В 1963 году у многочисленного семейства тринисторов появился еще один "родственник" – симистор. Чем же он отличается от своих «собратьев» – тринисторов (тиристоров)? Вспомните о свойствах этих приборов. Их работу часто сравнивают с действием обычной двери: прибор заперт – ток в цепи отсутствует (дверь закрыта – прохода нет), прибор открыт – в цепи возникает электрический ток (дверь отворилась – входите). Но у них есть общий недостаток. Тиристоры пропускают ток только в прямом направлении — так обычная дверь легко открывается "от себя", но сколько ни тяни ее на себя — в противоположную сторону, все усилия окажутся бесполезными.
Увеличив число полупроводниковых слоев тиристора с четырех до пяти и снабдив его управляющим электродом, ученые обнаружили, что прибор с такой структурой (названный впоследствии симистором) способен пропускать электрический ток как в прямом, так и в обратном направлениях.
Посмотрите на рисунок 1, изображающий строение полупроводниковых слоев симистора. Внешне они напоминают транзисторную структуру р- n -р типа, но отличаются тем, что имеют три дополнительные области с n -проводимостью. И вот что интересно: оказывается, две из них, расположенные у катода и анода, выполняют функции только одного полупроводникового слоя — четвертого. Пятый образует область с n -проводимостью, лежащая около управляющего электрода.
Ясно, что работа такого прибора основана на более сложных физических процессах, чем у других типов тиристоров. Чтобы лучше разобраться в принципе действия симистора, воспользуемся его тиристорным аналогом. Почему именно тиристорным? Дело в том, что разделение четвертого полупроводникового слоя симистора не случайно. Благодаря такой структуре при прямом направлении тока, протекающего через прибор, анод и катод выполняют свои основные функции, а при обратном они как бы меняются местами — анод становится катодом, а катод, наоборот, анодом, то есть симистор можно рассматривать как два встречно-параллельно включенных тиристора (рис. 2).
Тринисторный аналог симистора
Представим, что на управляющий электрод подан отпирающий сигнал. Когда на аноде прибора напряжение положительной полярности, а на катоде — отрицательной, электрический ток потечет через левый по схеме тринистор. Если полярность напряжения на силовых электродах поменять на противоположную, включится правый по схеме тринистор. Пятый полупроводниковый слой, подобно регулировщику, руководящему движением автомобилей на перекрестке, направляет отпирающий сигнал, зависимости от фазы тока на один из тринисторов. При отсутствии отпирающего сигнала симистор закрыт.
В целом его действие можно сравнить, например, с вращающейся дверью на станции метро — в какую сторону ни толкни ее, она обязательно откроется. Действительно, подадим отпирающее напряжение на управляющий электрод симистора — "подтолкнем" его, и электроны, словно спешащие на посадку или выход пассажиры, потекут через прибор в направлении, диктуемом полярностью включения анода и катода.
Этот вывод подтверждается и вольтамперной характеристикой прибора (рис. 3). Она состоит из двух одинаковых кривых, повернутых относительно друг друга на 180°. Их форма соответствует вольтамперной характеристике динистора, а области непроводящего состояния, как и у тринистора, легко преодолеваются, если на управляющий электрод подать отпирающее напряжение (изменяющиеся участки кривых показаны штриховыми линиями).
Благодаря симметричности вольтамперной характеристики новый полупроводниковый прибор был назван симметричным тиристором (сокращенно — симистор). Иногда его называют триаком (термин, пришедший из английского языка).
Симистор унаследовал от своего предшественника — тиристора все его лучшие свойства. Но самое главное достоинство новинки в том, что в ее корпусе расположили сразу два полупроводниковых прибора. Судите сами. Для управления цепью постоянного тока необходим один тиристор, для цепи переменного тока приборов должно быть два (включены встречно-параллельно). А если учесть, что для каждого из них нужен отдельный источник отпирающего напряжения, который к тому же должен включать прибор точно в момент изменения фазы тока, становится ясно, каким сложным будет такой управляющий узел. Для симистора же род тока не имеет значения. Достаточно лишь одного такого прибора с источником отпирающего напряжения, и универсальное управляющее устройство готово. Его можно использовать в силовой цепи постоянного или переменного тока.
Близкое родство тиристора и симистора привело к тому, что у этих приборов оказалось много общего. Так электрические свойства симистора характеризуются теми же параметрами, что и у тиристора. Маркируются они тоже одинаково — буквами КУ, трехзначным числом и буквенным индексом в конце обозначения. Иногда симисторы обозначают несколько иначе — буквами ТС, что означает "тиристор симметричный".
Условное графическое обозначение симисторов на принципиальных схемах показано на рисунке 4.
Для практического знакомства с симисторами выберем приборы серии КУ208 — триодные симметричные тиристоры п-р-п-р типа. На разновидности приборов указывают буквенные индексы в их обозначении — А, Б, В или Г. Постоянное напряжение, которое выдерживает в закрытом состоянии симистор с индексом А, составляет 100 В, Б — 200 В, В — 300 В и Г — 400 В. Остальные параметры у этих приборов идентичные: максимальный постоянный ток в открытом состоянии — 5 А, импульсный —10 А, ток утечки в закрытом состоянии — 5 мА, напряжение между катодом и анодом в проводящем состоянии — -2 В, величина отпирающего напряжения на управляющем электроде равна 5 В при токе 160 мА, рассеиваемая корпусом прибора мощность— 10 Вт, предельная рабочая частота — 400 Гц.
А теперь обратимся к электроосветительным приборам. Нет ничего проще управлять работой любого из них. Нажал, к примеру, клавишу выключателя — ив комнате загорелась люстра, нажал еще раз — погасла. Иногда, правда, это достоинство неожиданно превращается в недостаток, особенно если вы хотите сделать свою комнату уютной, создать ощущение комфорта, а для этого так важно удачно подобрать освещение. Вот если бы свечение ламп менялось плавно.
Читать также: Правила работы с мегаомметром по новым правилам
Оказывается, в этом нет ничего невозможного. Нужно только вместо обычного выключателя подсоединить электронное устройство, управляющее яркостью светильника. Функции регулятора, "командующего" лампами, в таком приборе выполняет полупроводниковый симистор.
Построить простое регулирующее устройство, которое поможет управлять яркостью свечения настольной лампы или люстры, изменять температуру электроплитки или жала паяльника, вы сможете, воспользовавшись схемой, представленной на рисунке 5.
Рис. 5. Принципиальная схема регулятора
Трансформатор Т1 преобразует сетевое напряжение 220 В в 12 — 25 В. Оно выпрямляется диодным блоком VD1—VD4 и подается на управляющий электрод симистора VS1. Резистор R1 ограничивает ток управляющего электрода, а переменным резистором R2 регулируют величину управляющего напряжения.
Рис. 6. Временные диаграммы напряжения: а – в сети; б – на управляющем электроде симистора, в – на нагрузке.
Чтобы легче было разобраться в работе прибора, построим три временные диаграммы напряжений: сетевого, на управляющем электроде симистора и на нагрузке (рис. 6). После включения устройства в сеть на его вход поступает переменное напряжение 220 В (рис. 6а). Одновременно на управляющий электрод симистора VS1 подается отрицательное напряжение синусоидальной формы (рис. 66). В момент, когда его величина превысит напряжение включения, прибор откроется и сетевой ток потечет через нагрузку. После того как величина управляющего напряжения станет ниже пороговой, симистор остается открытым за счет того, что ток нагрузки превышает ток удержания прибора. В тот момент, когда напряжение на входе регулятора меняет свою полярность, симистор закрывается. Далее процесс повторяется. Таким образом, напряжение на нагрузке будет иметь пилообразную форму (рис. 6в)
Чем больше амплитуда управляющего напряжения, тем раньше включится симистор, а следовательно, больше будет и длительность импульса тока в нагрузке. И наоборот, чем меньше амплитуда управляющего сигнала, тем меньше будет длительность этого импульса. При крайнем левом по схеме положении движка переменного резистора R2 нагрузка станет поглощать полные «порции» мощности. Если регулятор R2 повернуть в противоположную сторону, амплитуда управляющего сигнала окажется ниже порогового значения, симистор останется в закрытом состоянии и ток через нагрузку не потечет.
Нетрудно догадаться, что наш прибор регулирует мощность, потребляемую нагрузкой, изменяя тем самым яркость свечения лампы или температуру нагревательного элемента.
В устройстве можно применить следующие элементы. Симистор КУ208 с буквой В или Г. Диодный блок КЦ405 или КЦ407 с любым буквенным индексом, подойдут также четыре полупроводниковых диода серий Д226, Д237. Постоянный резистор — МЛТ-0,25, переменный — СПО-2 или любой другой мощностью не менее 1 Вт. ХР1 — стандартная сетевая вилка, XS1 — розетка. Трансформатор Т1 рассчитан на напряжение вторичной обмотки 12—25 В.
Если подходящего трансформатора нет, изготовьте его самостоятельно. Сердечник из пластин Ш16, толщина набора 20 мм, обмотка I содержит 3300 витков провода ПЭЛ-1 0,1, а обмотка II — 300 витков ПЭЛ-1 0,3.
Тумблер — любой сетевой, предохранитель должен быть рассчитан на максимальный ток нагрузки.
Регулятор собирается в пластмассовом корпусе. На верхней панели крепятся тумблер, переменный резистор, держатель предохранителя и розетка. Трансформатор, диодный блок и симистор устанавливаются на дне корпуса. Симистор необходимо снабдить теплорассеивающим радиатором толщиной 1 — 2 мм и площадью не менее 14 см2. В одной из боковых стенок корпуса просверлите отверстие для сетевого шнура.
Устройство не нуждается в налаживании и при правильном монтаже и исправных деталях начинает работать сразу после включения в сеть.
ПОЛЬЗУЯСЬ РЕГУЛЯТОРОМ, НЕ ЗАБЫВАЙТЕ О МЕРАХ БЕЗОПАСНОСТИ. ВСКРЫВАТЬ КОРПУС МОЖНО, ТОЛЬКО ОТКЛЮЧИВ ПРИБОР ОТ СЕТИ!
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.
Содержание:
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.
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.
Читать также: Как поднять просевший угол деревянного дома
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:
- Использовать стрелочный омметр или тестер (их силы тока будет достаточно для срабатывания).
- Собрать специальную схему.
Алгоритм проверки омметром:
- Подключаем щупы прибора к выводам T1 и T2 (A1 и A2).
- Устанавливаем кратность на омметре х1.
- Проводим измерение, положительным результатом будет бесконечное сопротивление, в противном случае деталь «пробита» и от нее можно избавиться.
- Продолжаем тестирование, для этого кратковременно соединяем выводы T2 и G (управляющий). Сопротивление должно упасть примерно до 20-80 Ом.
- 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:
- Устанавливаем переключатели в исходное положение (соответствующее схеме).
- Производим нажатие на SB1, тестируемое устройство открывается, о чем сигнализирует лампочка.
- Жмем SB2, лампа гаснет (устройство закрылось).
- Меняем режим переключателя SA1 и повторяем нажатие на SB1, лампа снова должна зажечься.
- 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.
Читать также: Lm358 схема включения в зарядном устройстве
Тестирование тринисторов производится следующим образом:
- Переключатель S3, переводится в положении, как продемонстрировано на схеме (см. рис. 6).
- Кратковременно производим нажатие на кнопку S2, тестируемый элемент откроется, о чем просигнализирует светодиод VD
- Меняем полярность, устанавливая переключатель S3 в среднее положение (отключается питание и гаснет светодиод), потом в нижнее.
- 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).
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),
Транзисторы – распространенные полупроводниковые радиоэлементы. На их основе делают большинство электронных схем, а также микросхем. Главное их свойство – способность усиливать электрические сигналы. Изменяя слабый сигнал на управляющем электроде транзистора, можно управлять усиленным выходным сигналом. Есть еще довольно распространенный вид полупроводниковых радиоэлементов — тиристоры. Они тоже имеют управляющий электрод, но управление выходным сигналом в принципе отличается от транзисторов. В этой небольшой статье путем сравнения рассмотрены эти различия.
За основу возьмем простую схему с лампочкой. Коммутируя малый ток в цепи управляющего электрода будем управлять в разы большим током лампочки.
Вот как выглядит эта схема на транзисторе и на тиристоре:
Рассмотрим, как можно управлять свечением лампочки в схеме на транзисторе. При наличии питания и замыкании выключателя S1 на управляющий электрод транзистора (базу) будет подано отпирающее напряжение и при условии достаточной величины тока (определяется величиной сопротивления в базе) транзистор откроется, лампочка загорится.
Изменяя величину тока в базе с помощью переменного сопротивления, мы можем открывать транзистор больше или меньше, меняя таким образом яркость свечения лампочки. Последовательно с переменным сопротивлением стоит постоянное для того, чтобы при нулевом сопротивлении переменного сопротивления ток базы не превысил допустимое значение и транзистор не вышел из строя. Выключить лампочку мы можем, разомкнув выключатель S1.
Теперь рассмотрим, как можно управлять свечением лампочки в схеме, выполненной на тиристоре.
При наличии питания и замыкании выключателя S2 на управляющий электрод тиристора будет подано отпирающее напряжение и при условии достаточной величины тока (определяется величиной сопротивления в цепи управляющего электрода) тиристор откроется, лампочка загорится. А вот теперь главное отличие. Мы не можем изменять яркость лампочки изменяя сопротивление в цепи управляющего электрода. Более того, мы можем вообще разомкнуть выключатель S2 и лампочка будет светиться, но только в том случае, если ток лампочки протекающий через открытый тиристор будет больше определенного значения, называемого током удержания. Он у каждого типа тиристора свой. Чем мощнее тиристор, тем большее значение тока удержания. Погасить лампочку мы можем, только уменьшив ток через анод-катод тиристора до значения меньше тока удержания или разомкнув выключатель S3 (что равносильно току удержания равном 0).
Это главная особенность применения тиристоров и главное их отличие от транзисторов.
Другими словами, тиристор может быть или полностью открыт, или полностью закрыт. Это и достоинство, и недостаток. Достоинство в том, что падение напряжения небольшое и потери ниже, чем, например, у наполовину открытого транзистора. Недостаток в том, что схема управления усложняется.
Тиристоры проще использовать в цепях переменного тока. Мы должны открывать тиристор каждую полуволну при ее нарастании. Когда полуволна спадает, тиристор сам закроется. Задерживая время открывания при приходе полуволны, мы меняем время открытого состояния тиристора и, следовательно, значение тока в нагрузке.
Как пример, рассмотрим питание схемы на тиристоре от источника переменного напряжения.
Теперь, при замыкании выключателя лампочка будет гореть, а при размыкании, гаснуть. Как видно из осциллограммы, каждую полуволну, в ее конце ток приближается к 0. Если выключатель S2 разомкнут, то с приходом новой полуволны тиристор не откроется.
Тиристоры целесообразно использовать в цепях переменного или импульсного напряжения (тока). При этом на управляющий электрод достаточно подать короткий отпирающий импульс. Закроется тиристор сам, после окончания импульса в нагрузке. При приходе следующего импульса в нагрузке на управляющий электрод снова нужно подавать отпирающий импульс и так далее.
Материал статьи продублирован на видео:
Похожие записи:
- Давление в гидроаккумуляторе 100 литров на холодную
- Из чего делают слесарные тиски
- Как промыть масляный бачок цепной электропилы калибр
- Как уменьшить обороты двигателя от стиральной машины
