Включение симистора: Схема управления симистором. Включение тиристора схема включения тиристора — RC74 — интернет-магазин радиоуправляемых моделей

Содержание

Включение симистора в цепь переменного тока

Тиристоры нашли широкое применение в полупроводниковых устройствах и преобразователях. Различные источники питания, частотные преобразователи, регуляторы, возбудительные устройства для синхронных двигателей и много других устройств строились на тиристорах, а в последнее время их вытесняют преобразователи на транзисторах. Основной задачей для тиристора является включение нагрузки в момент подачи управляющего сигнала. В этой статье мы рассмотрим, как управлять тиристорами и симисторами.

Определение

Тиристор (тринистор) – это полупроводниковый полууправляемый ключ. Полууправляемый – значит, что вы можете только включать тиристор, отключается он только при прерывании тока в цепи или если приложить к нему обратное напряжение.

Он, подобно диоду, проводит ток только в одном направлении. То есть для включения в цепь переменного тока для управления двумя полуволнами нужно два тиристора, для каждой по одному, хотя не всегда. Тиристор состоит из 4 областей полупроводника (p-n-p-n).

Другой подобный прибор называется симистор – двунаправленный тиристор. Его основным отличием является то, что ток он может проводить в обе стороны. Фактически он представляет собой два тиристора соединённых параллельно навстречу друг другу.

Основные характеристики

Как и любых других электронных компонентов у тиристоров есть ряд характеристик:

Падение напряжения при максимальном токе анода (VT или Uос).

Прямое напряжение в закрытом состоянии (VD(RM) или Uзс).

Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).

Прямой ток (IT или Iпр) – это максимальный ток в открытом состоянии.

Максимально допустимый прямой ток (ITSM) — это максимальный пиковый ток в открытом состоянии.

Обратный ток (IR) — ток при определенном обратном напряжении.

Постоянный ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (ID или Iзс).

Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).

Ток управления (IGT).

Максимальный ток управления электрода IGM.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность на управляющем электроде (PG или Pу)

Принцип работы

Когда на тиристор подают напряжение он не проводит ток. Есть два способа включит его – подать напряжение между анодом и катодом достаточное для открытия, тогда его работа ничем не будет отличаться от динистора.

Другой способ – это подать кратковременный импульс на управляющий электрод. Ток открытия тиристора лежит в пределах 70-160 мА, хотя на практике эта величина, как и напряжение которое нужно приложить к тиристору зависит от конкретной модели и экземпляра полупроводникового прибора и даже от условий, в которых он работает, таких, например, как температура окружающей среды.

Кроме управляющего тока, есть такой параметр как ток удержания – это минимальный ток анода для удержания тиристора в открытом состоянии.

После открытия тиристора управляющий сигнал можно отключать, тиристор будет открыт до тех пор, пока через него протекает прямой ток и подано напряжение. То есть в цепи переменного тиристор будет открыт в течении той полуволны напряжение которой смещает тиристор в прямом направлении. Когда напряжение устремится к нулю, снизится и ток. Когда ток в цепи упадет ниже величины тока удержания тиристора – он закроется (выключится).

Полярность управляющего напряжения должна совпадать с полярностью напряжения между анодом и катодом, что вы наблюдаете на осциллограммах выше.

Управление симистором аналогично хоть и имеет некоторые особенности. Для управления симистором в цепи переменного тока нужно два импульса управляющего напряжения – на каждую полуволну синусоиды соответственно.

После подачи управляющего импульса в первой полуволне (условно положительной) синусоидального напряжения ток через симистор будет протекать до начала второй полуволны, после чего он закроется, как и обычный тиристор. После этого нужно подать еще один управляющий импульс для открытия симистора на отрицательной полуволне. Это наглядно проиллюстрировано на следующих осциллограммах.

Полярность управляющего напряжения должна соответствовать полярности приложенного напряжения между анодом и катодом. Из-за этого возникают проблемы при управлении симисторами с помощью цифровых логических схем или от выходов микроконтроллера. Но это легко решается путем установки симисторного драйвера, о чем мы поговорим позже.

Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами

Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.

Здесь тиристор открывается после того как на конденсаторе будет достаточная величина для его открытия. Момент открытия регулируется с помощью потенциометра или переменного резистора. Чем больше его сопротивление – тем медленнее заряжается конденсатор. Резистор R2 ограничивает ток через управляющий электрод.

Эта схема регулирует оба полупериода, то есть вы получаете полную регулировку мощности почти от 0% и почти до 100%. Это удалось достичь, установив регулятор в диодном мосте, таким образом регулируется одна из полуволн.

Упрощенная схема изображена ниже, здесь регулируется лишь половина периода, вторая полуволна проходит без изменения через диод VD1. Принцип работы аналогичен.

Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.

По принципу действия почти аналогична предыдущим, но построена на симисторе с её помощью регулируются уже обе полуволны. Отличия заключаются в том, что здесь импульс управления подаётся с помощью двунаправленного динистора DB3, после того как конденсатор зарядится до нужного напряжения, обычно это 28-36 Вольт. Скорость зарядки также регулируется переменным резистором или потенциометром. Такая схема реализована в большинстве бытовых диммеров.

Такие схемы регулировки напряжения называется СИФУ – система импульсного фазового управления.

На рисунке выше изображен вариант управления симистором с помощью микроконтроллера, на примере популярной платформы Arduino. Симисторный драйвер состоит из оптосимистора и светодиода. Так как в выходной цепи драйвера установлен оптосимистор на управляющий электрод всегда подаётся напряжение нужной полярности, но здесь есть некоторые нюансы.

Дело в том, что для регулировки напряжения с помощью симистора или тиристора нужно подавать управляющий сигнал в определенный момент времени, так чтобы срез фазы происходил до нужной величины. Если наугад стрелять управляющими импульсами – схема работать конечно будет, но регулировок добиться не выйдет, поэтому нужно определять момент перехода полуволны через ноль.

Так как для нас не имеет значения полярность полуволны в настоящий момент времени – достаточно просто отслеживать момент перехода через ноль. Такой узел в схеме называют детектор нуля или нуль-детектор, а в англоязычных источниках «zero crossing detector circuit» или ZCD. Вариант такой схемы с детектором перехода через ноль на транзисторной оптопаре выглядит следующим образом:

Оптодрайверов для управления симисторами есть множество, типовые – это линейка MOC304x, MOC305x, MOC306X, произведенные компанией Motorola и другими. Более того – эти драйверы обеспечивают гальваническую развязку, что убережет ваш микроконтроллер в случае пробоя полупроводникового ключа, что вполне возможно и вероятно. Также это повысит безопасность работы с цепями управления, полностью разделив цепь на «силовую» и «оперативную».

Заключение

Мы рассказали базовые сведения о тиристорах и симисторах, а также управлении ими в цепях с «переменкой». Стоит отметить, что мы не затрагивали тему запираемых тиристоров, если вас интересует этот вопрос – пишите комментарии и мы рассмотрим их подробнее. Также не были рассмотрены нюансы использования и управления тиристорами в силовых индуктивных цепях. Для управления «постоянкой» лучше использовать транзисторы, поскольку в этом случае вы решаете, когда ключ откроется, а когда он закроется, повинуясь управляющему сигналу…

Симистор (симметричный триодный тиристор) или триак (от англ. TRIAC — triode for alternating current ) — полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристоров и используемый для коммутации в цепях переменного тока. В электронике часто рассматривается как управляемый выключатель (ключ). В отличие от тиристора, имеющего катод и анод, основные (силовые) выводы симистора называть катодом или анодом некорректно, так как в силу структуры симистора они являются тем и другим одновременно. Однако по способу включения относительно управляющего электрода основные выводы симистора различаются, причём имеет место их аналогия с катодом и анодом тиристора. На приведённом рисунке верхний по схеме вывод симистора называется выводом 1 или условным катодом, нижний — выводом 2 или условным анодом, вывод справа — управляющим электродом.

Для управления нагрузкой основные электроды симистора включаются в цепь последовательно с нагрузкой. В закрытом состоянии проводимость симистора отсутствует, нагрузка выключена. При подаче на управляющий электрод отпирающего сигнала между основными электродами симистора возникает проводимость, нагрузка оказывается включённой. Характерно, что симистор в открытом состоянии проводит ток в обоих направлениях. Другой особенностью симистора, как и других тиристоров, является то, что для его удержания в открытом состоянии нет необходимости постоянно подавать сигнал на управляющий электрод (в отличие от транзистора). Симистор остаётся открытым, пока протекающий через основные выводы ток превышает некоторую величину, называемую током удержания. Отсюда следует, что выключение нагрузки в цепи переменного тока происходит вблизи моментов времени, когда ток через основные электроды симистора меняет направление (обычно это совпадает по времени со сменой полярности напряжения в сети).

Содержание

Структура [ править | править код ]

Симистор имеет пятислоевую 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.

Управление [ править | править код ]

Для отпирания симистора на его управляющий электрод подаётся напряжение относительно условного катода. Полярность управляющего напряжения, как правило, должна быть либо отрицательной, либо должна совпадать с полярностью напряжения на условном аноде. Поэтому часто используется такой метод управления симистором, при котором сигнал на управляющий электрод подаётся с условного анода через токоограничительный резистор и выключатель. Управлять симистором часто удобно, задавая определённую силу тока управляющего электрода, достаточную для отпирания. Некоторые типы симисторов (так называемые четырёхквадрантные симисторы) могут отпираться сигналом любой полярности, хотя при этом может потребоваться больший управляющий ток (а именно, больший управляющий ток требуется в четвёртом квадранте, то есть когда напряжение на условном аноде имеет отрицательную полярность, а на управляющем электроде — положительную).

Ограничения [ править | править код ]

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.

История [ править | править код ]

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] .

Все полупроводниковые приборы основаны на переходах, и если трехпереходный прибор — это тиристор, то два трехпереходных прибора, включенных встречно-параллельно внутри одного общего корпуса, – это уже симистор, то есть симметричный тиристор. В англоязычной литературе он именуется «TRIAC» – триод для переменного тока.

Так или иначе, у симистора есть три вывода, два из которых силовые, а третий — управляющий или затвор (англ. GATE). При этом у симистора нет конкретных анода и катода, ибо каждый из силовых электродов в разные моменты времени может выступать как в роли анода, так и в роли катода.

В силу этих особенностей симисторы весьма широко применяются в цепях переменного тока. Кроме того, симисторы недорого стоят, имеют продолжительный строк службы, и не вызывают искрения, по сравнению с механическими коммутационными реле, чем и обеспечивают себе неугасающую востребованность.

Давайте же рассмотрим основные характеристики, то есть основные технические параметры симисторов, и разъясним, что каждый из них обозначает. Рассматривать будем на примере довольно распространенного симистора BT139-800, часто применяемого в разного рода регуляторах. Итак, основные характеристики симистора:

Максимальное повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии;

Максимальный, средний за период, ток в открытом состоянии;

Максимальный кратковременный импульсный ток в открытом состоянии;

Максимальное падение напряжения на симисторе в открытом состоянии;

Минимальный постоянный ток управления, необходимый для включения симистора;

Отпирающее напряжение управления, соответствующее минимальному постоянному отпирающему току;

Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии;

Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии;

Рабочий диапазон температур;

Для нашего примера оно составляет 800 вольт. Это то напряжение, которое будучи приложено к силовым электродам симистора теоретически еще не вызовет его выхода из строя. Практически же это максимально допустимое рабочее напряжение для коммутируемой данным симистором цепи, в условиях рабочей температуры, попадающей в допустимый температурный диапазон.

Даже кратковременное превышение этого значения не гарантирует дальнейшей работоспособности полупроводникового прибора. Следующий параметр пояснит данное положение.

Максимальное повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии

Данный параметр всегда указывается в документации, и обозначает он как раз критическое значение напряжения, являющееся предельным для данного симистора.

Это то напряжение, которое в пике нельзя превышать. Даже если симистор закрыт и не открывается, будучи установлен в цепи с постоянно действующим переменным напряжением, симистор не будет пробит, если амплитуда прикладываемого напряжения не превышает для нашего примера 800 вольт.

Если же к запертому симистору окажется приложено напряжение хоть чуть-чуть выше, хоть на долю периода переменного напряжения, его дальнейшая работоспособность производителем не гарантируется. Данное положение опять же относится к условиям допустимого температурного диапазона.

Максимальный, средний за период, ток в открытом состоянии

Так называемый максимальный среднеквадратичный (RMS – root mean square) ток, для тока синусоидальной формы это его среднее значение, в условиях приемлемой рабочей температуры симистора. Для нашего примера это максимум 16 ампер при температуре симистора до 100 °C. Пиковый ток может быть и выше, об этом сообщает следующий параметр.

Максимальный кратковременный импульсный ток в открытом состоянии

Это пиковый ток, который указывается в документации на симистор обязательно с приведением максимально допустимой продолжительности действия тока данной величины в миллисекундах. Для нашего примера это 155 ампер в течение максимум 20 мс, что означает практически, что время действия такого большого тока должно быть еще меньше.

Обратите внимание, что среднеквадратичный ток по прежнему не должен быть превышен ни при каких условиях. Это связано с максимальной рассеиваемой корпусом симистора мощностью и с максимально допустимой температурой кристалла менее 125 °C.

Максимальное падение напряжения на симисторе в открытом состоянии

Данный параметр указывает на максимальное напряжение (для нашего примера оно составляет 1,6 вольт), которое установится между силовыми электродами симистора в открытом состоянии, при указанном в документации токе в его рабочей цепи (для нашего примера — при токе в 20 ампер). Обычно чем выше ток — тем больше падение напряжения на симисторе.

Данная характеристика необходима при тепловых расчетах, ибо она косвенно сообщает разработчику о максимальной потенциальной величине рассеиваемой корпусом симистора мощности, что важно при подборе радиатора. Также с ее помощью предоставляется возможность оценить эквивалентное сопротивление симистора в заданных температурных условиях.

Минимальный постоянный ток управления, необходимый для включения симистора

Минимальный ток управляющего электрода симистора, измеряется в миллиамперах, зависит от полярности включения симистора в текущий момент времени, а так же от полярности управляющего напряжения.

Для нашего примера данный ток лежит в диапазоне от 5 до 22 мА в зависимости от полярности напряжения в управляемой симистором цепи. При разработке схемы управления симистором лучше приблизить величину управляющего тока к максимальному значению, для нашего примера это 35 или 70 мА (в зависимости от полярности).

Отпирающее напряжение управления, соответствующее минимальному постоянному отпирающему току

Чтобы установить минимальный ток в цепи управляющего электрода симистора, необходимо к этому электроду приложить определенное напряжение. Оно зависит от напряжения, приложенного в данный момент в силовой цепи симистора, а еще от температуры симистора.

Так, для нашего примера, при напряжении 12 вольт в силовой цепи, для гарантированной установки тока управления в 100 мА, необходимо приложить минимум 1,5 вольт. А при температуре кристалла в 100 °C, при напряжении в рабочей цепи 400 вольт, требуемое для цепи управления напряжение составит 0,4 вольта.

Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии

Данный параметр измеряется в вольтах за микросекунду. Для нашего примера критическая скорость нарастания напряжения на силовых электродах составляет 250 вольт за микросекунду. Если эту скорость превысить, то симистор может ошибочно открыться невпопад даже без подачи на его управляющий электрод какого-либо управляющего напряжения.

Чтобы этого не случилось, необходимо обеспечить такие рабочие условия, чтобы напряжение на аноде (катоде) изменялось медленнее, а также исключить любые помехи, динамика которых превышает данный параметр (всякие импульсные помехи и т.д).

Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии

Измеряется в амперах за микросекунду. Если превысить эту скорость, то симистор будет пробит. Для нашего примера максимальная скорость нарастания тока в открытом состоянии составляет 50 ампер за микросекунду.

Для нашего примера это время составляет 2 микросекунды. Это то время, которое проходит от момента достижения током затвора 10% его пикового значения до момента, когда напряжение между анодом и катодом симистора упало до 10% его первоначального значения.

Рабочий диапазон температур

Обычно этот диапазон таков — от -40°C до +125°C. Для данного диапазона температур в документации приводятся динамические характеристики симистора.

В нашем примере корпус to220ab, он удобен тем, что допускает крепление симистора к небольшому радиатору. Для тепловых расчетов в документации на симистор приводится таблица зависимости рассеиваемой мощности от среднего тока симистора.

Симистор и его применения — основы радиотехники

Тиристор идеально подходит для регулирования мощности переменного напряжения во всем, кроме одного: он является однополупериодным устройством, а это означает, что даже при полной проводимости используется только половина мощности. Можно включить параллельно два тиристора навстречу друг другу, как это показано на рис.1, чтобы обеспечить двух-полупериодный режим работы, однако для этого требуется подавать импульсы запуска на управляющие электроды от двух изолированных, но синхронных источников, как это видно из рисунка.

Рис.1 Двухполупериодный регулятор можно построить на двух тиристорах. Для изоляции источников импульсов от напряжения сети используются оптопары.

Самым полезным устройством для практического регулирования мощности переменного напряжения является двунаправленный тиристор или симистор. Как можно видеть на рис2. симистор можно рассматривать как два инверсно-параллельных тиристора с управлением от единственного источника сигнала. Симисторы являются настолько гибкими устройствами, что их можно переключать в проводящее состояние как положительным, так и отрицательным импульсом запуска независимо от мгновенной полярности источника переменного напряжения. Названия катод и анод теряют смысл для симистора; ближайший к управляющему электроду вывод назвали, не мудрствуя лукаво, основным выводом 1 (МТ1), а другой — основным выводом 2 (МТ2). Запускающий импульс всегда подается относительно вывода МТ1 так же, как в случае тиристора он подается относительно катода.

Рис2. Симистор: (а) структура, (b) условное обозначение.

Обычно для переключения симистора, рассчитанного на ток до 25 А, достаточен пусковой ток 20 мА, и одним из простейших примеров его применения является «твердотельное реле», в котором небольшой пусковой ток используется для управления большим током нагрузки (рис.3). В качестве ключа SW1 могут быть геркон, чувствительное термореле или любая контактная пара, рассчитанная на 50 мА; ток в цепи нагрузки ограничивается только параметрами симистора. Полезно отметить, что резистор R1 в цепи запуска находится под напряжением сети только в моменты включения симистора; как только симистор включается, разность потенциалов на резисторе R1 падает до величины около одного вольта, так что достаточен полуваттный резистор.

Рис.3 Простое «твердотельное реле» на симисторе.

Весьма распространенными применениями симистора являются регулятор яркости для лампы или управление скоростью вращения мотора. На рис.4 показана такая схема. Временное положение запускающих импульсов устанавливается RC-фазовращателем; потенциометром R2 регулируют яркость лампы, тогда как резистор R1 просто ограничивает ток, когда потенциометр установлен в положение с минимальным сопротивлением. Сами импульсы запуска формируются динистором, то есть двунаправленным триггерным диодом. Динистор можно представить себе как маломощный тиристор без управляющего электрода с низким напряжением лавинного пробоя (около 30 В). Когда разность потенциалов на конденсаторе С1 достигает уровня пробоя в динисторе, мгновенный импульс разряда конденсатора включает симистор.

Рис.4 Простейшая схема регулировки яркости лампы на симисторе с фазовым управлением.

Легко сделать автоматический фотоэлектрический выключатель лампы, присоединив параллельно конденсатору С1 фотоэлемент ORP12 (светозависимый резистор). Сопротивление фотоэлемента в темноте велико, порядка 1 МОм, но при дневном свете оно падает до нескольких килоом так, что симистор не может поджечься и лампа выключена. Если в автоматическом выключателе ручная регулировка не требуется, то резистор R2 можно заменить на короткое замыкание.

На рис.5 показано, как симистор управляет мощностью в нагрузке, отрезая начальную часть каждого полупериода. Длительность пропущенной части зависит от запаздывания пускового импульса по фазе, которое определяется сопротивлением R1+R2 и емкостью С1. В простейшей схеме управления на рис.4 фазовый сдвиг не может быть больше 90°, так как используется только одна RС-цепочка. Поэтому такая схема является плохим регулятором при малой мощности, поскольку в нем могут происходить неожиданные скачки от выключенного состояния к полной мощности.

Более совершенная схема приведена на рис.6; включение дополнительной RC-цепочки (R3С3) дает больший фазовый сдвиг для лучшего управления при малой мощности. Дальнейшие усовершенствования состоят во введении следующих элементов: (а) демпфера с постоянной времени R4С4 для предотвращения ошибочных переключений от противо-э.д.с. индуктивной нагрузки и (b) радиочастотного фильтра L1C1 для подавления помех. Последний элемент всегда следует вводить в симисторную или тиристорную схему, работающую по принципу «отсекания части колебания», поскольку быстрые включения и выключения могут создавать серьезные радиопомехи в питающей сети.

Рис.5 Форма напряжения на нагрузке в симисторном регуляторе при постепенном увеличении фазового сдвига.

Имеется большое число различных симисторов и тиристоров которые нашли широкое применение в бытовой технике. Как и в случае выпрямительных диодов, для того, чтобы выбрать прибор с нужными номинальными напряжением и током, можно обратиться к каталогам и справочным данным.

Рис.6 Симисторный регулятор мощности с широким диапазоном регулировки и встроенным подавлением помех.

Большинство производителей выпускают подходящие динисторы, но имеются также приборы, называемые quadrac, в которых объединены симистор и динистор.

На рис.7 показаны корпуса и цоколевка распространенных симисторов. Если симистор должен использоваться на полную допустимую мощность, то его необходимо закрепить на теплоотводе.

Подавление радиочастотных помех, создаваемых симисторными или тиристорными регуляторами с фазовым управлением, становится более трудным и дорогим при больших значениях тока нагрузки. В электрических нагревателях и в других нагрузках с большой инерционностью можно уменьшить помехи, пропуская каждый раз целое число полупериодов. Это позволяет избежать скачкообразных изменений тока, которые и вызывают радиочастотные помехи. Такой способ называется прерывистым запуском или управлением с целым числом периодов. Этот способ, как правило, не подходит для управления яркостью лампы из-за мерцания. Для осуществления управления с целым числом периодов подходят такие микросхемы, как SL441, включающиеся при нулевом напряжении. Они определяют пересечение напряжением сети нулевого уровня и обеспечивают запуск симистора от датчика, сопротивление которого меняется, например, от термистора.

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

Как правильно подключить симистор

Определение

Основные характеристики

Как и любых других электронных компонентов у тиристоров есть ряд характеристик:

Падение напряжения при максимальном токе анода (VT или Uос).

Прямое напряжение в закрытом состоянии (VD(RM) или Uзс).

Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).

Прямой ток (IT или Iпр) – это максимальный ток в открытом состоянии.

Максимально допустимый прямой ток (ITSM) — это максимальный пиковый ток в открытом состоянии.

Обратный ток (IR) — ток при определенном обратном напряжении.

Постоянный ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (ID или Iзс).

Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).

Ток управления (IGT).

Максимальный ток управления электрода IGM.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность на управляющем электроде (PG или Pу)

Принцип работы

Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами

Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.

Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.

Такие схемы регулировки напряжения называется СИФУ – система импульсного фазового управления.

Заключение

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.

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.

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.
U_DRM (U_ПР) – максимально допустимый уровень напряжения при прямом включении.
U_RRM (U_ОБ) – максимальный уровень обратного напряжения.
I_DRM (I_ПР) – допустимый уровень тока прямого включения
I_RRM (I_ОБ) — допустимый уровень тока обратного включения.
I_Н (I_УД) – 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.

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),

Определение

Основные характеристики

Как и любых других электронных компонентов у тиристоров есть ряд характеристик:

Падение напряжения при максимальном токе анода (VT или Uос).

Прямое напряжение в закрытом состоянии (VD(RM) или Uзс).

Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).

Прямой ток (IT или Iпр) – это максимальный ток в открытом состоянии.

Максимально допустимый прямой ток (ITSM) — это максимальный пиковый ток в открытом состоянии.

Обратный ток (IR) — ток при определенном обратном напряжении.

Постоянный ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (ID или Iзс).

Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).

Ток управления (IGT).

Максимальный ток управления электрода IGM.

Максимально допустимая рассеиваемая мощность на управляющем электроде (PG или Pу)

Принцип работы

Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами

Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.

Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.

Такие схемы регулировки напряжения называется СИФУ – система импульсного фазового управления.

Заключение

Включение симистора на индуктивную нагрузку

Существует огромное число различных вариантов симисторных и тринисторных регуляторов тока. Однако практически все они предназначены для работы либо на чисто активную, либо на слабо индуктивную нагрузку. Автор предлагает регулятор с фазоимпульсным управлением, предназначенный для работы на нагрузку, импеданс которой может изменяться от чисто активного до чисто индуктивного, причём даже в процессе работы. Активная и индуктивная компоненты могут быть соединены как последовательно, так и параллельно. Недостаток предлагаемого регулятора — положение его органа управления, соответствующее максимальному эффективному значению тока, зависит от характера нагрузки.

Устройства, позволяющие регулировать эффективное значение тока нагрузки, обычно содержат узел управления, который открывает симистор с задержкой а относительно начала полупериода сетевого напряжения (рис. 1). При отсутствии задержки (α=0) ток в активной нагрузке максимален, при задержке на половину периода (α =180°) он отсутствует. Симистор закрывается в конце каждого полупериода, когда текущий через него и нагрузку ток становится меньше свойственного ему тока удержания.

При работе на нагрузку с индуктивной компонентой импеданса (электродвигатель или трансформатор) ток через симистор не прекращается в моменты перехода сетевого напряжения через ноль. Он продолжает течь ещё некоторое время за счёт энергии, накопленной в индуктивности нагрузки (рис. 2).

Изображённая здесь осциллограмма тока соответствует параллельному соединению активного сопротивления и индуктивности нагрузки. Основное отличие при их последовательном соединении состоит в том, что тогда ток не возрастает скачком в момент открывания симистора, а нарастает плавно со скоростью, определяемой отношением этих компонентов. Это может нарушить работу регулятора, если за время действия открывающего симистор импульса ток не успевает стать больше тока удержания.

Но наиболее опасна для индуктивной нагрузки симисторного регулятора его работа при слишком малой задержке импульса управления. В этом случае (рис. 3) симистор к приходу очередного импульса не успевает закрыться и поэтому, закрывшись уже после его окончания, остаётся в этом состоянии до следующего импульса. Регулятор переходит в аварийный «однополупериодный» режим работы с большой постоянной составляющей тока нагрузки. Чтобы предотвратить это явление, необходимо увеличивать длительность импульса управления до значения, гарантирующего открывание симистора в текущем полупериоде.

Схема предлагаемого регулятора показана на рис. 4. Узел его питания, ставший уже стандартным для подобных устройств [1], состоит из резистора R1, конденсаторов С1-С3, диодов VD1, VD2 и стабилитрона VD3. На резисторах R2-R5 и логических элементах DD1.1, DD1.2 реализован узел синхронизации с сетевым напряжением, схема которого взята из [2] с некоторыми модификациями. Элемент DD1.1 в моменты перехода мгновенного значения сетевого напряжения через ноль формирует на своём выходе короткие синхроимпульсы высокого уровня, элемент DD1.2 служит их повторителем.

Необходимую задержку открывания симистора VS1 относительно импульса синхронизации обеспечивает одновибратор [3] на логических элементах DD2.1 и DD2.2. Он запускается в момент окончания импульса положительной полярности, формируемого из синхроимпульса дифференцирующей цепью C4R7. По истечении выдержки, продолжительность которой определяется цепью R6R8C5, высокий уровень на выходе элемента DD2.1 сменяется низким. Для подготовки одновибратора к генерации следующего импульса конденсатор С5 разряжается через диод VD4.

Узел контроля состояния симистора, состоящий из резисторов R9-R12 и элементов DD1.3, DD1.4, аналогичен узлу синхронизации с сетевым напряжением. На выходе элемента DD1.4 низкий уровень присутствует только при ненулевом напряжении на симисторе — это означает, что он закрыт.

При условии, что импульс синхронизации с сетью закончился, формируемая одновибратором задержка истекла, а симистор закрылся, на выходе элемента DD2.3 будет установлен высокий уровень. Через открывшийся транзистор VT3 в цепи управляющего электрода симистора VS1 потечёт ток. Он прекратится, когда в результате открывания симистора указанное условие будет нарушено.

Микросхемы К561ЛП2 и К561ЛЕ10 могут быть заменены аналогичными из серии 564 или импортными из серий 4000. При необходимости элементы DD1.2 и DD1.4 без ущерба для работоспособности регулятора можно исключить из схемы и использовать в других целях. Если применены микросхемы серии 164 или К176, вместо стабилитрона Д814Г желательно установить Д814Б, Д814В или другой с напряжением стабилизации около 9 В.

Диоды КД509А допускается заменять любыми маломощными кремниевыми. Такую же замену можно попробовать и для диода Д9Б в случае отсутствия другого германиевого. Вместо КТ315А подойдёт любой кремниевый транзистор структуры n-p-n малой или средней мощности с коэффициентом передачи тока не менее 50. Симистор VS1 должен быть установлен на тепло-отвод, площадь которого зависит от максимального тока нагрузки.

Правильно собранный регулятор налаживания не требует. Возможно, для получения нужных пределов регулирования потребуется подобрать номиналы резисторов R6 и R8. При монтаже и эксплуатации устройства следует помнить, что все его элементы находятся под сетевым напряжением.

Литература

1. Бирюков С. Симисторные регуляторы мощности. — Радио, 1996, № 1, с. 43-46.

2. Абрамский А. Симисторный регулятор с обратными связями. — Радио, 2002, № 4, с. 24, 25.

3. Самойленко А. Управляемый одновибратор. — Радио, 1999, № 5, с. 38, 39.

Автор: А. Староверов, г. Вологда

Литература

1. Бирюков С. Симисторные регуляторы мощности. — Радио, 1996, № 1, с. 43-46.

2. Абрамский А. Симисторный регулятор с обратными связями. — Радио, 2002, № 4, с. 24, 25.

3. Самойленко А. Управляемый одновибратор. — Радио, 1999, № 5, с. 38, 39.

Автор: А. Староверов, г. Вологда

С целью коммутации нагрузок в цепях переменного тока удобно использовать симисторы, представляющие собой разновидность тиристора, однако отличающиеся от тиристора возможностью в открытом состоянии проводить ток обоих направлений.

Первые конструкции симисторов рассматривались уже в 1963 году, тогда например Мордовский научно-исследовательский электротехнический институт уже подал заявку на патент на симметричный тиристор (Патент SU 349356 A, Думаневич А.Н. и Евсеев Ю.А.), а General Electric занимались коммерческим внедрением того же изделия под названием «Triac» на западе.

Тогда как у тиристора имеются четко определенные катод, анод и управляющий электрод, у симистора катод и анод в процессе его работы меняются местами, в зависимости от направления тока в текущий момент.

Безусловно, сигнал на управляющий электрод (затвор) симистора подается всегда относительно конкретного условного катода, но ток через открытый симистор может течь в любом направлении, и в этом смысле симистор в открытом состоянии можно рассматривать как два диода, включенные встречно-параллельно.

Симистор отличается пятислойной структурой полупроводника. Эквивалентно более точно его можно представить в виде двух триодных тиристоров, включённых встречно-параллельно, причем управляющий электрод, в отличие от тиристора, здесь только один.

Чтобы управлять мощной нагрузкой, симистор, подобно выключателю, включают в цепь нагрузки последовательно. И тогда: в закрытом состоянии симистор будет закрыт, нагрузка окажется обесточена, а при подаче отпирающего напряжения на управляющий электрод симистора, между основными электродами симистора появится проводимость — через нагрузку потечет ток. Причем ток может течь через открытый симистор в любом направлении, не то что у тиристора.

Для удержания симистора в открытом состоянии нет необходимости удерживать сигнал управления на управляющем электроде, достаточно подать сигнал, после чего ток установится и будет продолжать течь — в этом отличие симистора от транзистора. Когда же ток через симистор (через цепь нагрузки) станет ниже тока удержания (для переменного тока — в момент перехода тока через ноль), симистор закроется, и для его отпирания потребуется снова подать отпирающий сигнал на управляющий электрод.

Полярность управляющего напряжения, подаваемого на управляющий электрод симистора, может либо быть отрицательной, либо совпадать с полярностью напряжения, приложенного к условному аноду. По этой причине популярно такое управление, когда сигнал управления подается прямо с условного анода через ограничительную цепь и выключатель, – просто задается ток достаточный для отпирания симистора.

Из-за глубокой положительной обратной связи, например при индуктивной нагрузке, высокие скорости изменения напряжения или тока симистора могут привести к несвоевременному отпиранию симистора, и к большой мгновенной мощности, которая будет быстро рассеяна на кристалле, и окажется способна разрушить его. Для защиты от вредных выбросов, параллельно симистору в некоторых схемах ставят варистор, а для защиты от высоких значений dU/dt – применяют RC-снабберы.

Применение симистора вместо реле:

Симисторные регуляторы мощности для управления различными мощными нагрузками в цепях переменного тока очень популярны сегодня. Такие регуляторы для ламп называются диммерами, а регуляторы для разных инструментов, для коллекторных двигателей — просто симисторными регуляторами. Схемы их довольно компактны и просты, ведь на управляющий электрод симистора достаточно периодически подавать 0,7 вольт при токе порядка 10 мА, что легко реализуется при помощи RC-цепочки, а в более сложном виде — на базе ШИМ-контроллера, на том же 555 таймере.

Управление мощной нагрузкой переменного тока

Тиристор

Иногда нужно слабым сигналом с микроконтроллера включить мощную нагрузку, например лампу в комнате. Особенно эта проблема актуальна перед разработчиками умного дома. Первое что приходит на ум — реле. Но не спешите, есть способ лучше 🙂

В самом деле, реле это же сплошной гемор. Во первых они дорогие, во вторых, чтобы запитать обмотку реле нужен усиливающий транзистор, так как слабая ножка микроконтроллера не способна на такой подвиг. Ну, а в третьих, любое реле это весьма громоздкая конструкция, особенно если это силовое реле, расчитанное на большой ток.

Если речь идет о переменном токе, то лучше использовать симисторы или тиристоры. Что это такое? А сейчас расскажу.

Симистор BT139

Схема включения из даташита на MOC3041

Если на пальцах, то тиристор похож на диод, даже обозначение сходное. Пропускает ток в одну сторону и не пускает в другую. Но есть у него одна особенность, отличающая его от диода кардинально — управляющий вход.
Если на управляющий вход не подать ток открытия, то тиристор не пропустит ток даже в прямом направлении. Но стоит подать хоть краткий импульс, как он тотчас открывается и остается открытым до тех пор, пока есть прямое напряжение. Если напряжение снять или поменять полярность, то тиристор закроется. Полярность управляющего напряжения предпочтительно должна совпадать с полярностью напряжения на аноде.

Если соединить встречно параллельно два тиристора, то получится симистор — отличная штука для коммутации нагрузки на переменном токе.

На положительной полуволне синусоиды пропускает один, на отрицательной другой. Причем пропускают только при наличии управляющего сигнала. Если сигнал управления снять, то на следующем же периоде оба тиристора заткнутся и цепь оборвется. Крастота да и только. Вот ее и надо использовать для управления бытовой нагрузкой.

Но тут есть одна тонкость — коммутируем мы силовую высоковольтную цепь, 220 вольт. А контроллер у нас низковольтный, работает на пять вольт. Поэтому во избежание эксцессов нужно произвести потенциальную развязку. То есть сделать так, чтобы между высоковольтной и низковольтной частью не было прямого электрического соединения. Например, сделать оптическое разделение. Для этого существует специальная сборка — симисторный оптодрайвер MOC3041. Замечательная вещь!
Смотри на схему подключения — всего несколько дополнительных деталек и у тебя силовая и управляющая часть разделены между собой. Главное, чтобы напряжение на которое расчитан конденсатор было раза в полтора два выше напряжения в розетке. Можно не боятся помех по питанию при включении и выключении симистора. В самом оптодрайвере сигнал подается светодиодом, а значит можно смело зажигать его от ножки микроконтроллера без всяких дополнительных ухищрений.

Вообще, можно и без развязки и тоже будет работать, но за хороший тон считается всегда делать потенциальную развязку между силовой и управляющей частью. Это и надежность и безопасность всей системы. Промышленные решения так просто набиты оптопарами или всякими изолирующими усилителями.

Ну, а в качестве симистора рекомендую BT139 — с хорошим радиатором данная фиговина легко протащит через себя ток в 16А

Тиристоры и Триаки (симисторы) — Десять Золотых Правил — Компоненты и технологии

Промышленный ряд тиристоров и триаков (симисторов) Philips предоставляет широкие возможности для создания устройств управления мощностью. Соблюдение же десяти несложных правил по использованию тиристоров и триаков поможет избежать трудностей и ошибок при проектировании.

Тиристоры

Тиристор — управляемый диод, в котором управление током от анода к катоду происходит за счет малого тока управляющего электрода (затвора).

Открытое состояние тиристора

Тиристор переходит в открытое состояние при подаче на затвор положительного смещения относительно катода. При достижении порогового значения напряжения затвора V_GT (ток через затвор имеет значение I_GT), тиристор переходит в открытое состояние. Для стабильного перехода в открытое состояние при коротком управляющем импульсе (менее 1 мкс) пиковое значение порогового напряжения необходимо увеличить.

После достижения тока нагрузки значения I_L тиристор будет оставаться в открытом состоянии при отсутствии тока затвора.

Необходимо отметить, что значения параметров V_GT, I_GT и I_L указаны в спецификации для температуры перехода 25 °C. Эти значения возрастают при понижении температуры. Поэтому внешние цепи тиристора должны рассчитываться для поддержания необходимых амплитуд V_GT, I_GT и I_L при минимальной ожидаемой рабочей температуре.

Чувствительный затвор тиристоров, таких, как BT150, при увеличении температуры перехода выше T_{j max} может вызывать ложное срабатывание за счет тока утечки от анода к катоду.

Во избежание ложных срабатываний можно посоветовать следующие рекомендации:

Рабочая температура перехода должна быть меньше значения T_{j max}.
Использовать тиристоры с меньшей чувствительностью, такие, как BT151, либо уменьшить чувствительность имеющегося тиристора включением резистора номиналом 1 кОм или менее между затвором и катодом.
При невозможности использования менее чувствительного тиристора необходимо приложить небольшое обратное смещение к затвору в фазе закрытого состояния тиристора для увеличения I_L. В фазе отрицательного тока затвора необходимо уделить внимание уменьшению мощности рассеивания затвора.

Коммутация тиристора

Для перехода тиристора в закрытое состояние ток нагрузки должен снизиться ниже значения тока удержания IH на время, позволяющее всем свободным носителям заряда освободить переход. В цепях постоянного тока это достигается тем, что цепь нагрузки уменьшает ток до нуля, чтобы дать возможность тиристору выключиться. В цепях переменного тока цепь нагрузки уменьшает ток в конце каждой полуволны. В этой точке тиристор переходит в закрытое состояние.

Тиристор может перейти в состояние проводимости, если ток нагрузки не будет удерживаться ниже I_H достаточное время.

Обратите внимание, что значение I_H указывается для температуры перехода 25 °C и, подобно I_L, оно уменьшается при повышении температуры. Поэтому для успешной коммутации цепь должна позволять уменьшаться току нагрузки ниже I_H достаточное время при максимальной ожидаемой рабочей температуре перехода.

Триаки (симисторы)

Триак представляет собой «двунаправленный тиристор». Особенностью триака является способность проводить ток как от анода к катоду, так и в обратном направлении.

Состояние проводимости

В отличие от тиристоров триак может управляться как положительным, так и отрицательным током между затвором и T1. (Правила для V_GT, I_GT и I_L те же, что для тиристоров, см. «Правило 1».) Это свойство позволяет триаку работать во всех четырех секторах, как показано на рис. 4.

Когда затвор управляется постоянным током или однополярными импульсами с нулевым значением тока нагрузки, в квадрантах (3+,3–) предпочтителен отрицательный ток затвора по нижеследующим причинам. (Внутреннее строение переходов триака характерно тем, что затвор наиболее отдален от области основной проводимости в квадранте 3+.)

При более высоком значении I_GT требуется более высокий пиковый I_G.
При более длинной задержке между I_G и током нагрузки требуется большая продолжительность I_G.
Низкое значение dI_T/dt может вызывать перегорание затвора при управлении нагрузками, создающими высокий dI/dt (включение холодной лампы накаливания, емкостные нагрузки).
Чем выше I_L (это относится и к квадранту 1–), тем большая продолжительность I_G будет необходима для малых нагрузок, что позволит току нагрузки с начала полупериода достичь значения выше I_L.

В стандартных цепях управления фазой переменного тока, таких, как регуляторы яркости и регуляторы скорости вращения, полярность затвора и T2 всегда одинаковы. Это означает, что управление производится всегда в 1+ и 3– квадрантах, в которых коммутирующие параметры триака одинаковы, а затвор наиболее чувствителен.

Примечание: 1+, 1–, 3– и 3+ это система обозначений четырех квадрантов, использующаяся для краткости: вместо того, чтобы записать «MT2+, G+», пишется 1+ и т. д. Эти данные получены из графика вольт-амперной характеристики триака. Положительному напряжению T2 соответствует положительное значение тока через T2, и наоборот (см. рис. 5). Следовательно, управление осуществляется только в квадрантах 1 и 3. А указатели (+) и (–) относятся к направлению тока затвора.

Ложные срабатывание триака

В ряде случаев возможны нежелательные случаи включения триаков. Некоторые из них не приведут к серьезным последствиям, в то время как другие потенциально разрушительны.

1. Уменьшение шумовых сигналов затвора

В электрически шумных окружающих средах ложное срабатывание может происходить, если шумовое напряжение на затворе превышает V_GT, поэтому тока затвора достаточно для включения триака. Первый способ защиты — минимизировать возникающий шум. Лучше всего это может быть достигнуто уменьшением длины проводников, ведущих к затвору, и соединением цепи управления затвором непосредственно с выводом T1 (или катодом для тиристора). В случае, если это невозможно, следует использовать витую пару или экранированный кабель.

Дополнительную шумовую устойчивость можно обеспечить, уменьшив чувствительность затвора с помощью включения резистора до 1 кОм между затвором и T1. Если в качестве высокочастотного шунта используется конденсатор, желательно включить последовательно резистор между ним и затвором, чтобы уменьшить пик тока конденсатора через затвор и минимизировать возможность повреждения затвора от перегрузки.

В качестве решения этих проблем можно использовать триаки ряда «H» из номенклатуры Philips (например BT139-600H). Этот нечувствительный ряд (I_{GT min} = 10 мA) специально разработан для обеспечения высокой шумовой устойчивости.

2. Превышение максимального значения скорости нарастания напряжения коммутации dV_COM/dt

Этот эффект может возникнуть при питании реактивных нагрузок, где есть существенный сдвиг фазы между напряжением и током нагрузки. При выключении триака в то время, когда фаза тока нагрузки проходит через ноль, напряжение не будет нулевым из-за сдвига по фазе (см. рис. 6).

Если при этом скорость изменения напряжения превысит допустимое значение dV_COM/dt, триак может остаться в состоянии проводимости. Это происходит из-за того, что носителям заряда не хватает времени, чтобы освободить переход.

На параметр dV_COM/dt влияют два условия:

Скорость уменьшения тока нагрузки при переключении dI_COM/dt. Высокое значение dI_COM/dt снижает значение dV_COM/dt.
Температура перехода T_j. Чем выше T_j, тем ниже значение dV_COM/dt.

Если возможно превышение значения dV_COM/dt триака, то ложного срабатывания можно избежать использованием RC-демпфера между T1-T2. Это ограничит скорость изменения напряжения. Обычно выбирается углеродный резистор 100 Ом и конденсатор 100 нФ.

В качестве альтернативы можно предложить использование триаков Hi-Com (более подробно об этих триаках можно прочесть на сайте www.dectel.ru в разделе «Публикации» или в «КиТ» № 7’2002).

Обратите внимание, что резистор не может быть удален из демпфера, так как он используется в качестве ограничителя тока во избежание возникновения высокого значения dI_T/dt в моменты коммутации.

3. Превышение максимального значения скорости нарастания тока коммутации dI_COM/dt

Высокое значение dI_COM/dt может быть вызвано повышенным током нагрузки, повышенной рабочей частотой (синусоидального тока) или несинусоидальным током нагрузки.

Известный пример — выпрямитель питания для индуктивных нагрузок, где применение стандартных триаков невозможно из-за того, что напряжение питания оказывается ниже напряжения обратной электромагнитной индукции нагрузки и ток триака резко стремится к нулю. Этот эффект проиллюстрирован на рис. 7.

При нулевом токе триака ток нагрузки будет спадать через мостовой выпрямитель. При индуктивных нагрузках возможно такое высокое значение dI_COM/dt, при котором триак не может поддерживать даже небольшого значения dV/dt 50-герцовой синусоиды при прохождении нуля. В этом случае не будет эффекта от добавления демпфера.

Решение проблемы в том, что значение dI_COM/dt может быть ограничено добавлением дросселя последовательно с нагрузкой. Альтернативное решение — использование Hi-Com-триаков.

4. Превышение максимального значения скорости нарастания напряжения в закрытом состоянии dV_D/dt

Высокая скорость изменения напряжения на силовых электродах непроводящего триака (или тиристора с чувствительным затвором) без превышения его V_DRM (см. рис. 8), вызывает внутренние емкостные токи. При этом внутреннего тока затвора может быть достаточно, чтобы перевести триак (тиристор) в состояние проводимости. Чувствительность к этому параметру увеличивается с ростом температуры.

Там, где возникает эта проблема, значение dV_D/dt должно быть ограничено RC-демпфером между T1 и T2 для триака (или анодом и катодом для тиристора). Использование триаков Hi-Com в таких случаях может снять эти проблемы.

5. Превышение повторяющегося пикового напряжения в закрытом состоянии V_DRM

Если напряжение на T2 превышает V_DRM (это может происходить во время переходных процессов), то ток утечки T2-T1 достигнет значения, при котором триак может спонтанно перейти в состояние проводимости (рис. 9).

При нагрузке, допускающей выбросы тока, ток чрезвычайно высокой плотности может проходить через узкую открытую область перехода. Это может привести к выгоранию перехода и разрушению кристалла. Это может происходить в схемах управления лампами накаливания, емкостных нагрузках и схемах защиты мощных электронных ключей.

Превышение V_DRM или dV_D/dt не всегда приводит к потере работоспособности триака, а вот создаваемая dI_T/dt скорость нарастания тока It может привести к выходу из строя прибора. Из-за того что требуется некоторое время для распространения проводимости по всему переходу, допустимое значение dI_T/dt ниже чем, если бы триак был включен сигналом затвора. Если значение dI_T/dt не будет превышать минимального значения, которое дается в его характеристиках, то, скорее всего, триак не выйдет из строя. Эта проблема может быть решена подключением ненасыщающейся индуктивности (без сердечника) последовательно с нагрузкой. Если это решение неприемлемо, то альтернативное решение может быть в том, чтобы обеспечить дополнительную фильтрацию и ограничение выбросов. Это повлечет использование параллельно питанию метал-оксидного варистора (МОВ) для ограничения напряжения и последовательное подключение LС-цепочки перед варистором.

Некоторые изготовители выражают сомнения в надежности схем с использованием MOB, так как они при высоких температурах окружающей среды входят в тепловой пробой и выходят из строя. Это является следствием того, что рабочее напряжение МОВ обладает обратным температурным коэффициентом. Однако при применении МОВ на 275 В (среднеквадратичное значение) для цепей 230 В риск перегорания МОВ минимален. Такие проблемы вероятны, если варистор на 250 В используется при высокой температуре окружающей среды в цепях со среднеквадратичным значением 230 В.

Состояние проводимости, dI

_T/dt

Когда триак (тиристор) находится в состоянии проводимости под действием сигнала затвора, проводимость начинается в участке кристалла, смежном с затвором, и затем быстро распространяется на активную область. Эта задержка накладывает ограничение на значение допустимой скорости нарастания тока нагрузки. Высокое значение dI_T/dt может быть причиной выгорания прибора, в результате чего произойдет короткое замыкание между T1 и T2.

При работе в квадранте 3+ еще больше снижается разрешенное значение dI_T/dt из-за структуры перехода. Это может привести к мгновенному лавинному процессу в затворе и перегоранию во время быстрого нарастания тока. Разрушение триака может произойти не сразу, а при постепенном выгорании перехода Затвор-T1, что приведет к короткому замыканию после нескольких включений. Чувствительные триаки наиболее подвержены этому. Эти проблемы не относятся к Hi-Com триакам, так как они не работают в квадранте 3+.

Значение dI_T/dt связано со скоростью нарастания тока затвора (dI_G/dt) и максимальным значением I_G. Высокие значения dI_G/dt и пикового I_G (без превышения номинальной мощности затвора) дают более высокое значение dI_T/dt.

Самый простой пример нагрузки, создающей высокий начальный бросок тока, — лампа накаливания, которая имеет низкое сопротивление в холодном состоянии. Для резистивных нагрузок этого типа значение dI_T/dt достигнет максимального значения при начале перехода в состояние проводимости в пике напряжения сети. Если есть вероятность превышения номинального значения dI_T/dt триака, необходимо ограничить это включением катушки индуктивности или терморезистором с обратным температурным коэффициентом последовательно с нагрузкой.

Дроссель не должен насыщаться в течение максимума пика тока. Для ограничения значения dI_T/dt необходимо использовать катушку индуктивности без сердечника.

Есть более правильное решение, с помощью которого можно избежать необходимости включения последовательно с нагрузкой токоограничивающих приборов. Оно состоит в том, чтобы использовать режим включения при нулевой разности потенциалов. Это дало бы плавный рост тока с начала полуволны.

Примечание: Важно помнить, что режим включения при нулевой разности потенциалов применим только к резистивным нагрузкам. Использование того же метода для реактивных нагрузок, где есть сдвиг фазы между напряжением и током, может вызвать однополярную проводимость, ведущую к возможному режиму насыщения индуктивных нагрузок, разрушительно высокому току и перегреву. В этом случае требуется более совершенный способ переключения при нулевом токе или схема управления фазой включения.

Отключение

Триаки, использующиеся в цепях переменного тока, коммутируются в конце каждого полупериода тока нагрузки, если не приложен сигнал затвора, чтобы поддержать проводимость с начала следующего полупериода. Правила для I_H те же, что и для тиристора (см. «Правило 2»).

Некоторые особенности триаков Hi-Com

Триаки Hi-Com имеют отличную от обычных триаков внутреннюю структуру. Одно из отличий состоит в том, что две половины тиристора лучше изолированы друг от друга, что уменьшает их взаимное влияние. Это дает следующие преимущества:

Увеличение допустимого значения dV_COM/dt. Это позволяет управлять реактивными нагрузками (в большинстве случаев) без использования демпфирующего устройства, без сбоев в коммутации. Это сокращает количество элементов, размер печатной платы, стоимость и устраняет потери на рассеивание энергии демпфирующим устройством.
Увеличение допустимого значения dI_COM/dt. Это значительно улучшает работу на более высоких частотах и для несинусоидальных напряжений без необходимости в ограничении dI_COM/dt при помощи индуктивности последовательно с нагрузкой.
Увеличение допустимого значения dV_D/dt. Триаки очень чувствительны при высоких рабочих температурах. Высокое значение dV_D/dt уменьшает тенденцию к самопроизвольному включению из состояния отсутствия проводимости за счет dV/dt при высоких температурах. Это позволяет применять их при высоких температурах для управления резистивными нагрузками в кухонных или нагревательных приборах, где обычные триаки не могут использоваться.

Из-за особой внутренней структуры работа триаков Hi-Com в квадранте 3+ невозможна. В большинстве случаев это не является проблемой, так как это наименее желательный и наименее используемый квадрант. Поэтому замена обычного триака на Hi-Com возможна почти всегда.

Более подробную информацию по триакам Hi-Com можно найти в специальной документации Philips: «Factsheet 013 — Understanding Hi-Com Triacs» и «Factsheet 014 — Using Hi-Com Triacs».

Способы монтажа триаков

При малых нагрузках или коротких импульсных токах нагрузки (меньше 1 с), можно использовать триак без теплоотводящего радиатора. Во всех остальных случаях его применение необходимо.

Существует три основных метода фиксации триака к теплоотводу — крепление зажимом, крепление винтом и клепка. Наиболее распространены первые два способа. Клепка в большинстве случаев не рекомендуется, так как может вызвать повреждение или деформацию кристалла, что приведет к выходу прибора из строя.

Фиксация к теплоотводу зажимом

Это — предпочтительный метод с минимальным тепловым сопротивлением, так как зажим достаточно плотно прижимает корпус прибора к радиатору. Это одинаково подходит как для неизолированных (SOT82 и SOT78), так и для изолированных корпусов (SOT186 F-корпусов и более ранних SOT186A X-корпусов). SOT78 известен еще как TO220AB.

Фиксация к теплоотводу при помощи винта

Набор для монтажа корпуса SOT78 включает прямоугольную шайбу, которая должна быть установлена между головкой винта и контактом без усилий на пластиковый корпус прибора.
Во время установки наконечник отвертки не должен воздействовать на пластиковый корпус триака (тиристора).
Поверхность теплоотвода в месте контакта с электродом должна быть обработана с чистотой до 0,02 мм.
Крутящий момент (с установкой шайбы) должен быть между 0,55–0,8 Н·м.
По возможности следует избегать использования винтов-саморезов, так как это снижает термоконтакт между теплоотводом и прибором.
Прибор должен быть механически зафиксирован перед пайкой выводов. Это минимизирует чрезмерную нагрузку на выводы.

Тепловое сопротивление

Тепловое сопротивление R_th — это сопротивление между корпусом прибора и радиатором. Этот параметр аналогичен электрическому сопротивлению R = V/I, поэтому тепловое сопротивление R_th = T/P, где T — температура в кельвинах, и P — рассеяние энергии в ваттах.

Для прибора, установленного вертикально без радиатора, тепловое сопротивление задается тепловым сопротивлением «переход — окружающая среда» R_th = R_{th j–a}.

Для корпуса SOT82 значение равно 100 К/Вт;
Для корпуса SOT78 значение равно 60 К/Вт;
Для корпусов F и X значение равно 55 К/Вт.

Для не изолированных приборов, установленных на теплоотвод, тепловое сопротивление является суммой сопротивлений «переход — корпус», «корпус — теплоотвод» и «теплоотвод — окружающая среда».

Для изолированных корпусов нет ссылки на термосопротивление R_{th j–mb}, так как R_{th mb–h} принят постоянным и дан с учетом использования термопасты. Поэтому тепловое сопротивление для изолированного корпуса является суммой тепловых сопротивлений «переходтеплоотвод» и «теплоотвод — окружающая среда».

R_{th j–mb} или R_{th j–h} фиксированы и даны в документации к каждому прибору. R_{th mb–h} также даются в инструкциях по установке для некоторых вариантов изолированного и неизолированного монтажа с использованием или без использования термопасты. R_{th h–a} регулируется размером теплоотвода и степенью воздушного потока через него. Для улучшения теплоотдачи всегда рекомендуется использование термопасты.

Расчет теплового сопротивления

Для вычисления теплового сопротивления теплоотвода для данного триака (тиристора) и данного тока нагрузки необходимо сначала вычислить рассеяние энергии в триаке (тиристоре), используя следующее уравнение:

V_o и R_s получены из «on-state» характеристики триака (тиристора). Если значения не указанны, то они могут быть получены из графика путем вычерчивания касательной к V_{T max}. Точка на оси V_T, где ее пересекает касательная, дает V_o, в то время как тангенс угла наклона касательной дает R_s.

Используя уравнение теплового сопротивления, данное выше, получаем:

Максимально допустимая температура перехода будет достигнута, когда T_j достигает T_{j max} при самой высокой температуре окружающей среды. Это дает нам T.

Полное тепловое сопротивление

Все расчеты по вычислению теплового сопротивления имеет смысл проводить для уже установившегося режима продолжительностью больше 1 с. Для импульсных токов или длительных переходных процессов меньше 1 с эффект отвода тепла уменьшается. Температура просто рассеивается в объеме прибора с очень небольшим достижением теплоотвода. В таких условиях нагрев перехода зависит от полного теплового сопротивления «переход — корпус прибора» Z_{th j–mb}. Поэтому Z_{th j–mb} уменьшается при уменьшении продолжительности импульса тока благодаря меньшему нагреву кристалла. При увеличении продолжительности до 1 с Z_{th j–mb} увеличивается до значения, соответствующего установившемуся режиму R_{th j–mb}. Характеристика Z_{th j–mb} приводится в документации для двунаправленного и однонаправленного электрического тока импульсами продолжительностью до 10 с.

Номенклатура и корпуса

Промышленный ряд тиристоров Philips начинается с 0,8 A в SOT54 (TO92) и заканчивается 25 A в SOT78 (TO220AB).

Промышленный ряд триаков (симисторов) Philips начинается с 0,8 A в SOT223 и заканчивается 25 A в SOT78.

Самый маленький корпус триака (тиристора) для поверхностного монтажа — SOT223 (рис. 11). Мощность рассеивания зависит от степени рассеивания тепла печатной платой, на которую устанавливается прибор.

Тот же кристалл устанавливается в неизолированный корпус SOT82 (рис. 13). Улучшенная теплоотдача этого корпуса позволяет использовать его при более высоких номинальных токах и большей мощности.

На рис. 12 показан наименьший корпус для обычного монтажа — SOT54. В этот корпус ставится кристалл, которым оснащаются SOT223.

SOT78 — самый распространенный неизолированный корпус, большинство устройств для бытовой техники производится с использованием этого корпуса (рис. 14).

На рис. 15 показан SOT186 (F-корпус). Этот корпус допускает в обычных условиях разность потенциалов 1500 В между прибором и теплоотводом.

Один из последних корпусов — SOT186A (X-корпус), показанный на рис. 16. Он обладает несколькими преимуществами перед предыдущими типами:

Корпус имеет те же размеры, что и корпус SOT78 в зазорах выводов и монтажной поверхности, поэтому он может непосредственно заменять SOT78 без изменений в монтаже.
Корпус допускает в обычных условиях разность потенциалов 2500 В между прибором и теплоотводом.

Симистор принцип работы

Симисторы: принцип работы

Симистор — один из видов тиристоров, отличающийся от базового типа большим числом p-n переходови принципом работы.

Использование симистора

Симистор наиболее часто используется в полупроводниковых устройствах для коммутации и управления мощностью систем переменного тока.

Схема переключения симистора

Приведенная выше схема показывает простую схему переключения симистора с триггером постоянного тока. При разомкнутом переключателе SW1 ток не поступает в затвор симистора, и поэтому лампа выключена. Когда SW1 замкнут, ток затвора подается на триак от батареи V G через резистор R, и триак приводится в полную проводимость, действуя как замкнутый переключатель, и полная мощность потребляется лампой от синусоидального источника питания.

Поскольку батарея подает положительный ток затвора на триак всякий раз, когда переключатель SW1 замкнут, триак постоянно находится в режимах g + и ΙΙΙ + независимо от полярности клеммы MT 2 .

Конечно, проблема с этой простой схемой переключения симистора состоит в том, что нам потребовался бы дополнительный положительный или отрицательный источник питания затвора, чтобы запустить триак в проводимость. Но мы также можем активировать триак, используя фактическое напряжение питания переменного тока в качестве напряжения срабатывания затвора. Рассмотрим схему ниже.

Схема показывает триак, используемый как простой статический выключатель питания переменного тока, обеспечивающий функцию «ВКЛ» — «ВЫКЛ», аналогичную в работе предыдущей схеме постоянного тока. Когда переключатель SW1 разомкнут, триак действует как разомкнутый переключатель, и лампа пропускает нулевой ток. Когда SW1 замкнут, триак отключается от «ВКЛ» через токоограничивающий резистор R и самоблокируется вскоре после начала каждого полупериода, таким образом переключая полную мощность на нагрузку лампы.

Поскольку источник питания является синусоидальным переменным током, триак автоматически отключается в конце каждого полупериода переменного тока в качестве мгновенного напряжения питания, и, таким образом, ток нагрузки кратковременно падает до нуля, но повторно фиксируется снова, используя противоположную половину тиристора в следующем полупериоде, пока выключатель остается замкнутым. Этот тип управления переключением обычно называется двухполупериодным управлением, поскольку контролируются обе половины синусоидальной волны.

Поскольку симистор фактически представляет собой две SCR, подключенные друг к другу, мы можем продолжить эту схему переключения симистора, изменив способ срабатывания затвора, как показано ниже.

Модифицированная цепь переключения симистора

Как и выше, если переключатель SW1 разомкнут в положении A, то ток затвора отсутствует, а лампа выключена. Если переключатель находится в положении B, то ток затвора протекает в каждом полупериоде так же, как и раньше, и лампа получает полную мощность, когда триак работает в режимах Ι + и ΙΙΙ–.

Однако на этот раз, когда переключатель подключен к положению C, диод предотвратит срабатывание затвора, когда MT 2 будет отрицательным, так как диод имеет обратное смещение. Таким образом, симистор работает только в положительных полупериодах, работающих только в режиме I +, и лампа загорается при половине мощности. Затем, в зависимости от положения переключателя, нагрузка выключена при половине мощности или полностью включена .

Фазовый контроль симистора

Другой распространенный тип схемы симистической коммутации использует управление фазой для изменения величины напряжения и, следовательно, мощности, подаваемой на нагрузку, в данном случае на двигатель, как для положительной, так и для отрицательной половин входного сигнала. Этот тип управления скоростью двигателя переменного тока обеспечивает полностью переменное и линейное управление, поскольку напряжение можно регулировать от нуля до полного приложенного напряжения, как показано на рисунке.

Эта базовая схема запуска фазы использует триак последовательно с двигателем через синусоидальный источник переменного тока. Переменный резистор VR1 используется для управления величиной фазового сдвига на затворе симистора, который, в свою очередь, управляет величиной напряжения, подаваемого на двигатель, путем его включения в разное время в течение цикла переменного тока.

Вызывание напряжение симистора является производным от VR1 — C1 комбинации через Диак (Диак является двунаправленным полупроводниковым устройством , которое помогает обеспечить резкий триггер импульс тока, чтобы полностью включение симистора).

В начале каждого цикла C1 заряжается через переменный резистор VR1. Это продолжается до тех пор, пока напряжение на С1 не станет достаточным для запуска диака в проводимость, что, в свою очередь, позволяет конденсатору С1 разрядиться в затвор симистора, включив его.

Как только триак запускается в проводимость и насыщается, он эффективно замыкает цепь управления фазой затвора, подключенную параллельно ему, и триак берет на себя управление оставшейся частью полупериода.

Как мы видели выше, триак автоматически отключается в конце полупериода, и процесс запуска VR1-C1 снова запускается в следующем полупериоде.

Однако, поскольку для триака требуются разные величины тока затвора в каждом режиме переключения, например, Ι + и ΙΙΙ–, поэтому триак является асимметричным, что означает, что он не может запускаться в одной и той же точке для каждого положительного и отрицательного полупериода.

Эта простая схема управления скоростью симистора подходит не только для управления скоростью двигателя переменного тока, но и для диммеров ламп и управления электронагревателем, и на самом деле очень похожа на регулятор симистора, используемый во многих домах. Однако коммерческий симисторный диммер не должен использоваться в качестве регулятора скорости двигателя, так как, как правило, симисторные диммеры предназначены для использования только с резистивными нагрузками, такими как лампы накаливания.

Принцип работы симистора

Давайте разберем, как работает симистор на примере простой схемы, в которой переменное напряжение подается на нагрузку через электронный ключ на базе этого элемента. В качестве нагрузки представим лампочку — так удобнее будет объяснять принцип работы.

Схема реле на симисторе (триаке)

В исходном положении прибор находится в запертом состоянии, ток не проходит, лампочка не горит. При замыкании ключа SW1 питание подается на на затвор G. Симистор переходит в открытое состояние, пропускает через себя ток, лампочка загорается. Поскольку схема работает от сети переменного напряжения, полярность на контактах симистора постоянно меняется. Вне зависимости от этого, лампочка горит, так как прибор пропускает ток в обоих направлениях.

При использовании в качестве питания источника переменного напряжения, ключ SW1 должен быть замкнуть все время, пока необходимо чтобы нагрузка была в работе. При размыкании контакта во время очередной смены полярности цепь разрывается, лампочка гаснет. Зажжется она снова только после замыкания ключа.

Если в той же схеме использовать источник постоянного тока, картина изменится. После того как ключ SW1 замкнется, симистор откроется, потечет ток, лампочка загорится. Дальше этот ключ может возвращаться в разомкнутое состояние. При этом цепь питания нагрузки (лампочки) не разрывается, так как симистор остается в открытом состоянии. Чтобы отключить питание, надо либо понизить ток ниже величины удержания (одна из технических характеристик), либо кратковременно разорвать цепь питания.

Сигналы управления

Управляется симистор не напряжением, а током.

Для открытия на затвор надо подать ток определенного уровня. В характеристиках указан минимальный ток открывания — вот это и есть нужная величина. Обычно ток открывания совсем небольшой. Например, для коммутации нагрузки на 25 А, подается управляющий сигнал порядка 2,5 мА. При этом, чем выше напряжение, подаваемое на затвор, тем быстрее открывается переход.

Схема подачи напряжения для управления симистором

Чтобы перевести симистор в открытое состояние, напряжение должно подаваться между затвором и условным катодом. Условным, потому что в разные моменты времени, катодом является то один силовой выход, то другой.

Полярность управляющего напряжения, как правило, должна быть либо отрицательной, либо должна совпадать с полярностью напряжения на условном аноде. Поэтому часто используется такой метод управления симистором, при котором сигнал на управляющий электрод подаётся с условного анода через токоограничительный резистор и выключатель.

Управлять симистором часто удобно, задавая определённую силу тока управляющего электрода, достаточную для отпирания.

Некоторые типы симисторов (так называемые четырёхквадрантные симисторы) могут отпираться сигналом любой полярности, хотя при этом может потребоваться больший управляющий ток.

Как отпирается симистор

При питании от сети переменного тока происходит смена режимов работы за счет изменения полярности у напряжения на рабочих электродах. По этой причине в зависимости от того, какая полярность у тока управления, можно выделить 4 типа проведения этой процедуры.

Допустим, между рабочими электродами приложено напряжение. А на электроде управления напряжение по знаку противоположно тому, которое приложено к цепи анода. В этом случае сместится по квадранту симистор — принцип работы, как можно увидеть, довольно простой.

Существует 4 квадранта, и для каждого из них определен ток отпирания, удерживающий, включения. Отпирающий ток необходимо сохранять до той поры, покуда не превысит в несколько раз (в 2-3) он значение удерживающего тока. Именно это и есть ток включения симистора – минимально необходимый ток отпирания. Если же избавиться от тока в цепи управления, симистор будет находиться в проводящем состоянии. Причем он в таком режиме будет работать до той поры, покуда ток в цепи анода будет больше тока удержания.

Понравилась статья? Расскажите друзьям: Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Что такое TRIAC: схема переключения и приложения

Силовые электронные переключатели, такие как BJT, SCR, IGBT, MOSFET и TRIAC, являются очень важными компонентами, когда дело доходит до схем переключения, таких как преобразователи постоянного тока в постоянный ток , Контроллеры скорости двигателя , Драйверы двигателей и , контроллеры частоты и т. Д. Каждое устройство имеет свои уникальные свойства и, следовательно, они имеют свои собственные специфические применения. В этом руководстве мы узнаем о TRIAC , которое является двунаправленным устройством, что означает, что оно может работать в обоих направлениях.Благодаря этому свойству TRIAC используется исключительно там, где задействован источник синусоидального переменного тока.

Введение в TRIAC

Термин TRIAC означает TRI или A альтернативный C текущий. Это трехконтактное переключающее устройство, подобное тиристору (SCR), но оно может работать в обоих направлениях, поскольку оно создается путем объединения двух тиристоров в антипараллельном состоянии. Символ и вывод TRIAC показаны ниже.

Поскольку TRIAC является двунаправленным устройством, ток может течь либо от MT1 к MT2, либо от MT2 к MT1, когда терминал затвора срабатывает. Для TRIAC это напряжение запуска, которое должно быть приложено к клемме затвора, может быть положительным или отрицательным по отношению к клемме MT2. Таким образом, это переводит TRIAC в четыре рабочих режима , как указано ниже

Положительное напряжение на MT2 и положительный импульс на затвор (квадрант 1)
Положительное напряжение на MT2 и отрицательный импульс на затворе (квадрант 2)
Отрицательное напряжение на MT2 и положительный импульс на затворе (квадрант 3)
Отрицательное напряжение на MT2 и отрицательный импульс на затворе (квадрант 4)

Характеристики V-I TRIAC

На рисунке ниже показано состояние TRIAC в каждом квадранте.

Характеристики включения и выключения TRIAC можно понять, посмотрев на график характеристик VI для TRIAC, который также показан на рисунке выше. Поскольку TRIAC представляет собой просто комбинацию двух SCR в антипараллельном направлении, график характеристик V-I похож на график SCR. Как вы можете видеть, TRIAC в основном работает в 1-м квадранте и 3 ^{-м квадранте}.

Характеристики включения

Чтобы включить TRIAC, положительное или отрицательное напряжение затвора / импульс должно быть подано на вывод затвора TRIAC.При срабатывании одного из двух SCR внутри, TRIAC начинает проводить в зависимости от полярности выводов MT1 и MT2. Если MT2 положительный, а MT1 отрицательный, первый SCR проводит, а если терминал MT2 отрицательный, а MT1 положительный, то второй SCR проводит. Таким образом, любой из SCR всегда остается включенным, что делает TRIAC идеальным для приложений переменного тока.

Минимальное напряжение, которое должно быть приложено к выводу затвора для включения симистора, называется пороговым напряжением затвора (V _GT) , а результирующий ток через вывод затвора называется пороговым током затвора (I _GT). После того, как это напряжение подается на вывод затвора, TRIAC смещается в прямом направлении и начинает проводить, время, необходимое для перехода TRIAC из выключенного состояния в состояние включения, называется временем включения (t _на).

Так же, как и SCR, TRIAC после включения останется включенным, если он не будет коммутирован. Но для этого условия ток нагрузки через TRIAC должен быть больше или равен току фиксации (I _L) TRIAC. Таким образом, можно заключить, что TRIAC будет оставаться включенным даже после удаления импульса затвора, пока ток нагрузки больше, чем значение тока фиксации.

Подобно току фиксации, существует еще одно важное значение тока, называемое током удержания. Минимальное значение тока для поддержания TRIAC в режиме прямой проводимости называется удерживающим током (I _H). TRIAC войдет в режим непрерывной проводимости только после прохождения через ток удержания и ток фиксации, как показано на графике выше. Также значение тока фиксации любого TRIAC всегда будет больше, чем значение тока удержания.

Отключающие характеристики

Процесс выключения TRIAC или любого другого устройства питания называется коммутацией , а схема, связанная с ним для выполнения задачи, называется коммутационной схемой. Наиболее распространенный метод, используемый для отключения TRIAC, — это уменьшение тока нагрузки через TRIAC до тех пор, пока он не станет ниже значения тока удержания (I _H). Этот тип коммутации называется принудительной коммутацией в цепях постоянного тока.Мы узнаем больше о том, как TRIAC включается и выключается через его прикладные схемы.

Приложения TRIAC

TRIAC очень часто используется в местах, где необходимо контролировать мощность переменного тока, например, он используется в регуляторах скорости потолочных вентиляторов, схемах диммера ламп переменного тока и т. Д. Давайте рассмотрим простую схему переключения TRIAC, чтобы понять, как она работает на практике. .

Здесь мы использовали TRIAC для включения и выключения нагрузки переменного тока с помощью кнопки .Затем сетевой источник питания подключается к маленькой лампочке через TRIAC, как показано выше. Когда переключатель замкнут, фазное напряжение подается на вывод затвора TRIAC через резистор R1. Если это напряжение затвора выше порогового напряжения затвора, то через вывод затвора протекает ток, который будет больше, чем пороговый ток затвора.

В этом состоянии TRIAC входит в прямое смещение, и ток нагрузки будет проходить через лампу. Если нагрузка потребляет достаточно тока, TRIAC переходит в состояние фиксации.Но поскольку это источник питания переменного тока, напряжение будет достигать нуля в течение каждого полупериода, и, следовательно, ток также мгновенно достигнет нуля. Следовательно, фиксация в этой схеме невозможна, и TRIAC выключится, как только выключатель откроется, и здесь не требуется схема коммутации. Этот тип коммутации TRIAC называется естественной коммутацией . Теперь давайте построим эту схему на макетной плате с использованием BT136 TRIAC и проверим, как она работает.

При работе с источниками питания переменного тока необходимо соблюдать особую осторожность. В целях безопасности снижается рабочее напряжение. Стандартное напряжение переменного тока 230 В 50 Гц (в Индии) понижается до 12 В 50 Гц с помощью трансформатора.Маленькая лампочка подключена как нагрузка. После завершения экспериментальная установка выглядит так, как показано ниже.

Когда кнопка нажата, контакт затвора получает напряжение затвора и, таким образом, TRIAC включается. Лампа будет светиться, пока кнопка удерживается нажатой. Как только кнопка будет отпущена, TRIAC будет в фиксированном состоянии, но поскольку входное напряжение переменного тока, ток, хотя TRIAC будет ниже удерживающего тока, и, таким образом, TRIAC выключится, полную работу также можно найти в . видео приведено в конце этого руководства.

Управление TRIAC с помощью микроконтроллеров

Когда TRIAC используются в качестве регуляторов освещенности или для управления фазой, импульс затвора, который подается на вывод затвора, должен управляться с помощью микроконтроллера. В этом случае штифт затвора также будет изолирован с помощью оптрона. Принципиальная схема для этого же показана ниже.

Для управления TRIAC с помощью сигнала 5V / 3.3V мы будем использовать оптрон , такой как MOC3021 , внутри которого есть TRIAC.Этот TRIAC может быть активирован 5 В / 3,3 В через светоизлучающий диод. Обычно сигнал ШИМ подается на вывод 1 ^st MOC3021, а частота и рабочий цикл сигнала ШИМ будут изменяться для получения желаемого выходного сигнала. Этот тип цепи обычно используется для регулировки яркости лампы или управления скоростью двигателя.

Эффект скорости — демпфирующие цепи

Все TRIAC страдают от проблемы, называемой эффектом скорости. То есть, когда клемма MT1 подвергается резкому увеличению напряжения из-за шума переключения, переходных процессов или скачков, TRIAC прерывает его в качестве сигнала переключения и автоматически включается.Это связано с наличием внутренней емкости между клеммами MT1 и MT2.

Самый простой способ решить эту проблему — использовать демпферную цепь. В приведенной выше схеме резистор R2 (50R) и конденсатор C1 (10 нФ) вместе образуют RC-цепь, которая действует как демпфирующая цепь. Любые пиковые напряжения, подаваемые на MT1, будут наблюдаться этой RC-цепью.

Эффект люфта

Другой распространенной проблемой, с которой столкнутся дизайнеры при использовании TRIAC, является эффект люфта.Эта проблема возникает, когда потенциометр используется для управления напряжением затвора TRIAC. Когда POT установлен на минимальное значение, на вывод затвора не будет подаваться напряжение, и, таким образом, нагрузка будет отключена. Но когда POT установлен на максимальное значение, TRIAC не включится из-за эффекта емкости между выводами MT1 и MT2, этот конденсатор должен найти путь для разряда, иначе он не позволит TRIAC включиться. Этот эффект называется эффектом люфта. Эту проблему можно решить, просто включив резистор последовательно со схемой переключения, чтобы обеспечить путь для разряда конденсатора.

Радиочастотные помехи (RFI) и TRIAC Цепи переключения

TRIAC более подвержены радиочастотным помехам (EFI), потому что при включении нагрузки ток внезапно повышается с 0 А до максимального значения, создавая, таким образом, всплеск электрических импульсов, который вызывает радиочастотный интерфейс. Чем больше ток нагрузки, тем хуже будут помехи. Использование цепей подавления, таких как LC-подавитель, решит эту проблему.

TRIAC — Ограничения

Когда требуется переключать формы сигналов переменного тока в обоих направлениях, очевидно, что TRIAC будет первым выбором, поскольку это единственный двунаправленный силовой электронный переключатель.Он действует так же, как два SCR, подключенных вплотную друг к другу, а также имеют одинаковые свойства. Хотя при проектировании схем с использованием TRIAC необходимо учитывать следующие ограничения.

TRIAC имеет внутри две структуры SCR, одна проводит в течение положительной половины, а другая — во время отрицательной. Но они не срабатывают симметрично, вызывая разницу в положительном и отрицательном полупериоде выхода
Кроме того, поскольку переключение не является симметричным, оно приводит к высокоуровневым гармоникам, которые вызывают шум в цепи.
Эта проблема гармоник также приведет к электромагнитным помехам (EMI)
При использовании индуктивных нагрузок существует огромный риск протекания пускового тока к источнику, поэтому необходимо убедиться, что TRIAC полностью отключен, а индуктивная нагрузка безопасно разряжается по альтернативному пути.

Учебное пособие для симистора

и схемы переключения симистора

Будучи твердотельным устройством, тиристоры могут использоваться для управления лампами, двигателями, нагревателями и т. Д.Однако одна из проблем использования тиристора для управления такими схемами заключается в том, что, как и диод, «тиристор» является однонаправленным устройством, что означает, что он пропускает ток только в одном направлении, от анода к катоду .

Для цепей переключения постоянного тока эта «односторонняя» характеристика переключения может быть приемлемой, поскольку после срабатывания вся мощность постоянного тока подается прямо на нагрузку. Но в схемах переключения синусоидального переменного тока это однонаправленное переключение может быть проблемой, поскольку оно работает только в течение одной половины цикла (как полуволновой выпрямитель), когда анод является положительным, независимо от того, что делает сигнал затвора.Тогда при работе от переменного тока тиристор передает на нагрузку только половину мощности.

Чтобы получить двухполупериодное управление мощностью, мы могли бы подключить один тиристор к двухполупериодному мостовому выпрямителю, который запускается на каждой положительной полуволне, или соединить два тиристора вместе в обратной параллели (встречно-встречно), как показано ниже, но это увеличивает как сложность, так и количество компонентов, используемых в схеме переключения.

Конфигурации тиристоров

Тем не менее, существует другой тип полупроводникового устройства, называемый «Triode AC Switch» или для краткости Triac , который также является членом семейства тиристоров, которые могут использоваться в качестве твердотельного устройства переключения мощности, но, что более важно, это «двунаправленный» » устройство.Другими словами, симистор может быть приведен в состояние проводимости как положительным, так и отрицательным напряжением, приложенным к его аноду, а также положительными и отрицательными импульсами запуска, приложенными к его клемме затвора, что делает его устройством с двухквадрантным переключением, управляемым затвором.

A Симистор ведет себя так же, как два обычных тиристора, соединенных вместе обратно параллельно (встречно-встречно) по отношению друг к другу, и из-за такого расположения два тиристора имеют общий вывод затвора в едином трехконтактном корпусе.

Поскольку симистор проводит в обоих направлениях синусоидальной формы волны, концепции клеммы анода и клеммы катода, используемые для идентификации основных силовых клемм тиристора, заменены идентификаторами: MT ₁, для Main Terminal 1 и MT ₂ для Главный терминал 2 с терминалом G ворот, на который ссылается то же самое.

В большинстве приложений переключения переменного тока вывод затвора симистора связан с выводом MT ₁, аналогично соотношению затвор-катод тиристора или соотношению база-эмиттер транзистора.Конструкция, легирование P-N и схематический символ, используемый для обозначения симистора , приведены ниже.

Символ и конструкция симистора

Теперь мы знаем, что «симистор» — это четырехслойный PNPN в положительном направлении и NPNP в отрицательном направлении, трехконтактное двунаправленное устройство, которое блокирует ток в его состоянии «ВЫКЛ», действуя как переключатель разомкнутой цепи, но в отличие от обычного тиристора, симистор может проводить ток в любом направлении при запуске одним импульсом затвора.Тогда симистор имеет четыре возможных режима срабатывания, как показано ниже.

Ι + Mode = MT ₂ положительный ток (+ ve), положительный ток затвора (+ ve)
Ι — Режим = MT ₂ ток положительный (+ ve), ток затвора отрицательный (-ve)
ΙΙΙ + Mode = MT ₂ отрицательный ток (-ve), положительный ток затвора (+ ve)
ΙΙΙ — Режим = MT ₂ отрицательный ток (-ve), ток затвора отрицательный (-ve)

И эти четыре режима, в которых может работать симистор, показаны с использованием кривых ВАХ симистора.

Кривые вольт-амперных характеристик симистора

В квадранте Ι симистор обычно приводится в действие положительным током затвора, обозначенным выше как режим Ι +. Но он также может запускаться отрицательным током затвора, режим Ι–. Точно так же в квадранте –Ι _G также является обычным, режим ΙΙΙ– вместе с режимом ΙΙΙ +. Однако режимы Ι– и ΙΙΙ + являются менее чувствительными конфигурациями, требующими большего тока затвора для запуска, чем более распространенные режимы запуска симистора + и ΙΙΙ–.

Также, как и кремниевые управляемые выпрямители (SCR), симисторы также требуют минимального тока удержания I _H для поддержания проводимости в точке пересечения форм сигналов. Тогда, даже несмотря на то, что два тиристора объединены в одно единственное симисторное устройство, они по-прежнему демонстрируют индивидуальные электрические характеристики, такие как разные напряжения пробоя, токи удержания и уровни триггерного напряжения, точно такие же, как мы ожидаем от одного устройства SCR.

Применение симистора

Симистор — это наиболее часто используемое полупроводниковое устройство для переключения и управления мощностью систем переменного тока, поскольку симистор можно включить либо положительным, либо отрицательным импульсом затвора, независимо от полярности источника переменного тока в то время.Это делает симистор идеальным для управления лампой или нагрузкой двигателя переменного тока с помощью очень простой схемы переключения симистора, представленной ниже.

Цепь переключения симистора

На приведенной выше схеме показана простая схема переключения питания симистора, управляемая постоянным током. При разомкнутом переключателе SW1 ток не течет на затвор симистора, поэтому лампа выключена. Когда SW1 замкнут, ток затвора подается на симистор от аккумуляторной батареи V _G через резистор R, и симистор приводится в действие с полной проводимостью, действуя как замкнутый переключатель, и полная мощность потребляется лампой из синусоидального источника питания.

Поскольку батарея подает положительный ток затвора на симистор всякий раз, когда переключатель SW1 замкнут, симистор постоянно стробируется в режимах Ι + и ΙΙΙ + независимо от полярности вывода MT ₂.

Конечно, проблема с этой простой схемой переключения симистора заключается в том, что нам потребуется дополнительный положительный или отрицательный источник питания затвора, чтобы запустить симистор в проводимость. Но мы также можем запустить симистор, используя само фактическое напряжение питания переменного тока в качестве напряжения срабатывания затвора.Рассмотрим схему ниже.

Цепь переключения симистора

На схеме показан симистор, используемый в качестве простого статического переключателя питания переменного тока, обеспечивающего функцию «ВКЛ.» — «ВЫКЛ.», Аналогичную работе предыдущей цепи постоянного тока. Когда переключатель SW1 разомкнут, симистор действует как разомкнутый переключатель, и лампа пропускает нулевой ток. Когда SW1 замкнут, симистор включается через токоограничивающий резистор R и самотормозится вскоре после начала каждого полупериода, таким образом переключая полную мощность на ламповую нагрузку.

Поскольку источник питания является синусоидальным переменным током, симистор автоматически отключается в конце каждого полупериода переменного тока в качестве мгновенного напряжения питания, и, таким образом, ток нагрузки на короткое время падает до нуля, но повторно фиксируется с использованием противоположной половины тиристора в следующем полупериоде. пока переключатель остается замкнутым. Этот тип управления переключением обычно называется двухполупериодным из-за того, что контролируются обе половины синусоидальной волны.

Поскольку симистор фактически представляет собой два последовательно соединенных тиристора, мы можем продолжить эту схему переключения симистора, изменив способ срабатывания затвора, как показано ниже.

Модифицированная схема переключения симистора

Как указано выше, если переключатель SW1 разомкнут в положении A, ток затвора отсутствует и лампа выключена. Если переключатель перемещен в положение B, ток затвора течет в каждом полупериоде так же, как и раньше, и лампа потребляет полную мощность, поскольку симистор работает в режимах Ι + и ΙΙΙ–.

Однако на этот раз, когда переключатель подключен к положению C, диод предотвратит срабатывание затвора, когда MT ₂ является отрицательным, поскольку диод имеет обратное смещение.Таким образом, симистор работает только в положительных полупериодах, работая только в режиме I +, и лампа будет гореть на половинной мощности. Затем, в зависимости от положения переключателя, нагрузка выключена, , , половинная мощность, или , полная, .

Управление фазой симистора

Другой распространенный тип схемы переключения симистора использует фазовое управление для изменения величины напряжения и, следовательно, мощности, подаваемой на нагрузку, в данном случае на двигатель, как для положительной, так и для отрицательной половин входного сигнала.Этот тип управления скоростью двигателя переменного тока обеспечивает полностью регулируемое и линейное управление, поскольку напряжение можно регулировать от нуля до полного приложенного напряжения, как показано.

Управление фазой симистора

В этой базовой схеме запуска фазы используется симистор, включенный последовательно с двигателем через синусоидальный источник переменного тока. Переменный резистор VR1 используется для управления величиной фазового сдвига на затворе симистора, который, в свою очередь, регулирует величину напряжения, подаваемого на двигатель, путем его включения в разное время в течение цикла переменного тока.

Напряжение запуска симистора получается из комбинации VR1 — C1 через Diac (диак — это двунаправленное полупроводниковое устройство, которое помогает обеспечить резкий импульс тока запуска для полного включения симистора).

В начале каждого цикла C1 заряжается через переменный резистор VR1. Это продолжается до тех пор, пока напряжение на C1 не станет достаточным для запуска диакритического сигнала в проводимость, что, в свою очередь, позволяет конденсатору C1 разряжаться на затвор симистора, переводя его в состояние «ON».

Когда симистор запускается в проводимость и насыщается, он эффективно замыкает цепь управления фазой срабатывания затвора, подключенную параллельно ему, и симистор берет на себя управление в течение оставшейся части полупериода.

Как мы видели выше, симистор автоматически выключается в конце полупериода, а процесс запуска VR1 — C1 запускается снова в следующем полупериоде.

Однако, поскольку симистор требует различных значений тока затвора в каждом режиме переключения, например + и ΙΙΙ–, симистор асимметричен, что означает, что он не может срабатывать в одной и той же точке для каждого положительного и отрицательного полупериода. .

Эта простая схема управления скоростью симистора подходит не только для управления скоростью электродвигателя переменного тока, но и для регуляторов яркости ламп и электрического нагревателя, и фактически очень похожа на симисторный регулятор света, используемый во многих домах. Однако коммерческие симисторные диммеры не следует использовать в качестве регулятора скорости двигателя, поскольку обычно симисторные диммеры предназначены для использования только с резистивными нагрузками, такими как лампы накаливания.

Затем мы можем закончить этот учебник Triac , суммируя его основные моменты следующим образом:

«Симистор» — это еще один четырехслойный трехконтактный тиристор, аналогичный тиристору.
Симистор может быть активирован в любом направлении.
Существует четыре возможных режима запуска для симистора, 2 из которых являются предпочтительными.

Управление мощностью переменного тока с использованием симистора чрезвычайно эффективно при правильном использовании для управления нагрузками резистивного типа, такими как лампы накаливания, нагреватели или небольшие универсальные двигатели, обычно используемые в портативных электроинструментах и небольших приборах.

Но помните, что эти устройства можно использовать и подключать непосредственно к сетевому источнику переменного тока, поэтому тестирование цепи следует проводить, когда устройство управления питанием отключено от электросети.Пожалуйста, помните безопасность прежде всего !.

Что такое симистор — переключатель симистора »Электроника

Симисторы
— это полупроводниковые устройства, которые широко используются для коммутации переменного тока средней мощности — их преимущество в том, что они могут переключать обе половины переменного цикла.
Triac, Diac, SCR Учебное пособие Включает:
Основы тиристоров Конструкция тиристорного устройства Работа тиристора Затвор отключающий тиристор, ГТО Характеристики тиристора Что такое симистор Технические характеристики симистора Обзор Diac
Симисторы — это электронные компоненты, которые широко используются в системах управления питанием переменного тока.Они могут переключать высокие напряжения и высокие уровни тока и по обеим частям сигнала переменного тока. Это делает схемы симистора идеальными для использования в различных приложениях, где требуется переключение мощности.
В частности, симисторные схемы используются в регуляторах освещенности для домашнего освещения, а также во многих других ситуациях управления мощностью, включая управление двигателем и электронные переключатели.
Благодаря своим характеристикам симисторы, как правило, используются для электронных коммутационных устройств малой и средней мощности, оставляя тиристоры для использования в приложениях переключения мощности переменного тока с очень высокими температурами.
Среднетоковый симистор
Основы симистора
Симистор является развитием тиристора. В то время как тиристор может управлять током только в течение одной половины цикла, симистор управляет им в течение двух половин сигнала переменного тока.
Таким образом, симистор можно рассматривать как пару параллельных, но противоположных тиристоров с двумя затворами, соединенными вместе, и анодом одного устройства, соединенным с катодом другого, и т. Д.
Форма сигнала переключения симистора
Тот факт, что действие переключения симистора происходит на обеих половинах сигнала переменного тока, означает, что для приложений электронного переключения переменного тока может использоваться полный цикл.Для базовых схем с тиристорами используется только половина формы волны, а это означает, что в базовых схемах, в которых используются тиристоры, не будут использоваться обе половины цикла. Для использования обеих половин требуются два устройства. Однако симистору требуется только одно устройство для управления обеими половинами формы волны переменного тока, и во многих отношениях это идеальное решение для электронного переключателя переменного тока.
Символ симистора
Как и другие электронные компоненты, симистор имеет свой собственный символ схемы, который используется на принципиальных схемах, и это указывает на его двунаправленные свойства.Символ симистора можно рассматривать как пару символов тиристоров в противоположных смыслах, объединенных вместе.
Обозначение схемы симистора
Симистор, как и тиристор, имеет три вывода. Однако названия им немного сложнее присвоить, потому что основные токопроводящие клеммы подключены к тому, что фактически является катодом одного тиристора и анодом другого в пределах всего устройства.
Есть вентиль, который действует как спусковой крючок для включения устройства. В дополнение к этому, другие клеммы оба называются анодами или главными клеммами. Обычно они обозначаются как анод 1 и анод 2 или главный вывод 1 и главный вывод 2 (MT1 и MT2).При использовании симисторов MT1 и MT2 имеют очень похожие свойства.
Как работает симистор?
Прежде чем смотреть, как работает симистор, полезно понять, как работает тиристор. Таким образом, можно понять основные концепции более простого полупроводникового прибора, а затем применить их к более сложному симистору.
Что касается работы симистора, то из обозначения схемы можно представить, что симистор состоит из двух тиристоров, включенных параллельно, но по-разному.Таким образом можно рассматривать работу симистора, хотя реальная работа на полупроводниковом уровне гораздо сложнее.
Эквивалентная схема симистора
Структура симистора показана ниже, и можно увидеть, что есть несколько областей материала N-типа и P-типа, которые образуют фактически пару встречных тиристоров.
Базовая структура симистора
Симистор может работать разными способами — больше, чем тиристор. Он может проводить ток независимо от полярности напряжения на клеммах MT1 и MT2.Он также может срабатывать как положительным, так и отрицательным током затвора, независимо от полярности тока MT2. Это означает, что существует четыре режима или квадранта запуска:
Режим I + Ток MT2 равен + ve, ток затвора + ve
I- Mode Ток MT2 равен + ve, ток затвора равен -ve
III + Mode: Ток MT2 -ve, ток затвора + ve
III- Режим: Ток MT2 -ve, ток затвора -ve
Обнаружено, что чувствительность триггера по току триака максимальна, когда токи MT2 и затвора имеют одинаковую полярность, т.е.е. оба положительные или оба отрицательные. Если токи затвора и MT2 имеют противоположную полярность, тогда чувствительность обычно составляет примерно половину значения, когда они одинаковы.
Типичную ВАХ симистора можно увидеть на диаграмме ниже, где отмечены четыре различных квадранта.
IV характеристика симистора
Применение симистора
Симисторы используются во многих приложениях. Эти электронные компоненты часто используются при коммутации переменного тока малой и средней мощности.Там, где требуется переключение больших уровней мощности, обычно используются два тиристора / тиристора, поскольку ими легче управлять.
Тем не менее, симисторы широко используются во многих приложениях:
Управление освещением — особенно бытовые диммеры.
Управление вентиляторами и небольшими двигателями.
Электронные переключатели для общего переключения и управления переменным током
Естественно, существует много других применений симисторов, но это одни из самых распространенных.
В одном конкретном приложении симисторы могут быть включены в модули, называемые твердотельными реле. Здесь оптическая версия этого полупроводникового устройства активируется светодиодным источником света, включающим твердотельное реле в соответствии с входным сигналом.
Обычно в твердотельных реле светодиодный источник света или инфракрасного излучения и оптический симистор содержатся в одном корпусе, при этом обеспечивается достаточная изоляция, чтобы выдерживать высокие напряжения, которые могут достигать сотен вольт или, возможно, даже больше.
Твердотельные реле бывают разных форм, но те, которые используются для переключения переменного тока, могут использовать симистор.
Использование симисторов
При использовании симисторов следует обратить внимание на ряд моментов. Хотя эти полупроводниковые устройства работают очень хорошо, чтобы получить от них максимальную производительность, необходимо понять несколько советов по использованию симисторов.
Было обнаружено, что из-за их внутренней конструкции и небольших различий между двумя половинами эти электронные компоненты не срабатывают симметрично.Это приводит к генерации гармоник: чем менее симметрично срабатывает симистор, тем выше уровень создаваемых гармоник. Обычно нежелательно иметь высокие уровни гармоник в энергосистеме, и в результате симисторы не подходят для систем большой мощности. Вместо этого для этих систем можно использовать два тиристора, так как их срабатывание легче контролировать.
Чтобы помочь в преодолении проблемы несимметричного срабатывания симистора и возникающих в результате гармоник, другое полупроводниковое устройство, известное как диак (диодный переключатель переменного тока), часто подключается последовательно с затвором симистора.Включение этого полупроводникового устройства помогает сделать переключение более равномерным для обеих половин цикла и тем самым создать более эффективный электронный переключатель.
Это происходит из-за того, что характеристика переключения диакритического усилителя намного лучше, чем у симистора. Поскольку диак предотвращает протекание тока затвора до тех пор, пока напряжение срабатывания триггера не достигнет определенного значения в любом направлении, это делает точку срабатывания симистора более равномерной в обоих направлениях.
Внутренняя схема симисторного регулятора освещенности
Примеры схем симистора
Есть много способов использования симисторов.Два приведенных ниже примера дают представление о том, что можно сделать с этими полупроводниковыми устройствами.
Простая схема электронного переключателя симистора: Симистор может функционировать как электронный переключатель — он может активировать пусковой импульс переключателя малой мощности для включения симистора для управления гораздо более высокими уровнями мощности, которые могут быть возможны с помощью простой переключатель. Схема простого симисторного переключателя
Схема регулируемой мощности симистора или диммера: Одна из самых популярных схем симистора изменяет фазу на входе симистора для управления мощностью, которая может рассеиваться в нагрузке.
Базовая схема симистора, использующая фазу входного сигнала для управления рассеиваемой мощностью в нагрузке
Можно использовать гораздо больше схем симистора. Устройство очень универсально и может использоваться в различных схемах, обычно для обеспечения различных форм переключения переменного тока.
Примечание по схемам и конструкции симистора:
Цепи симистора
могут переключать обе половины на переменную форму волны с помощью одного устройства, что делает их очень привлекательными для использования во многих коммутационных схемах переменного тока малой и средней мощности.
Подробнее о Симисторные схемы и конструкция
Характеристики симистора
Симисторы
имеют много характеристик, которые очень похожи на характеристики тиристоров, хотя, очевидно, они предназначены для работы симистора на обеих половинах цикла и должны интерпретироваться как таковые.
Однако, поскольку их работа очень похожа, они также являются базовыми типами спецификаций. Такие параметры, как ток срабатывания затвора, повторяющееся пиковое напряжение в закрытом состоянии и т.п., необходимы при проектировании схемы симистора, обеспечивая достаточный запас для надежной работы схемы.
Симисторы
— идеальные устройства для использования во многих приложениях переменного тока малой мощности. Симисторные схемы для использования в качестве диммеров и небольших электронных переключателей широко распространены, и их легко и просто реализовать. При использовании симисторов диаки часто включаются в схему, как упоминалось выше, чтобы помочь снизить уровень генерируемых гармоник.
Другие электронные компоненты: Резисторы
Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды Транзистор Фототранзистор Полевой транзистор Типы памяти Тиристор Разъемы Разъемы RF Клапаны / трубки Аккумуляторы Переключатели Реле
Вернуться в меню «Компоненты».. .
Симисторы — Рабочие и прикладные схемы
Симистор можно сравнить с реле с фиксацией. Он мгновенно включится и закроется, как только он сработает, и будет оставаться закрытым, пока напряжение питания остается выше нуля вольт или полярность питания не изменяется.
Если питание переменного тока (переменного тока), симистор будет размыкаться в течение периодов, когда цикл переменного тока пересекает нулевую линию, но закроется и включится, как только он снова сработает.
Преимущества симистора как статических переключателей
Симисторы можно эффективно заменить механическими переключателями или реле для управления нагрузками в цепях переменного тока.
Симисторы можно настроить для переключения относительно более тяжелых нагрузок с помощью минимального срабатывания по току.
Когда симисторы проводят (замыкаются), они не вызывают эффекта дребезга, как в механических переключателях.
Когда симисторы выключаются (при переходе через ноль переменного тока), он делает это без каких-либо переходных процессов из-за обратных ЭДС и т. Д.
Симисторы также устраняют проблемы с плавлением контактов или искрения, а также другие формы износа, которые обычно наблюдаются в электрических переключателях на механической основе.
Симисторы обладают гибким запуском, который позволяет им переключаться в любой заданной точке входного цикла переменного тока через положительный сигнал низкого напряжения на затворе и общей земле.
Это напряжение запуска может быть от любого источника постоянного тока, такого как батарея, или выпрямленный сигнал от самого источника переменного тока. В любом случае симистор будет проходить периоды выключения всякий раз, когда форма сигнала переменного тока полупериода перемещается через линию пересечения нуля (тока), как показано ниже:
Как включить симистор
Симистор состоит из трех клемм : Gate, A1, A2, как показано ниже:
Чтобы включить симистор, на его вывод затвора (G) должен быть подан ток триггера затвора.Это заставляет ток затвора течь через затвор и клемму A1. Ток затвора может быть положительным или отрицательным по отношению к выводу A1 симистора. Клемма A1 может быть подключена к отрицательной линии VSS или положительной линии VDD источника питания управления затвором.
Следующая диаграмма показывает упрощенную схему симистора, а также его внутреннюю кремниевую структуру.
Когда на затвор симистора подается ток срабатывания, он включается с помощью встроенных диодов, включенных последовательно между клеммой G и клеммой A1.Эти 2 диода установлены на переходах P1-N1 и P1-N2 симистора.
Квадранты запуска симистора
Запуск симистора осуществляется через четыре квадранта в зависимости от полярности тока затвора, как показано ниже:
Эти квадранты запуска могут практически применяться в зависимости от семейства и класса симистора, так как приведено ниже:
Q2 и Q3 — рекомендуемые квадранты запуска для симисторов, поскольку они обеспечивают минимальное потребление и надежный запуск.
Квадрант запуска Q4 не рекомендуется, так как он требует более высокого тока затвора.
Важные параметры запуска для симисторов
Мы знаем, что симистор можно использовать для переключения мощной нагрузки переменного тока через его клеммы A1 / A2 через относительно небольшой источник запуска постоянного тока на клемме затвора.
При проектировании схемы управления симистором решающее значение приобретают параметры срабатывания затвора. Параметры запуска: ток срабатывания затвора симистора IGT, напряжение срабатывания затвора VGT и ток фиксации затвора IL.
Минимальный ток затвора, необходимый для включения симистора, называется током запуска затвора IGT. Это должно быть применено к затвору и клемме A1 симистора, который является общим для источника питания триггера затвора.
Ток затвора должен быть выше номинального значения для самой низкой указанной рабочей температуры. Это обеспечивает оптимальное срабатывание симистора при любых обстоятельствах. В идеале значение IGT должно в 2 раза превышать номинальное значение в техническом паспорте.
Триггерное напряжение, приложенное к затвору и выводу A1 симистора, называется VGT.Он применяется через резистор, о котором мы вскоре поговорим.
Ток затвора, который эффективно фиксирует симистор, является током фиксации и обозначается как LT. Фиксация может произойти, когда ток нагрузки достигнет значения LT, только после этого фиксация активируется, даже если ток затвора снят.
Вышеуказанные параметры указаны для температуры окружающей среды 25 ° C и могут иметь отклонения при изменении этой температуры.
Неизолированный запуск симистора может быть выполнен в двух основных режимах, первый метод показан ниже:
Здесь положительное напряжение, равное VDD, подается на затвор и вывод A1 симистора.В этой конфигурации мы видим, что A1 также подключен к Vss или отрицательной линии источника питания затвора. Это важно, иначе симистор никогда не ответит.
Второй метод заключается в подаче отрицательного напряжения на затвор симистора, как показано ниже:
Этот метод идентичен предыдущему, за исключением полярности. Поскольку затвор запускается отрицательным напряжением, клемма A1 теперь соединена совместно с линией VDD вместо Vss напряжения затвора-истока.Опять же, если этого не сделать, симистор не сработает.
Расчет резистора затвора
Резистор затвора устанавливает IGT или ток затвора симистора для необходимого срабатывания. Этот ток увеличивается, когда температура падает ниже заданной температуры перехода 25 ° C.
Например, если заданное значение IGT составляет 10 мА при 25 ° C, оно может увеличиться до 15 мА при 0 ° C.
Чтобы резистор мог обеспечить достаточное IGT даже при 0 ° C, он должен быть рассчитан для максимально доступного VDD от источника.
Рекомендуемое значение составляет от 160 до 180 Ом на 1/4 Вт для VGT затвора 5 В. Более высокие значения также будут работать, если температура окружающей среды достаточно постоянна.
Запуск через внешний постоянный ток или существующий переменный ток : Как показано на следующем рисунке, симистор можно переключать либо через внешний источник постоянного тока, такой как аккумулятор или солнечная панель, либо через адаптер переменного / постоянного тока. В качестве альтернативы он также может запускаться от самого существующего источника переменного тока.
Здесь переключатель S1 имеет незначительную нагрузку на него, поскольку он переключает симистор через резистор, вызывая минимальный ток, проходящий через S1, тем самым спасая его от любого рода износа.
Переключение симистора через геркон : Для переключения симистора движущимся объектом может быть включен запуск на основе магнитного поля. В таких случаях можно использовать геркон и магнит, как показано ниже:
В этом приложении магнит прикреплен к движущемуся объекту. Всякий раз, когда движущаяся система проходит мимо герконового реле, она запускает симистор в проводимость через прикрепленный к нему магнит.
Герконовое реле также может использоваться, когда требуется электрическая изоляция между источником срабатывания и симистором, как показано ниже.
Здесь медная катушка подходящего размера намотана на герконовое реле, а выводы катушки подключены к потенциалу постоянного тока через переключатель. Каждый раз при нажатии переключателя происходит изолированное срабатывание симистора.
Благодаря тому, что герконовые реле рассчитаны на миллионы операций включения / выключения, эта система переключения становится чрезвычайно эффективной и надежной в долгосрочной перспективе.
Другой пример изолированного срабатывания симистора можно увидеть ниже, здесь внешний источник переменного тока используется для переключения симистора через развязывающий трансформатор.
Еще одна форма изолированного запуска симисторов показана ниже с использованием фотоэлементов. В этом методе светодиод и фотоэлемент или фотодиод монтируются как единое целое внутри одного корпуса. Эти оптопары легко доступны на рынке.
Необычное переключение симистора по схеме выключено / половинная / полная мощность показано на схеме ниже. Для снижения мощности на 50% диод включен последовательно с затвором симистора. Этот метод заставляет симистор включаться только на чередующиеся полупериоды положительного переменного тока на входе.
Схема может эффективно применяться для управления нагрузками нагревателя или другими резистивными нагрузками, имеющими тепловую инерцию. Это может не сработать для управления освещением, так как половина положительной частоты циклов переменного тока приведет к раздражающему мерцанию света; Точно так же этот запуск не рекомендуется для индуктивных нагрузок, таких как двигатели или трансформаторы.
Цепь триака с фиксацией сброса
Следующая концепция показывает, как можно использовать триак для создания фиксатора сброса с помощью пары кнопок.
Нажатие кнопки установки фиксирует симистор и нагрузку, а нажатие кнопки сброса сгибает защелку.
Цепи таймера задержки симистора
Симистор можно настроить как схему таймера задержки для включения или выключения нагрузки после заданной заданной задержки.
В первом примере ниже показана схема таймера отключения с задержкой на основе симистора. Первоначально при подаче питания симистор включается.
Тем временем 100 мкФ начинает заряжаться, и при достижении порога срабатывает UJT 2N2646, включая SCR C106.
SCR замыкает затвор на массу, отключая симистор. Задержка определяется настройкой 1M и номиналом последовательного конденсатора.
Следующая схема представляет собой схему таймера задержки включения симистора. При включении симистор реагирует не сразу. Диак остается выключенным, пока конденсатор 100 мкФ заряжается до порога срабатывания.
Как только это происходит, диак срабатывает и запускает симистор. Время задержки зависит от значений 1M и 100uF.
Следующая схема представляет собой другую версию таймера на основе симистора.При включении UJT переключается через конденсатор емкостью 100 мкФ. UJT удерживает переключатель SCR в положении ВЫКЛ, лишая симистор тока затвора, и, таким образом, симистор также остается выключенным.
Через некоторое время, в зависимости от настройки предустановки 1M, конденсатор полностью заряжается, выключая UJT. Теперь SCR включается, активируя симистор, а также нагрузку.
Цепь мигания лампы симистора
Эту цепь мигания симистора можно использовать для мигания стандартной лампы накаливания с частотой, которая может регулироваться от 2 до примерно 10 Гц.Схема работает путем выпрямления сетевого напряжения диодом 1N4004 вместе с переменной RC-цепью. В момент, когда электролитический конденсатор заряжается до напряжения пробоя диака, он вынужден разрядиться через диак, который, в свою очередь, запускает симистор, что приводит к миганию подключенной лампы.
После задержки, установленной элементом управления 100 кОм, конденсатор снова перезаряжается, вызывая повторение цикла мигания. Регулятор 1 k устанавливает ток срабатывания симистора.
Заключение
Симистор — один из самых универсальных компонентов электронного семейства.Симисторы можно использовать для реализации множества полезных схем. В вышеупомянутом посте мы узнали о нескольких простых применениях схем симистора, однако существует бесчисленное множество способов, которыми симистор может быть сконфигурирован и применен для создания желаемой схемы.
На этом веб-сайте я уже разместил множество схем на основе симисторов, к которым вы можете обратиться для дальнейшего изучения, вот ссылка на него:
TRIAC | Руководство для начинающих
В этом руководстве мы узнаем о некоторых основах TRIAC.В процессе мы разберемся со структурой, символом, работой, характеристиками, применением TRIAC.
Введение
Как известно, SCR как однонаправленное устройство имеет обратную блокирующую характеристику, которая предотвращает протекание тока в обратном смещенном состоянии. Но для многих приложений требуется двунаправленное управление током, особенно в цепях переменного тока. Чтобы добиться этого с помощью SCR, два SCR должны быть соединены встречно параллельно для управления как положительными, так и отрицательными полупериодами входа.
Однако эту структуру можно заменить специальным полупроводниковым устройством, известным как TRIAC, для выполнения двунаправленного управления. TRIAC — это устройство двунаправленной коммутации, которое может эффективно и точно управлять мощностью переменного тока. Они часто используются в контроллерах скорости двигателя, цепях переменного тока, системах контроля давления, регуляторах освещенности и другом оборудовании для управления переменным током.
Наверх
Основы TRIAC
Симистор — важный член семейства тиристорных устройств.Это двунаправленное устройство, которое может пропускать ток как в прямом, так и в обратном смещении, и, следовательно, это устройство управления переменным током. Симистор эквивалентен двум спина к спине SCR, подключенным к одной клемме затвора, как показано на рисунке.
TRIAC — это аббревиатура переключателя TRIode AC. TRI означает, что устройство, состоящее из трех клемм, а переменный ток означает, что оно контролирует мощность переменного тока или может проводить в обоих направлениях переменный ток.
Симистор имеет три клеммы, а именно: главный терминал 1 (MT1), главный терминал 2 (MT2) и затвор (G), как показано на рисунке.Если MT1 смещен вперед по отношению к MT2, то ток течет от MT1 к MT2. Точно так же, если MT2 смещен в прямом направлении относительно MT1, тогда ток течет от MT2 к MT1.
Два вышеуказанных условия достигаются всякий раз, когда стробирующий элемент запускается с помощью соответствующего стробирующего импульса. Подобно SCR, симистор также включается путем подачи соответствующих импульсов тока на вывод затвора. Как только он включен, он теряет контроль над своей проводимостью. Таким образом, траекторию можно выключить, уменьшив ток до нуля через главные клеммы.
Наверх
Конструкция TRIAC
Симистор — это пятислойный трехконтактный полупроводниковый прибор. Клеммы обозначены как MT1, MT2 как анодные и катодные клеммы в случае SCR. А вентиль изображен как G, похожий на тиристор. Вывод затвора соединен с областями N4 и P2 металлическим контактом и находится рядом с выводом MT1.
Терминал MT1 подключен к областям N2 и P2, а MT2 подключен к областям N3 и P1.Следовательно, клеммы MT1 и MT2 подключены как к P, так и к N областям устройства, и, таким образом, полярность приложенного напряжения между этими двумя клеммами определяет ток, протекающий через слои устройства.
Когда ворота открыты, MT2 становится положительным по отношению к MT1 для трассы с прямым смещением. Следовательно, цепь работает в режиме прямой блокировки до тех пор, пока напряжение на симисторе не станет меньше, чем напряжение прямого переключения. Аналогично для симистора с обратным смещением, MT2 становится отрицательным по отношению к MT1 с открытым затвором.
До тех пор, пока напряжение на симисторе не станет меньше обратного напряжения отключения, устройство работает в режиме обратной блокировки. Траектория может быть сделана проводящей с помощью положительного или отрицательного напряжения на клемме затвора.
Вернуться к началу
Работа и работа TRIAC
К клеммам симистора можно подключать различные комбинации отрицательного и положительного напряжения, потому что это двунаправленное устройство. Четыре возможных комбинации электродных потенциалов, которые заставляют симистор работать в четырех различных рабочих квадрантах или режимах, обозначены как.
MT2 положительный по отношению к MT1 с положительной полярностью затвора по отношению к MT1.
МТ2 положительный по отношению к МТ1 с отрицательной полярностью затвора по отношению к МТ1.
МТ2 отрицателен по отношению к МТ1 с отрицательной полярностью затвора по отношению к МТ1.
MT2 является отрицательным по отношению к MT1 с положительной полярностью затвора по отношению к MT1.
Как правило, ток фиксации выше во втором квадранте или режиме, в то время как ток запуска затвора выше в четвертом режиме по сравнению с другими режимами для любого симистора.
В большинстве приложений используется цепь отрицательного тока запуска, что означает, что 2 и 3 квадранты используются для надежного запуска при двунаправленном управлении, а также когда чувствительность затвора является критической. Чувствительность затвора самая высокая, когда обычно используются режимы 1 и 4.
Режим 1: MT2 положительный, ток затвора положительный
Когда вывод затвора становится положительным по отношению к MT1, ток затвора протекает через переход P2 и N2. Когда этот ток течет, слой P2 заполняется электронами, и далее эти электроны диффундируют к краю перехода J2 (или перехода P2-N1).
Эти электроны, собранные слоем N1, создают пространственный заряд на слое N1. Следовательно, больше дырок из области P1 диффундирует в область N1, чтобы нейтрализовать отрицательные объемные заряды. Эти дырки попадают в переход J2 и создают положительный объемный заряд в области P2, что заставляет больше электронов инжектироваться в P2 из N2.
Это приводит к положительной регенерации, и, наконец, основной ток течет от MT2 к MT1 через области P1- N1 — P2 — N2.
Режим 2: MT2 положительный, ток затвора отрицательный
Когда MT2 положительный, а вывод затвора отрицательный по отношению к MT1, ток затвора протекает через переход P2-N4.Этот ток затвора смещает в прямом направлении переход P2-N4 для вспомогательной структуры P1N1P2N4. Это приводит к тому, что симистор сначала проводит через слои P1N1P2N4.
Это еще больше увеличивает потенциал между P2N2 в сторону потенциала MT2. Это приводит к тому, что ток устанавливается слева направо в слое P2, что смещает переход P2N2 вперед. И поэтому основная структура P1N1P2N2 начинает проводить.
Первоначально проводимая вспомогательная структура P1N1P2N4 рассматривается как SCR пилот-сигнала, тогда как более поздняя проводимая структура P1N1P2N2 рассматривается как основная SCR.Следовательно, анодный ток контрольного тиристора служит током затвора для основного тиристора. Чувствительность к току затвора в этом режиме меньше, и, следовательно, для включения симистора требуется больший ток затвора.
Режим 3: MT2 отрицательный, ток затвора положительный
В этом режиме MT2 становится отрицательным по отношению к MT1, и устройство включается путем подачи положительного напряжения между затвором и выводом MT1. Включение инициируется N2, который действует как дистанционное управление затвором, и структура приводит к включению симистора P2N1P1N3.
Внешний ток затвора смещает в прямом направлении переход P2-N2. Слой N2 вводит электроны в слой P2, которые затем собираются переходом P2N1. В результате увеличивается ток, протекающий через переход P2N1.
Отверстия, введенные из слоя P2, диффундируют через область N1. Это создает положительный пространственный заряд в P-области. Следовательно, больше электронов из N3 диффундируют в P1, чтобы нейтрализовать положительные объемные заряды.
Следовательно, эти электроны попадают в переход J2 и создают отрицательный объемный заряд в области N1, что приводит к инжекции большего количества дырок из P2 в область N1.Этот процесс регенерации продолжается до тех пор, пока структура P2N1P1N3 не включит симистор и не проведет внешний ток.
Поскольку симистор включается удаленным затвором N2, устройство менее чувствительно к положительному току затвора в этом режиме.
Режим 4: MT2 отрицательный, ток затвора отрицательный
В этом режиме N4 действует как удаленный затвор и вводит электроны в область P2. Внешний ток затвора смещает переход P2N4 в прямом направлении. Электроны из области N4 собираются переходом P2N1, увеличивая ток через переход P1N1.
Следовательно, структура P2N1P1N3 включается посредством рекуперативного действия. Симистор более чувствителен в этом режиме по сравнению с положительным током затвора в режиме 3.
Из приведенного выше обсуждения можно сделать вывод, что режимы 2 и 3 являются менее чувствительной конфигурацией, для которой требуется больший ток затвора для запуска симистора, тогда как более распространенными режимами срабатывания симистора являются 1 и 4, которые имеют большую чувствительность. На практике выбирается более чувствительный режим работы, при котором полярность затвора должна совпадать с полярностью клеммы MT2.
Вернуться к началу
Характеристики V-I TRIAC
Траектория функционирует как два тиристора, соединенных встречно параллельно, и, следовательно, VI-характеристики симистора в 1-м и 3-м квадрантах будут аналогичны VI-характеристикам тиристоров. Когда терминал MT2 является положительным по отношению к терминалу MT1, говорят, что маршрут находится в режиме прямой блокировки.
Через устройство протекает небольшой ток утечки при условии, что напряжение на устройстве ниже, чем напряжение отключения.При достижении напряжения отключения устройства симистор включается, как показано на рисунке ниже.
Однако можно также включить симистор ниже VBO, применив импульс затвора, так что ток через устройство должен быть больше, чем ток фиксации симистора.
Аналогично, когда терминал MT2 становится отрицательным по отношению к MT1, трасса находится в режиме обратной блокировки. Через устройство протекает небольшой ток утечки, пока он не сработает по напряжению отключения или по методу срабатывания затвора.Следовательно, положительный или отрицательный импульс на затвор запускает симистор в обоих направлениях.
Напряжение питания, при котором симистор начинает проводить, зависит от тока затвора. Если ток затвора больше, меньшее будет напряжение питания, при котором симистор включается. Вышеупомянутый запуск режима -1 используется в первом квадранте, тогда как запуск режима 3 используется в 3-м квадранте.
Из-за внутренней структуры симистора фактические значения тока фиксации, тока срабатывания затвора и тока удержания могут немного отличаться в разных режимах работы.Поэтому номиналы у трейков значительно ниже, чем у тиристоров.
Вернуться к началу
Преимущества
Симистор может срабатывать при подаче напряжения как положительной, так и отрицательной полярности на затвор.
Он может работать и переключать оба полупериода сигнала переменного тока.
По сравнению с конфигурацией встречно-параллельного тиристора, которая требует двух радиаторов немного меньшего размера, симистору требуется один радиатор немного большего размера. Следовательно, симистор экономит место и экономит затраты в приложениях питания переменного тока.
В приложениях постоянного тока тиристоры должны быть подключены к параллельному диоду для защиты от обратного напряжения. Но симистор может работать и без диода, безопасный пробой возможен в любую сторону.
Наверх
Недостатки
Они доступны в более низких номиналах по сравнению с тиристорами.
При выборе схемы запуска затвора требуется тщательное рассмотрение, поскольку симистор может запускаться как в прямом, так и в обратном смещении.
Они имеют низкое значение du / dt по сравнению с тиристорами.
Они имеют очень малую частоту переключения.
Симисторы менее надежны, чем тиристоры.
В начало
Приложения
Из-за двунаправленного управления переменным током симисторы используются в качестве контроллеров мощности переменного тока, контроллеров вентиляторов, контроллеров нагревателей, пусковых устройств для тиристоров, трехпозиционного статического переключателя, регуляторов освещенности и т. Д. Ниже рассматриваются приложения переключения и управления фазой.
Симистор в качестве переключателя высокой мощности
Поскольку симистор использует низкое напряжение затвора и токи для управления высоким напряжением и токами нагрузки, он часто используется в качестве переключающего устройства во многих коммутационных операциях. На рисунке ниже показано использование симистора в качестве переключателя ВКЛ / ВЫКЛ переменного тока для управления лампой высокой мощности.
Когда переключатель S находится в положении 1, симистор находится в режиме прямой блокировки и, следовательно, лампа остается в выключенном состоянии. Если переключатель переведен в положение 2, через клемму затвора протекает небольшой ток затвора, и, следовательно, симистор включается.Это дополнительно заставляет лампу включаться для получения полной мощности.
Управление фазой с помощью симистора
Подобно тиристорам, метод управления фазой с изменением средней мощности нагрузки также возможен с симисторами. Регулируя угол срабатывания в каждом полупериоде входного переменного тока, можно управлять мощностью, подаваемой на нагрузку. Задержка, на которую задерживается запуск, называется углом задержки, а угол, на который проводит симистор, называется углом проводимости.
На рисунке ниже показано использование симистора для метода управления фазой с целью выработки переменной мощности для нагрузки.Диоды D1 и D2 пропускают ток к клемме затвора в положительном и отрицательном полупериодах соответственно.
Как только на схему подается входной переменный ток, симистор находится в состоянии блокировки (прямое или обратное) при условии, что приложенное напряжение меньше VBO или ток затвора меньше минимального тока затвора. Во время положительного полупериода входа диод D1 смещен в прямом направлении, и, следовательно, на затвор подается положительный ток затвора.
Следовательно, срабатывает затвор, и симистор переходит в состояние проводимости.Во время отрицательного полупериода входа диод D2 смещен в прямом направлении, следовательно, через него протекает ток затвора, в результате чего симистор включается.
Аналогичным образом, мощность переменного тока, подаваемая на нагрузку, регулируется в любом направлении путем применения надлежащего стробирующего сигнала. Угол проводимости симистора регулируется путем изменения сопротивления R2 в указанной выше цепи.
Наверх
Симистор против SCR
Симистор является двунаправленным устройством, тогда как SCR — однонаправленным устройством.
Клеммы симистора — это MT2, MT1 и затвор, в то время как SCR имеет клеммы анода, катода и затвора.
Как для положительного, так и для отрицательного тока затвора, тракт проводит, но только с направлением тока затвора включает тиристор.
Четыре различных режима работы возможны с симистором, тогда как с SCR возможен один режим работы.
Симисторы доступны в меньших номиналах по сравнению с тиристорами.
Характеристики симистора лежат в первом и третьем квадранте, а характеристики SCR лежат в первом квадранте.
Надежность меньше по сравнению с SCR.
Наверх
% PDF-1.3 % 64 0 объект > эндобдж xref 64 68 0000000016 00000 н. 0000001725 00000 н. 0000001867 00000 н. 0000002006 00000 н. 0000002523 00000 н. 0000002754 00000 н. 0000002834 00000 н. 0000002958 00000 н. 0000003064 00000 н. 0000003170 00000 н. 0000003224 00000 н. 0000003331 00000 н. 0000003385 00000 н. 0000003536 00000 н. 0000003590 00000 н. 0000003687 00000 н. 0000003741 00000 н. 0000003829 00000 н. 0000003912 00000 н. 0000003966 00000 н. 0000004071 00000 н. 0000004125 00000 н. 0000004179 00000 н. 0000004283 00000 п. 0000004337 00000 н. 0000004471 00000 н. 0000004525 00000 н. 0000004578 00000 н. 0000004660 00000 н. 0000004762 00000 н. 0000004815 00000 н. 0000004868 00000 н. 0000004922 00000 н. 0000005004 00000 н. 0000005101 00000 п. 0000005154 00000 н. 0000005208 00000 н. 0000005409 00000 п. 0000005615 00000 н. 0000006302 00000 п. 0000006412 00000 н. 0000006628 00000 н. 0000006724 00000 н. 0000006940 00000 п. 0000007635 00000 п. 0000007657 00000 н. 0000008402 00000 п. 0000008424 00000 н. 0000008537 00000 н. 0000008843 00000 н. 0000008930 00000 н. 0000009632 00000 н. 0000009654 00000 п. 0000009767 00000 н. 0000010474 00000 п. 0000010496 00000 п. 0000011208 00000 п. 0000011230 00000 п. 0000011411 00000 п. 0000012124 00000 п. 0000012146 00000 п. 0000012819 00000 п. 0000012841 00000 п. 0000013413 00000 п. 0000013435 00000 п. 0000013514 00000 п. 0000002068 00000 н. 0000002501 00000 н. трейлер ] >> startxref 0 %% EOF 65 0 объект > эндобдж 66 0 объект B- | [Bd) / U (& E 䱃 -rZY} [] «9« / V) / П-12 >> эндобдж 67 0 объект > эндобдж 130 0 объект > ручей ǬN} ~ {:}, R گ Ҋp` ۇ GɐRc) 95RfC ~ o.»QFic» «> Dq :: r Y ٮ og% _j¶xr {gH [@ GB $ 7? R * +. (Pq ژ * kC
TRIAC Circuits: Basics & Applications
Автор: Морин ВанДайк | 13 ноября 2019
Термин «TRIAC» означает триод для переменного тока. Как следует из названия, этот электронный компонент обычно используется в качестве элемента управления в цепях переменного тока (AC).
TRIAC — это полупроводниковые устройства с тремя выводами. Они работают с помощью одного терминала — i.е., затвор — для запуска прохождения электрического тока через два других вывода, то есть основные выводы или аноды. Хотя эти устройства похожи на другие электронные переключатели, такие как кремниевые выпрямители (SCR), в отличие от некоторых из этих альтернатив, они могут одинаково хорошо проводить в обоих направлениях.
TRIAC
часто находят применение в качестве переключателей в широком спектре электрического оборудования, таком как лампы, вентиляторы и двигатели. Независимо от их применения, все СИСТЕМЫ TRIAC используют основные принципы работы, изложенные выше.Помимо этих общих характеристик, они обычно подразделяются на те, которые используются для простых схем переключателя TRIAC или схем переменной мощности (или диммера) TRIAC.
Функции TRIAC-переключателей
TRIAC используются разными способами, в том числе как:
Простые электронные переключатели
В этом приложении TRIAC запускается напряжением переменного тока на его затворе. Резистор используется последовательно с затвором, чтобы ограничить ток, протекающий к клемме.TRIAC позволяет току течь в любом направлении, причем поток изменяется в зависимости от полярности напряжения затвора. Напряжение затвора может быть получено из напряжения переменного тока, приложенного к клеммам нагрузки TRIAC. Если приложение требует протекания тока только в одном направлении, к затвору последовательно подключается диод для преобразования переменного напряжения в постоянное. В этой конфигурации ток, протекающий через TRIAC для данной нагрузки, является фиксированным.
Контроллеры уровня мощности или диммера
Триггер затвора для этого варианта использования более сложный, поскольку он включает изменение его фазы в зависимости от напряжения нагрузки.Напряжение триггера определяется напряжением нагрузки, но с приложенным к нему фазовым сдвигом. Схема фазовращателя состоит из переменного резистора и конденсатора. Напряжение конденсатора используется в качестве напряжения триггера, фаза которого изменяется путем изменения переменного резистора. Часто переключатель DIAC (диод для переменного тока) подключается между конденсатором и затвором TRIAC, чтобы добиться резкого включения TRIAC.
TRIAC находят применение в ряде электрических приложений, в том числе в качестве:
Диммеры для ламп
Регуляторы мощности для электронагревателей
Регуляторы скорости для двигателей
Проблемы со схемами TRIAC и решениями
При использовании схем TRIAC важно знать об общих встречающихся проблемах и способах их решения.Некоторые из проблем, связанных с использованием схем TRIAC, включают:
Эффект скорости
Этот эффект относится к непреднамеренному включению TRIAC из-за внезапного изменения напряжения на его основных клеммах. Проблема решается подключением демпферной цепи резистор-конденсатор (RC) между основными выводами.
Эффект люфта
Люфт возникает в цепях управления фазой, когда сопротивление установлено на максимальное значение, чтобы снизить уровни мощности подключенного устройства до минимума.Эффект вызван отсутствием пути разряда для собственной емкости TRIAC на его клеммах нагрузки и препятствует включению подключенного устройства. Решение состоит в том, чтобы обеспечить путь разряда путем подключения последовательно с DIAC резистора большого номинала или конденсатора между затвором и основными выводами.
Несимметричный обжиг
В схемах управления фазой эта проблема возникает из-за того, что симисторы имеют разные напряжения включения для каждого направления. Такая конструкция приводит к плохому профилю электромагнитного излучения для TRIAC.Эта проблема решается путем использования DIAC последовательно с затвором TRIAC, который выравнивает характеристики стрельбы TRIAC.
Фильтрация гармоник
Поскольку TRIAC включается, когда напряжение на его выводах не равно нулю, он генерирует гармоники, которые делают его непригодным для использования в чувствительном электронном оборудовании, таком как схемы беспроводной связи. Использование фильтра гармоник подавляет электромагнитные помехи.