Что такое симистор (триак)

Симистор – электронная деталь, основанная на принципах полупроводимости.. В американской терминологии электроники они называются триаками. Главной особенностью этих радиодеталей является способность проводить ток в оба направления. Симистор выполняет роль ключа-регулятора, который используется для создания цепей и является двунаправленным транзистором. Состоят они из силовых электродов. Один из находится на стороне электрода управления, а другого в его основе.

Свой термин они получили при использовании двух параллельных тиристоров и управляющего электрода. Статья содержит материал по тому как они используются, как и где используются, какую структуру имеют, а также где их можно использовать. В качестве дополнения, статья содержит два видеоматериала, а также научную статью.

Как он работает и для чего нужен

Симистор является полупроводниковым прибором. Его полное название – симметричный триодный тиристор. Его особенность – возможно проводить ток в обе стороны. Данный элемент цепи имеет три вывода: один является управляющим, а два других силовыми. В этой статье мы рассмотрим принцип работы, устройство и назначение симистора в различных схемах электроприборов. В таблице ниже представлены характеристики популярных симисторов:

Конструкция и принцип действия

Особенность симистора является двунаправленной проводимости идущего через прибор электрического тока. Конструкция устройства строится на использовании двух встречно-параллельных тиристоров с общим управлением. Такой принцип работы дал название от сокращенного «симметрические тиристоры». Поскольку электроток может протекать в обе стороны, нет смысла обозначать силовые выводы как анод и катод. Дополняет общую картину управляющий электрод. В симисторе есть пять переходов, позволяющих организовать две структуры. Какая из них будет использоваться зависит от места образования (конкретный силовой вывод) отрицательной полярности.

Как работает устройство

Исходно полупроводниковый прибор находится в запертом состоянии и ток по нему не проходит. При подаче тока на управляющий электрод, последний переходит в открытое состояние и симистор начинает пропускать через себя ток. При работе от сети переменного тока полярность на контактах постоянно меняется. Схема, где используется рассматриваемый элемент, при этом будет работать без проблем. Ведь ток пропускается в обоих направлениях. Чтобы симистор выполнял свои функции, на управляющий электрод подают импульс тока, после снятия импульса ток через условные анод и катод продолжает протекать до тех пор, пока цепь не будет разорвана или они не будут находится под напряжением обратной полярности.

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. 

При использовании в цепи переменного тока симистор закрывается на обратной полуволне синусоиды, тогда нужно подавать импульс противоположной полярности (той же, под которой находятся «силовые» электроды элемента).

[stextbox id=’info’]Принцип действия системы управления может корректироваться в зависимости от конкретного случая и применения. После открытия и начала протекания подавать ток на управляющий электрод не нужно. Цепь питания разрываться не будет. При надобности отключить питание следует понизить ток в цепи ниже уровня величины удержания или кратковременно разорвать цепь питания.[/stextbox]

Управляющие сигналы

Чтобы добиться желаемого результата с симистором используют не напряжение, а ток. Чтобы прибор открылся, он должен быть на определённом небольшом уровне. Для каждого симистора сила управляющего тока может быть разной, её можно узнать из даташита на конкретный элемент. Например, для симистора КУ208 этот ток должен быть больше 160 мА, а для КУ201 —не менее 70 мА.

Полярность управляющего сигнала должна совпадать с полярностью условного анода. Для управления симистором часто используют выключатель и токоограничительный резистор, если он управляется микроконтроллером – может понадобиться дополнительная установка транзистора, чтобы не сжечь выход МК, или использовать симисторный оптодрайвер, типа MOC3041 и подобных. Четырёхквадрантные симисторы могут отпираться сигналом с любой полярностью. В этом преимуществе есть и недостаток – может потребоваться увеличенный управляющий ток. При отсутствии прибор заменяется двумя тиристорами. При этом следует правильно подбирать их параметры и переделывать схему управления. Ведь сигнал будет подаваться на два управляющих вывода.

Интересно по теме: Как проверить стабилитрон.

Достоинства и недостатки

Для чего нужен рассматриваемый полупроводниковый прибор? Самый популярный вариант использования – коммутация в цепях переменного тока. В этом плане симистор очень удобен – используя небольшой элемент можно обеспечить управление высоковольтного питания. Популярны решения, когда им заменяют обычное электромеханическое реле. Плюс такого решения – отсутствует физический контакт, благодаря чему включение питания становится надежнее, переключение бесшумным, ресурс на порядки больше, быстродействие выше. Еще одно достоинство симистора – относительно невысокая цена, что вместе с высокой надёжностью схемы и временем наработки на отказ выглядит привлекательно.

Полностью избежать минусов разработчикам не удалось. Так, приборы сильно нагреваются под нагрузкой. Приходится обеспечивать отвод тепла. Мощные (или «силовые») симисторы устанавливают на радиаторы. Ещё один недостаток, влияющий на использование, это создание гармонических помех в электросети некоторыми схемами симисторных регуляторов (например, бытовой диммер для регулировки освещенности).

[stextbox id=’info’]Отметим, что напряжение на нагрузки будет отличаться от синусоиды, что связано с минимальным напряжением и током, при которых возможно включение. Из-за этого подключать следует только нагрузку, не предъявляющую высоких требований к электропитанию. При постановке задачи добиться синусоиды такой способ коммутации не подойдёт. Симисторы сильно подвержены влиянию шумов, переходных процессов и помех. Также не поддерживаются высокие частоты переключения.[/stextbox]

Область применения

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

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

Основные характеристики

Рассматриваемый полупроводниковый прибор предназначен для управления схемами. Независимо от того, где в схеме он применяется, важны следующие характеристики симисторов:

1. Максимальное напряжение. Показатель, который будучи достигнут на силовых электродах не вызовет, в теории, выхода из строя. Фактически является максимально допустимым значением при условии соблюдения диапазона температур. Будьте осторожны – даже кратковременное превышение может обернуться уничтожением данного элемента цепи.
2. Максимальный кратковременный импульсный ток в открытом состоянии. Пиковое значение и допустимый для него период, указываемый в миллисекундах.
3. Рабочий диапазон температур.
4. Отпирающее напряжение управления (соответствует минимальному постоянному отпирающему току).
5. Время включения.
6. Минимальный постоянный ток управления, нужный для включения прибора.
7. Максимальное повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии. Этот параметр всегда указывают в сопроводительной документации. Обозначает критическую величину напряжения, предельную для данного прибора.
8. Максимальное падение уровня напряжения на симисторе в открытом состоянии. Указывает предельное напряжение, которое может устанавливаться между силовыми электродами в открытом состоянии.
9. Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии и напряжения в закрытом. Указываются соответственно в амперах и вольтах за секунду. Превышение рекомендованных значений может привести к пробою или ошибочному открытию не к месту. Следует обеспечивать рабочие условия для соблюдения рекомендованных норм и исключить помехи, у которых динамика превышает заданный параметр.
10. Корпус симистора. Важен для проведения тепловых расчетов и влияет на рассеиваемую мощность.

Вот мы и рассмотрели, что такое симистор, за что он отвечает, где применяется и какими характеристиками обладает. Рассмотренные простым языком теоретические азы позволят заложить основу для будущей результативной деятельности. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!

Полупроводниковая структура симистора

Структура симистора состоит из пластины, состоящей из чередующихся слоев с электропроводностями p- и n- типа и из контактов электродов основного и управляющего действия. Всего в структуре полупроводника содержится пять слоев p- и n-типа. Область между слоями называется p-n-переходом, который обладает нелинейной ВАХ с небольшим сопротивлением в обратном направлении, где минус – это n-слой, а плюс – p-слой и высокое значение сопротивления в обратном направлении. Пробой p-n-перехода происходит при напряжении равном несколько тысяч вольт.

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

По этой схеме к СЭУ прилагается напряжение со знаком плюс, относительно СЭ, а p—n-переходы j₂  и j₄  подключаются в прямом, а p—n-переходы j₁  и j₃ – в обратную сторону. Благодаря этому структура может рассматриваться, как структура тиристора, подключенная в обратном направлении, не принимающая участие в работе по пропусканию тока. В этом случае действие прибора определяется при помощи левой части структуры и представляет собой обратно ориентированную p—n—p—n структуру с добавочным пятым слоем n₀ , который граничит со слоем p₁.

Использование симистора

Симистор представляется настолько гибким и универсальным устройством, что благодаря его свойству переключения в проводящее состояние запускаемым импульсом с положительным или отрицательным знаком, который не зависит от источника  проявляющего свойства мгновенной полярности. По сути названия анод и катод для прибора не имеют большой актуальности.

• Одно из популярных и простейших сфер использования симистора может считаться его применение в качестветвердотельного реле. Для него характерно малое значение пускового тока достаточного для нагрузки с большими токами. Функцию ключа в таком устройстве может играть геркон, или обладающее большой чувствительностью термореле и прочие контактные пары с током до 50мА, при этом величина тока нагрузки может ограничиваться исключительно показателями, на которые рассчитан симистор.
• 2Не менее широко использование симистора в качестве регулятора интенсивности освещения и управления скоростью вращения электромотора. Схема построена на спользовании запускающих элементов, которые устанавливаются RC-фазовращателем, такой элемент, как потенциометр регулирует интенсивность освещения, а резистор служит для ограничения тока нагрузки. Формирование импульсов выполняется с помощью динистора. После пробоя в динисторе, который происходит в результате разности потенциалов на конденсаторе, импульс разряда конденсатора, возникающий мгновенно включает симистор.
• Управление мощностью в нагрузке с использованием в схеме добавочной RC-цепочки, что дает большой фазовый сдвиг, который облегчает задачу по управлению мощности.

Преимущества использования симисторов

• Увеличение разрешенной критической величины напряжения коммутации, что разрешает управления большими реактивными нагрузками без существенных сбоев в коммутации. Это позволяет уменьшить число компонентов, размеры печатной платы, снизить цену и убрать потери на рассеивание энергии демпфером.
• Повышение критической величины изменения тока коммутации, что повышает качество работы на высокой частоте для несинусоидального напряжения.
• Большая чувствительность к высокой температуре рабочего процесса.
• Высокое значение допустимого напряжения снижает стремление к самовключению из состояния отсутствия проводимости при большой температуре, что разрешает их использование для резистивных нагрузок по управлению бытовой и нагревательной техникой.
• Долговечность симистора, обусловленная рабочими температурными перепадами, отличается практически неограниченным ресурсом.
• Отсутствие искрообразования и возможность управления в момент нулевого тока в сети, что снижает электромагнитные помехи.

Основные достоинства симистора:

1. большая частота срабатывания для высокой точности управления;
2. высокий ресурс по сравнению с релейными электромеханическими устройствами;
3. возможность добиться небольших размеров приборов;
4. отсутствие шума при включении и отключении электроцепей.

Силовая электроника, с использованием  симисторов, разработанная отечественными производителями благодаря своим качественным показателям может составить западным фирмам высокую конкуренцию.

Материал по теме: Как подключить конденсатор

Виды симисторов

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

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

• На замену Z00607 хорошо подходят ы BT131-600, только они максимально подходят по всем характеристикам
• Полностью аналогичный у Z7M является МАС97А8.
• z3m . Такой же , как и чуть выше.  Различия в токе по управляющему ключу и в максимальном напряжении. Полностью аналогичен по замене на  MAC97A8
• ВТА 16 600 — импортный , рассчитанный на использование в цепях до 16 ампер и напряжением до 600 вольт
• Этот очень часто используется концерном Samsung в производстве бытовых приборов.  Аналогом этого полупроводника и, несомненно, более лучшим, является BT 134-800. ы m2lz47 являются не самыми надежными с точки зрения условий эксплуатации в приборах с нестабильными параметрами питающей сети.
• тс122 25. Данный симистор очень часто называют силовым тиристором, так как он используется в электроприборах или электроинструменте в механизмах плавного пуска.  Отличительной особенность данного а является его большая надежность на протяжении большого срока работы.
• 131 6 , другое название данного а  ВТ 131-600, но есть и упрощенное  название, и на многих деталях имеется именно упрощенная маркировка. С этим моментом очень часто связано то, что по оригинальной или упрощенной маркировке не всегда можно найти именно ту информацию, которая нужна.

Схемы управления

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

[stextbox id=’warning’]Схема диммера на симисторе позволяет создать компактное дополнение к выключателю освещения, для плавной регулировки уровня освещения. При необходимости схему можно дополнить компонентами для плавного изменения освещения в зависимости от яркости внешнего фона.[/stextbox]

Схема регулятора на симисторе включает в себя непосредственно сам датчик температуры, питающую сеть, и прибор нагрузки. Изменение показаний датчика температуры приводит к изменени показателей тока на ключе симистора, что приводит либо к увеличению напряжения, либо к уменьшению. Забудьте о сложных механических устройствах с биметаллическими пластинами и выгорающих контактах. Схемы управления скоростью вращения двигателя принципиально ничем не отличаются по принципу построения от других аналогичных. Нюансы касаются только параметров тока и напряжения на двигатель.

Управление симистором через оптопару позволяет подключать электрооборудование, которым нужно управлять. Непосредственно к компьютеру через порт LPT. Оптопара в данном примере позволяет защитить непосредственно материнскую плату компьютера от перегрузки и выхода из строя.  Своего рода умны предохранитель с функцией управления. Управление симистором с микроконтроллера позволяет добиться очень точных показателей по току и напряжению, при которых происходит управление самим симистором и распределению питающего напряжения на различные устройства нагрузки.

Заключение

В статье описаны все особенности строения и работы симистора. Более подробно о них можно узнать из статьи Работа симистора. В нашей группе ВК можно задавать вопросы и получать на них подробные ответы от профессиональных электронщиков. Чтобы подписаться на группу, вам необходимо будет перейти по следующей ссылке: https://vk.com/electroinfonet. В завершение статьи хочу выразить благодарность источникам, откуда мы черпали информацию:

www.elektronchic.ru

www.samelectrik.ru

www.howelektrik.com

www.principraboty.ru