Симистор – принцип работы, свойства, характеристики, схемы
Основные справочные характеристики отечественных симисторов и зарубежных триаков.
Простые схемы симисторных регуляторов мощности и коммутаторов в цепях переменного тока
Симистор, симметричный тиристор, или триак (triak) – это полупроводниковый прибор
с двумя устойчивыми состояниями, используемый для коммутации нагрузки в цепях переменного тока, т. е. функционально являющийся управляемым
электронным ключом.
В отличие от тиристора, симистор способен проводить ток в обоих направлениях, что позволяет ему более эффективно работать в цепях переменного тока,
управляя мощностью во всем диапазоне полупериодов синусоиды. По отношению к электромагнитному реле симистор также имеет явные преимущества,
заключающиеся в повышенном коммутационном ресурсе и более высокой скорости коммутации.
Топологическая структура симистора такова, что в упрощённом приближении он представляет собой два тиристора, включенных встречно-параллельно
(Рис.1).
Рис.1 Топологическая структура и эквивалентная схема симистора
На Рис.1 слева направо приведены: топологическая структура симистора, далее его условная эквивалентная схема,
выполненная на двух тиристорах и, наконец, изображение симистора на принципиальных схемах.
А1 (МТ1) и А2 (МТ2) – это силовые выводы, которые могут обозначаться, как катод и анод. Управляющий электрод, как правило,
обозначается латинской G либо русской У. Иногда производитель может обозначать цифрой 1 "анодный" вывод, цифрой 2 – "катодный",
поэтому всегда важно придерживаться обозначений, приведённых в паспортных характеристиках на прибор
Глядя на эквивалентную схему, возникает иллюзия того, что симистор является элементом абсолютно симметричным относительно горизонтальной оси,
что даёт возможность как угодно крутить его вокруг управляющего электрода. Это не верно!
Так же, как у тиристора – напряжение на управляющий электрод симистора должно подаваться относительно условного катода А1
(МТ1).
Полярность открывающего напряжения должна быть либо отрицательной для обеих полярностей напряжения на аноде, либо
совпадать с полярностью "анодного" напряжения (т. е. быть плюсовой в момент прохождения положительной полуволны и минусовой – в момент
прохождения отрицательной).
Приведём вольт-амперную характеристику симистора, а также ключевую схему, реализующую самый простой способ управления – подачу на
управляющий электрод прибора постоянного тока с величиной, необходимой для его включения (Рис.2).
Рис.2 ВАХ симистора и простейшая схема управления
Как уже было сказано, большим плюсом симистора перед тиристором является возможность в штатном режиме работать с разнополярными полупериодами сетевого
напряжения. Вольт-амперная характеристика является симметричной, поэтому нет надобности в выпрямительном мосте – схема получается
проще, но главное, исключается элемент (выпрямитель), на котором вхолостую рассеивается около 50% мощности.
Давайте рассмотрим работу симистора при подаче на его управляющий вход постоянного тока отрицательной полярности (Рис.2 справа),
ведь мы помним, что именно такая полярность открывающего напряжения является универсальной и для положительных, и для отрицательных
полупериодов напряжения сети. На самом деле, всё происходит абсолютно аналогично описанной на предыдущей странице работе тиристора.
Повторим пройденный материал:
1. Для начала рассмотрим случай, когда управляющий электрод симистора отключен (S1 на схеме разомкнут, Iу на ВАХ равен 0).
Тока через нагрузку нет (участки III на ВАХ), симистор закрыт, и для того, чтобы его открыть, необходимо поднять напряжение
на "аноде" симистора настолько, чтобы возник лавинный пробой p-n-переходов полупроводника.
Оговоримся – зафиксировать нам этот процесс не удастся, потому что величина этого напряжения составляет несколько сотен вольт и,
как правило, превышает амплитудное значение напряжения сети.
Тем не менее – при достижении этого уровня напряжения (точки II на ВАХ) симистор отпирается, падение напряжения между силовыми выводами
падает до единиц вольт, нагрузка подключается к сети – наступает рабочий режим открытого симистора (участки I на ВАХ).
Чтобы закрыть симистор, нужно снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на "аноде") ниже тока удержания.
2. Для того чтобы снизить величину напряжения включения симистора, следует замкнуть S1 и, тем самым, подать на управляющий
электрод ток, задаваемый значением переменного резистора R1. Чем больше ток Iу, тем при меньшем анодном напряжении происходит
переключение симистора в проводящее состояние.
А при определённом значении тока управляющего электрода, называемым током спрямления (на ВАХ не показано), горба на характеристике практически
не будет, и напряжение открывания симистора составит незначительную величину.
Абсолютно так же, как и в прошлом пункте, чтобы закрыть симистор, необходимо понизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение
на "аноде") ниже значения тока удержания.
Таким образом – всё аналогично тиристору. Для открывания симистора следует подать на управляющий электрод прибора постоянный ток
с величиной, необходимой для его включения, а для закрывания – снизить протекающий через нагрузку ток ниже
значения тока удержания.
Т. е. в нашем случае, представленном на Рис.2, симистор будет открываться при замыкании S1 в каждый момент превышения "анодным"
напряжением некоторого значения, зависящего от номинала R1, а закрываться с каждым полупериодом сетевого напряжения
в момент приближения его уровня к нулевому значению.
Описанный выше способ управления симистором посредством подачи на управляющий электрод постоянного напряжения обладает одним существенным
недостатком – требуется довольно большой ток (а соответственно и мощность) управляющего сигнала (по паспорту – до 250 мА для КУ208).
Поэтому в большинстве случаев для управления симисторами используется импульсный метод, либо метод, при котором открытый симистор
шунтирует цепь управления, не допуская бесполезного рассеивания мощности на её элементах.
В качестве примера рассмотрим простейшую, но вполне себе работоспособную схему симисторного регулятора мощности, позволяющего
работать с нагрузками вплоть до 2000 Вт.
Рис.3 Схема симисторного регулятора мощности
Как можно увидеть, на схеме помимо симистора VS2 присутствует малопонятный элемент VS1 – динистор. Для интересующихся отмечу –
на странице сайта мы подробно обсудили принцип работы, свойства и характеристики приборов данного
типа.
А теперь – как работает симисторный регулятор мощности?
В начале положительного полупериода симистор закрыт. По мере увеличения сетевого напряжения конденсатор С1 заряжается
через последовательно соединённые резисторы R1 и R2.
Причём увеличение напряжения на конденсаторе С1 отстаёт (т. е. сдвигается по фазе) от сетевого на величину, зависящую от суммарного
сопротивления резисторов и номинала ёмкости С1. При этом, чем выше значения резисторов и конденсатора – тем больше сдвиг по фазе.
Заряд конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на нём не достигнет порога пробоя динистора (около 35 В).
Как только динистор откроется (следовательно, откроется и симистор), через нагрузку потечёт ток, определяемый суммарным
сопротивлением открытого симистора и нагрузки.
При этом симистор остаётся открытым до конца полупериода, т. е. момента, когда полуволна сетевого напряжения приблизится к нулевому
уровню.
Переменным резистором R2 устанавливают момент открывания динистора и симистора, производя тем самым регулировку мощности,
подводимой к нагрузке.
При действии отрицательной полуволны принцип работы устройства аналогичен.
Диаграммы напряжения на нагрузке при различных значениях переменного резистора приведены на Рис.3 справа.
Для предотвращения ложных срабатываний триаков, вызванных переходными процессами в индуктивных нагрузках (например, в электродвигателях),
симисторы должны иметь дополнительные компоненты защиты. Этому, как правило, служит демпферная RC-цепочка (снабберная цепь) между силовыми
электродами триака,
которая используется для ограничения скорости изменения напряжения (на схеме Рис.3 – C2, R3).
В некоторых случаях, когда нагрузка имеет ярко выраженный ёмкостной характер, между силовыми электродами необходима индуктивность
для ограничения скорости изменения тока при коммутации.
И под занавес:
Основные характеристики отечественных и зарубежных триаков
| Тип |
U макс, В |
I max, А |
Iу отп, мА |
| КУ208Г |
400 |
5 |
<160 |
| BT 131-600 |
600 |
1 |
<45 |
| BT 134-500 |
500 |
4 |
<30 |
| BT 134-600 |
600 |
4 |
<30 |
| BT 134-600D |
600 |
4 |
<10 |
| BT 136-500Е |
500 |
4 |
<30 |
| BT 136-600Е |
600 |
4 |
<30 |
| BT 137-600Е |
600 |
8 |
<45 |
| BT 138-600 |
600 |
12 |
<60 |
| BT 138-800 |
800 |
12 |
<60 |
| BT 139-500 |
500 |
16 |
<60 |
| BT 139-600 |
600 |
16 |
<60 |
| BT 139-800 |
800 |
16 |
<60 |
| BTA 140-600 |
600 |
25 |
<60 |
| BTF 140-800 |
800 |
25 |
<60 |
| BT 151-650R |
650 |
12 |
<40 |
| BT 151-800R |
800 |
12 |
<40 |
| BT 169D |
400 |
12 |
<6 |
| BTA/BTB 04-600S |
600 |
4 |
<20 |
| BTA/BTB 06-600C |
600 |
6 |
<50 |
| BTA/BTB 08-600B |
600 |
8 |
<100 |
| BTA/BTB 08-600C |
600 |
8 |
<50 |
| BTA/BTB 10-600B |
600 |
10 |
<100 |
| BTA/BTB 12-600B |
600 |
12 |
<100 |
| BTA/BTB 12-600C |
600 |
12 |
<50 |
| BTA/BTB 12-800B |
800 |
12 |
<100 |
| BTA/BTB 12-800C |
800 |
12 |
<50 |
| BTA/BTB 16-600B |
600 |
16 |
<100 |
| BTA/BTB 16-600C |
600 |
16 |
<50 |
| BTA/BTB 16-600S |
600 |
16 |
<20 |
| BTA/BTB 16-800B |
800 |
16 |
<100 |
| BTA/BTB 16-800S |
800 |
16 |
<20 |
| BTA/BTB 24-600B |
600 |
25 |
<100 |
| BTA/BTB 24-600C |
600 |
25 |
<50 |
| BTA/BTB 24-800B |
800 |
25 |
<100 |
| BTA/BTB 25-600В |
600 |
25 |
<100 |
| BTA/BTB 26-600A |
600 |
25 |
<150 |
| BTA/BTB 26-600B |
600 |
25 |
<100 |
| BTA/BTB 26-700B |
700 |
25 |
<100 |
| BTA/BTB 26-800B |
800 |
25 |
<100 |
| BTA/BTB 40-600B |
600 |
40 |
<100 |
| BTA/BTB 40-800B |
800 |
40 |
<100 |
| BTA/BTB 41-600B |
600 |
41 |
<100 |
| BTA/BTB 41-800B |
800 |
41 |
<100 |
| MAC8M |
600 |
8 |
<35 |
| MAC8N |
800 |
8 |
<35 |
| MAC9M |
600 |
9 |
<50 |
| MAC9N |
800 |
9 |
<50 |
| MAC12M |
600 |
12 |
<35 |
| MAC12N |
800 |
12 |
<35 |
| MAC15M |
600 |
15 |
<35 |
| MAC12N |
800 |
15 |
<35 |
Симисторы с обозначение BTA отличаются от других наличием изолированного корпуса.
Падение напряжения на открытом симисторе составляет примерно 1...2 В и мало зависит от протекающего тока.
|
