Чтобы управлять включением и отключением мощных нагрузок в цепях переменного тока используются электромеханические реле различных конструкций (включая контакторы, пускатели и т.п.). Этот способ имеет недостатки, связанные с наличием механических контактов – они могут обгорать, привариваться и т.п. Удобнее использовать бесконтактную коммутацию с помощью электронных ключей.
Для чего нужен симистор, где применяется
Часто вместо реле в силовой электронике применяют бесконтактные силовые элементы — тринисторы. Упрощенно говоря, они представляют собой управляемый диод – в обычном состоянии тиристор закрыт (если не рассматривать область возникновения динисторного эффекта), при подаче токового сигнала в управляющий электрод тринистор открывается. Закрывается электронный ключ при прекращении тока через главную цепь (катод-анод) ниже установленного уровня. Это достигается снижением напряжения между выводами главной цепи (катодом и анодом) или подачей напряжения обратной полярности.
Следовательно, в цепях переменного или пульсирующего напряжения ключевой элемент закрывается каждый раз при переходе напряжения через ноль. Далее его надо открывать снова.
Недостатком такого ключа является его односторонняя проводимость. Чтобы запитать нагрузку, требующую переменного тока, приходится усложнять схему, добавляя другие элементы – например, устанавливая два тиристора встречно-параллельно или вводя в силовую цепь диодный мост.
Соответственно, усложняется схема управления. А можно пойти другим путем – использовать симистор (симметричный тиристор), в зарубежной технической литературе – Triac (триак)). Он тоже управляется внешним сигналом, а его ключевое отличие от тринистора – способность пропускать ток как в одном, так и в другом направлении.
Принцип работы и конструкция
Конструктивно симистор представляет собой сложную структуру из полупроводниковых материалов p- и n-типов. Так как силовая цепь этого прибора имеет двустороннюю проводимость, то называть противоположные выводы катодом и анодом некорректно. При этом структура электронного ключа несимметрична и выводы в общем случае неравноценны. Для анализа устройства и работы симистора применяют термины:
- условный анод (А2, МТ2);
- условный катод (А1,МТ1).
Характеристики и ключевые особенности
При рассмотрении вольт-амперной характеристики симистора следует понимать, что этот прибор в первую очередь — разновидность тиристора. По этой причине на его ВАХ есть области, в которых наблюдается динисторный эффект – при повышении напряжения между анодом и катодом выше определенного уровня силовой ключ открывается даже без управляющего сигнала.
В большинстве случаев динисторный эффект не используется, и даже вреден – ключ становится неуправляемым. При выборе режима работы ключа надо избегать работы прибора в этих областях ВАХ.
Открыть симистор можно подачей тока в управляющий электрод. Такой ток можно создать, приложив напряжение между управляющим электродом и выводом МТ2. Напряжение должно быть либо отрицательным, либо совпадающим по знаку с напряжением, приложенным между условными анодом и катодом.
Чем выше ток, тем раньше (при меньшем напряжении катод-анод) откроется прибор (штриховые красные линии на ВАХ). При пороговом уровне управляющего тока симистор открывается вне зависимости от напряжения, приложенного к главной цепи и его поведение не отличается от поведения обычного диода. Этот пороговый ток называется отпирающим током.
Следовательно, тиристор можно открыть четырьмя различными способами:
- Напряжение на МТ2 положительно относительно МТ1. Напряжение на управляющем электроде положительно по отношению к МТ1, ток управления «втекает» в УЭ.
- Напряжение на МТ2 положительно по отношению к МТ1. Напряжение на управляющем электроде отрицательно относительно МТ1, ток управления «вытекает» из УЭ.
- Напряжение на МТ2 отрицательно относительно МТ1. Напряжение на управляющем электроде положительно по отношению к МТ1, ток управления «втекает» в УЭ.
- Напряжение на МТ2 отрицательно относительно МТ1. Напряжение на управляющем электроде отрицательно по отношению к МТ1, ток управления «вытекает» из УЭ.
Закрывается же симистор при падении тока по цепи МТ1-МТ2 до уровня ниже значения тока удержания (независимо от направления тока). Поэтому проблему составляет применение триаков в цепях постоянного тока. Включить ключ в таких условиях легко, а для того, чтобы выключить, придется принимать специальные меры. Закрыть симистор, подобно тиристору, подачей обратного напряжения, тоже не получится из-за двусторонней проводимости.
Маркировка и обозначение на схеме
Условно-графическое обозначение симистора на схеме состоит из двух встречно-параллельно направленных диодов, что символизирует двустороннюю проводимость прибора. Управляющий электрод (в зарубежной технической литературе Gate, поэтому его часто называют затвором и обозначают индексом G) изображается со стороны МТ1.
Буквенный индекс триака – VS. Если на схеме содержится несколько симисторов, к обозначению каждого добавляется порядковый номер – VS1, VS2, VS3 и т.д.
Отечественные тиристоры могут иметь маркировку КУ (подобную тринисторам). Так обозначаются триаки КУ208, КУ614 и т.п. Чтобы однозначно определить тип прибора, придется заглянуть в справочник. Существует иной вариант обозначения – ТС (тиристор симметричный). Существуют приборы ТС-106, ТС-122, ТС-112, ТС-132 и другие.
Многие импортные симисторы могут маркироваться буквами BT, а также BTA или BTB. В полную маркировку может входить максимальное напряжение, на которое рассчитан прибор. Так, прибор BT137-600 может эксплуатироваться при напряжении 600 вольт, а BT131-800 – на 800.
Чтобы узнать остальные параметры конкретного триака, надо использовать справочник по полупроводниковым приборам.
Пример включения симистора
Самый простой пример включения симистора – в качестве выключателя на два положения – «включено-выключено». При замыкании кнопки на управляющий переход подается напряжение, ток через резистор R открывает ключевой элемент. Нагрузка запитывается (если это лампочка, она начинает гореть). При размыкании кнопки при первом же переходе переменного напряжения через ноль, лампа гаснет.
Можно, конечно, в этом случае обойтись совсем без симистора, коммутируя нагрузку выключателем. Но его контакты должны быть рассчитаны на полный ток нагрузки, а если применить симистор – то лишь на гораздо меньший ток открывания триака.
Более известна схема фазоимпульсного управления нагрузкой на базе триака. Напряжение (и ток) на управляющем электроде растут со скоростью, задаваемой потенциометром VR1 и конденсатором С1. Регулируя сопротивление, можно «отодвигать» момент открывания после перехода синусоиды через ноль. При следующем переходе симистор закроется. Так можно изменять среднее время нахождения нагрузки под напряжением. При этом может изменяться яркость свечения лампочки, частота вращения электродвигателя и т.п.
В видео рассмотрено подключение и управление нагрузкой с помощью симистора BT136
Проверка симистора
С помощью мультиметра достоверно проверить симистор не получится. Для открывания ключа потребуется ток в несколько десятков миллиампер, который тестер вряд ли выдаст в режиме измерения сопротивления. Можно лишь прозвонить главную цепь (между условными анодом и катодом) на «спекание». Мультиметр должен показать бесконечное сопротивление, но это может означать как исправное состояние в запертом режиме, так и обрыв (выгорание) силового тракта. Такая проверка не может считаться полноценной.
Придется собирать небольшую цепь. В качестве нагрузки можно использовать лампочку (лучше накаливания) на 220 вольт. Если симистор не рассчитан на такое сетевое напряжение, придется подключить схему через понижающий трансформатор или ЛАТР, и выбрать лампочку так, чтобы она светилась при пониженном напряжении хотя бы в половину накала. При нажатии на кнопку через резистор пойдет ток на управляющий электрод, и полупроводниковый ключ откроется. Лампочка вспыхнет. При отпускании кнопки лампа погаснет (на практике – мгновенно, на самом деле – при ближайшем переходе переменного напряжения через ноль, а это произойдет не позднее, чем через 0,02 секунды). Можно подавать в схему и постоянное напряжение, но симистор не закроется при отпускании кнопки, и лампа будет гореть до снятия напряжения.
Сборка схемы требует времени и навыков, но лишь так можно достоверно проверить триак на исправность.
Разобравшись с принципом работы симистора, можно применять его и в других схемах. Все ограничено только инженерной фантазией.
