Симистор как элемент построения схем

Сразу хочу сказать, что здесь никакой воды про симистор, и только нужная информация. Для того чтобы лучше понимать что такое симистор , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база.

симистор - двунаправленный (симметричный) тиристор. Имеет пятислойную структуру и обладает тиристорной характеристикой при обеих полярностях напряжения питания.

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. 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. Основное отличие этих элементов от тиристоров заключается в двунаправленной проводимости электротока.

Симистор, он же триак, он же симметричный триодный тиристор - это полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристора, но, в отличие от него, способный пропускать ток в двух направлениях и используемый для коммутации нагрузки в цепях переменного тока.

рис 1

На Рис.1 слева направо приведены: топологическая структура симистора, далее расхожая, но весьма условная, эквивалентная схема, выполненная на двух тиристорах и, наконец, изображение симистора на принципиальных схемах.
МТ1 и МТ2 - это силовые выводы, которые могут обозначаться, как Т1&Т2; ТЕ1&ТЕ2; А1&А2; катод&анод. Управляющий электрод, как правило, обозначается латинской G либо русской У.

Управление

Для отпирания симистора на его управляющий электрод подается 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 подается с условного анода через токоограничительный резистор и выключатель. Управлять симистором часто удобно, задавая определенную силу тока управляющего электрода, достаточную для отпирания. Некоторые типы симисторов (так называемые четырехквадрантные симисторы) могут отпираться сигналом любой полярности, хотя при этом может потребоваться больший управляющий ток (а именно, больший управляющий ток требуется в четвертом квадранте, то есть когда напряжение на условном аноде имеет  отрицательную полярность, а на управляющем электроде —  положительную).

Ограничения использования

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 емкости), 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 . При работе на емкостную нагрузку необходимо внести в цепь соответствующую индуктивность.

ВАХ симистора и принцип работы

риведем вольт-амперную характеристику тиристора и схему, реализующую самый простой способ управления симисторами - подачу на управляющий электрод прибора постоянного тока с величиной, необходимой для его включения (Рис.2).


Рис.2

Огромным плюсом симистора перед тиристором является возможность в штатном режиме работать с разнополярными полупериодами сетевого напряжения. Вольт-амперная характеристика является симметричной, надобности в выпрямительном мосте - никакой, 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, все 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. Об этом говорит сайт https://intellect.icu . 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 какой-то величине тока управляющего электрода, называемой током спрямления (на ВАХ не показано), горба на характеристике вообще не будет, и напряжение открывания симистора составит незначительную величину, исчисляемую единицами вольт.
Абсолютно так же, как и в прошлом пункте, чтобы закрыть симистор, необходимо снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на "аноде") ниже значения тока удержания.

То бишь - все полностью аналогично тиристору. Для открывания симистора следует подать на управляющий электрод прибора постоянный ток с величиной, необходимой для его включения, для закрывания - снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на "аноде") 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 существенным недостатком - требуется довольно большой ток (а соответственно и мощность) управляющего сигнала (по паспорту - до 250мА 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 ее элементах.

В качестве примера рассмотрим простейшую, но вполне себе работоспособную схему симисторного регулятора мощности, позволяющего работать с нагрузками вплоть до 2000 Вт.


Рис.3

Как можно увидеть, на схеме помимо симистора VS2 присутствует малопонятный элемент VS1 - динистор. Для интересующихся отмечу - на странице ссылка на страницу мы подробно обсудили принцип работы, свойства и характеристики приборов данного типа.

А теперь - как это все работает?
В начале действия положительного полупериода симистор закрыт. По мере увеличения сетевого напряжения конденсатор С1 заряжается через последовательно соединенные резисторы R1 и R2. Причем увеличение напряжения на конденсаторе С1 отстает (сдвигается по фазе) от сетевого на величину, зависящую от суммарного сопротивления резисторов и номинала емкости С1. Чем выше значения резисторов и конденсатора - тем больше сдвиг по фазе.
Заряд конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на нем не достигнет порога пробоя динистора (около 35 В). Как только динистор откроется (следовательно, откроется и симистор), через нагрузку потечет ток, определяемый суммарным сопротивлением открытого симистора и нагрузки.
При этом симистор остается 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. Это, как правило, демпферная RC-цепочка (снабберная цепь) между силовыми электродами триака, которая используется для ограничения скорости изменения напряжения (на схеме Рис.3 показана синим цветом).
В некоторых случаях, когда нагрузка имеет ярко выраженный емкостной характер, между силовыми электродами необходима индуктивность для ограничения скорости изменения тока при коммутации.

Принцип действия через квадранты

Разрез кристалла симистора

Симистор имеет пятислоевую структуру полупроводника. Упрощенно симистор можно представить в виде эквивалентной схемы из двух триодных тиристоров (тринисторов), включенных встречно-параллельно. Следует, однако, заметить, что управление симистором отличается от управления двумя встречно-параллельными тринисторами.

Чтобы понять, как работают TRIAC, рассмотрим срабатывание в каждом из четырех квадрантов. Четыре квадранта показаны на рисунке 1 и зависят от напряжения затвора и MT2 по отношению к MT1. Главный терминал 1 (MT1) и главный терминал (MT2) также называются анодом 1 (A1) и анодом 2 (A2) соответственно.

Относительная чувствительность зависит от физической структуры конкретного симистора, но, как правило, квадрант I является наиболее чувствительным (требуется наименьший ток затвора), а квадрант 4 наименее чувствителен (требуется наибольший ток затвора).

В квадрантах 1 и 2 MT2 положительный, и ток течет от MT2 к MT1 через слои P, N, P и N. Область N, прикрепленная к MT2, не участвует существенно. В квадрантах 3 и 4 значение MT2 отрицательное, и ток течет от MT1 к MT2, а также через слои P, N, P и N. Область N, подключенная к MT2, активна, но область N, подключенная к MT1, участвует только в начальном запуске, а не в потоке объемного тока.

В большинстве приложений ток затвора исходит от MT2, поэтому квадранты 1 и 3 являются единственными рабочими режимами (и затвор, и MT2 положительный или отрицательный по отношению к MT1). Другие приложения с запуском по одной полярности от ИС или цифровой схемы управления работают в квадрантах 2 и 3, при этом MT1 обычно подключается к положительному напряжению (например, + 5 В), а затвор опускается до 0 В (земля).

Квадрант 1

Работа в квадранте 1 происходит, когда вентиль и MT2 положительны по отношению к MT1. ^{фигура 1}

Механизм показан на рисунке 3. Ток затвора включает эквивалентный транзистор NPN, который, в свою очередь, потребляет ток от базы эквивалентного транзистора PNP, включая его. Часть тока затвора (пунктирная линия) теряется через омический путь через p-кремний, протекая непосредственно в MT1, не проходя через базу транзистора NPN. В этом случае инжекция дырок в p-кремний заставляет уложенные n, p и n слои под MT1 вести себя как NPN-транзистор, который включается из-за наличия тока в его базе. Это, в свою очередь, заставляет слои p, n и p на MT2 вести себя как PNP-транзистор, который включается, потому что его база n-типа становится смещенной в прямом направлении относительно его эмиттера (MT2). Таким образом, схема запуска такая же, как у SCR. Эквивалентная схема изображена на рисунке 4.

Однако структура отличается от SCR. В частности, у TRIAC всегда есть небольшой ток, протекающий непосредственно от затвора к MT1 через p-кремний, не проходя через pn переход между базой и эмиттером эквивалентного NPN-транзистора. Этот ток обозначен на Рисунке 3 пунктирной красной линией и является причиной того, почему TRIAC требует больше тока затвора для включения, чем тиристор с сопоставимым номиналом.

Как правило, этот квадрант самый чувствительный из четырех. Это связано с тем, что это единственный квадрант, в котором ток затвора вводится непосредственно в базу одного из транзисторов основного устройства.

Квадрант 2

Работа в квадранте 2 происходит, когда вентиль отрицательный, а MT2 положительный по отношению к MT1. ^{фигура 1}

На рисунке 5 показан процесс запуска. Включение устройства трехкратное и начинается, когда ток от МТ1 течет в затвор через pn переход под затвором. Это включает структуру, состоящую из транзистора NPN и транзистора PNP, затвор которого является катодом (включение этой структуры обозначено цифрой «1» на рисунке). По мере увеличения тока в затворе потенциал левой стороны p-кремния под затвором повышается в сторону MT1, поскольку разность потенциалов между затвором и MT2 имеет тенденцию к уменьшению: это устанавливает ток между левой и правой стороной. сторона p-кремния (обозначена цифрой 2 на рисунке), которая, в свою очередь, включает транзистор NPN под выводом MT1 и, как следствие, также транзистор pnp между MT2 и правой стороной верхнего кремния p-типа. Так,

Квадрант 3

Работа в квадранте 3 происходит, когда вентиль и MT2 отрицательны по отношению к MT1. ^{фигура 1}

Весь процесс показан на рисунке 6. Здесь также есть несколько этапов. На первом этапе pn-переход между выводом MT1 и затвором становится смещенным в прямом направлении (этап 1). Поскольку прямое смещение подразумевает инжекцию неосновных носителей в два слоя, соединяющих переход, электроны инжектируются в p-слой под затвором. Некоторые из этих электронов не рекомбинируют и уходят в нижележащую n-область (шаг 2). Это, в свою очередь, снижает потенциал n-области, действующей как база pnp-транзистора, который включается (включение транзистора без прямого понижения потенциала базы называется дистанционным управлением затвором.). Нижний p-слой работает как коллектор этого PNP-транзистора и имеет повышенное напряжение: этот p-слой также действует как база NPN-транзистора, состоящего из трех последних слоев, расположенных непосредственно над выводом MT2, который, в свою очередь, активируется. Таким образом, красная стрелка, помеченная цифрой «3» на рисунке 6, показывает конечный путь прохождения тока.

Квадрант 4

Работа в квадранте 4 происходит, когда вентиль положительный, а MT2 отрицательный по отношению к MT1. ^{фигура 1}

Запуск в этом квадранте аналогичен запуску в квадранте III. В процессе используется дистанционное управление затвором и показано на рисунке 7. Поскольку ток течет из p-слоя под затвором в n-слой под MT1, неосновные носители в виде свободных электронов вводятся в p-область, а некоторые из них собираются нижележащим np-переходом и переходят в прилегающую n-область без рекомбинации. Как и в случае запуска в квадранте III, это снижает потенциал n-слоя и включает PNP-транзистор, образованный n-слоем и двумя соседними p-слоями. Нижний p-слой работает как коллектор этого PNP-транзистора и имеет повышенное напряжение: этот p-слой также действует как база NPN-транзистора, состоящего из трех последних слоев, расположенных непосредственно над выводом MT2, который, в свою очередь, активируется. Следовательно,

Как правило, этот квадрант наименее чувствителен из четырех. Кроме того, некоторые модели TRIAC (логический уровень и демпферные типы) не могут срабатывать в этом квадранте, а только в трех других.

Проблемы

При использовании TRIAC в цепи необходимо знать некоторые ограничения. В этом разделе кратко излагаются некоторые из них.

Применение Симистора

Широкое применение, т.к. обладает двумя устойчивыми состояниями включен выключен и время включения и выключения меньше чем у диодов. Используют в устройствах регулирования мощности в бытовых приборах в регулируемых источниках питания, генераторах мощных импульсов, в линиях передачи электрической энергии постоянного тока, в статических компараторах реактивной мощности и т.д. то есть это управление силовой частью,к примеру используется в регулировке оборотов двигателя. Но это все зависит от области применения и мощности нагрузки.

Применение в схеме управления мощностью пылесоса

принципиальная схему на пылесос PHILIPS

Вау!! 😲 Ты еще не читал? Это зря!

• тиристоры , динисторы , тиристор , тиристоров ,
• диак , diac , diode for alternating current , sidac ,
• классификация транзисторов , биполярные транзисторы , биполярный транзистор , полупроводниковые триоды ,

Статью про симистор я написал специально для тебя. Если ты хотел бы внести свой вклад в развитие теории и практики, ты можешь написать коммент или статью отправив на мою почту в разделе контакты. Этим ты поможешь другим читателям, ведь ты хочешь это сделать? Надеюсь, что теперь ты понял что такое симистор и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Электроника, Микроэлектроника , Элементная база