Как работает симистор, понятное объяснение

Начнём с того, что симистор, по сути, является подвидом, разновидностью тиристора. Это трёх электродный полупроводниковый прибор. Очень выгодно отличается от побратима, он симметричный. Заморское название радиокомпонента- triac.

Его использование в цепях переменного тока, весьма тривиально, он является коммутационным аппаратом, электронным ключом, переключателем. Он способен пропускать ток в обоих направлениях, тем заметно увеличил область своего применения.

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.

Также 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.

Симистор

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.

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.

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

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:

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.

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

Читайте также  Схемы подключения реле времени


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.

Схема и символ симистора

Теперь мы знаем, что «триак» — это четырехслойное PNPN в положительном направлении и NPNP в отрицательном направлении, трехполюсное двунаправленное устройство, которое блокирует ток в своем состоянии «ВЫКЛ», действующее как выключатель разомкнутой цепи, но в отличие от обычного тиристора, симистор может проводить ток в любом направлении при срабатывании одним импульсом затвора. Тогда симистор имеет четыре возможных режима срабатывания следующим образом.

  • Mode + Mode = положительный ток MT 2 (+ ve), положительный ток затвора (+ ve)
  • Mode — Mode = положительный ток MT 2 (+ ve), отрицательный ток затвора (-ve)
  • Mode + Mode = MT 2 отрицательный ток (-ve), положительный ток затвора (+ ve)
  • Mode — Mode = отрицательный ток MT 2 (-ve), отрицательный ток затвора (-ve)

И эти четыре режима, в которых может работать триак, показаны с использованием кривых характеристик триака IV.

Область применения

Характеристики, небольшая стоимость и простота устройства позволяет успешно применять симисторы в промышленности и быту. Их можно найти:

  1. В стиральной машине.
  2. В печи.
  3. В духовках.
  4. В электродвигателе.
  5. В перфораторах и дрелях.
  6. В посудомоечной машине.
  7. В регуляторах освещения.
  8. В пылесосе.

На этом перечень, где используется этот полупроводниковый прибор, не ограничивается. Применение рассматриваемого проводникового прибора осуществляется практически во всех электроприборах, что только есть в доме. На него возложена функция управления вращением приводного двигателя в стиральных машинках, они используются на плате управления для запуска работы всевозможных устройств – легче сказать, где их нет.

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.

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.

Полупроводниковая структура симистора

Структура симистора состоит из пластины, состоящей из чередующихся слоев с электропроводностями p- и n- типа и из контактов электродов основного и управляющего действия.

. Всего в структуре полупроводника содержится пять слоев p- и n-типа. Область между слоями называется p-n-переходом, который обладает нелинейной ВАХ с небольшим сопротивлением в обратном направлении, где минус – это n-слой, а плюс – p-слой и высокое значение сопротивления в обратном направлении. Пробой p-n-перехода происходит при напряжении равном несколько тысяч вольт.

Во время включения симистора в прямом направлении в работу вступает правая половина структуры. Левая область структуры выключена, она считается для тока, с обладанием очень высоким сопротивлением. Характеристики симистора динамического и статического плана при его действии в прямом направлении, при поступлении положительного управляющего сигнала соответствуют аналогичным характеристикам тиристора, работающего в прямом направлении.

Рис. №4. Структура симистора, включенного в обратном направлении. По этой схеме к СЭУ прилагается напряжение со знаком плюс, относительно СЭ, а pn-переходы j2 и j4 подключаются в прямом, а pn-переходы j1 и j3 – в обратную сторону. Благодаря этому структура может рассматриваться, как структура тиристора, подключенная в обратном направлении, не принимающая участие в работе по пропусканию тока. В этом случае действие прибора определяется при помощи левой части структуры и представляет собой обратно ориентированную pnpn структуру с добавочным пятым слоем n , который граничит со слоем p1.

Проверка с помощью мультиметра

В интернете достаточно советов по тому, как проверить исправность симистора мультиметром. Мы же считаем, что нормально проверить симистор мультиметром невозможно.

Тока мультиметра в режиме прозвонки или измерения сопротивления, скорее всего, недостаточно ни для тока управления, ни для тока удержания. Тестером можно лишь проверить пробой p-n переходов. Исправный переход работает как диод и показывает высокое сопротивление в одном направлении и низкое — в другом.

Для полноценной проверки симистора надо собрать хотя бы простейшую испытательную схему. Хотя бы на батарейках и лампочках. Если вы внимательно прочли данную статью, информации будет достаточно для подключения симистора по такой схеме для проверки его работоспособности.

Что такое симистор и как используется

Любая электроника основана на комплексе различного рода элементов, которые обеспечивают функционирование электроприборов. Симистор – один из необходимых микроприборов. Смотрите обзор видов светодиодных фитоламп для рассады растений здесь: https://howelektrik.ru/osveshhenie/lampy/svetodiodnye-fitolampy-dlya-rassady-rastenij-obzor-vidov-i-kak-vybrat.html.

На фото представлены симисторы

Что это такое?

Симистор – полупроводниковый прибор, получивший свое названия от слов СИМетричный тирИСТОР. Изобретен в СССР, на одном из заводов, и запатентован на полгода раньше, чем в США.

Принцип работы

Принцип работы симистора основан на обеспечении проходимости электрического тока в обоих направлениях, а не в одном, как в тиристоре. Одним из несомненных преимуществ симистора является и тот факт, что для обеспечения проходного канала не требуется наличие постоянного уровня напряжения на управляющем ключе. Достаточно лишь наличие его не выше определенного уровня, в зависимости от применения.

Виды симисторов

Говоря о видах симисторов, следует принять тот факт, что это симистор является одним из видов тиристоров. Когда имеются в виду различия по работе, то и тиристор можно представить своего рода разновидностью симистора. Различия касаются лишь по управляющему катоду и в разных принципах работы этих тиристоров. Читайте что такое импульсный блок питания.

Читайте также  Мастерок для кладки кирпича

Импортные симисторы широко представлены на отечественном рынке. Их основное отличие от отечественных симисторов заключается в том, что они не требуют предварительной настройки в самой схеме, что позволяет экономить детали и место на печатной плате. Как правило, они начинают работать сразу после включения в схему. Следует лишь точно подобрать необходимый симистор по всем требуемым характеристикам.

  • На замену Z00607 хорошо подходят ы BT131-600, только они максимально подходят по всем характеристикам

На снимке BT131-600

m2lz47 представлен ан фото

На снимке представлен тс122 25

Схемы управления

Схемы управления симистором отличаются простотой и надежностью. Там, где без применения симисторов требовалось большое количество деталей, и производилась тщательная подгонка по параметрам – симисторы значительно упростили всю принципиальную схему. Включение в схему только основных элементов позволяет миниатюризировать не только саму печатную плату, но и весь прибор в целом. Читайте принцип работы индикаторной отвертки.

Схема управления симистором на рисунке

Схема диммера на симисторе

Схемы управления скоростью вращения двигателя принципиально ничем не отличаются по принципу построения от других аналогичных. Нюансы касаются только параметров тока и напряжения на двигатель.

Управление симистором через оптопару позволяет подключать электрооборудование, которым нужно управлять. Непосредственно к компьютеру через порт LPT. Оптопара в данном примере позволяет защитить непосредственно материнскую плату компьютера от перегрузки и выхода из строя. Своего рода умны предохранитель с функцией управления.

Управление симистором через оптопару на схеме

Схема управления симистором с микроконтроллера на рисунке

Регулятор мощности

Регулятор мощности на симисторе обычно требует включения симистора в одну из ветвей выпрямителя, чтобы путем изменения импульсов питания двигателя добиться как можно маленьких промежутков в подаче питания на двигатель, чтобы не терялась мощность на низких оборотах.

Регулятор мощности на симисторе на схеме

Регулятор мощности на симисторе для индуктивной нагрузки — самая интересная ветвь применения симисторов. Проблема применения симисторов на индуктивной нагрузке заключается в том, что при многих диапазонах частот при подаче управляющего импульса сам симистор просто не успевает открыться. В итоге детали сгорают, эффекта ноль. Одна из очень немногих схем предлагает решение в посылке нескольких импульсов вместо одного.

Регулятор мощности на симисторе для индуктивной нагрузки на схеме

Использование

Симисторы применяются практически везде. Это и блоки питания, и регуляторы мощностей и напряжения в бытовых приборах, в аудио и видеотехнике, в самолето- и автомобилестроении.

Симисторный регулятор скорости не занимает много места, практические решения по использованию симистора в регуляторах различаются только показателями регулируемой скорости. Вследствие этого используются те или иные детали.

На снимке симисторный регулятор скорости

Симисторный регулятор напряжения на фото

Симисторный регулятор на вентилятор изображен на фото

Как проверить?

На фото проверка исправности симистора

Проверка исправности тиристора на снимке

Как проверить мультиметром?

Симистор проверяется следующим образом. Для этого нужно два стрелочных омметра. Один подключаем к аноду и катоду симистора, а второй присоединяем к одному из анодов одним щупом. На первом омметрепри рабочем синисторе будет наблюдаться сопротивление, стремящееся к бесконечности, но после присоединения второго щупа к управляющему электроду произойдет отпирание ключа и на первом приборе сопротивление моментально исчезнет. Ознакомиться с руководством как выбрать детектор скрытой проводки и как им пользоваться можно здесь.

Можно проверить симистор мультиметром не выпаивая, но управляющий электрод отсоединить все-таки нужно. При присоединении омметра к аноду и катоду будет отмечаться бесконечное сопротивление, но после кратковременного замыкания управляющего электрода к плате произойдет отпирание затвора симистора

На снимке проверка симистра мудьтиметром

Стоимость

Стоимость симисторов не высока, так как это уже далеко не деталь высоких технологий. Самые дорогие элементы из семейства симисторов стоят не дороже ста рублей за одну штуку.

Где купить симисторы?

Симисторы можно купить в лбом магазине, торгующим радиоэлектронными компонентами. Продаются как отечественные, так и импортные варианты полупроводников.

  1. Зао ЧИП и ДИП, ул. Перерва, д. 49 тел. +7 495 544-00-08 тел. 495-3472800
  2. Терра Электроника Москва, ул. Дербеневская, дом 1, Бизнес-парк «Дербеневский»,
    корп. 1, подъезд 23 тел.: (495) 221-78-03
  3. Чипрезистор ул. Большая Черёмушкинская, д.25, стр.97 тел.: 8(499)7-555-078
  1. ЗАО Atlas Electronic Group Серпуховскаяул., 18, оф.1А, тел.: +7 (812) 325-08-56
  2. Коломяжский пр., д. 26, тел.: +7 (812) 300-35-63;
  3. Трамвайный пр., д. 12 тел.: +7 (812) 377-17-25

Видео

Смотрите на видео как проверить симистор:

Симисторы – ключевые детали в современных полупроводниковых приборах, и без них многие бытовые приборы были бы несравненно больше и часто выходили бы из строя, а о точности их работы не могло вестись вообще никаких разговоров.

Ограничения

При использовании симистора накладываются ограничения, в частности при индуктивной нагрузке. Ограничения касаются скорости изменения напряжения (dU/dt) между основными электродами симистора и скорости изменения рабочего тока di/dt. Превышение скорости изменения напряжения на симисторе (из-за наличия его внутренней ёмкости), а также величины этого напряжения, могут приводить к нежелательному открыванию симистора. Превышение скорости нарастания тока между основными электродами, а также величины этого тока, может привести к повреждению симистора. Существуют и другие параметры, на которые накладываются ограничения в соответствии с предельно-допустимыми режимами эксплуатации. К таким параметрам относятся ток и напряжение управляющего электрода, температура корпуса, рассеиваемая прибором мощность и пр.

Опасность превышения по скорости нарастания тока заключается в следующем. Благодаря глубокой положительной обратной связи переход симистора в открытое состояние происходит лавинообразно, но, несмотря на это, процесс отпирания может длиться до нескольких микросекунд, в течение которых к симистору оказываются приложены одновременно большие значения тока и напряжения. Поэтому, даже несмотря на то, что падение напряжения на полностью открытом симисторе невелико, мгновенная мощность во время открывания симистора может достигнуть большой величины. Это сопровождается выделением тепловой энергии, которая не успевает рассеяться и может привести к перегреву и повреждению кристалла.

Одним из способов защиты симистора от выбросов напряжения при работе с индуктивной нагрузкой является включение варистора параллельно основным выводам симистора. Для защиты симистора от превышения скорости изменения напряжения применяют так называемую снабберную цепочку (RC-цепь), подключаемую аналогично.

Устойчивость симистора к разрушению при превышении допустимой скорости нарастания тока (dI/dt) зависит от внутреннего сопротивления и индуктивности источника питания и нагрузки [1] . При работе на емкостную нагрузку необходимо внести в цепь соответствующую индуктивность.