Что такое симистор (триак)

Принцип фазного регулирования мощности

Основное применение симисторов — регулирование мощности в цепях переменного тока. В таких регуляторах используется принцип фазного регулирования. Принцип состоит в том, что ключ отключает нагрузку на определенную долю полупериода синусоидального тока сети.

В результате на нагрузку передается обрезанная синусоида тока. Меняя длительность открытого состояния ключа, можно управлять величиной мощности и действующим значением напряжения на нагрузке.

Такие схемы используются в регуляторах яркости ламп накаливания — диммерах, регуляторах мощности нагревательных приборов, схемах плавного пуска электродвигателей.

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.

Симисторы: принцип работы, проверка и включение, схемы

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

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 резистораR1 от 50 до 470 ом, величина конденсатораC1 от 0,01 до 0,1 мкф. В некоторых случаях эти величины подбираются экспериментально.

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 MOC3023

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:

Практические примеры для повторения

Наибольшей популярностью среди радиолюбителей пользуются схемы, предназначенные для управления яркостью светильника и изменения мощности паяльника. Такие схемы просты для повторения и могут собираться без использования печатных плат простым навесным монтажом.

Схемы, выполненные самостоятельно, ничем не уступают по работоспособности заводским, так как не требуют настроек и при исправных радиодеталях сразу готовы к использованию. В случае отсутствия возможности или желания изготовить прибор своими руками с «нуля», можно приобрести наборы для самостоятельного изготовления. Такие комплекты содержат все необходимые радиоэлементы, печатную плату и схему с инструкцией по сборке.

Доминирующая схема

Такой прибор проще всего собрать на тиристоре. Работа схемы основана на способности открывания тиристора при прохождении входной синусоиды через ноль, в результате чего сигнал обрезается, и величина напряжения на нагрузке изменяется.

Схема для повторения тиристорного регулятора мощности построена на использовании тиристора VS1, в качестве которого используется КУ202Н. Это радиоэлемент изготавливается из кремния и имеет структуру p-n-p типа. Применяется в качестве симметричного переключателя сигналов средней мощности и коммутации силовых цепей на переменном токе.

При подаче напряжения 220в входной сигнал выпрямляется и поступает на конденсатор C1. Как только значение падения напряжения на C1 сравняется с величиной разности потенциалов, в точке между сопротивлениями R3 и R4 биполярные транзисторы VT1 и VT2 открываются. Уровень напряжения ограничивается стабилитроном VD1. Сигнал поступает на управляющий вывод КУ202Н, а конденсатор C1 разряжается. При возникновении сигнала на управляющем выводе тиристор отпирается. Как только конденсатор разрядится, VT1 и VT2 закрываются, соответственно запирается и тиристор. При следующем полупериоде входного сигнала всё повторяется вновь.

Такой регулятор возможно использовать не только как диммер, но и для управления мощностью коллекторного двигателя. Доминирующая схема может работать при токах до 10 ампер, эта величина напрямую зависит от характеристик используемого тиристора, при этом он обязательно устанавливается на радиатор.

Контроллер нагрева паяльника

Управление мощностью паяльника не только положительно сказывается на сроке его службы, предотвращая жало и внутренние его элементы от перегревания, но и позволяет выпаивать радиоэлементы, критичные к температуре устройства.

Приборы для контроля температуры паяльника выпускаются давно. Одним из его видов был отечественный прибор, выпускающийся под названием «Добавочное устройство для электропаяльника типа П223». Он позволял подключать низковольтный паяльник к сети 220В.

Проще всего выполняется регулятор для паяльника с применением симистора КУ208Г.

Силовые контакты подключаются последовательно к нагрузке. Поэтому ток, протекающий через симистор, совпадает с током нагрузки. Для управления ключевым режимом применяется динистор VS2. Конденсатор C1 заряжается через резисторы: R1 и R2. Индикация работы организовывается под средством VD1 и светодиода LED. Из-за того, что для изменения напряжения на конденсаторе требуется время, образуется сдвиг фаз между сетевым и конденсаторным напряжением. Изменяя величину сопротивления R2, регулируется величина фазового сдвига. Чем дольше конденсатор заряжается, тем меньше находится в открытом состоянии симистор, а значит и значение мощности ниже.

Такой регулятор рассчитан на подключение нагрузки с мощностью до 300 ватт. При использовании паяльника с мощностью более 100 ватт симистор следует устанавливать на радиатор. Изготовленная плата с лёгкостью помещается на текстолите размером 25х30 мм и свободно размещается во внутренней сетевой розетке.

Originally posted 2018-07-04 07:13:04.

Принцип работы

Радиотехнический термин thyristor составлен из двух частей. В начале употреблено слово thyra, что означает на греческом языке «дверь» или «вход». Затем использовано окончание английского слова resistor, которое переводится как «сопротивление».

Тиристором называется полупроводниковое устройство, где на базе монокристалла собираются более двух p — n переходов. Суть электронно-дырочного соединения пары химических элементов — так расшифровывается понятие «p — n переход» — состоит в том, что при подключении прямого тока на выводах появляется разность потенциалов. При обратном токе совершается блокировка носителей заряда.

В устройство коммутируется сигнальный контакт, назначение которого состоит в управлении током пробоя границы разнозаряженных зон. На электрических схемах обозначение тиристора почти совпадает со значком диода. Различие состоит в том, что к катодному выводу пририсована стрелка управляющего электрода.

Конструкция прибора

Полупроводниковый прибор представляет собой структуру, которую образуют четыре слоя разной полярности, соединённых последовательно. Образуется цепочка p — n — p — n типа. К наружному слою с положительным зарядом подключён анодный вывод, к отрицательному полупроводнику — катод. К внутренним прослойкам допустимо присоединение до двух управляющих контактов.

Основообразующим элементом тиристора является кристалл кремния с заданной толщиной. Для формирования p-слоя применяются примеси бора и алюминия. Чтобы получить n-область используется фосфор. Нанесение добавок происходит с помощью диффузионной технологии. При температуре от 1000° C до 1300° C создаётся переходный слой глубиной 60 Мкм.

Внешний вид современных устройств непохож на детали, изготовленные два десятка лет назад. Раньше они выглядели как «летающие тарелки». Минусовый электрод и сигнальный контакт располагались на торце, а анодный вывод устанавливался с противоположной стороны или сбоку изделия. Сейчас тиристор представляет собой небольшой пластмассовый коробок с тремя электродами внизу. Расположение контактов указывается в описании устройства.

Режимы работы

Принцип действия тиристора характеризуется работой в двух устойчивых состояниях. Положение «закрыто» свидетельствует о низкой проводимости. Значение «открыто» указывает высокую электропроводность.

Как работает тиристор, для чайников объяснит диаграмма зависимости силы тока от напряжения. В исходной позиции полупроводниковый элемент заперт.

Но стоит подать ток на управляющий вывод, как тиристор откроется. В этот момент линейный отрезок на графике круто изменяет угол наклона, близкий к вертикальному положению. От величины сигнального тока зависит уровень пробойного напряжения. Вольт-амперная характеристика объясняет, зачем требуется применение управляющего электрода. После обнуления командного сигнала устройство останется открытым, пока напряжение не уменьшится до уровня удержания.

Работа транзистора также основана на взаимодействии p — n переходов. От полупроводникового триода, который, как вентиль, плавно регулирует напряжение, тиристорный элемент отличается скачкообразным ростом разности потенциалов после появления сигнала управления. Своеобразный электронный ключ по команде открывает дорогу питанию электрической цепи.

Принцип работы симистора

Симистор — это прибор, структура которого соответствует двум тиристорам с разной проводимостью, соединенных встречно-параллельно. Это ясно видно из их условного графического обозначения.

Обозначение симистора.

Вольт-амперная характеристика, в отличие от тиристора, симметрична.

Симистор проводит ток в обоих направлениях, в отличие от тиристора. В остальном его поведение аналогично.

Как и тиристор, симистор является электронным ключом, управляемым током, так же, как и транзисторный ключ, но в отличие от транзисторного ключа, симисторный (и тиристорный) остается в открытом состоянии и после снятия управляющего сигнала, пока ток через него превышает некоторое минимальное значение, называемое током удержания.

Плюсы и минусы в использовании

Симисторы обладают следующими достоинствами:

• относительно небольшая стоимость прибора;
• увеличенный срок службы;
• отсутствие механических контактов.

При использовании симисторов в релейных схемах благодаря отсутствию механических контактов не бывает искрения, являющегося источником радиопомех.

Недостатки прибора:

• для защиты от перегрева прибора необходимо использовать радиатор;
• чувствительность к переходным процессам;
• не работает на больших частотах;
• чувствителен к помехам и шумам.

Особенностью симистора является то, что падение напряжения на приборе в открытом состоянии не зависит от протекающего тока и составляет около 2 В.

Поэтому без теплоотвода симисторы могут быть использованы только при малых нагрузках. В противном случае необходимо использовать радиатор. При этом наилучшим способом крепления симистора к радиатору является крепление с помощью винта.

При высокой скорости изменения переключаемого симистором напряжения может возникать эффект самопроизвольного включения прибора без наличия управляющего напряжения. Это может привести к разрушению устройства. Причиной резкого повышения скорости изменения напряжения может быть появление помехи или выбросы напряжения при работе с нагрузкой, имеющей индуктивный характер. Для предотвращения разрушения симистора в таких случаях рекомендуется включение шунтирующей RC цепочки.

В некоторых цепях возможно появление электрических помех и шумов. Если напряжение этих шумов на затворе достигнет значения включения, то симистор может сработать в неподходящий момент. Для предотвращения этого рекомендуется уменьшить длину проводов, ведущих к затвору или заменить их экранированным кабелем. Кроме того, для уменьшения влияния шумов между затвором и электродом МТ1 можно включить резистор величиной в 1 кОм.

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.

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.

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.

Схема управления мощностью паяльника

В завершении приведем простую схему, позволяющую управлять мощностью паяльника.

Простой 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 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),

Тестирование элемента

Существует несколько способов проверки симистора на работоспособность. Для самого простого понадобится только лишь мультиметр, а для более сложных измерений — автономный источник питания или тестовая схема.

С помощью тестера проверка происходит с использованием знаний, основанных на принципе работы симистора. Диагностика мультиметром не сможет определить все характеристики элемента, но вполне достаточной будет для первичного тестирования работоспособности.

Простую проверку можно осуществить, используя лампочку и элемент питания. Для этого одна клемма батарейки подключается на управляющие и рабочие выводы симистора, а вторая — на цоколь лампочки. Вывод элемента соединяется с центральным контактом осветителя. В этом случае переход должен быть открыт, тогда лампочка загорится.

Проверка тестером

Для проведения тестов подойдёт прибор любого типа действия, но при этом необходимо, чтобы значения выдаваемого им тока хватило для переключения элемента. Поэтому более предпочтительным будет использование аналогового прибора. Например, чтобы проверить тестером BTB12-800CW, понадобится обеспечить ток порядка 30 мА, а для BTB16-700BW этот показатель должен быть равен 15 мА.

Также понадобится обратить внимание на состояние батарейки, стоящей в тестере. В цифровом устройстве на экране не должен высвечиваться значок замены батарейки, а в аналоговом при закорачивании щупов друг на друга стрелка должна указывать на ноль

Суть измерения сводится к проверкам переходов прибора. Для этого тестер переключается в режим прозвонки сопротивлений на самый маленький диапазон. Выполнять проверку лучше всего в следующей последовательности:

1. Измерительные щупы подключаются к силовым выводам симистора T1 и T2. Если радиоэлемент исправен, то мультиметр должен показать бесконечно большое сопротивление.
2. Меняется полярность приложенного сигнала на рабочих выводах. Для этого измерительные щупы переставляются. Сопротивление также должно быть большим.
3. Кратковременно соединяется рабочий вывод T1 или T2 и управляющий электрод G.
4. Снова измеряется сопротивление перехода между T1 и T2. В одну сторону оно должно измениться. Так, для BTB12-800CW оно составит около 50 Ом.
5. Изменяется полярность. При этом импеданс перехода должен быть большим, что соответствует отсутствию обратного пробоя.

Использование схемы

Существует множество различных схем, использующихся радиолюбителями для тестирования работоспособности триака. Но лучше применять универсальную схему, способную проверить любой элемент тиристорного семейства, например, BTB16-700BW. Она не нуждается в настройке и работает сразу после сборки. Для того чтобы её собрать, понадобятся следующие элементы:

1. Резисторы R1—R4 470 Ом, R4—R5 1 кОм.
2. Конденсаторы С1 и С2 — 100 мкФ х 6,5 В.
3. Диоды VD1, VD2, VD5 и VD6 — 2N4148; VD2 и VD3 — АЛ307.

В качестве источника питания можно использовать батарейку типа КРОНА.

Суть измерений сводится к следующим действиям: переключатель S3 переставляется в верхнее положение, в результате на устройство подаётся питание. После этого кратковременным нажатием на кнопку S2 подаётся ток на управляющий вывод элемента.

Если BTB16-700BW рабочий, то его переход должен открыться, о чём просигнализирует светодиод VD3. Затем переключатель устанавливается в среднее положение, светодиод должен погаснуть. На следующем этапе S3 переключается в нижнее положение, и нажимается кнопка S2. Результатом этих действий будет загорание светодиода VD4. Такое поведение симистора позволит со стопроцентной уверенностью заявить о его работоспособности.

Проверить симистор не так уж и сложно, особенно если использовать тестер, хотя лучше собрать специальную схему. Но при этом стоит отметить, что из-за высокой чувствительности триаков к току переключения в качестве мультиметров лучше применять стрелочные приборы.

Виды тиристоров и их особые свойства

Полупроводниковые технологии все еще разрабатываются и совершенствуются. За несколько десятилетий появились новые разновидности тиристоров, которые имеют некоторые отличия.

• Динисторы или диодные тиристоры. Отличаются тем, что имеют только два вывода. Открываются подачей на анод и катод высокого напряжения в виде импульса. Называют еще «неуправляемые тиристоры».
• Тринисторы или триодные тиристоры. В них есть управляющий электрод, но управляющий импульс может подаваться:
  • На управляющий выход и катод. Название — с управлением катодом.
  • На управляющий электрод и анод. Соответственно — управление анодом.

Тиристоры могут управляться как с анода, так и с катода

Есть также разные виды тиристоров по способу запирания. В одном случае достаточно уменьшения анодного тока ниже уровня тока удержания. В другом случае — подается запирающее напряжение на управляющий электрод.

По проводимости

Мы говорили, что проводят тиристоры ток только в одном направлении. Обратной проводимости нет. Такие элементы называют обратно-непроводящие, но существуют не только такие. Есть и другие варианты:

• Имеют невысокое обратное напряжение, называются обратно-проводящие.
• С ненормируемой обратной проводимостью. Ставят в схемах, где обратное напряжение возникнуть не может.
• Симисторы. Симметричные тиристоры. Проводят ток в обоих направлениях.

Различают в основном, по типу проводимости и способу управления

Тиристоры могут работать в режиме ключа. То есть при поступлении импульса управления подавать ток на нагрузку. Нагрузка, в этом случае, рассчитывается исходя из напряжения в открытом виде. Надо также учитывать наибольшую рассеиваемую мощность. Вот в этом случае лучше выбирать металлические модели в виде «летающей тарелки». К ним удобно приделывать радиатор — для более быстрого охлаждения.

Классификация по особым режимам работы

Еще можно выделить следующие подвиды тиристоров:

• Запираемые и незапираемые. Принцип работы тиристора незапираемого немного другой. Он находится в открытом состоянии когда плюс приложен к аноду, минус — на катоде. Переходит в закрытое состоянии при смене полярности.
• Быстродействующие. Имеют малое время перехода из одного состояния в другое.
• Импульсные. Очень быстро переходит из одного состояние в другое, используется в схемах с импульсными режимами работы.

Основное назначение — включение и выключение мощной нагрузки при помощи маломощных управляющих сигналов

Основная область использования тиристоров — в качестве электронного ключа, служащего для замыкания и размыкания электрической цепи. В общем много привычных устройств построены на тиристорах. Например, гирлянда с бегущими огнями, выпрямители, импульсные источники тока, выпрямители и многие другие.