Симисторы: принцип работы, проверка и включение, схемы

imageСимистором называется прибор, разработанный ещё в СССР на электрозаводе города Саранска. Он имеет 5 р-n переходов.

Содержание

История его создания приходится на 1960-е годы, на то время, когда Мордовский институт заполнил патент на это изобретение.

О том, как работает симистор, знают немногие. Его функционирование напоминает работу тиристора.

Принцип действия

Пожалуй, основное отличие симистора от тиристора заключается в том, что первый прибор может пропускать ток в двух направлениях, из-за чего он нашёл своё применение в электроцепях переменного тока.

В симисторе отсутствует катод и анод. Этот факт подтверждается при изучении вольт-амперной характеристики прибора.

imageТакже можно заметить, что он имеет симметрию с осью тока. В его схеме присутствует два силовых электрода (МТ1 и МТ2) и управляющий электрод (G). Если на второй показатель подать напряжение со знаком минус, и его показатель окажется выше заданной величины срабатывания симистора, и одновременно на силовой электрод подать напряжение, достаточное для протекания в приборе тока, превышающего ток удержания симистора, то он будет пропускать электричество.

Закрыться же прибор сможет после того, как напряжение на силовом электроде упадёт до величины, при которой ток прибора снизится до тока удержания.

Основным достоинством схем регуляторов мощности на приборе является наличие хорошей двусторонней связи, следовательно, появляется уникальная возможность её изменения непосредственно в период работы устройства.

Такие схемы часто используются для регулирования света при использовании всем известных ламп накаливания. Для их реализации применяются

  • тиристор;
  • динистор;
  • симистор.

Для такого режима работы можно использовать 4 способа для подачи напряжения на МТ2 и G (управляющий электрод). Два первых варианта требуют подать напряжение со знаком плюс на силовой электрод (МT2) и отрицательное или положительное на управляющий электрод. Последующие два варианта требуют подать на силовой электрод (МT2) напряжение со знаком минус и положительное или отрицательное на управляющий электрод.

Важно, что 1−3 способы считаются рабочими, а четвёртый запрещённым, так как в этом режиме может произойти поломка.

Плюсы и минусы использования

У симистора в принципе работы можно выделить ряд достоинств. Главными его преимуществами являются:

  • низкая стоимость;
  • повышенный срок эксплуатации.

Из-за отсутствия каких-либо механических контактов прибор не искрит, что повышает безопасность его применения, кроме того, отсутствуют радиопомехи при его работе.

К минусам аппарата обычно относят его сильный перегрев при отсутствии радиаторов охлаждения. Поэтому прибор следует использовать лишь при незначительных нагрузках на него или же установить радиатор охлаждения.

Крепить аппарат к охладителю следует креплением с использование винта. Аппарат очень чуток к переходным процессам и не будет работать стабильно на больших частотах, а также имеет сильную чувствительность к различного рода шумам и помехам.

В качестве примера можно привести компьютерный блок бесперебойного питания. Суть его работы заключается в том, что ток сети преобразовывается из постоянного в переменный. При отключении этого блока симистор начинает брать накопившееся электричество из своего встроенного аккумулятора.

Огромное значение для персонального компьютера играет и блок электропитания в целом. При резком переключении напряжения может произойти самовольное включение симистора при отсутствии управляющего напряжения. Всё это может его повредить. Всему виной возникновение помехи или выбросы напряжения при работе с нагрузкой.

Чтобы не дать симистору сломаться, следует включить шунтирующую RC цепочку. Однако в определённых цепях могут возникнуть электрические помехи и шумы. Если они достигнут значения включения, то прибор включится не в то время. Чтобы этого не произошло, следует укоротить провода, которые ведут к затвору, или же использовать экранированный кабель.

Ещё одним способом для избавления от шумов является использование резистора, величина которого составляет 1кОМ.

Применение симистора

Из-за своих уникальных характеристик, простоты устройства и небольшой стоимости симистор успешно применяется как в быту, так и в промышленности, в следующих видах техники:

  • печи;
  • духовки;
  • регуляторы освещения;
  • дрели;
  • перфораторы.

Практически в каждом электроприборе, имеющемся в доме, найдётся симистор.

В промышленной сфере приборы применяются при регулировке света, кроме того, с их помощью регулируются электроприборы и электродвигатели.

Симистор легко сможет заменить электромеханические реле, так как он намного более долговечен и надёжен. Аппарат очень хорошо зарекомендовал себя на рынке и, несмотря на бурно развивающуюся электронику, до сих пор пользуется большим спросом, так как нашёл широкое применение не только в домашней технике, но и в промышленности.

Иногда возникает необходимость порулить с микроконтроллера чем-то на 220 вольт, задумчиво покручивая фазу. Стандартный способ – сделать это через симистор с оптроном. Если управляете лампочкой – вам повезло. Если чем-то вроде коллекторного мотора от стиралки (индуктивной нагрузкой) – вперед, навстречу приключениям.

Что же не так с оптроном?

– Ну ок, делаем snubber network непосредственно на оптрон. Подробности в Panasonic Application Note 030, Driving Triacs with Phototriacs. Все понятно, номиналы не очень большие, можно развести SMD на плате. Но все равно, SMD-резисторов понадобится несколько последовательно, и совсем компактно развести не получится.

Альтернативы

Возникает логичный вопрос – а как бы избежать этих приключений и минимизировать высоковольтные компоненты. Давайте рулить симистором напрямую? Ну ок. Только вот симистору нужны отрицательные импульсы, и тут вариантов два:

– Делать питание микроконтроллера с “общим плюсом”, огребая альтернативные приключения с негативными LDO и заведением сигналов на АЦП.

– Управлять триаком импульсами через конденсатор.

Последний подход почему-то не очень распространен, но весьма интересен. Для подробностей рекомендую почитать ST AN440. Triac control with a microcontroller powered from a positive supply. Нам нужен самый простой вариант:

Я такое проверял, работает отлично. И возможно кому-то понравится даже для управления лампочкой, за счет простоты. Компоненты низковольтные, можно располагать очень компактно.

Но и у этой схемы есть ограничения – ток микроконтроллера не резиновый, да и блока питания тоже. Поэтому нам подойдут только те бесснабберные триаки, которым для управления хватает 10ма (это на ток нагрузки ~ 4А). Если вам такого достаточно – ну и отлично. Лично мне хватило. Но что делать если нужны более толстые триаки, с током управления 35-60ма? Честно скажу, сам не пробовал, но придумал вот такой вариант:

Тут правда тоже есть ограничение – с ростом тока надо увеличивать емкость конденсатора. Но до 60ма значения будут вменяемые, а больше вам вряд ли когда понадобится.

Что еще нужно знать

– Чтобы триак оставался включенным после управляющего импульса, это надо делать не при нулевом напряжении, а немного позже

– По тем же причинам, т.к на индуктивной нагрузке ток запаздывает, при нулевом напряжении пытаться включать триак нельзя – он все еще “на старой полу-волне”.

Надеюсь, это кому-нибудь пригодится или будет хотя бы интересным :).

Радиотехника

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.

Рис.7 Корпуса распространенных симисторов: (а) корпус Т066, (b) болтовой крепеж, (с) пластмассовый корпус Т0220.

[before] Содержание

Электронные схемы основаны на полупроводниковых элементах. В 1960 годах многие конструкторские бюро проводили работы, направленные на улучшение показателей тиристоров, которые пропускают электроток в одном направлении. В результате практических опытов на заводе «Электровыпрямитель» были разработаны и запатентованы симисторы. Особо стоит отметить тот факт, что зарубежные ученые смогли добиться подобного прорыва лишь спустя 6 месяцев. В английском языке такой полупроводниковый прибор получил название TRIAC (триак).

Устройство и принцип действия

Если взять техническое определение, то симистор это симметричный триодный тиристор: именно так расшифровывается эта аббревиатура. Основное отличие симисторов: их принцип работы, а именно способность пропускать ток в обоих направлениях. Это значительно расширяет сферу применения полупроводников, давая новые возможности для создания компактных схем управления.

Симистор представляет собой полупроводниковый прибор с пятью переходами типа n-p-n. Такая конструкция позволяет задействовать устройство в электрических цепях переменного тока. Для более понятного восприятия приведем схему, которой обычно обозначается симистор.

Как видно из предложенной схемы, симистор представляет собой трехполюсное устройство на основе полупроводников. Такой прибор имеет три вывода:

  1. Выводы Т1 и Т2 являются силовыми электродами и разделяются по полярности подключения на анод и катод;
  2. Вывод G является управляющим электродом или затвором, позволяет осуществлять управление симистором.

Как уже отмечалось, принцип работы основан на прохождении электрического сигнала в обоих направлениях. Это позволяет использовать симисторы в качестве электронного реле в любых схемах, где нужно регулировать нагрузку или прохождение тока по цепи.

Кратко рассмотрим принцип работы этого универсального устройства. Нормальное положение симистора – закрытое, то есть, ток через него не проходит.

  • На управляющий вывод G подается сигнал (напряжение). При этом сигнал может быть любой полярности: как отрицательной, так и положительной;
  • При превышении мощности сигнала определенного уровня (в зависимости от конструкции и назначения триака), происходит отпирание симистора. Это означает, что между силовыми электродами Т1 и Т2 начинает протекать ток;
  • При изменении полярности управляющего сигнала, электрический ток проходит в обратном направлении.

Обратите внимание! Еще одной особенностью симисторов является тот факт, что после отпирания устройства нет необходимости поддерживать постоянный управляющий сигнал. Симистор самостоятельно закроется после падения напряжения на силовых электродах ниже значения удержания.

Такой принцип работы симисторов получил широкое применение во всех приборах, где необходимо регулировать силу тока или напряжение: от зарядных устройств до настройки яркости освещения.

Плюсы и минусы устройства

После того как мы разобрались, что такое симистор, давайте изучим достоинства и недостатки этого управляющего прибора. К достоинствам относят:

  • Основной плюс триака – в приборе отсутствуют механические контакты. Из этого исходят остальные преимущества устройства;
  • Длительный срок эксплуатации, при этом поломки практически не случаются;
  • Принцип работы симистров исключает искрение в процессе эксплуатации даже при больших мощностях проходящего тока. Это особенно важно в релейных схемах: не создаются дополнительные радиопомехи;
  • Кроме этого, такие полупроводниковые приборы имеют невысокую стоимость.

[ads-pc-1][ads-mob-1]

Но, как и любое устройство, симметричные тиристоры не лишены некоторых минусов:

  • Значительное тепловыделение в процессе работы;
  • Чувствительность к электромагнитным помехам и шумам;
  • Неспособность работать при высоких частотах переменного тока;
  • Падение напряжения до двух вольт на приборе, находящемся в открытом состоянии. При этом этот показатель не зависит от мощности проходящего тока. Этот фактор является препятствием для применения симисторов в маломощных установках;

В то же время, симисторы при больших токах греются, что требует применения радиаторов для охлаждения корпуса. В промышленности встречается охлаждение мощных триаков активным способом – при помощи вентилятора.

В некоторых цепях возможно возникновение шумов и помех. Поэтому для подключения управляющего электрода лучше использовать экранированный провод.

Развитие технологий

Особенностью четырех-квадрантных симисторов является их ложное срабатывание, что может привести к выходу из строя. Это требовало применения дополнительной защитной цепочки, включающей различные элементы. Относительно недавно были разработаны трех-квадрантные устройства, которые обладают определенными преимуществами:

  • За счет уменьшения количества необходимых элементов, плата стала еще более компактной;
  • Как следствие, снижение потерь напряжения и уменьшение стоимости готового изделия;
  • За счет отсутствия демпфера и дросселя, стало возможным использовать симметричные тиристоры в цепях с повышенной частотой.

Также упрощение схемы позволило использовать трех-квадрантный симистор в нагревательных приборах: такая конструкция меньше греется и не реагирует на окружающую температуру.

Сфера применения

Принцип работы и компактные размеры симисторов позволяют применять их практически повсеместно. В самом начале своего появления триаки использовались при проектировании мощных трансформаторов и зарядных устройств. Сегодня же, с развитием производства небольших полупроводников, симметричные тиристоры стали значительно компактнее, что позволяет использовать их в самых различных установках и сферах.

В промышленности мощные приборы используются для управления станками, насосами и другим электрооборудованием, где требуется плавное изменение проходящего тока. В быту применение симисторов еще более обширно:

  • Это практически весь электроинструмент: от ручной дрели и шуруповерта до зарядного устройства для автомобильных аккумуляторов;
  • Многие бытовые электроприборы: пылесосы, фены, вентиляторы и так далее;
  • В бытовых компрессорных установках (кондиционеры и холодильники);
  • Электронагревательные устройства: камины, духовки, СВЧ печи.

Повсеместное применение триаков послужило толчком для разработки диммеров – популярного сегодня устройства для плавного регулирования освещения. Принцип работы механического диммера основан на использовании симистора.

Проверка симисторов

Любой даже самый долговечный прибор рано или поздно выходит из строя. Не исключением стал и симистор. Поэтому важно знать, как можно проверить триак на работоспособность, чтобы произвести его замену. Для этого можно использовать два метода.

Первый метод заключается в использовании двух аналоговых омметров. Дальнейшие измерения производятся следующим образом:

  • Щупы первого омметра подключаются к катоду и аноду симистора. Будет удобнее, если щупы зафиксировать зажимами, чтобы они не соскакивали. Если включить прибор, сопротивление будет очень велико: стрелка будет «лежать»;
  • Щупы второго омметра подключаются следующим образом: один щуп фиксируется на аноде, а вторым щупом прикасаются к управляющему электроду.

Если симметричный тиристор исправен, то произойдет его отпирание, а сопротивление на первом омметре упадет до нескольких ом.

Подобным образом можно проверять симисторы, не выпаивая их: достаточно отсоединить затвор. Далее проверка производится описанным выше методом.

Второй метод проверки подразумевает прозвонку мультиметром. Чтобы измерения оказались верными, переключатель тестера ставится в положение «проверка диодов». Затем измерительные щупы фиксируются на аноде и катоде. В случае с гладкими щупами-иглами, можно использовать переходник из проволоки. В отличие от аналогового омметра, мультиметр покажет сопротивление равное 1. Затем тонкой проволокой замыкаем анод и затвор. Произойдет отпирание полупроводника и на дисплее тестера отобразится реальное сопротивление симистора.

Теперь вы знаете, что такое симметричный тиристор, принцип его работы, способы проверки работоспособности и основные бытовые приборы, где он используется.

[after] 12795 25.04.2016Советуем к прочтению Возвратная или экологичная упаковка Пеноплекс и пенопласт: как лучшие утеплители для дома Последовательное и параллельное соединение проводников

Существует множество полупроводниковых приборов, применяющихся в электрических цепях и осуществляющих коммутацию. Среди них следует особо отметить симистор, принцип работы которого практически такой же, как и у тиристора. В области электроники симистор, по своей сути, представляет ключ, в конструкции которого содержится анод и катод. Фактически, это два тиристора, подключаемые между собой встречно и параллельно.

Как работает симистор

Когда на катод подается положительное напряжение, поступление тока производится через тиристор, расположенный с левой стороны. Если поток напряжения становится противоположным, начинается работа правого тиристора. Отпирающий сигнал и его направление регулируется с помощью специального полупроводникового слоя. Таким образом, симистор обладает лучшими качествами тиристоров.

Его полупроводники работают попеременно, когда изменяется фаза электротока. Это устройство является универсальным и применяется в цепях с постоянным и переменным током. Включение симистора осуществляется под действием возрастающей амплитуды напряжения. Когда напряжение снижается, происходит выключение устройства. Благодаря этим свойствам, регулируется нагрузка, степень накаливания и температура в различных приборах освещения и нагрева.

Положительные качества симисторов

Для управления симисторами используются токи различной полярности в четырех режимах работы. Поэтому, нередко симистор используется, как реле или электронный выключатель.

Симистор отличается длительным сроком эксплуатации, низкой стоимостью. В нем отсутствуют излишние звуки и любые ненужные контакты. Однако, данный прибор обладает повышенной чувствительностью к перегреву. При токах с высокой частотой иногда наблюдаются отказы в работе. Механические и электронные помехи могут привести к ложным срабатываниям. Для их предотвращения применяются устройства, имеющие дополнительную защиту, чтобы ограничить скорость, с которой изменяется напряжение.

Существует трехквадрантный симистор, принцип работы которого позволяет избежать самопроизвольного срабатывания. В них сокращены размеры плат и количество элементов. Эти приборы могут стабильно работать даже при очень высокой частоте.

Различные виды симисторов применяются во многих областях. Они являются составной частью электронного управления в промышленной и бытовой технике. Осуществляется диммирование света, когда источники управляются на расстоянии. Это особенно актуально для уличного освещения, театральных сцен и других аналогичных объектов.

Коммутация электрических цепей

Тиристор принцип работы

Полевой транзистор принцип работы

Твердотельное реле

Фотодиоды: принцип работы

Принцип работы транзистора

Оцените статью
Рейтинг автора
4,8
Материал подготовил
Максим Коновалов
Наш эксперт
Написано статей
127
А как считаете Вы?
Напишите в комментариях, что вы думаете – согласны
ли со статьей или есть что добавить?
Добавить комментарий