами от 0,02 до 0,3 мкФ и от 45 до 500 Ом соответственно. Для применения в какой-либо схеме или устройстве следует знать основные технические характеристики, поскольку владение этой информацией поможет избежать множества трудностей перед начинающим радиолюбителем.

Технические характеристики

У триаков существуют характеристики, позволяющие применять их в какой-либо схеме. Кроме того, они отличаются также и производителем — бывают отечественные и импортные. Основное отличие импортных состоит в том, что нет необходимости подстраивать их работу при помощи дополнительных радиоэлементов, т. е. собирать дополнительную схему управления симистором. У симисторов существуют следующие характеристики:

  1. Величина максимального обратного и импульсного значений напряжений, на которые он рассчитан.
  2. Минимальное и максимальное значения тока, при котором происходит открытие его перехода, а также значение максимального импульсного тока, необходимого для его открытия.
  3. Период включения и выключения.
  4. Коэффициент dv/dt.

Характеристики в основном определяются по маркировке триаков с использованием справочника. В справочной информации имеется информация о том, как он выглядит, и дается его распиновка. При использовании триака следует учитывать такую характеристику, как dv/dt. Она показывает значения коэффициента, при котором не происходит самопроизвольное включение из-за скачков напряжения. Причинами такого включения могут служить помехи импульсного происхождения и падение напряжения при коммутации ключа. Кроме того, чтобы избежать последствий, следует применять RC-цепочку, а также ограничивающие диоды или варистор. Эта цепочка подсоединяется к эмиттеру и коллектору симистора.

При выборе триака следует обратить внимание на все характеристики, поскольку не имеет смысла использовать высоковольтный тип в схемах с низким напряжением. Например, если устройство работает от напряжения 36 В, то зарубежный симистор Zo607 с напряжением 600 В (его аналог — вта41600в) не следует применять.

Кроме того, в некоторых источниках можно встретить понятие бесснабберного симистора. Это тип, который применяется при индуктивных нагрузках. Примером такой модели являются m10lz47, mac12n и tg35c60.

Диагностика в схемах

В некоторых случаях радиолюбитель сталкивается с проверкой симистора, однако не всегда может ее корректно произвести. В случае выхода триака из строя его желательно выпаять из платы и произвести его проверку. Обычный цифровой мультиметр для этой цели не подойдет, поскольку его ток слишком мал, чтобы открыть переход детали. Для этого подойдет обыкновенный стрелочный омметр. Вариантов проверки всего два: использовать стрелочный прибор или собрать спецсхему для этой операции. Для осуществления проверки по первому варианту необходимо руководствоваться следующим алгоритмом:

  1. Включить прибор в режим измерения величины сопротивления.
  2. Подключить щупы тестера к эмиттеру и коллектору. Если прибор показывает бесконечное сопротивление, то деталь исправна. Остальные случаи указывают на ее неисправность.
  3. Соединить базу и вывод Т2. В этом случае сопротивление будет в пределах от 40 до 250 Ом. Если поменять местами щупы, то прибор снова покажет бесконечность. Это свидетельствует об исправности симистора.

Однако первый метод диагностики в некоторых случаях дает не совсем нужные и верные результаты. Очень часто проверенная таким способом деталь в схеме не работает. Это связано с тем, что герметичность ее корпуса нарушена. Недостаток метода — неточная диагностика. Для более точной диагностики следует проверить триак в работе (схема 1). Для этого необходимо использовать лампу накаливания и аккумулятор.

Схема 1. Проверка симметричного тиристора при помощи лампы накаливания и источника питания

В этой схеме симистор будет проверен под нагрузкой. При касании управляющего электрода, лампочка загорится и будет гореть некоторое время, пока не пропадет питание на аноде или ток на базе не будет малой величины. Недостаток метода — простая конструкция, при которой неудобно осуществлять проверку, поскольку следует напаивать провода на выводы триака. После проверки при неисправной детали следует произвести замену.

Таким образом, симисторы используются в управляемых устройствах в качестве электронных ключей, способных пропускать ток в двух направлениях. Их несложно проверить и желательно использовать специальную схему для этой операции.

Существенный недостаток тиристоров заключается в том, что это однополупериодные элементы, соответственно, в цепях переменного тока они работают с половинной мощностью. Избавиться от этого недостатка можно используя схему встречно-параллельного включения двух однотипных устройств или установив симистор. Давайте разберемся, что представляет собой этот полупроводниковый элемент, принцип его функционирования, особенности, а также сферу применения и способы проверки.

Описание принципа работы и устройства

Основное отличие этих элементов от тиристоров заключается в двунаправленной проводимости электротока. По сути это два тринистора с общим управлением, включенных встречно-параллельно (см. А на рис. 1) .

Рис. 1. Схема на двух тиристорах, как эквивалент симистора, и его условно графическое обозначение

Это и дало название полупроводниковому прибору, как производную от словосочетания «симметричные тиристоры» и отразилось на его УГО. Обратим внимание на обозначения выводов, поскольку ток может проводиться в оба направления, обозначение силовых выводов как Анод и Катод не имеет смысла, потому их принято обозначать, как «Т1» и «Т2» (возможны варианты ТЕ1 и ТЕ2 или А1 и А2). Управляющий электрод, как правило, обозначается «G» (от английского gate).

Теперь рассмотрим структуру полупроводника (см. рис. 2.) Как видно из схемы, в устройстве имеется пять переходов, что позволяет организовать две структуры: р1-n2-p2-n3 и р2-n2-p1-n1, которые, по сути, являются двумя встречными тринисторами, подключенными параллельно.

Рис. 2. Структурная схема симистора

Когда на силовом выводе Т1 образуется отрицательная полярность, начинается проявление тринисторного эффекта в р2-n2-p1-n1, а при ее смене – р1-n2-p2-n3.

Заканчивая раздел о принципе работы приведем ВАХ и основные характеристики прибора.

ВАХ симистора

Обозначение:

  • А – закрытое состояние.
  • В – открытое состояние.
  • UDRM (UПР) – максимально допустимый уровень напряжения при прямом включении.
  • URRM (UОБ) – максимальный уровень обратного напряжения.
  • IDRM (IПР) – допустимый уровень тока прямого включения
  • IRRM (IОБ) – допустимый уровень тока обратного включения.
  • IН (IУД) – значения тока удержания.

Особенности

Чтобы иметь полное представление о симметричных тринисторах, необходимо рассказать про их сильные и слабые стороны. К первым можно отнести следующие факторы:

  • относительно невысокая стоимость приборов;
  • длительный срок эксплуатации;
  • отсутствие механики (то есть подвижных контактов, которые являются источниками помех).

В число недостатков приборов входят следующие особенности:

  • Необходимость отвода тепла, примерно из расчета 1-1,5 Вт на 1 А, например, при токе 15 А величина мощности рассеивания будет около 10-22 Вт, что потребует соответствующего радиатора. Для удобства крепления к нему у мощных устройств один из выводов имеет резьбу под гайку.

Симистор с креплением под радиатор

  • Устройства подвержены влиянию переходных процессов, шумов и помех;
  • Не поддерживаются высокие частоты переключения.

По последним двум пунктам необходимо дать небольшое пояснение. В случае высокой скорости коммутации велика вероятность самопроизвольной активации устройства. Помеха в виде броска напряжения также может привести к этому результату. В качестве защиты от помех рекомендуется шунтировать прибор RC цепью.

RC-цепочка для защиты симистора от помех

Помимо этого рекомендуется минимизировать длину проводов ведущих к управляемому выводу, или в качестве альтернативы использовать экранированные проводники. Также практикуется установка шунтирующего резистора между выводом T1 (TE1 или A1) и управляющим электродом.

Применение

Этот тип полупроводниковых элементов первоначально предназначался для применения в производственной сфере, например, для управления электродвигателями станков или других устройств, где требуется плавная регулировка тока. Впоследствии, когда техническая база позволила существенно уменьшить размеры полупроводников, сфера применения симметричных тринисторов существенно расширилась. Сегодня эти устройства используются не только в промышленном оборудовании, а и во многих бытовых приборах, например:

  • зарядные устройства для автомобильных АКБ;
  • бытовое компрессорное оборудования;
  • различные виды электронагревательных устройств, начиная от электродуховок и заканчивая микроволновками;
  • ручные электрические инструменты (шуроповерт, перфоратор и т.д.).

И это далеко не полный перечень.

Одно время были популярны простые электронные устройства, позволяющие плавно регулировать уровень освещения. К сожалению, диммеры на симметричных тринисторах не могут управлять энергосберегающими и светодиодными лампами, поэтому эти приборы сейчас не актуальны.

Как проверить работоспособность симистора?

В сети можно найти несколько способ, где описан процесс проверки при помощи мультиметра, те, кто описывал их, судя по всему, сами не пробовали ни один из вариантов. Чтобы не вводить в заблуждение, следует сразу заметить, что выполнить тестирование мультиметром не удастся, поскольку не хватит тока для открытия симметричного тринистора. Поэтому, у нас остается два варианта:

  1. Использовать стрелочный омметр или тестер (их силы тока будет достаточно для срабатывания).
  2. Собрать специальную схему.

Алгоритм проверки омметром:

  1. Подключаем щупы прибора к выводам T1 и T2 (A1 и A2).
  2. Устанавливаем кратность на омметре х1.
  3. Проводим измерение, положительным результатом будет бесконечное сопротивление, в противном случае деталь «пробита» и от нее можно избавиться.
  4. Продолжаем тестирование, для этого кратковременно соединяем выводы T2 и G (управляющий). Сопротивление должно упасть примерно до 20-80 Ом.
  5. Меняем полярность и повторяем тест с пункта 3 по 4.

Если в ходе проверки результат будет таким же, как описано в алгоритме, то с большой вероятностью можно констатировать, что устройство работоспособное.

Заметим, что проверяемую деталь не обязательно демонтировать, достаточно только отключить управляющий вывод (естественно, обесточив предварительно оборудование, где установлена деталь, вызывающая сомнение).

Необходимо заметить, что данным способом не всегда удается достоверно проверку, за исключением тестирования на «пробой», поэтому перейдем ко второму варианту и предложим две схемы для тестирования симметричных тринисторов.

Схему с лампочкой и батарейкой мы приводить не будем в виду того, что таких схем достаточно в сети, если вам интересен этот вариант, можете посмотреть его в публикации о тестировании тринисторов. Приведем пример более действенного устройства.

Схема простого тестера для симисторов

Обозначения:

  • Резистор R1 – 51 Ом.
  • Конденсаторы C1 и С2 – 1000 мкФ х 16 В.
  • Диоды – 1N4007 или аналог, допускается установка диодного моста, например КЦ405.
  • Лампочка HL – 12 В, 0,5А.

Можно использовать любой трансформатор с двумя независимыми вторичными обмотками на 12 Вольт.

Алгоритм проверки:

  1. Устанавливаем переключатели в исходное положение (соответствующее схеме).
  2. Производим нажатие на SB1, тестируемое устройство открывается, о чем сигнализирует лампочка.
  3. Жмем SB2, лампа гаснет (устройство закрылось).
  4. Меняем режим переключателя SA1 и повторяем нажатие на SB1, лампа снова должна зажечься.
  5. Производим переключение SA2, нажимаем SB1, затем снова меня ем положение SA2 и повторно жмем SB1. Индикатор включится, когда на затвор попадет минус.

Теперь рассмотрим еще одну схему, только универсальную, но также не особо сложную.

Схема для проверки тиристоров и симисторов

Обозначения:

  • Резисторы: R1, R2 и R4 – 470 Ом; R3 и R5 – 1 кОм.
  • Емкости: С1 и С2 – 100 мкФ х 10 В.
  • Диоды: VD1, VD2, VD5 и VD6 – 2N4148; VD2 и VD3 – АЛ307.

В качестве источника питания используется батарейка на 9V, по типу Кроны.

Тестирование тринисторов производится следующим образом:

  1. Переключатель S3, переводится в положении, как продемонстрировано на схеме (см. рис. 6).
  2. Кратковременно производим нажатие на кнопку S2, тестируемый элемент откроется, о чем просигнализирует светодиод VD
  3. Меняем полярность, устанавливая переключатель S3 в среднее положение (отключается питание и гаснет светодиод), потом в нижнее.
  4. Кратковременно жмем S2, светодиоды не должны загораться.

Если результат будет соответствовать вышеописанному, значит с тестируемым элементом все в порядке.

Теперь рассмотрим, как проверить с помощью собранной схемы симметричные тринисторы:

  • Выполняем пункты 1-4.
  • Нажимаем кнопку S1- загорается светодиод VD

То есть, при нажатии кнопок S1 или S2 будут загораться светодиоды VD1 или VD4, в зависимости от установленной полярности (положения переключателя S3).

Симистор и его применения

Тиристор идеально подходит для регулирования мощности переменного напряжения во всем, кроме одного: он является однополупериодным устройством, а это означает, что даже при полной проводимости используется только половина мощности. Можно включить параллельно два тиристора навстречу друг другу, как это показано на рис.1, чтобы обеспечить двух-полупериодный режим работы, однако для этого требуется подавать импульсы запуска на управляющие электроды от двух изолированных, но синхронных источников, как это видно из рисунка.

Рис.1 Двухполупериодный регулятор можно построить на двух тиристорах. Для изоляции источников импульсов от напряжения сети используются оптопары.

Самым полезным устройством для практического регулирования мощности переменного напряжения является двунаправленный тиристор или симистор. Как можно видеть на рис2. симистор можно рассматривать как два инверсно-параллельных тиристора с управлением от единственного источника сигнала. Симисторы являются настолько гибкими устройствами, что их можно переключать в проводящее состояние как положительным, так и отрицательным импульсом запуска независимо от мгновенной полярности источника переменного напряжения. Названия катод и анод теряют смысл для симистора; ближайший к управляющему электроду вывод назвали, не мудрствуя лукаво, основным выводом 1 (МТ1), а другой — основным выводом 2 (МТ2). Запускающий импульс всегда подается относительно вывода МТ1 так же, как в случае тиристора он подается относительно катода.

Рис2. Симистор: (а) структура, (b) условное обозначение.

Обычно для переключения симистора, рассчитанного на ток до 25 А, достаточен пусковой ток 20 мА, и одним из простейших примеров его применения является «твердотельное реле», в котором небольшой пусковой ток используется для управления большим током нагрузки (рис.3). В качестве ключа SW1 могут быть геркон, чувствительное термореле или любая контактная пара, рассчитанная на 50 мА; ток в цепи нагрузки ограничивается только параметрами симистора. Полезно отметить, что резистор R1 в цепи запуска находится под напряжением сети только в моменты включения симистора; как только симистор включается, разность потенциалов на резисторе R1 падает до величины около одного вольта, так что достаточен полуваттный резистор.

Рис.3 Простое «твердотельное реле» на симисторе.

Весьма распространенными применениями симистора являются регулятор яркости для лампы или управление скоростью вращения мотора. На рис.4 показана такая схема. Временное положение запускающих импульсов устанавливается RC-фазовращателем; потенциометром R2 регулируют яркость лампы, тогда как резистор R1 просто ограничивает ток, когда потенциометр установлен в положение с минимальным сопротивлением. Сами импульсы запуска формируются динистором, то есть двунаправленным триггерным диодом. Динистор можно представить себе как маломощный тиристор без управляющего электрода с низким напряжением лавинного пробоя (около 30 В). Когда разность потенциалов на конденсаторе С1 достигает уровня пробоя в динисторе, мгновенный импульс разряда конденсатора включает симистор.

Рис.4 Простейшая схема регулировки яркости лампы на симисторе с фазовым управлением.

Легко сделать автоматический фотоэлектрический выключатель лампы, присоединив параллельно конденсатору С1 фотоэлемент ORP12 (светозависимый резистор). Сопротивление фотоэлемента в темноте велико, порядка 1 МОм, но при дневном свете оно падает до нескольких килоом так, что симистор не может поджечься и лампа выключена. Если в автоматическом выключателе ручная регулировка не требуется, то резистор R2 можно заменить на короткое замыкание.

На рис.5 показано, как симистор управляет мощностью в нагрузке, отрезая начальную часть каждого полупериода. Длительность пропущенной части зависит от запаздывания пускового импульса по фазе, которое определяется сопротивлением R1+R2 и емкостью С1. В простейшей схеме управления на рис.4 фазовый сдвиг не может быть больше 90°, так как используется только одна RС-цепочка. Поэтому такая схема является плохим регулятором при малой мощности, поскольку в нем могут происходить неожиданные скачки от выключенного состояния к полной мощности.

Более совершенная схема приведена на рис.6; включение дополнительной RC-цепочки (R3С3) дает больший фазовый сдвиг для лучшего управления при малой мощности. Дальнейшие усовершенствования состоят во введении следующих элементов: (а) демпфера с постоянной времени R4С4 для предотвращения ошибочных переключений от противо-э.д.с. индуктивной нагрузки и (b) радиочастотного фильтра L1C1 для подавления помех. Последний элемент всегда следует вводить в симисторную или тиристорную схему, работающую по принципу «отсекания части колебания», поскольку быстрые включения и выключения могут создавать серьезные радиопомехи в питающей сети.

Рис.5 Форма напряжения на нагрузке в симисторном регуляторе при постепенном увеличении фазового сдвига.

Имеется большое число различных симисторов и тиристоров которые нашли широкое применение в бытовой технике. Как и в случае выпрямительных диодов, для того, чтобы выбрать прибор с нужными номинальными напряжением и током, можно обратиться к каталогам и справочным данным.

Рис.6 Симисторный регулятор мощности с широким диапазоном регулировки и встроенным подавлением помех.

Большинство производителей выпускают подходящие динисторы, но имеются также приборы, называемые quadrac, в которых объединены симистор и динистор.

На рис.7 показаны корпуса и цоколевка распространенных симисторов. Если симистор должен использоваться на полную допустимую мощность, то его необходимо закрепить на теплоотводе.

Подавление радиочастотных помех, создаваемых симисторными или тиристорными регуляторами с фазовым управлением, становится более трудным и дорогим при больших значениях тока нагрузки. В электрических нагревателях и в других нагрузках с большой инерционностью можно уменьшить помехи, пропуская каждый раз целое число полупериодов. Это позволяет избежать скачкообразных изменений тока, которые и вызывают радиочастотные помехи. Такой способ называется прерывистым запуском или управлением с целым числом периодов. Этот способ, как правило, не подходит для управления яркостью лампы из-за мерцания. Для осуществления управления с целым числом периодов подходят такие микросхемы, как SL441, включающиеся при нулевом напряжении. Они определяют пересечение напряжением сети нулевого уровня и обеспечивают запуск симистора от датчика, сопротивление которого меняется, например, от термистора.

Симистор. Описание, принцип работы, свойства и характеристики.

Справочные данные популярных отечественные симисторов и зарубежных
триаков. Простейшие схемы симисторных регуляторов мощности.

Ну что ж! На предыдущей странице мы достаточно плотно обсудили свойства и характеристики полупроводникового прибора под названием тиристор, неуважительно обозвали его «довольно архаичным», пришло время выдвигать внятную альтернативу.
Симистор пришёл на смену рабочей лошадке-тиристору и практически полностью заменил его в электроцепях переменного тока.
История создания симистора также не нова и приходится на 1960-е годы, причём изобретён и запатентован он был в СССР группой товарищей из Мордовского радиотехнического института.
Итак:
Симистор, он же триак, он же симметричный триодный тиристор — это полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристора, но, в отличие от него, способный пропускать ток в двух направлениях и используемый для коммутации нагрузки в цепях переменного тока.
Рис.1
На Рис.1 слева направо приведены: топологическая структура симистора, далее расхожая, но весьма условная, эквивалентная схема, выполненная на двух тиристорах и, наконец, изображение симистора на принципиальных схемах.
МТ1 и МТ2 — это силовые выводы, которые могут обозначаться, как Т1&Т2; ТЕ1&ТЕ2; А1&А2; катод&анод. Управляющий электрод, как правило, обозначается латинской G либо русской У.
Глядя на эквивалентную схему, может возникнуть иллюзия, что симистор относительно горизонтальной оси является элементом абсолютно симметричным, что даёт возможность как угодно крутить его вокруг управляющего электрода. Это не верно!!!
Точно так же, как у тиристора, напряжение на управляющий электрод симистора должно подаваться относительно условного катода (МТ1, Т1, ТЕ1, А1).
Иногда производитель может обозначать цифрой 1 «анодный» вывод, цифрой 2 — «катодный», поэтому всегда важно придерживаться обозначений, приведённых в паспортных характеристиках на прибор.
Полярность открывающего напряжения должна быть либо отрицательной для обеих полярностей напряжения на условном аноде, либо совпадать с полярностью «анодного» напряжения (т.е. быть плюсовой в момент прохождения положительной полуволны и минусовой — в момент прохождения отрицательной).
Приведём вольт-амперную характеристику тиристора и схему, реализующую самый простой способ управления симисторами — подачу на управляющий электрод прибора постоянного тока с величиной, необходимой для его включения (Рис.2).
Рис.2
Огромным плюсом симистора перед тиристором является возможность в штатном режиме работать с разнополярными полупериодами сетевого напряжения. Вольт-амперная характеристика является симметричной, надобности в выпрямительном мосте — никакой, схема получается проще, но главное — исключается элемент (выпрямитель), на котором вхолостую рассеивается около 50% мощности.
Давайте рассмотрим работу симистора при подаче на его управляющий вход постоянного тока отрицательной полярности (Рис.2 справа), ведь мы помним, что именно такая полярность открывающего напряжения является универсальной и для положительных, и для отрицательных полупериодов напряжения сети. На самом деле, всё происходит абсолютно аналогично описанной на предыдущей странице работе тиристора.

Повторим пройденный материал.
1. Для начала рассмотрим случай, когда управляющий электрод симистора отключен (S1 на схеме разомкнут, Iу на ВАХ равен 0). Тока через нагрузку нет (участки III на ВАХ), симистор закрыт, и для того, чтобы его открыть, необходимо поднять напряжение на «аноде» симистора настолько, чтобы возник лавинный пробой p-n-переходов полупроводника.
Оговоримся — зафиксировать нам этот процесс не удастся, потому что величина этого напряжения составляет несколько сотен вольт и, как правило, превышает амплитудное значение напряжения сети.
Тем не менее — при достижении этого уровня напряжения (точки II на ВАХ) симистор отпирается, падение напряжения между силовыми выводами падает до единиц вольт, нагрузка подключается к сети — наступает рабочий режим открытого симистора (участки I на ВАХ).
Чтобы закрыть симистор, нужно снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на «аноде») ниже тока удержания.
2. Для того чтобы снизить величину напряжения включения симистора, следует замкнуть S1 и, тем самым, подать на управляющий электрод ток, задаваемый значением переменного резистора R1. Чем больше ток Iу, тем при меньшем анодном напряжении происходит переключение симистора в проводящее состояние.
А при какой-то величине тока управляющего электрода, называемой током спрямления (на ВАХ не показано), горба на характеристике вообще не будет, и напряжение открывания симистора составит незначительную величину, исчисляемую единицами вольт.
Абсолютно так же, как и в прошлом пункте, чтобы закрыть симистор, необходимо снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на «аноде») ниже значения тока удержания.
То бишь — всё полностью аналогично тиристору. Для открывания симистора следует подать на управляющий электрод прибора постоянный ток с величиной, необходимой для его включения, для закрывания — снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на «аноде») ниже значения тока удержания.
Т.е. в нашем случае, представленном на Рис.2 — симистор будет открываться при замыкании S1 в каждый момент превышения «анодным» напряжением некоторого значения, зависящего от номинала R1, а закрываться с каждым полупериодом сетевого напряжения в момент приближения его уровня к нулевому значению.
Описанный выше способ управления симистором посредством подачи на управляющий электрод постоянного напряжения обладает существенным недостатком — требуется довольно большой ток (а соответственно и мощность) управляющего сигнала (по паспорту — до 250мА для КУ208). Поэтому в большинстве случаев для управления симисторами используется импульсный метод, либо метод, при котором открытый симистор шунтирует цепь управления, не допуская бесполезного рассеивания мощности на её элементах.
В качестве примера рассмотрим простейшую, но вполне себе работоспособную схему симисторного регулятора мощности, позволяющего работать с нагрузками вплоть до 2000 Вт.
Рис.3
Как можно увидеть, на схеме помимо симистора VS2 присутствует малопонятный элемент VS1 — динистор. Для интересующихся отмечу — на странице мы подробно обсудили принцип работы, свойства и характеристики приборов данного типа.
А теперь — как это всё работает?
В начале действия положительного полупериода симистор закрыт. По мере увеличения сетевого напряжения конденсатор С1 заряжается через последовательно соединённые резисторы R1 и R2. Причём увеличение напряжения на конденсаторе С1 отстаёт (сдвигается по фазе) от сетевого на величину, зависящую от суммарного сопротивления резисторов и номинала ёмкости С1. Чем выше значения резисторов и конденсатора — тем больше сдвиг по фазе.
Заряд конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на нём не достигнет порога пробоя динистора (около 35 В). Как только динистор откроется (следовательно, откроется и симистор), через нагрузку потечёт ток, определяемый суммарным сопротивлением открытого симистора и нагрузки.
При этом симистор остаётся открытым до конца полупериода, т.е. момента, когда полуволна сетевого напряжения приблизится к нулевому уровню.
Переменным резистором R2 устанавливают момент открывания динистора и симистора, производя тем самым регулировку мощности, подводимой к нагрузке.
При действии отрицательной полуволны принцип работы устройства аналогичен.
Диаграммы напряжения на нагрузке при различных значениях переменного резистора приведены на Рис.3 справа.
Для предотвращения ложных срабатываний триаков, вызванных переходными процессами в индуктивных нагрузках (например, в электродвигателях), симисторы должны иметь дополнительные компоненты защиты. Это, как правило, демпферная RC-цепочка (снабберная цепь) между силовыми электродами триака, которая используется для ограничения скорости изменения напряжения (на схеме Рис.3 показана синим цветом).
В некоторых случаях, когда нагрузка имеет ярко выраженный ёмкостной характер, между силовыми электродами необходима индуктивность для ограничения скорости изменения тока при коммутации.
А под занавес приведём основные характеристики отечественных симисторов и зарубежных триаков.
Симисторы с обозначение BTA отличаются от других наличием изолированного корпуса.
Падение напряжения на открытом симисторе составляет примерно 1-2 В и мало зависит от протекающего тока.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *