Симисторных: принцип работы и основные отличия

принцип работы и основные отличия

Тиристорные и симисторные стабилизаторы напряжения относятся к семейству электронных стабилизаторов. Стабилизацию напряжения реализуют ключи, собранные на полупроводниковых приборах, – тиристорах или симисторах. Назначение этих аппаратов – нормализация параметров входного тока, что позволяет защитить дорогостоящее оборудование, технику и инструмент от повреждений из-за некачественного сетевого напряжения.

Устройство и принцип работы тиристорных и симисторных стабилизаторов напряжения

В конструкцию стабилизирующих аппаратов на полупроводниковых ключах входят:

• Входной фильтр. Предназначен для устранения помех высокой частоты и кратких скачков напряжения, негативно влияющих на работоспособность техники на электронных компонентах.
• Схема контроля и управления. Контролирует входной сетевой ток и при его изменениях с помощью полупроводниковых ключей управляет секциями вторичной обмотки.
• Силовой трансформатор. В его конструкции присутствует секционированная вторичная обмотка, обеспечивающая ступенчатое изменение выходных характеристик тока.
• Силовые ключи – тиристорные или симисторные. В симисторном аппарате может присутствовать более 10 ступеней, обеспечивающих получение достаточно точных параметров тока, поступающего к потребителям.

Принцип работы трансформатора на полупроводниковых ключах:

• При изменениях характеристик входного тока схема контроля и управления сравнивает текущие и допустимые параметры.
• Если колебания параметров сетевого тока находятся в установленных пределах, подается сигнал на полупроводниковый ключ, который корректирует выходное напряжение.
• При скачках входного напряжения за допустимые пределы защитная система в аварийном режиме обесточивает цепь.

В чем разница между тиристорами и симисторами

Общей характеристикой тиристоров и симисторов является тот факт, что ими управляют подачей на управляющий электрод положительного потенциала. Различия заключаются в конструкции полупроводников.

Тиристор – однонаправленный преобразователь, в структуре которого имеются анод, катод, управляющий электрод. Симистор – полупроводниковый прибор, состоящий из двух параллельно соединенных тиристоров. Благодаря такой конструкции симисторный переключатель обладает двунаправленным действием – он может проводить ток в двух направлениях.

Преимущества и недостатки стабилизаторов тиристорного типа

Преимущества тиристорных стабилизаторов:

• достаточно высокая скорость стабилизации – до 20 мс;
• хороший КПД;
• защищенность от сетевых помех;
• значительный интервал регулирования;
• устойчивость к перегрузам;
• надежность, долговечность.

Минусы стабилизаторов на тиристорных ключах, ограничивающих их применение:

• низкая эффективность при работе с реактивными потребителями;
• значительное снижение мощности при низких напряжениях на входе;
• высокая стоимость;
• сложность ремонтных мероприятий;
• форма выходного напряжения, далекая от синусоиды, что делает невозможным применение этих аппаратов для обслуживания электродвигателей.

Ступенчатая стабилизация и ее недостаточная точность ограничивают использование аппаратов для питания потребителей с особой чувствительностью к качеству электропитания.

Плюсы и минусы симисторных стабилизаторов

Для симисторных аппаратов характерны следующие преимущества:

• хорошее быстродействие и достаточно точная коррекция;
• высокая величина КПД;
• малый уровень шума, что принципиально при использовании в закрытых помещениях, в которых часто находятся люди;
• широкий допустимый интервал параметров сетевого тока на входе;
• надежность, длительный рабочий период.

К минусам относят ступенчатую стабилизацию, форму напряжения, отличную от синусоидальной, большие габариты, меньшую стойкость к перегрузкам по току, более высокую степень нагрева по сравнению с тиристорными аналогами. Симисторные аппараты отличаются низкой стойкостью при индуктивных нагрузках.

Какой стабилизатор лучше выбрать – тиристорный/симисторный или электронно-релейный

Еще один тип электронных стабилизаторов – электронно-релейный. К таким аппаратам относятся модели серии «Каскад». При их создании использовались технологии, устраняющие недостатки тиристорных и симисторных аппаратов. Обмотки трансформатора в этих моделях переключают электронные ключи, состоящие из транзистора и реле. Они устойчивы к сетевым помехам и не провоцируют их появление.

Преимущества электронно-релейных стабилизирующих аппаратов по сравнению с тиристорными/симисторными:

• Возможность работать с перегрузками до 1000 %, для тиристорных/симисторных моделей допустимый перегруз не превышает 40 %.
• Синусоидальная форма напряжения на выходе.
• Наличие оригинальной схемы коррекции параметров напряжения не в силовой, а во вторичной цепи исключает вероятность замыкания трансформаторных обмоток. В аппаратах с полупроводниковыми ключами такое замыкание может произойти при импульсных помехах и грозовых разрядах.

Стабилизаторы электронно-релейного типа относятся к наиболее надежным, поскольку они эффективно защищают промышленное оборудование, технику, инструменты от аварий в электросети, помех, грозовых разрядов, коротких замыканий. При включении электронно-релейные аппараты серии «Каскад» анализируют параметры сети и тестируют защитные системы.

принцип работы, проверка и включение, схемы

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:

1. Использовать стрелочный омметр или тестер (их силы тока будет достаточно для срабатывания).
2. Собрать специальную схему.

Алгоритм проверки омметром:

1. Подключаем щупы прибора к выводам T1 и T2 (A1 и A2).
2. Устанавливаем кратность на омметре х1.
3. Проводим измерение, положительным результатом будет бесконечное сопротивление, в противном случае деталь «пробита» и от нее можно избавиться.
4. Продолжаем тестирование, для этого кратковременно соединяем выводы T2 и G (управляющий). Сопротивление должно упасть примерно до 20-80 Ом.
5. 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:

1. Устанавливаем переключатели в исходное положение (соответствующее схеме).
2. Производим нажатие на SB1, тестируемое устройство открывается, о чем сигнализирует лампочка.
3. Жмем SB2, лампа гаснет (устройство закрылось).
4. Меняем режим переключателя SA1 и повторяем нажатие на SB1, лампа снова должна зажечься.
5. 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:

1. Переключатель S3, переводится в положении, как продемонстрировано на схеме (см. рис. 6).
2. Кратковременно производим нажатие на кнопку S2, тестируемый элемент откроется, о чем просигнализирует светодиод VD
3. Меняем полярность, устанавливая переключатель S3 в среднее положение (отключается питание и гаснет светодиод), потом в нижнее.
4. 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),

Что такое симистор — симисторный переключатель » Electronics Notes

Симисторы — это полупроводниковые устройства, которые широко используются для коммутации переменного тока средней мощности — их преимущество в том, что они могут коммутировать обе половины переменного цикла.

---

Симистор, диак, тиристор Учебное пособие Включает:
Основы работы с тиристорами
Структура тиристорного устройства
Тиристорный режим
Затвор выключения тиристора, ГТО
Технические характеристики тиристора
Что такое симистор
Технические характеристики симистора
Обзор Диака

---

Триаки — это электронные компоненты, которые широко используются в устройствах управления питанием переменного тока. Они могут переключать высокое напряжение и высокий уровень тока, а также обе части сигнала переменного тока. Это делает симисторные схемы идеальными для использования в различных приложениях, где требуется переключение питания.

Одним из конкретных применений симисторных цепей являются диммеры для бытового освещения, а также они используются во многих других ситуациях управления мощностью, включая управление двигателем и электронные переключатели.

Симистор среднего тока

Из-за своих характеристик симисторы, как правило, используются для электронных коммутационных устройств малой и средней мощности, в то время как тиристоры используются для коммутации переменного тока с очень высокими тепловыми нагрузками.

Основы симистора

Симистор является развитием тиристора. В то время как тиристор может контролировать ток только в течение одной половины цикла, симистор контролирует его в течение двух половин формы волны переменного тока.

Форма сигнала переключения симистора

Таким образом, симистор можно рассматривать как пару параллельных, но противоположных тиристоров с двумя затворами, соединенными вместе, и анодом одного устройства, подключенным к катоду другого, и т. д.

Тот факт, что действие переключения симистора происходит на обеих половинах сигнала переменного тока, означает, что для приложений электронного переключения переменного тока можно использовать полный цикл.

Для базовых тиристорных цепей используется только половина формы волны, и это означает, что базовые схемы, использующие тиристоры, не будут использовать обе половины цикла. Для использования обеих половин требуется два устройства.

Однако симистору требуется только одно устройство для управления обеими половинами сигнала переменного тока, и во многих отношениях это идеальное решение для электронного переключателя переменного тока.

Символ симистора

Как и другие электронные компоненты, симистор имеет собственный символ цепи для использования на принципиальных схемах, что указывает на его двунаправленные свойства. Символ симистора можно рассматривать как пару символов тиристора в противоположных смыслах, слитых вместе.

Символ цепи симистора

Как и тиристор, симистор имеет три вывода. Однако их названия немного сложнее присвоить, потому что основные токоведущие клеммы подключены к тому, что фактически является катодом одного тиристора и анодом другого в общем устройстве.

Есть ворота, которые действуют как триггер для включения устройства. В дополнение к этому другие терминалы называются анодами или основными терминалами. Они обычно обозначаются как Анод 1 и Анод 2 или Основной Терминал 1 и Основной Терминал 2 (MT1 и MT2). При использовании симисторов и МТ1, и МТ2 имеют очень похожие свойства.

Как работает симистор?

Прежде чем рассматривать, как работает симистор, полезно иметь представление о том, как работает тиристор. Таким образом, основные понятия можно понять для более простого полупроводникового устройства, а затем применить к более сложному симистору.

Подробнее о . . . . Основы тиристора/тиристора.

Для работы симистора из символа 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 несколько сложнее.

Эквивалентная схема симистора

Структура симистора показана ниже, и можно увидеть, что есть несколько областей материала N-типа и P-типа, которые образуют то, что фактически представляет собой пару встречных тиристоров.

Базовая структура симистора

Симистор может проводить больше проводов, чем тиристор. Он может проводить ток независимо от полярности напряжения на клеммах MT1 и MT2. Он также может запускаться положительным или отрицательным током затвора, независимо от полярности тока MT2. Это означает, что существует четыре режима запуска или квадранта:

• Режим I+   Ток MT2 +ve, ток затвора +ve
• I-Mode   Ток MT2 равен +ve, ток затвора равен -ve
• Режим III+:   Ток MT2 равен -ve, ток затвора равен +ve
• III- Режим:   Ток MT2 -ve, ток затвора -ve

Установлено, что чувствительность триггерного тока триггера наибольшая, когда токи MT2 и затвора имеют одинаковую полярность, т. е. оба положительные или оба отрицательные. Если токи затвора и MT2 имеют противоположную полярность, то чувствительность обычно составляет примерно половину значения, когда они одинаковы.

Типичная ВАХ симистора показана на диаграмме ниже, где отмечены четыре различных квадранта.

Характеристики симистора IV

Применение симистора

Триаки

используются во многих приложениях. Эти электронные компоненты часто используются для коммутации переменного тока малой и средней мощности. Там, где необходимо переключать большие уровни мощности, как правило, используются два тиристора / тринистора, поскольку ими легче управлять.

Тем не менее симисторы широко используются во многих приложениях:

• Управление освещением, особенно бытовыми диммерами.
• Управление вентиляторами и малыми двигателями.
• Электронные выключатели для общего включения и управления переменным током

Естественно, существует множество других применений симистора, но эти являются одними 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, который включает твердотельное реле в соответствии с входным сигналом.

Обычно в твердотельных реле светодиодный или инфракрасный источник и оптический симистор находятся 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 необходимо учитывать ряд моментов. Хотя эти полупроводниковые устройства работают очень хорошо, чтобы получить от них максимальную производительность, необходимо понять несколько советов по использованию симисторов.

Обнаружено, что из-за их внутренней конструкции и небольших различий между двумя половинками эти электронные компоненты не срабатывают симметрично. Это приводит к генерированию гармоник: чем менее симметрично срабатывает симистор, тем выше уровень генерируемых гармоник.

Обычно нежелательно иметь высокий уровень гармоник в энергосистеме, поэтому симисторы не рекомендуются для систем большой мощности. Вместо этого для этих систем можно использовать два тиристора, так как легче контролировать их открытие.

Чтобы помочь в преодолении проблемы несимметричного срабатывания симистора и возникающих в результате гармоник, другое полупроводниковое устройство, известное как диак (диодный переключатель переменного тока), часто помещают 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 связано с тем, что характеристика переключения диака намного более равномерна, чем у симистора. Поскольку симистор предотвращает протекание любого тока затвора до тех пор, пока напряжение триггера не достигнет определенного напряжения в любом направлении, это делает точку срабатывания симистора более равномерной в обоих направлениях.

Внутренняя схема симисторного диммера

Примеры симисторной схемы

Существует множество 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 позволить пусковому импульсу маломощного переключателя включить симистор для управления гораздо более высокими уровнями мощности, которые могут быть возможны с простой переключатель.
  Схема простого симисторного переключателя
• Триак с регулируемой мощностью или диммер:  Одна из самых популярных схем симистора изменяет фазу на входе симистора для управления мощностью, которая может рассеиваться в нагрузку.
  Базовая симисторная схема, использующая фазу входного сигнала для управления рассеиваемой мощностью в нагрузке

Существует множество других схем симисторов, которые можно использовать. Устройство очень универсально и может использоваться в различных схемах, как правило, для обеспечения различных форм переключения переменного тока.

Примечание по симисторным схемам и конструкции:

Симисторные схемы могут переключать обе половины на переменный сигнал с помощью одного устройства, что делает их очень привлекательными для использования во многих схемах переключения переменного тока малой и средней мощности.

Подробнее о Симисторные схемы и дизайн

Технические характеристики симистора

Триаки имеют многие характеристики, которые очень похожи на характеристики тиристоров, хотя очевидно, что они предназначены для работы симистора в обеих половинах цикла и должны интерпретироваться как таковые.

Однако, поскольку их действие очень похоже, то же самое можно сказать и о базовых типах спецификаций. Такие параметры, как ток срабатывания затвора, повторяющееся пиковое напряжение в закрытом состоянии и т. п., необходимы при разработке симисторной схемы, обеспечивая достаточный запас для надежной работы схемы.

Подробнее о . . . . характеристики симистора.

Симисторы

идеально подходят для использования во многих маломощных устройствах переменного тока. Симисторные схемы для использования в качестве диммеров и небольших электронных переключателей широко распространены, они просты и легки в реализации. При использовании симисторов в схему часто включают диаки, как упоминалось выше, чтобы помочь снизить уровень производимых гармоник.

Другие электронные компоненты:
Батарейки
конденсаторы
Соединители
Диоды
полевой транзистор
Индукторы
Типы памяти
Фототранзистор
Кристаллы кварца
Реле
Резисторы
ВЧ-разъемы
Переключатели
Технология поверхностного монтажа
Тиристор
Трансформеры
Транзистор
Клапаны/трубки

    Вернуться в меню «Компоненты». . .

Принципы и схемы симистора — Часть 1

---

» Перейти к разделу «Дополнительно»

Симистор — это управляемый твердотельный переключатель переменного тока с полуфиксацией средней и большой мощности. В этой статье, состоящей из двух частей, объясняется его основная работа и показаны различные способы его использования. Большинство практических схем показывают два набора значений компонентов для использования с обычными бытовыми/коммерческими источниками переменного напряжения 50 Гц или 60 Гц с номинальным значением либо 240 В (как используется в большинстве стран Европы), либо (в скобках) 120 В (как используется в большинстве стран Европы). США). В каждой конструкции пользователь должен использовать симистор с номиналами, соответствующими его или ее конкретному приложению.

Основы симистора

РИСУНОК 1. Символы симистора.

РИСУНОК 2. Простой выключатель питания переменного тока с резистивной (ламповой) нагрузкой.

Симистор представляет собой твердотельный тиристор с тремя выводами (MT1, затвор и MT2), который использует альтернативные символы на рис. Терминал. Он может проводить ток в любом направлении между своими клеммами MT1 и MT2 и, таким образом, может использоваться для прямого управления питанием переменного тока. Он может запускаться как положительным, так и отрицательным током затвора, независимо от полярности тока MT2, и, таким образом, он имеет четыре возможных режима запуска или «квадранта», обозначенных следующим образом:

I+     Mode = ток MT2 +ve, ток затвора +ve
I-      Mode = ток MT2 +ve, ток затвора -ve
III+   Mode = ток MT2 -ve, ток затвора +ve
III+   Mode = ток MT2 -ve, gate current -ve

Чувствительность триггерного тока наибольшая, когда MT2 и вентильный токи имеют одинаковую полярность (либо оба положительные, либо оба отрицательные), и обычно вдвое меньше, когда они имеют противоположную полярность.

На рис. 2 показан симистор, используемый в качестве простого переключателя питания переменного тока, управляющий резистивной ламповой нагрузкой; Предположим, что SW2 закрыт. Когда SW1 разомкнут, симистор действует как разомкнутый переключатель, и лампа пропускает нулевой ток. Когда SW1 замкнут, симистор запирается через R1 и самоблокируется вскоре после начала каждого полупериода, таким образом переключая полную мощность на ламповую нагрузку. Симистор автоматически разблокируется в конце каждого полупериода переменного тока, когда мгновенное напряжение питания (и, следовательно, ток нагрузки) кратковременно падает до нуля.

В рис. 2 задача резистора R1 заключается в ограничении пикового мгновенного тока затвора симистора при включении до безопасного значения; его сопротивление (вместе с сопротивлением нагрузки) должно быть больше, чем пиковое напряжение питания (примерно 350 В в цепи 240 В переменного тока, 175 В в цепи 120 В), деленное на номинальный пиковый ток затвора симистора (который обычно указывается в документации производителя симистора). расширенные технические данные).

Обратите внимание на рис. 2 (и в большинстве других симисторных цепей, показанных в этой мини-серии), что — по соображениям безопасности — нагрузка подключается последовательно с нейтральной линией (N) источника переменного тока, а главное вкл. /выкл. переключатель SW2 может изолировать всю цепь от действующей (L) линии.

Эффект скорости симистора

РИСУНОК 3. Простой выключатель питания переменного тока с индуктивной нагрузкой и демпфирующей цепью C1-R2 для подавления эффекта скорости.

Большинство симисторов, как и SCR, подвержены проблемам «скорости-эффекта». Между основными выводами и затвором симистора неизбежно существуют внутренние емкости, и если на одном из основных выводов появляется резко возрастающее напряжение, оно может — если его скорость нарастания превышает номинальную dV/dt симистора — вызвать достаточный прорыв к гейт, чтобы включить симистор. Это нежелательное включение «эффекта скорости» может быть вызвано переходными процессами в линии питания; однако проблема особенно серьезна при управлении индуктивными нагрузками, такими как электродвигатели, в которых токи и напряжения нагрузки не совпадают по фазе, что приводит к внезапному появлению большого напряжения на основных клеммах каждый раз, когда симистор размыкается, когда ток на его основной клемме падает. почти до нуля в каждом рабочем полупериоде.

Проблемы, связанные с эффектом скорости, обычно можно решить, подключив R-C «снабберную» сеть между MT1 и MT2, чтобы ограничить скорость нарастания напряжения до безопасного значения, как показано (например) в схеме переключателя питания симистора в Рисунок 3 , где R2-C1 образуют снабберную сеть. Некоторые современные симисторы имеют повышенные характеристики dV/dt (обычно 750 В/мс) и практически не подвержены влиянию скорости; эти симисторы известны как «бесшумные» типы.

Подавление радиопомех

РИСУНОК 4. Базовый диммер лампы переменного тока с подавлением радиопомех через C1-L1.

Симистор можно использовать для управления переменной мощностью переменного тока с помощью метода «переключения с фазовой задержкой», при котором симистор срабатывает частично в течение каждого полупериода. При каждом включении симистора ток его нагрузки резко (за несколько микросекунд) переключается от нуля до значения, заданного его сопротивлением нагрузки и мгновенными значениями напряжения питания. В схемах с резистивной нагрузкой, таких как диммеры ламп, это действие переключения неизбежно генерирует импульс ВЧ-помех, который наименьший, когда симистор срабатывает вблизи точек пересечения нуля 0° и 180° осциллограммы линии питания (при которой переключатель токи включения минимальны), а максимальны при срабатывании устройства 90° после начала каждого полупериода (когда токи включения максимальны).

Импульсы РЧ-помех возникают с частотой, вдвое превышающей частоту сети, и могут быть очень раздражающими. В диммерах ламп РЧ-помехи обычно можно устранить, установив на диммер простую сеть LC-фильтров, как показано на рис. 4 . Фильтр устанавливается рядом с симистором и значительно снижает скорость нарастания токов в сети переменного тока.

РИСУНОК 5. Символ диака.

Диаки и квадраки

Диак — двухполюсное двунаправленное триггерное устройство; он может использоваться с напряжениями любой полярности и обычно используется в сочетании с симистором; На рис. 5 показан символ цепи. Основное действие диака таково, что при подключении к источнику напряжения через токоограничивающий нагрузочный резистор он действует как высокоимпедансный резистор до тех пор, пока приложенное напряжение не поднимется примерно до 35 В, после чего он срабатывает и действует как низкоимпедансный 30-вольтовый резистор. стабилитрон, и 30 В вырабатывается на диаке, а остальные 5 В появляются на нагрузочном резисторе. Диак остается в этом состоянии до тех пор, пока его прямой ток не упадет ниже минимального удерживающего значения (это происходит, когда напряжение питания падает ниже значения «стабилитрона» 30 В), после чего диак снова отключается.

РИСУНОК 6. Базовая схема диммера лампы с регулируемой фазовой задержкой.	Рисунок 7 . Символ квадрака.

Диак чаще всего используется в качестве пускового устройства в приложениях управления мощностью с фазным триаком, как в базовой схеме регулятора яркости лампы Рисунок 6 . Здесь в каждом полупериоде линии электропередачи сеть R1-RV1-C1 применяет вариант полупериода с переменной задержкой по фазе к затвору симистора через диак, и когда напряжение C1 возрастает до 35 В, диак срабатывает и подает триггерный импульс 5В (от С1) на затвор симистора, тем самым включая симистор и одновременно подавая питание на ламповую нагрузку и отключая привод от RC-цепи. Таким образом, средняя мощность нагрузки (интегрированная за полный период полупериода) полностью изменяется от почти нуля до максимума через RV1.

В первые дни разработки симистора некоторые специализированные устройства производились со встроенным диодом последовательно с затвором симистора; такие устройства были известны как квадраки и использовали символ схемы Рисунок 7 . Quadrac не имели коммерческого успеха и сейчас устарели.

Варианты выключателя питания переменного тока

Самый простой тип симисторного выключателя питания — это Рисунок 2 , в котором симистор включается через R1, когда SW1 замкнут; Только 1 В или около того генерируется на симисторе, когда он включен, поэтому R1 и SW1 потребляют очень небольшую среднюю мощность; На рис. 3 показана та же цепь, оснащенная «снабберной» сетью. Есть много полезных вариантов этих основных схем. На рис. 8 , например, показана версия, которая может запускаться от источника постоянного тока переменного тока. C1 заряжается (через R1-D1) до +10 В в каждом положительном полупериоде линии питания переменного тока, и этот заряд запускает симистор, когда SW1 замкнут. Обратите внимание, что R1 постоянно подвергается почти полному напряжению сети переменного тока и, следовательно, требует довольно высокой номинальной мощности, и что все части этой схемы находятся под напряжением, что затрудняет взаимодействие с внешней схемой управления.

РИСУНОК 8. Переключатель питания переменного тока с запуском по постоянному току переменного тока.	РИСУНОК 9. Переключатель питания переменного тока с изолированным входом (с оптической развязкой), срабатывающий от постоянного тока.

На рис. 9 показана вышеприведенная схема, модифицированная для обеспечения «изолированного» взаимодействия с внешней схемой управления. SW1 просто заменяется транзистором Q2, который управляется со стороны фототранзистора оптрона. Светодиод соединителя питается от внешнего источника постоянного тока через R1, а симистор включается только при замыкании SW1; При желании SW1 можно заменить электронной коммутационной схемой.

РИСУНОК 10. Выключатель питания переменного тока с изолированным входом, срабатывающий от переменного тока.	РИСУНОК 11. Переключатель питания переменного тока с запуском постоянного тока с помощью транзистора.

На рис. 10 показан вариант, в котором симистор запускается по переменному току в каждом полупериоде через импеданс переменного тока C1-R1 и через встречно-параллельные стабилитроны ZD1-ZD2, а C1 рассеивает около нуля власть. Мостовой выпрямитель D1-D4 подключен к сети ZD1-ZD2-R2 и нагружен Q2. Когда Q2 выключен, мост фактически разомкнут, и симистор открыт в каждом полупериоде, но когда Q2 включен, между ZD1-ZD2-R2 возникает почти короткое замыкание, и симистор выключен. Q2 управляется через оптопару от изолированной внешней цепи, а симистор включен, когда SW1 разомкнут, и выключен, когда SW1 замкнут.

РИСУНОК 12. Выключатель питания переменного тока с изолированным входом и срабатыванием по постоянному току.

На рисунках 11 и 12 показаны варианты, в которых симистор запускается с помощью трансформаторного источника питания постоянного тока и транзисторного ключа. В Рисунок 11 Q2 и симистор оба включены, когда SW1 замкнут, и выключены, когда SW1 разомкнут. На практике SW1 можно заменить электронной схемой, позволяющей активировать симистор с помощью тепла, света, звука, времени и т. д. Обратите внимание, однако, что вся эта схема находится под напряжением. На рис. 12 показана схема, модифицированная для работы с оптопарой, позволяющая активировать ее через полностью изолированную внешнюю схему.

Запуск UJT

Другой способ получить полностью изолированное симисторное переключение — использовать схемы UJT на рисунках 13 и 14 , в которых UJT является старым типом 2N2646 или его современным аналогом. В этих схемах пусковое действие осуществляется через UJT-генератор Q2, который работает на частоте несколько кГц и подает выходные импульсы на затвор симистора через импульсный трансформатор T1, что обеспечивает желаемую «развязку». Из-за довольно высокой частоты колебаний UJT запускает симистор в течение нескольких градусов после начала каждого полупериода сети переменного тока, когда генератор активен.

РИСУНОК 13. Выключатель питания переменного тока с изолированным входом (с трансформаторной связью).	РИСУНОК 14. Выключатель питания переменного тока с изолированным входом.

В Рис. 13 Q3 включен последовательно с основным времязадающим резистором UJT, поэтому UJT и симистор включаются только при замыкании SW1. В Рис. 14 Q3 подключен параллельно основному времязадающему конденсатору UJT, поэтому UJT и симистор включаются только тогда, когда SW1 разомкнут.

РИСУНОК 15. Типичная схема симистора с оптронной развязкой и рабочие характеристики.

Рис. 16. Управление маломощными лампами через симистор с оптронной развязкой.

Симисторы с оптической развязкой

Затворы «голого» симистора по своей природе светочувствительны, поэтому симистор с оптической развязкой может быть изготовлен путем монтажа «голого» симистора и светодиода близко друг к другу в одном корпусе. На рис. 15 показана схема и перечислены характеристики типичной шестиконтактной версии DIL такого устройства, в которой светодиод имеет максимальный номинальный ток 50 мА, симистор имеет максимальные номинальные значения 400 В и 100 мА среднеквадратичного значения (и номинальный ток 1,2 А для 10 мс), а весь пакет имеет номинальное напряжение изоляции 1,5 кВ и типичную чувствительность срабатывания по входному току 5 мА.

Триаки с оптопарой просты в использовании и обеспечивают превосходную электрическую изоляцию между входом и выходом. Вход используется как обычный светодиод, а выход как маломощный симистор. На рис. 16 показано устройство, используемое для включения лампы накаливания с питанием от сети переменного тока, которая должна иметь среднеквадратичное значение ниже 100 мА и номинальный пиковый пусковой ток ниже 1,2 А.

РИСУНОК 17. Управление большой мощностью через ведомый симистор.	РИСУНОК 18. Приведение в действие индуктивной нагрузки.

На рис. 17 показан симистор с оптронной развязкой, используемый для активации подчиненного симистора, тем самым приводя в действие нагрузку любой требуемой номинальной мощности. Эта схема подходит для использования только с неиндуктивными нагрузками, такими как лампы и нагревательные элементы. Его можно модифицировать для использования с индуктивными нагрузками, такими как электродвигатели, используя соединения, указанные в 9.0193 Рисунок 18 . Здесь цепь R2-C1-R3 обеспечивает определенный фазовый сдвиг в цепи затвора-привода симистора, чтобы обеспечить правильное срабатывание симистора, а R4-C2 образуют снабберную сеть для подавления эффектов скорости.

Синхронный силовой выключатель «нулевого напряжения»

Синхронный силовой выключатель «нулевого напряжения» (или «интегральный цикл») — это переключатель, в котором симистор постоянно включается сразу после начала каждого полупериода питания (т. е. около точки нулевого напряжения сигнала), а затем снова автоматически выключается в конце, таким образом генерируя минимальные радиопомехи. В большинстве схем переключения мощности, показанных до сих пор в этой статье, симистор включается в произвольной точке своего начального полупериода включения, тем самым создавая потенциально высокий начальный всплеск радиопомех, но затем дает синхронное действие переключения при нулевом напряжении. на все последующие полупериоды.

Истинно синхронная схема с нулевым напряжением использует систему переключения Рисунок 19 , в которой симистор может быть включен только вблизи начальной точки или точки «нулевого напряжения» каждого полупериода, и, таким образом, создает минимальные радиопомехи. Эта система широко используется для включения/выключения сильноточных нагрузок, таких как электрические нагреватели и т. д.

РИСУНОК 19. Система синхронного переключения питания переменного тока с нулевым напряжением.	РИСУНОК 20. Синхронный выключатель питания переменного тока.

На рис. 20 показан практичный синхронный выключатель питания переменного тока с нулевым напряжением; 10 В постоянного тока получают от переменного тока через R7-D1-ZD1 и C2 и переключают на затвор симистора через Q2, который управляется через SW1 и детектор «нулевого напряжения» Q3-Q4-Q5 и может подавать ток затвора только тогда, когда SW1 закрыт, а Q3 выключен.

РИСУНОК. 21 Альтернативный вариант синхронного выключателя переменного тока.

В детекторе нулевого напряжения транзисторы Q4 или Q5 включаются всякий раз, когда напряжение в сети переменного тока превышает или ниже нуля более чем на несколько вольт (задается параметром RV1), тем самым активируя транзистор Q3 через резистор R5 и блокируя транзистор Q2. Таким образом, ток затвора может подаваться на симистор только тогда, когда SW1 замкнут, а мгновенное линейное напряжение переменного тока находится в пределах нескольких вольт от нуля; Таким образом, эта схема генерирует минимальные коммутационные радиочастотные помехи.

На рис. 21 показана схема, модифицированная таким образом, что симистор может включаться только при разомкнутом переключателе SW1. Обратите внимание, что в обоих случаях на симистор подается только узкий импульс тока затвора, и, таким образом, средний ток затвора составляет всего 1 мА или около того.