Симистор: принцип роботи, застосування, пристрій і управління ними

Відео: Управління навантаженням за допомогою реле і симистора

Зі статті ви дізнаєтеся про те, що таке симистор, принцип роботи цього приладу, а також особливості його застосування. Але для початку варто згадати про те, що симистор - це те ж, що і тиристор (тільки симетричний). Отже, не обійтися в статті без опису принципу функціонування тиристорів і їх особливостей. Без знання основ не вийде спроектувати і побудувати навіть найпростішу схему управління.

тиристори

Тиристор є переключающим напівпровідникових приладом, який здатний пропускати струм тільки в одному напрямку. Його нерідко називають вентилем і проводять аналогії між ним і керованим діодом. У тиристорів є три висновки, причому один - це електрод управління. Це, якщо висловитися грубо, кнопка, за допомогою якої відбувається перемикання елемента в проводить режим. У статті буде розглянуто окремий випадок тиристора - симистор - пристрій і робота його в різних ланцюгах.

Тиристор - це ще випрямляч, вимикач і навіть підсилювач сигналу. Нерідко його використовують в якості регулятора (але тільки в тому випадку, коли вся схема живлення живиться від джерела змінної напруги). У всіх тиристорів є деякі особливості, про які потрібно поговорити більш детально.

властивості тиристорів

Серед величезної кількості характеристик цього напівпровідникового елемента можна виділити найістотніші:

1. Тиристори, подібно диодам, здатні проводити електричний струм тільки в одному напрямку. У цьому випадку вони працюють в схемі, як випрямний діод.
2. З відключеного у включений стан тиристор можна перевести, подавши на керуючий електрод сигнал з певною формою. Звідси висновок - у тиристора як у вимикача є два стани (причому обидва стійкі). Таким же чином може функціонувати і симистор. Принцип роботи ключа електронного типу на його основі досить простий. Але для того щоб зробити повернення в вихідне розімкнутий стан, необхідно, щоб виконувалися певні умови.
3. Струм сигналу управління, який необхідний для переходу кристала тиристора із замкненого режиму у відкритий, набагато менше, ніж робочий (буквально вимірюється в міліампер). Це означає, що у тиристора є властивості підсилювача струму.
4. Існує можливість точного регулювання середнього струму, що протікає через підключене навантаження, за умови, що навантаження включена з тиристором послідовно. Точність регулювання безпосередньо залежить від того, яка тривалість сигналу на електроді управління. В цьому випадку тиристор виступає в якості регулятора потужності.

Тиристор і його структура

Тиристор - це напівпровідниковий елемент, який має функції управління. Кристал складається з чотирьох шарів р і п типу, які чергуються. Так само точно побудований і симистор. Принцип роботи, застосування, структура цього елемента і обмеження у використанні розглянуті детально в статті.

Описану структуру ще називають чотиришаровій. Крайню область р-структури з підключеним до неї позитивної полярності виводом джерела живлення, називають анодом. Отже, друга область п (теж крайня) - це катод. До неї докладено негативне напруга джерела живлення.

Якими властивостями володіє тиристор

Якщо провести повний аналіз структури тиристора, то можна знайти в ній три переходи (електронно-доручених). Отже, можна скласти еквівалентну схему на напівпровідникових транзисторах (полярних, біполярних, польових) і діодах, яка дозволить зрозуміти, як поводиться тиристор при відключенні харчування електрода управління.

У тому випадку, коли щодо катода анод позитивний, діод закривається, і, отже, тиристор теж поводиться аналогічно. У разі зміни полярності обидва діода зміщуються, тиристор також закривається. Аналогічним чином функціонує і симистор.

Принцип роботи на пальцях, звичайно, пояснити не дуже просто, але ми спробуємо зробити це далі.

Як працює відмикання тиристора

Для розуміння принципу роботи тиристора потрібно звернути увагу на еквівалентну схему. Вона може бути складена з двох напівпровідникових тріодів (транзисторів). Ось на ній і зручно розглянути процес відмикання тиристорів. Здається деякий струм, який протікає через електрод управління тиристора. При цьому струм має зміщення прямої спрямованості. Цей струм вважається базовим для транзистора зі структурою п-р-п.

Відео: Тиристор замість електромагнітного реле. ...

Тому в колекторі струм у нього буде більше в кілька разів (необхідно значення струму управління помножити на коефіцієнт посилення транзистора). Далі можна бачити, що це значення струму базове для другого транзистора зі структурою провідності р-п-р, і він відмикається. При цьому колекторний струм другого транзистора буде дорівнює добутку коефіцієнтів посилення обох транзисторів і спочатку заданого струму управління. Сімістори (принцип роботи і управління ними розглянуті в статті) мають аналогічними властивостями.

Далі цей струм необхідно підсумовувати з раніше заданим струмом ланцюга управління. І вийде саме те значення, яке необхідно, щоб підтримувати перший транзистор в відімкненим стані. У тому випадку, коли струм управління дуже великий, два транзистора одночасно насичуються. Внутрішня ОС продовжує зберігати свою провідність навіть тоді, коли зникає початковий струм на керуючому електроді. Одночасно з цим на аноді тиристора виявляється досить високе значення струму.

Як відключити тиристор

Перехід в замкнений стан тиристора можливий в тому випадку, якщо до електрода управління відкритого елемента не прикладається сигнал. При цьому струм спадає до певної величини, яка називається гіпостатіческой струмом (або струмом утримання).

Тиристор відключиться і в тому випадку, якщо станеться розмикання в ланцюзі навантаження. Або коли напруга, яке прикладається на ланцюгу (зовнішньої), змінює свій полярність. Це відбувається під кінець кожного напівперіоду в разі, коли харчується схема від джерела змінного струму.

Коли тиристор працює в ланцюзі постійного струму, замикання можна здійснити за допомогою простого вимикача або кнопки механічного типу. Він з`єднується з навантаженням послідовно і застосовується для знеструмлення ланцюга. Аналогічний і принцип роботи регулятора потужності на сімісторов, правда, є в схемі деякі особливості.

Способи відключення тиристорів

Але можна вимикач з`єднати паралельно, тоді з його допомогою відбувається шунтування струму анода, і тиристор переводиться в замкнений стан. Деякі види тиристорів можуть включатися повторно, якщо розімкнути контакти вимикача. Пояснити це можна тим, що під час розмикання контактів паразитні ємності переходів тиристора накопичують заряд, створюючи тим самим перешкоди.

Тому бажано мати у своєму розпорядженні вимикач так, щоб він знаходився між катодом і електродом управління. Це дозволить гарантувати, що тиристор вимикається нормально, а що утримує струм відсічеться. Іноді для зручності і підвищення швидкодії і надійності застосовують замість механічного ключа допоміжний тиристор. Варто відзначити, що робота симистора багато в чому схожа з функціонуванням тиристорів.

сімістори

А тепер ближче до теми статті - потрібно розглянути окремий випадок тиристора - симистор. Принцип роботи його схожий з тим, що було розглянуто раніше. Але є деякі відмінності і характерні особливості. Тому потрібно поговорити про нього детальніше. Симистор являє собою прилад, в основі якого знаходиться кристал напівпровідника. Дуже часто використовується в системах, які працюють на змінному струмі.

Найпростіше визначення цього приладу - вимикач, але керований. У закритому стані він працює точно так само, як і вимикач з роз`єднаними контактами. При подачі сигналу на електрод управління симистора відбувається перехід приладу у відкритий стан (режим провідності). При роботі в такому режимі можна провести паралель з вимикачем, у якого контакти замкнуті.

Коли сигнал в ланцюзі управління відсутня, в будь-який з напівперіодів (при роботі в ланцюгах змінного струму) відбувається перехід симистора з режиму відкритого в закритий. Сімістори широко використовуються в режимі релейному (наприклад, в конструкціях світлочутливих вимикачів або термостатів). Але вони ж нерідко застосовуються і в системах регулювання, які функціонують за принципами фазового управління напруги на навантаженні (є плавними регуляторами).

Структура і принцип роботи сімістора

Симистор - це не що інше, як симетричний тиристор. Отже, виходячи з назви, можна зробити висновок - його легко замінити двома тиристорами, які включаються зустрічно-паралельно. У будь-якому напрямку він здатний пропустити струм. У симистора є три основні висновки - керуючий, для подачі сигналів, і основні (анод, катод), щоб він міг пропускати робочі струми.

Симистор (принцип роботи для "чайників" цього напівпровідникового елемента надано вашій увазі) відкривається, коли на керуючий висновок подається мінімальну необхідну значення струму. Або в тому випадку, коли між двома іншими електродами різниця потенціалів вище гранично допустимого значення.

У більшості випадків перевищення напруги призводить до того, що симистор мимовільно спрацьовує при максимальній амплітуді напруги живлення. Перехід в замкнений стан відбувається в разі зміни полярності або при зменшенні робочого струму до рівня нижче, ніж струм утримання.

Як відмикається симистор

Відео: Як працює симистор

При харчуванні від мережі змінного струму відбувається зміна режимів роботи за рахунок зміни полярності у напруги на робочих електродах. З цієї причини в залежності від того, яка полярність у струму управління, можна виділити 4 типи проведення цієї процедури.

Припустимо, між робочими електродами докладено напруга. А на електроді управління напруга по знаку протилежно тому, яке докладено до ланцюга анода. В цьому випадку зміститься по квадранту симистор - принцип роботи, як можна побачити, досить простий.

Існує 4 квадранта, і для кожного з них визначено ток відмикання, що утримує, включення. Отпирающий ток необхідно зберігати до того часу, поки не перевищить в кілька разів (в 2-3) він значення утримує струму. Саме це і є струм включення симистора - мінімально необхідний струм відмикання. Якщо ж позбутися від струму в ланцюзі управління, симистор буде перебувати в провідному стані. Причому він в такому режимі буде працювати до того часу, поки струм в ланцюзі анода більше струму утримання.

Які накладаються обмеження при використанні сімісторов

Його складно використовувати, коли навантаження індуктивного типу. Швидкість зміни напруги і струму обмежується. Коли симистор переходить із замкненого режиму у відкритий, у зовнішній ланцюга виникає значний струм. Напруга не падає раптово на силових висновках симистора. А потужність буде миттєво розвиватися і досягає досить великих величин. Та енергія, яка розсіюється, за рахунок малого простору різко підвищує температуру напівпровідника.

У разі перевищення критичного значення відбувається руйнування кристала, зважаючи на надмірно швидкого наростання сили струму. Якщо до сімісторов, який знаходиться в замкненому стані, докласти деяке напруження і різко його збільшити, то станеться відкриття каналу (при відсутності сигналу в ланцюзі управління). Таке явище можна спостерігати через те, що відбувається накопичення заряду внутрішньої паразитного ємністю напівпровідника. Причому струм заряду має достатнє значення, щоб відімкнути симистор.