Что такое симистор (триак) и как он работает. проверка мультиметром

Тиристор

Тиристор — это переключающий полупроводниковый прибор, пропускающий ток в одном направлении. Этот радиоэлемент часто сравнивают с управляемым диодом и называют полупроводниковым управляемым вентилем (Silicon Controlled Rectifier, SCR).
Тиристор имеет три вывода, один из которых — управляющий электрод, можно сказать, «спусковой крючок» — используется для резкого перевода тиристора во включенное состояние.

Тиристор совмещает в себе функции выпрямителя, выключателя и усилителя. Часто он используется как регулятор, главным образом, когда схема питается переменным напряжением. Нижеследующие пункты раскрывают четыре основных свойства тиристора:

• тиристор, как и диод, проводит в одном направлении, проявляя себя как выпрямитель;
• тиристор переводится из выключенного состояния во включенное при подаче сигнала на управляющий электрод и, следовательно, как выключатель имеет два устойчивых состояния. Тем не менее для возврата тиристора в выключенное (разомкнутое) состояние необходимо выполнить специальные условия;
• управляющий ток, необходимый для перевода тиристора из закрытого состояния в открытое, значительно меньше (несколько миллиампер) при рабочем токе в несколько ампер и даже в несколько десятков ампер. Следовательно, тиристор обладает свойствами усилителя тока;
• oсредний ток через нагрузку, включенную последовательно с тиристором, можно точно регулировать в зависимости от длительности сигнала на управляющем электроде. Тиристор при этом является регулятором мощности.

Плюсы и минусы устройства

После того как мы разобрались, что такое симистор, давайте изучим достоинства и недостатки этого управляющего прибора. К достоинствам относят:

Основной плюс триака – в приборе отсутствуют механические контакты. Из этого исходят остальные преимущества устройства; Длительный срок эксплуатации, при этом поломки практически не случаются; Принцип работы симистров исключает искрение в процессе эксплуатации даже при больших мощностях проходящего тока

Это особенно важно в релейных схемах: не создаются дополнительные радиопомехи; Кроме этого, такие полупроводниковые приборы имеют невысокую стоимость.

Но, как и любое устройство, симметричные тиристоры не лишены некоторых минусов:

• Значительное тепловыделение в процессе работы;
• Чувствительность к электромагнитным помехам и шумам;
• Неспособность работать при высоких частотах переменного тока;
• Падение напряжения до двух вольт на приборе, находящемся в открытом состоянии. При этом этот показатель не зависит от мощности проходящего тока. Этот фактор является препятствием для применения симисторов в маломощных установках;

В то же время, симисторы при больших токах греются, что требует применения радиаторов для охлаждения корпуса. В промышленности встречается охлаждение мощных триаков активным способом – при помощи вентилятора.

Развитие технологий

Особенностью четырех-квадрантных симисторов является их ложное срабатывание, что может привести к выходу из строя. Это требовало применения дополнительной защитной цепочки, включающей различные элементы. Относительно недавно были разработаны трех-квадрантные устройства, которые обладают определенными преимуществами:

• За счет уменьшения количества необходимых элементов, плата стала еще более компактной;
• Как следствие, снижение потерь напряжения и уменьшение стоимости готового изделия;
• За счет отсутствия демпфера и дросселя, стало возможным использовать симметричные тиристоры в цепях с повышенной частотой.

Также упрощение схемы позволило использовать трех-квадрантный симистор в нагревательных приборах: такая конструкция меньше греется и не реагирует на окружающую температуру.

Структура тиристора

Тиристором называется управляемый трехэлектродный полупроводниковый прибор, состоящий из чередующихся четырех кремниевых слоев типа р и n. Полупроводниковый прибор с четырехслойной структурой представлен на рис. 1.

Крайнюю область р-структуры, к которой подключается положительный полюс источника питания, принято называть анодом, а крайнюю область n, к которой подключается отрицательный полюс этого источника, — катодом.

Рис.1. Структура и обозначение тиристора

Свойства тиристора в закрытом состоянии

В соответствии со структурой тиристора можно выделить три электронно-дырочных перехода и заменить тиристор эквивалентной схемой, как показано на рис. 2.

Эта эквивалентная схема позволяет понять поведение тиристора с отключенным управляющим электродом.

Если анод положителен по отношению к катоду, то диод D2 закрыт, что приводит к закрытию тиристора, смещенного в этом случае в прямом направлении. При другой полярности диоды D1 и D2 смещены в обратном направлении, и тиристор также закрыт.

Рис.2. Представление тиристора тремя диодами

Диммер своими руками, регулятор мощности на симисторе

Регулятор мощности не имеет дефицитных радиодеталей. Большинство из них можно выковырять из неисправного старого телевизора или любой другой бытовой техники. Например, динистор VD1 можно извлечь из неисправной энергосберегающей лампы.

Детали устройства:

• Симистор BTA16 или подобный
• Резистор 100 Ом 1 Ватт
• Резистор 4,7 килоом
• Подстроечный резистор 2 мегаом
• Переменный резистор 500 килоом
• Конденсатор 0,1 микрофарад 300 Вольт 2 штуки
• Динистор DB3

Все компоненты устройства расположены на печатной плате, выполненной из стеклотекстолита:

Симистор расположен хоть и не на большом, но достаточно эффективном радиаторе охлаждения, выполненном из алюминия:

Большинство элементов находятся в центре печатной платы и располагаются достаточно компактно:

Подстроечный резистор R4 расположен с краю печатной платы:

Напротив расположены две клеммные колодки для подключения в цепь. Чтобы не перепутать правильность подключения устройства, имеются соответствующие надписи:

Основной орган регулировки резистор R3 расположен на металлическом кронштейне, который обеспечивает необходимую надёжность готового изделия:

Готовое устройство получилось достаточно компактным, благодаря чему его можно использовать для регулировки практически любой активной нагрузки: лампы накаливания, нагревательные элементы, тэны:

Настройка симисторного регулятора мощности заключается в регулировке подстроечного резистора R4. При помощи него производится некоторая настройка устройства. Заключается она в следующем. Нужно движок переменного резистора R3 переместить в крайние положение, тем самым убавив регулятор на минимум, и подстраивая подстроечный резистор R4 добиться минимальной мощности отдаваемой в нагрузку. Основная настройка будет завершена. Если устройство собрано правильно, симисторный регулятор сразу начнёт работать.

При настройки устройства не забываем о безопасности.

Внимание! Будьте внимательны, эта самоделка не имеет трансформатора, поэтому некоторые радиодетали могут находиться под высоким потенциалом сети. Будьте осторожны при настройке регулятора мощности.. Как я уже говорил, рассматриваемая самоделка подходит для регулировки мощности устройств, имеющих активное сопротивление

Для регулировки бытовых приборов имеющих реактивное сопротивление, например, таких как пылесос, я рекомендую использовать регулятор мощности на тиристоре, который я использую уже не один год, для регулировки оборотов пылесоса

Как я уже говорил, рассматриваемая самоделка подходит для регулировки мощности устройств, имеющих активное сопротивление. Для регулировки бытовых приборов имеющих реактивное сопротивление, например, таких как пылесос, я рекомендую использовать регулятор мощности на тиристоре, который я использую уже не один год, для регулировки оборотов пылесоса.

На этом я буду завершать своё повествование. Надеюсь, данная статья поможет вам в самостоятельном изготовлении симисторного регулятора мощности. До новых встреч. Всем пока.

Принцип отпирания с помощью управляющего электрода

Эквивалентное представление структуры р-n-p-n в виде двух транзисторов показано на рис. 3.

Представление тиристора в виде двух транзисторов разного типа проводимости приводит к эквивалентной схеме, представленной на рис. 1.4. Она наглядно объясняет явление отпирания тиристора.

Зададим ток IGT через управляющий электрод тиристора, смещенного в прямом направлении (напряжение VAK положительное), как показано на рис. 4.

Так как ток IGT становится базовым током транзистора n-p-n, то ток коллектора этого транзистора равен B1xIGT, где B1 — коэффициент усиления по току транзистора Т1.

Этот ток одновременно является базовым током транзистора р-n-р, что приводит к его отпиранию. Ток коллектора транзистора Т2 составляет величину B1xB2xIGT и суммируется с током IGT, что поддерживает транзистор Т1 в открытом состоянии. Поэтому, если управляющий ток IGT достаточно велик, оба транзистора переходят в режим насыщения.

Цепь внутренней обратной связи сохраняет проводимость тиристора даже в случае исчезновения первоначального тока управляющего электрода IGT, при этом ток анода (1А ) остается достаточно высоким.

Типовая схема запуска тиристора приведена на рис. 5

.

Рис.3. Разбиение тиристора на два транзистора

Рис.4. Представление тиристора в виде двухтранзисторной схемы

Рис.5. Типичная схема запуска тиристора

Принцип работы

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

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

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

Конструкция прибора

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

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

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

Режимы работы

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

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

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

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

Отключение тиристора

Тиристор перейдет в закрытое состояние, если к управляющему электроду открытого тиристора не приложен никакой сигнал, а его рабочий ток спадет до некоторого значения, называемого током удержания (гипостатическим током).

Отключение тиристора произойдет, в частности, если была разомкнута цепь нагрузки (рис. 6а) или напряжение, приложенное к внешней цепи, поменяло полярность (это случается в конце каждого полупериода переменного напряжения питания).

Рис.6. Способы отключения тиристора

Когда тиристор работает при постоянном токе, отключение может быть произведено с помощью механического выключателя.

Включенный последовательно с нагрузкой этот ключ используется для отключения рабочей цепи.

Включенный параллельно основным электродам тиристора (рис. 6б) ключ шунтирует анодный ток, и тиристор при этом переходит в закрытое состояние. Некоторые тиристоры повторно включаются после размыкания ключа. Это объясняется тем, что при размыкании ключа заряжается паразитная емкость р-n перехода тиристора, вызывая помехи.

Поэтому предпочитают размещать ключ между управляющим электродом и катодом тиристора (рис. 1.6в), что гарантирует правильное отключение посредством отсечения удерживающего тока. Одновременно смещается в обратном направлении переход р-n, соответствующий диоду D2 из схемы замещения тиристора тремя диодами (рис. 2).

На рис. 6а-д представлены различные варианты схем отключения тиристора, среди них и ранее упоминавшиеся. Другие, как правило, применяются, когда требуется отключать тиристор с помощью дополнительной цепи. В этих случаях механический выключатель можно заменить вспомогательным тиристором или ключевым транзистором, как показано на рис. 7.

Рис.7. Классические схемы отключения тиристора с помощью дополнительной цепи

Плюсы и минусы в использовании

Симисторы обладают следующими достоинствами:

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

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

Недостатки прибора:

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

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

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

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

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

Симистор

Симиcmop — полупроводниковый прибор, который широко используется в системах, питающихся переменным напряжением. Упрощенно он может рассматриваться как управляемый выключатель. В закрытом состоянии он ведет себя как разомкнутый выключатель. Напротив, подача управляющего тока на управляющий электрод симис-тора ведет к переходу его в проводящее состояние. В это время симистор подобен замкнутому выключателю.

При отсутствии управляющего тока симистор во время любого полупериода переменного напряжения питания неизбежно переходит из состояния проводимости в закрытое состояние.

Кроме работы в релейном режиме в термостате или светочувствительном выключателе, разработаны и широко используются системы регулирования, функционирующие по принципу фазового управления напряжением нагрузки, или, другими словами, плавные регуляторы.

Принцип фазного регулирования мощности

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

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

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

Отпирание симистора

В режиме переменного питания смена состояний симистора вызывается изменением полярности напряжения на рабочих электродах А1 и А2. Поэтому в зависимости от полярности управляющего тока можно определить четыре варианта управления симистором, как показано на рис. 9.

Каждый квадрант соответствует одному способу открывания симистора. Все способы кратко описаны в табл. 1.

Рис.9. Четыре возможных варианта управления симистором

Таблица 1. Упрощенное представление способов открывания симистора

Например, если между рабочими электродами симистора прикладывают напряжение VA1-A2>0 и напряжение на управляющем электроде отрицательно по отношению к аноду А1, то смещение симистора соответствует квадранту II и упрощенному обозначению + -.

Для каждого квадранта определены отпирающий ток I от (IGT), удерживающий ток Iуд(Iн) и ток включения Iвыкл(IL).

Отпирающий ток должен сохраняться до тех пор, пока рабочий ток не превысит в два-три раза величину удерживающего тока Iн. Этот минимальный отпирающий ток и является током включения симистора IL.

Затем, если убрать ток через управляющий электрод, симистор останется в проводящем состоянии до тех пор, пока анодный ток будет превышать ток удержания Iн.

Схема регулятора мощности на симисторе

Схема симисторного регулятора очень проста, содержит менее десяти распространённых радиодеталей. Готовое устройство практически не нуждается в настройке и после правильного монтажа начинает работать сразу:

Основным регулирующим элементом схемы является симистор BTA16. Этот симистор способен регулировать ток активной нагрузки мощностью до 3 кВт. Если требуется больше, нужно воспользоваться симистором большей мощности, например BTA25 с соответствующим радиатором охлаждения. Также в схеме используются корректирующие радиодетали: два резистора, один подстроечный резистор, один переменный, два конденсатора, один динистор.

Давайте более подробно рассмотрим устройство симисторного регулятора мощности.