Симистор: назначение и основные характеристики, принцип работы для «чайников» и проверка в схемах

Что такое симистор (триак), как он работает, принцип действия. Где и для чего используется, как избежать ложных срабатываний, как проверить и установить.

Симметричный тиристор

Если проанализировать путь развития полупроводниковой электроники, то почти сразу становится понятно, что все полупроводниковые приборы созданы на переходах или слоях (n-p, p-n).

Простейший полупроводниковый диод имеет один переход (p-n) и два слоя.

У биполярного транзистора два перехода и три слоя (n-p-n, p-n-p). А что будет, если добавить ещё один слой?

Тогда мы получим четырёхслойный полупроводниковый прибор, который называется тиристор. Два тиристора включенные встречно-параллельно и есть симистор, то есть симметричный тиристор.

В англоязычной технической литературе можно встретить название ТРИАК (TRIAC – triode for alternating current).

Вот таким образом симистор изображается на принципиальных схемах.

Условное обозначение симистора на схемах

У симистора три электрода (вывода). Один из них управляющий. Обозначается он буквой G (от англ. слова gate – «затвор»). Два остальных – это силовые электроды (T1 и T2). На схемах они могут обозначаться и буквой A (A1 и A2).

А это эквивалентная схема симистора выполненного на двух тиристорах.

Эквивалентная схема симистора на двух тиристорах

Следует отметить, что симистор управляется несколько по-другому, нежели эквивалентная тиристорная схема.

Симистор достаточно редкое явление в семье полупроводниковых приборов. По той простой причине, что изобретён и запатентован он был в СССР, а не в США или Европе. К сожалению, чаще бывает наоборот.

Как работает симистор?

Если у тиристора есть конкретные анод и катод, то электроды симистора так охарактеризовать нельзя, поскольку каждый электрод является и анодом, и катодом одновременно. Поэтому в отличие от тиристора, который проводит ток только в одном направлении, симистор способен проводить ток в двух направлениях. Именно поэтому симистор прекрасно работает в сетях переменного тока.

Очень простой схемой, характеризующей принцип работы и область применения симистора, может служить электронный регулятор мощности. В качестве нагрузки можно использовать что угодно: лампу накаливания, паяльник или электровентилятор.

Симисторный регулятор мощности
Симисторный регулятор мощности

После подключения устройства к сети на один из электродов симистора подаётся переменное напряжение. На электрод, который является управляющим, с диодного моста подаётся отрицательное управляющее напряжение. При превышении порога включения симистор откроется, и ток пойдёт в нагрузку. В тот момент, когда напряжение на входе симистора поменяет полярность, он закроется. Потом процесс повторяется.

Чем больше уровень управляющего напряжения, тем быстрее включится симистор и длительность импульса на нагрузке будет больше. При уменьшении управляющего напряжения длительность импульсов на нагрузке будет меньше. После симистора напряжение имеет пилообразную форму с регулируемой длительностью импульса. В данном случае, изменяя управляющее напряжение, мы можем регулировать яркость электрической лампочки или температуру жала паяльника.

Симистор управляется как отрицательным, так и положительным током. В зависимости от полярности управляющего напряжения рассматривают четыре, так называемых, сектора или режима работы. Но этот материал достаточно сложен для одной статьи.

Если рассматривать симистор, как электронный выключатель или реле, то его достоинства неоспоримы:

  • Невысокая стоимость.

  • По сравнению с электромеханическими приборами (электромагнитными и герконовыми реле) большой срок службы.

  • Отсутствие контактов и, как следствие, нет искрения и дребезга.

К недостаткам можно отнести:

  • Симистор весьма чувствителен к перегреву и монтируется на радиаторе.

  • Не работает на высоких частотах, так как просто не успевает перейти из открытого состояния в закрытое.

  • Реагирует на внешние электромагнитные помехи, что вызывает ложное срабатывание.

Для защиты от ложных срабатываний между силовыми выводами симистора подключается RC-цепочка. Величина резистора R1 от 50 до 470 ом, величина конденсатора C1 от 0,01 до 0,1 мкф. В некоторых случаях эти величины подбираются экспериментально.

Цепь защиты от ложных срабатываний

Основные параметры симистора.

Основные параметры удобно рассмотреть на примере популярного отечественного симистора КУ208Г. Будучи разработан и выпущен достаточно давно, он продолжает оставаться востребованным у любителей сделать что-то своими руками. Вот его основные параметры.

  • Максимальное обратное напряжение – 400V. Это означает, что он прекрасно может управлять нагрузкой в сети 220V и ещё с запасом.

  • В импульсном режиме напряжение точно такое же.

  • Максимальный ток в открытом состоянии – 5А.

  • Максимальный ток в импульсном режиме – 10А.

  • Наименьший постоянный ток, необходимый для открытия симистора – 300 мА.

  • Наименьший импульсный ток – 160 мА.

  • Открывающее напряжение при токе 300 мА – 2,5 V.

  • Открывающее напряжение при токе 160 мА – 5 V.

  • Время включения – 10 мкс.

  • Время выключения – 150 мкс.

Как видим, для открывания симистора необходимым условием является совокупность тока и напряжения. Больше ток, меньше напряжение и наоборот. Следует обратить внимание на большую разницу между временем включения и выключения (10 мкс. против 150 мкс.).

Оптосимистор.

Современная и перспективная разновидность симистора – это оптосимистор. Название говорит само за себя. Вместо управляющего электрода в корпусе симистора находится светодиод, и управление осуществляется изменением напряжения на светодиоде. На изображении показан внешний вид оптосимистора MOC3023 и его внутреннее устройство.

Оптосимистор
Оптосимистор MOC3023

Устройство оптосимистора
Устройство оптосимистора

Как видим, внутри корпуса смонтирован светодиод и симистор, который управляется за счёт излучения светодиода. Выводы, отмеченные как N/C и NC, не используются, и не подключаются к элементам схемы. NC – это сокращение от Not Connect, которое переводится с английского как «не подключается».

Самое ценное в оптосимисторе это то, что между цепью управления и силовой цепью осуществлена полная гальваническая развязка. Это повышает уровень электробезопасности и надёжности всей схемы.

Главная &raquo Радиоэлектроника для начинающих &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

  • Как проверить диод мультиметром?

  • Как определить мощность трансформатора?

Что такое симистор?

Это один из видов тиристоров, отличающийся от базового типа большим числом p-n переходов, и как следствие этого, принципом работы (он будет описан ниже). Характерно, что в элементной базе некоторых стран данный тип считается самостоятельным полупроводниковым устройством. Эта незначительная путаница возникла вследствие регистрации двух патентов, на одно и то же изобретение.

Что такое симистор и как он выглядит — кратко

Словосочетание «симметричный триодный тиристор» на английский язык переводится как symmetrical triode thyristor. Его же именуют triode for alternationg current (триод для переменного тока). Или сокращенно — triac (триак).

Все эти названия общеприняты, они встречаются в технической литературе. Вы можете столкнуться с любым из них.

Показываю фотографиями наиболее типичные конструкции корпусов, с которыми выпускаются эти полупроводниковые приборы.

Симистор фото

На фото любого из них хорошо видно три контактных вывода. Они совместно с устройством корпуса изготавливаются под мощность номинальной нагрузки, которую должны передавать и коммутировать в режиме ключа.

Что такое ключ в электронике и электрике — образное пояснение

Сравним его работу с устройством входной двери, закрытой на замок.

Человек без ключа не сможет через нее пройти: замок надежно закрыт. Владелец квартиры и его доверенные люди имеют ключ, открывают дверь, свободно проникают в помещение.

Точно так же работают ключи в электрике, пропуская нагрузку. Только они управляются по команде и бывают трех типов:

  1. Механическими.
  2. Электромеханическими.
  3. Электронными.
Электрический ключ

Электрический ток совершает работу, например, освещает помещение. А ключ позволяет человеку управлять этим процессом за счет использования определенных технологий. Они разрешают коммутировать силовые контакты и даже выполнять дополнительные действия.

Таблица: как работает электрический ключ

Функции Вид ключа
Механический Электромеханический Электронный
Как работает Силовые контакты выключателя, переключателя, кнопки коммутируются кинематической схемой за счет манипуляций оператором Силовые контакты переключает электромагнит под действием управляющего сигнала. Силовые контакты коммутирует электронная схема под действием управляющего сигнала.
Управляющий сигнал Ручное действие Срабатывание электромагнита происходит под воздействием определенного электрического параметра нормируемой величины (уставки). Это может быть ток, напряжение, частота, мощность, фаза… Биполярный транзистор коммутируется входным управляющим напряжением. Полевой транзистор — электрическим полем, посему он так и называется. Тиристор и симистор работают от тока, протекающего через управляющий электрод.
Основное преимущество Относительная простота механизма Возможность дистанционных коммутаций за счет изменения различных электрических сигналов Кроме дистанционных переключений схемы есть регулировка выходного тока, что позволяет собирать различные регуляторы. Как пример, изменять мощность нагрузки, выставлять обороты вращения электродвигателя.

Основным недостатком механических и электромагнитных ключей является переключение силовых контактов, вынужденно разрывающих цепь нагрузки.

При этом возникает электрическая дуга, выжигающая поверхность контактирующих металлов.

Подгоревшие контакты

Она же может стать причиной пожара или взрыва горючих сред.

На предприятиях энергетики введена обязательная процедура: ежегодный внутренний осмотр всех реле, контакторов и пускателей с чисткой поверхностей контактов и прожимом контактных соединений.

Электронные ключи работают без дуги. Они имеют уменьшенные габариты, удачно вписываются внутри корпусов электроприборов.

Структура

Симистор имеет пятислойную структуру полупроводника. Упрощённо симистор можно представить в виде эквивалентной схемы из двух триодных тиристоров (тринисторов), включённых встречно-параллельно. Следует, однако, заметить, что управление симистором отличается от управления двумя встречно-параллельными тринисторами.

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. Технические характеристики симисторовВеличина 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.

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 радиаторСимистор 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 помехRC-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.

Развитие технологий

Особенностью 4-квадрантных симметричных тиристоров считается их ложное включение, что может послужить причиной к выходу из строя. Это требует использования дополнительной предохранительной цепочки, содержащей разнообразные компоненты.

Относительно недавно были изобретены 3-х-квадрантные приборы, какие обладают нужными достоинствами:

  1. За счёт снижения числа требуемых компонентов, плата сделалась ещё более малогабаритной.
  2. Как следствие, понижение потерь усилия и снижение стоимости готового продукта.
  3. При отсутствии демпфера и дросселя стало возможно применять симметричные тиристоры в цепях с высокой частотой.

А также упрощение схемы разрешило применять 3-х-квадрантный симистор в нагревательных устройствах: подобная система меньше нагревается и не реагирует на находящуюся вокруг температуру.

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.

История

К 1963 году уже были известны конструкции симисторов[2]. Мордовский научно-исследовательский электротехнический институт[3] подал заявку на авторское свидетельство на симметричный тиристор 22 июня 1963 года[4][2], то есть раньше[4], чем подана заявка на патент от американской корпорации «Дженерал электрик»[5][6].

Ссылки

  • Симисторы: от простого к сложному
  • сайт «паяльник»
  • сайт завода «Электровыпрямитель».

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 симисторовСхема 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 симисторовСхема 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).

Как избежать ложных срабатываний

Так как для срабатывания симистора достаточно небольшого потенциала, возможны ложные срабатывания. В некоторых случаях они не страшны, но могут привести и к поломке. Поэтому лучше заранее принять меры. Есть несколько способов уменьшить вероятность ложных включений:

  • Уменьшить длину линии к затвору, соединять цепь управления — затвор и Т1 — напрямую. Если это невозможно, использовать экранированный кабель или витую пару.
  • Снизить чувствительность затвора. Для этого параллельно ставят сопротивление (до 1 кОм).
    Практически во всех схемах с симисторами в цепи затвора есть резистор, уменьшающий чувствительность прибора

    Практически во всех схемах с симисторами в цепи затвора есть резистор, уменьшающий чувствительность прибора

  • Использовать триаки с высокой шумовой устойчивостью. В маркировке у них добавлена буква «Н», от «нечувствительный». Называют их «симисторы ряда «Н». Отличаются они тем, что минимальный ток перехода у них намного выше. Например, симистор BT139-600H имеет ток перехода IGT min =10mA.

Как уже говорили, симистор управляется током. Это дает возможность подключать его напрямую к выходам микросхем. Есть одно ограничение — ток не должен превышать максимально допустимый. Обычно это 25 мА.

Схема управления мощностью паяльника

В завершении приведем простую схему, позволяющую управлять мощностью паяльника.

Простой регулятор мощности для паяльникаПростой регулятор мощности для паяльника

Обозначения:

  • Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – 3,3 кОм, R3 – 20 кОм, R4 – 1 Мом.
  • Емкости: С1 – 0,1 мкФ х 400В, С2 и С3 — 0,05 мкФ.
  • Симметричный тринистор BTA41-600.

Приведенная схема настолько простая, что не требует настройки.

Теперь рассмотрим более изящный вариант управления мощностью паяльника.

Схема управления мощностью на базе фазового регулятораСхема управления мощностью на базе фазового регулятора

Обозначения:

  • Резисторы: R1 – 680 Ом, R2 – 1,4 кОм, R3 — 1,2 кОм, R4 и R5 – 20 кОм (сдвоенное переменное сопротивление).
  • Емкости: С1 и С2 – 1 мкФ х 16 В.
  • Симметричный тринистор: VS1 – ВТ136.
  • Микросхема фазового регулятора DA1 – KP1182 ПМ1.

Настройка схемы сводится к подбору следующих сопротивлений:

  • R2 – с его помощью устанавливаем необходимую для работы минимальную температуру паяльника.
  • R3 – номинал резистора позволяет задать температуру паяльника, когда он находится на подставке (срабатывает переключатель SA1),

Борьба с шумами

Представленная на рис. 3 схема цифрового термостата предполагает наличие идеального сетевого питания. В реальной сети имеются достаточно сильные помехи, которые могут сказаться на функционировании микроконтроллера. Особенно опасны шумы мегагерцового диапазона, амплитуда которых может достигать десятков киловольт. Если при разработке схемы учесть этот факт и принять ряд несложных мер, то это сэкономит много сил и времени при отладке. Создание надежного сетевого устройства предполагает изолирование микроконтроллера от высокочастотных шумов. Это относится не только к цепям питания, но и к остальным выводам контроллера. На рис. 5 представлена модификация схемы с учетом данных рекомендаций.

Рис. 5. Защищенное от шумов устройство

Рис. 5. Защищенное от шумов устройство

Первое, на что следует обратить внимание, это фильтр по цепи питания микроконтроллера (C3, R4 и R5). Получены две «земли» — одна для цифровой части схемы, другая — для зашумленной аналоговой.

Второе — защита выводов микроконтроллера с помощью ФНЧ (GP2, GP3). В них рекомендуется использовать керамические конденсаторы.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...
Лазерные станки