Симистор: принцип действия, характеристики и область применения

Симистор – это полупроводниковый коммутатор и регулятор, который применяется для управления устройствами, питающимися переменным током. Его отличительная особенность – двунаправленная проводимость (отсюда и название, которое расшифровывается как "симметричный тиристор"). В западной литературе более популярен термин триак (TRIAC).

Принцип действия

До изобретения триака для управления мощными двигателями в электротранспорте и на производствах использовались тиристоры, но их серьезным ограничением была односторонняя проводимость. Симистор позволил решить данную проблему, обеспечив полноценное управление приборами, работающими в сетях с переменным напряжением.
схема на двух тиристорах

рис 1. Эквивалентная схема и графическое изображение триака

Такая замена не будет полностью эквивалентной, поскольку управление симистором несколько отличается от управления запараллеленными тиристорами.

Поскольку управляемые выводы симистора не имеют полярности, их считают эквивалентными, обозначая сокращениями T1 и T2 (иногда также используются обозначения TE1 и TE2 или A1 и A2). Для обозначения вывода управления традиционно используется буква G (Gate).

Симистор – это отдельный тип тиристора с усложненной структурой. Таковым он считается практически во всём мире (но из-за некоторой путаницы с патентами его иногда считают также самостоятельным прибором).
Если посмотреть на структурную схему прибора, можно выделить в ней два тиристора, представленных полупроводниковыми структурами p1-n2-p2-n3 и p2-n2-p1-n1.
структурная схема симистора

рис.2 Полупроводниковая структура симистора

Перечисленные выше структуры представляют собой два тиристора во встречно-параллельном включении, а слой n4 позволяет управлять обоими устройствами.

ВАХ прибора выглядит так:

ВАХ симистора
рис.3 Вольт-амперная характеристика симистора

Метки на графике расшифровываются следующим образом:

  • A – закрытое состояние;
  • B – открытое состояние;
  • UDRM и URRM – максимальные значения напряжений;
  • IDRM и IRRM – ограничения по току;
  • IH – ток удержания.

Преимущества и недостатки симисторов

Триак применяется для управления различными электроприборами в разных сферах деятельности. У него есть как сильные стороны, делающие его предпочтительным в определенных ситуациях, так и слабые, ограничивающие его применение в некоторых условиях.

Сильные стороны симистора:

  • низкая цена;
  • отсутствие механических элементов;
  • продолжительный срок службы.

Слабые стороны:

  • невысокая скорость переключения состояний;
  • чувствительность к помехам;
  • высокое тепловыделение.
Тепловыделение достигает порядка 1 ватт на каждый ампер пропускаемого тока. Поэтому в относительно мощных цепях симистор необходимо охлаждать. Чтобы обеспечить хороший теплоотвод, мощные триаки оснащаются специальной резьбой.
Симистор с креплением под радиатор
рис.4 Симистор с возможностью крепления на радиатор

Чувствительность симистора к помехам проявляется в том, что случайный импульс способен спровоцировать самопроизвольное включение устройства. Высокочастотный сигнал может вызвать аналогичный эффект. Для снижения чувствительности триак шунтируется RC-цепью, гасящей импульсы.

Защита симистора от помех
рис.5 Использование RC-цепочки в качестве шунта для симистора

Также рекомендуется не использовать длинный провод для линии управления, поскольку он может играть роль антенны для помех. Поскольку во многих устройствах управляющий провод требуется делать очень длинным, часто используется экранирование.

Сферы применения симисторов

Триак разрабатывался в середине XX века. Это был период бурного роста промышленности во всём мире, поэтому требовались средства для управления мощными электродвигателями на заводах, а также в электротранспорте. Использовавшиеся тогда электромеханические реле и переключатели обладали невысокой долговечностью, поскольку при коммутации больших токов их контакты быстро обгорали.

Промышленности был необходим прибор, который не содержал бы механических частей. Изначально таковым прибором стал тиристор, а позже – симистор. Помимо неограниченного числа циклов включения-выключения симистор обеспечил возможность плавно регулировать мощность.

Постепенно полупроводниковые устройства совершенствовались, становились компактнее, и сегодня симисторы активно применяются в быту. С их помощью можно регулировать мощность практически любого бытового устройства. Чаще всего триаки применяются для управления такими приборами как:

  • выключатели с диммером для освещения;
  • пылесосы с регулируемой мощностью;
  • вентиляторы и вытяжки;
  • пуско-зарядные устройства;
  • регулируемые нагревательные приборы (духовки, плиты);
  • перфораторы, шуруповёрты и прочее.
Отметим, что упомянутые выключатели с диммером не подходят для светодиодных лампочек и "экономок", содержащих встроенные контроллеры мощности.

Проверка работоспособности симистора

Обратите внимание, что многие методики проверки, встречающиеся в интернете, ошибочны. Первое, что следует уяснить – полноценно проверить симистор современным цифровым мультиметром нельзя. Выдаваемого тестером тока недостаточно для открытия триака. Выявить "пробитые" переходы получится, но работоспособность установить не удастся.

Есть шанс успешно проверить триак при помощи стрелочного тестера. Способ нельзя считать надежным, но уметь применять желательно.

Он включает следующие шаги:
  1. Выставляем на измерительном приборе кратность 1X.
  2. Прикасаемся щупами к ножкам T1 и T2.
  3. У исправного прибора сопротивление должно быть бесконечным.
  4. Не отключая щупы от прибора, при помощи пинцета замыкаем ножки T2 и G, после чего отпускаем.
  5. У исправного прибора сопротивление должно снизиться до нескольких десятков Ом.
  6. Меняем местами щупы на T1 и T2, после чего повторяем измерения.

Данный способ позволяет проверить деталь, не выпаивая её из схемы. Достаточно отключить управляющий вывод (например, выпаяв резистор, через который он подключен).

Обратите внимание, что не каждый стрелочный омметр откроет триак. Поэтому единственный вариант достаточно надежной проверки симисторов – использовать специализированный прибор.

Рассмотрим две схемы. Первая подключается к сети, вторая работает от батарейки или аккумулятора и является более универсальной.
Схема простого тестера для симисторов
рис.6 Простой прибор для проверки симисторов

Элементы и номиналы:
  • трансформатор – любой сдвоенный на напряжение 12 вольт (либо два отдельных трансформатора, если сдвоенного не нашлось);
  • диоды – любые подходящие (1N4007 или мосты КЦ405);
  • C1 и C2 – 1000 мкФ x 16 В;
  • HL – любая лампочка на 12 В;
  • кнопки и переключатели – любые подходящие.

Алгоритм проверки симистора с применением данного прибора включает следующие шаги:

  1. Выставляем оба переключателя в исходное положение (как на схеме), подключаем тестер и устанавливаем в него триак.
  2. Кратковременно нажимаем кнопку SB1. Исправный симистор должен открыться и зажечь лампочку HL.
  3. Нажимаем SB2. Симистор закроется, лампочка погаснет.
  4. Переключаем полярность управляющего сигнала при помощи переключателя SA1.
  5. Повторяем проверку нажатиями кнопок SB1 и SB2.
  6. Меняем полярность на коммутируемых выводах переключателем SA2.
  7. Повторяем все указанные выше тесты (для двух положений переключателя SA1).

Следующая схема является автономной и несколько более универсальной.
shema-proverki-tiristorov-i-simistorov-7jpg.jpg

рис.7 Прибор для тестирования симисторов и тиристоров

Элементы и номиналы:
  • VD1, VD2, VD5, VD6 – диоды 2N4148;
  • VD2, VD3 – светодиоды АЛ307;
  • C1, C2 – 100 мкФ x 10 В;
  • R1, R2, R4 – 470 Ом;
  • R3, R5 – 1 кОм;
  • батарейка или аккумулятор на 9 В;
  • S3 – спаренный трехпозиционный переключатель.

Алгоритм тестирования с применением данного устройства выглядит следующим образом:

  1. Переводим спаренный переключатель S3 в первое положение.
  2. Нажимаем S2. Индикатор должен загореться.
  3. Меняем положение S3 на противоположное.
  4. Нажатие на S2 в этом положении не должно зажигать индикатор.

Схема для регулирования мощности паяльника

Паяльник с регулируемой мощностью – полезный инструмент. Собрать устройство для регулирования можно самостоятельно, спаяв несложную схему на тиристоре. При этом включить в неё можно будет любой паяльник. Первая схема простая, в ней для управления симистором используется динистор.
Схема простого тестера для симисторов
рис.8 Простой регулятор для паяльника на симисторе и динисторе
 
Характеристики элементов:VS1 – тиристор ВТА41-600;
  • VD1 – динистор DB3;
  • C1 – 0,1 мкФ x 400 В;
  • C2 и C3 – по 0,05 мкФ;
  • R1 – 100 Ом;
  • R2 – 3,3 кОм;
  • R3 – 20 кОм;
  • R4 – 1 МОм.

RC-цепочка на C1 и R1 не обязательна, поскольку паяльник не создаёт значимой индуктивной нагрузки. Но на схеме она присутствует на случай, если будет использоваться паяльник или другое устройство с трансформатором. В настройке схема не нуждается, при условии правильно сборки работает сразу.

В следующей схеме применен популярный фазовый регулятор КР1182 ПМ1. Главная особенность схемы – наличие дежурного режима. Будучи положенным на подставку, паяльник охлаждается, чтобы жало не обгорало. Но остывает он не полностью, благодаря чему быстро разогревается до необходимой температуры, как только его снимают с подставки.
Схема управления мощностями на базе фазового регулятора
рис.9 Схема управления паяльником с дежурным режимом

Характеристики элементов:
  • VS1 – симистор ВТ136 с максимальным импульсным напряжением 600 В;
  • R1 – 680 Ом;
  • R2 и R3 – номинал подбирается при первичной настройке паяльника (ориентировочно – 1,4 и 1,2 кОм);
  • R4 и R5 – спаренный переменный резистор на 20 кОм;
  • C1 и C2 – 1 мкФ x 16 В;
  • DA1 – КР1182 ПМ1.

Первичная настройка проводится следующим образом:

  1. Подбором номинала R2 устанавливается минимальная рабочая температура жала (ориентировочное значение – 1,4 кОм).
  2. Подбором R3 устанавливается температура жала в дежурном режиме (ориентировочное значение – 1,2 кОм).