Чем отличается симистор от тиристора

Содержание

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.

Описание принципа работы и устройства

Основное отличие этих элементов от тиристоров заключается в двунаправленной проводимости электротока. По сути это два тринистора с общим управлением, включенных встречно-параллельно (см. А на рис. 1) .

Это и дало название полупроводниковому прибору, как производную от словосочетания «симметричные тиристоры» и отразилось на его УГО. Обратим внимание на обозначения выводов, поскольку ток может проводиться в оба направления, обозначение силовых выводов как Анод и Катод не имеет смысла, потому их принято обозначать, как «Т1» и «Т2» (возможны варианты ТЕ1 и ТЕ2 или А1 и А2). Управляющий электрод, как правило, обозначается «G» (от английского gate).

Теперь рассмотрим структуру полупроводника (см. рис. 2.) Как видно из схемы, в устройстве имеется пять переходов, что позволяет организовать две структуры: р1-n2-p2-n3 и р2-n2-p1-n1, которые, по сути, являются двумя встречными тринисторами, подключенными параллельно.

Когда на силовом выводе Т1 образуется отрицательная полярность, начинается проявление тринисторного эффекта в р2-n2-p1-n1, а при ее смене — р1-n2-p2-n3.

Заканчивая раздел о принципе работы приведем ВАХ и основные характеристики прибора.

Обозначение:

А – закрытое состояние.
В – открытое состояние.
UDRM (UПР) – максимально допустимый уровень напряжения при прямом включении.
URRM (UОБ) – максимальный уровень обратного напряжения.
IDRM (IПР) – допустимый уровень тока прямого включения
IRRM (IОБ) — допустимый уровень тока обратного включения.
IН (IУД) – значения тока удержания.

Чем СИМИСТОР отличается от ТИРИСТОРА.В чем их отличия

Тиристорный стабилизатор напряжения

Характеризуется отличным быстродействием и высоким КПД, выдерживает большие токи и имеет достаточный запас по кратковременным перегрузкам. Наработка на отказ собственно самих тиристоров значительно превышает срок службы всего стабилизатора напряжения в целом.

Благодаря микропроцессорному управления и отработанным алгоритмам, тиристорный стабилизатор напряжения совершенно не искажает выходное напряжение, т.к. все переключения происходят только при прохождении синусоиды через «ноль». Он отличается низким уровнем собственного энергопотребления вследствие того, что нет никаких дополнительных внутренних потребителей в виде обмоток реле или серводвигателя.

Встречно-параллельное включение тиристоров

Тиристорный стабилизатор напряжения

Поэтому тиристорные стабилизаторы напряжения являются самым совершенным классом устройств стабилизации практически без каких либо недостатков и повсеместно применяются и в быту и на производстве.

Некоторые производители по-умолчанию проводят их климатическую обработку, чтобы обеспечить работоспособность при низких температурах (-40. -40°С) в неотапливаемых помещениях. При этом стоимость возрастает лишь на несколько процентов.

Симисторный стабилизатор напряжения

Симистор — это одна из разновидностей тиристора, и с точки зрения обычного пользователя симисторный стабилизатор напряжения полностью аналогичен тиристорному. Однако главным недостатком симистора является его низкая устойчивость к выбросам напряжения, например, при работе с индуктивной нагрузкой, и поэтому приходится предпринимать ряд дополнительных мер для обеспечения надёжности их работы.

Кроме вышесказанного в симисторных схемах управления при максимальных нагрузках необходимо тщательно контролировать и не допускать превышения тока и напряжение управляющего электрода, обеспечивать эффективное охлаждение корпуса прибора и учитывать рассеивание мощности.

Симисторный стабилизатор напряжения

Вследствие этих недостатков симисторные стабилизаторы напряжения ограничены в практическом применении, так как тиристорные более надёжны в работе и компактны в габаритах, например, один симистор занимает площадь 4-6 тиристоров.

Справедливости ради надо отметить, что для управления симистором требуется менее сложная электронная схема, чем для тиристора, но это преимущество блекнет в сравнении с основным недостатком.

Как устроен тиристор

У полупроводникового тиристора, состоящего из трёх p-n-переходов, имеется три контактных электрода: анод (А), катод (К) и управляющий электрод (У) — затвор. Четырёхслойный «сэндвич» состоит из чередующихся дырочных (p) и электронных (n) прослоек.

Тиристор работает подобно вентилю, пропускающему через себя ток исключительно в одном направлении от анода к катоду (фаза «открыто»). В этом случае анод подключается к плюсу, а катод — к минусу.

Ток через тиристор прекращает идти («фаза закрыто») когда:

Происходит отключение полезной нагрузки.
Величина рабочего тока становится меньше тока удержания IУ (минимальное значение тока, регистрируемое в фазе «открыто»).

Тиристор включается подачей на управляющий электрод импульсного сигнала небольшой величины. Таким образом, в состояние «открыто» устройство переходит с помощью активации напряжения на затворе, а в состояние «закрыто» при уменьшении рабочего тока ниже величины IУ.

Итак, тиристор представляет собой устройство, имеющее только два состояния: либо «открыто», либо «закрыто». Главная функция данного элемента — включение/выключение участков электроцепей, то есть, выполнение роли электронного ключа.

С помощью двух биполярных транзисторов можно реализовать аналогичное регулирующее устройство, но это более трудоёмкий и громоздкий вариант.

Устройство симистора

Симистор — сокращенное название полупроводникового элемента. Его полное название — симметричный триодный тиристор или на английском — symmetrical triod thyristor. Используется ещё одна аббревиатура на латинице — TRIAC (triod for alternating current), которая переводится как триод для переменного тока. По сути симистор является развитием идеи тиристора и используется также в качестве электронного ключа в цепях переменного напряжения. TRIAC способен пропускать электроток как в прямом, так и в обратном направлении.

На рисунке показана структура p-n-переходов, из которой следует, что благодаря наличию дополнительных p- и n-слоёв (не менее четырёх) в одном монокристалле сформировано два встречно-параллельных тиристора. Для основных, силовых электродов (МТ1 и МТ2, иногда обозначаются А1, А2) в данном случае названия анод-катод не подходят, так как и тот, и другой могут выступать в этой роли. Поэтому у симистора их называют «Вывод 1» и «Вывод 2». Есть также управляющий электрод G — затвор.

Симистор подключается последовательно с полезной нагрузкой. В состоянии «закрыто» ток отсутствует, нагрузка отключена. При подаче на затвор отпирающего электронапряжения (фаза «открыто») начинает течь электроток, нагрузка подключается. В состоянии «открыто» симистор пропускает ток в обоих направлениях. Он способен оставаться в таком состоянии до тех пор, пока рабочий электроток, проходящий через МТ1 и МТ2, не станет меньше тока удержания. Данным свойством обладает и тиристор, и симистор. В этом их схожесть. То есть, отключение нагрузки в цепи переменного электронапряжения будет происходить в том случае, когда электроток, протекающий через электроды, изменит своё направление (в моменты смены полярности электронапряжения).

Любой симистор можно заменить двумя тиристорами, установленными по схеме встречно-параллельного включения. Такой способ включения позволяет электротоку проходить в двух направлениях. Следовательно, нивелируется недостаток тиристоров, заключающийся в их способности работать лишь с половиной мощности, присутствующей в электроцепи.

Плюсы и минусы симисторных стабилизаторов

Для симисторных аппаратов характерны следующие преимущества:

хорошее быстродействие и достаточно точная коррекция;
высокая величина КПД;
малый уровень шума, что принципиально при использовании в закрытых помещениях, в которых часто находятся люди;
широкий допустимый интервал параметров сетевого тока на входе;
надежность, длительный рабочий период.

К минусам относят ступенчатую стабилизацию, форму напряжения, отличную от синусоидальной, большие габариты, меньшую стойкость к перегрузкам по току, более высокую степень нагрева по сравнению с тиристорными аналогами. Симисторные аппараты отличаются низкой стойкостью при индуктивных нагрузках.

Какой стабилизатор лучше выбрать – тиристорный/симисторный или электронно-релейный

Еще один тип электронных стабилизаторов – электронно-релейный. К таким аппаратам относятся модели серии «Каскад». При их создании использовались технологии, устраняющие недостатки тиристорных и симисторных аппаратов. Обмотки трансформатора в этих моделях переключают электронные ключи, состоящие из транзистора и реле. Они устойчивы к сетевым помехам и не провоцируют их появление.

Преимущества электронно-релейных стабилизирующих аппаратов по сравнению с тиристорными/симисторными:

Возможность работать с перегрузками до 1000 %, для тиристорных/симисторных моделей допустимый перегруз не превышает 40 %.
Синусоидальная форма напряжения на выходе.
Наличие оригинальной схемы коррекции параметров напряжения не в силовой, а во вторичной цепи исключает вероятность замыкания трансформаторных обмоток. В аппаратах с полупроводниковыми ключами такое замыкание может произойти при импульсных помехах и грозовых разрядах.

Стабилизаторы электронно-релейного типа относятся к наиболее надежным, поскольку они эффективно защищают промышленное оборудование, технику, инструменты от аварий в электросети, помех, грозовых разрядов, коротких замыканий. При включении электронно-релейные аппараты серии «Каскад» анализируют параметры сети и тестируют защитные системы.

Подводим итог

Сравнивая симисторные и тиристорные стабилизаторы напряжения между собой и с другими видами устройств, можно прийти к следующим выводам:

оба типа приборов имеют как схожие возможности по стабилизации напряжения, так и почти одинаковые недостатки, одним из которых является ступенчатая корректировка и, как следствие, несинусоидальная форма выходного сигнала;
данные стабилизаторы не справляются с защитой чувствительного к качеству сети оборудования, а также приборов с электродвигателями;
оба устройства по своим рабочим параметрам ненамного превосходят релейные стабилизаторы напряжения, но стоимость их гораздо выше;
при поломке тиристорных и симисторных устройств ремонт их электронных компонентов обойдется дороже, чем стабилизаторов напряжения предыдущих поколений, работающих по аналогичному принципу.

Инверторные стабилизаторы как альтернатива тиристорным и симисторным

Несмотря на то, что симисторные и тиристорные стабилизаторы пока пользуются достаточной популярностью, их постепенно, но уверенно вытесняет с рынка новый тип устройств – инверторные стабилизаторы напряжения. Данные устройства разработаны на заводе ГК «Штиль» в 2015 году и по праву считаются изделиями нового поколения.

Инверторные модели, в отличие от симисторных и тиристорных, функционируют совершенно по другому принципу. В схеме их работы отсутствует автотрансформатор и какие-либо коммутационные элементы. Коррекция напряжения выполняется за счет выпрямителя, конденсатора и инвертора. Сначала входное переменное напряжение трансформируется в постоянное, а затем снова в переменное, но уже имеющее эталонные характеристики. Благодаря технологии двойного преобразования данные устройства могут:

мгновенно срабатывать на сетевые отклонения в диапазоне 90-310 В;
стабилизировать напряжение с высокой точностью (2%);
подавать на нагрузку напряжение идеальной синусоидальной формы;
бесперебойно питать электроприборы при кратковременных пропаданиях сети (до 200 мс).

Высокие технические характеристики инверторных стабилизаторов позволяют их использовать для самых требовательных к качеству питания потребителей в сетях со значительными колебаниями напряжения.

В настоящее время российский производитель систем электропитания «Штиль» предлагает следующие модели инверторных стабилизаторов напряжения:

однофазные устройства настенной и напольной/стоечной установки с выходной мощностью 0,35-20 кВА;
модели конфигурации 3 в 1 напольной/стоечной установки с выходной мощностью 6-20 кВА, рассчитанные на работу в трехфазной сети для электропитания однофазной нагрузки;
трехфазные устройства напольной/стоечной установки с выходной мощностью 6-20 кВА.

Больше информации об инверторных стабилизаторах напряжения нового поколения можно узнать, перейдя по ссылке:
Инверторные стабилизаторы напряжения «Штиль». Модельный ряд.

Двухэлектродные тиристоры ( динисторы )

Динистором (или диодным тиристором) в электронике принято именовать неуправляемый тиристор, у которого наличествует только два выхода. Один из них называется анодом (это крайняя p -область), а второй – катодом (это крайняя n -область).

Двухэлектродный тиристор ( динистор )

В тех случаях, когда на анод динистора от источника напряжения подается «минус», а на катод, соответственно, «плюс», то через него протекает совсем небольшой обратный ток. Это происходит потому, что при таком подключении крайние p — n -переходы оказываются включенными не в прямом, а в обратном направлении.

Если полярность подключения внешнего источника изменяется на обратную, то в прямом направлении включаются переходы 1 и 3 , а переход 2 , расположенный между ними – в направлении обратном. Что касается такого показателя, как сопротивление между катодом динистора и его анодом, то оно при этом также достаточно велико. Это приводит к тому, что через прибор протекает ток I зкр , имеющий небольшое значение. Его измеряют при напряжении U пр.зкр.макс , то есть максимально допустимым тогда, когда тиристор находится в закрытом положении.

В тех случаях, когда происходит дальнейшее увеличение прямого напряжения, обратное напряжение, имеющееся на среднем p — n переходе, падает. Как следствие, растет проходящий через динистор прямой ток. Когда прямое напряжение достигает некоторого значения, называющегося напряжением включения ( U вкл ), происходит открытие среднего перехода. Вследствие этого сопротивление между катодом и анодом падает достаточно серьезно и составляет всего несколько десятых долей Ом. В таких случаях говорят, что динистор находится в открытом состоянии, и при этом падение напряжения на нем составляет только около 1 — 2 В. Следует заметить, что оно очень незначительно зависит от величины того тока, который протекает через этот полупроводниковый прибор. Чаще всего в справочниках указывается только то значение напряжения открытого динистора U откр , которое возникает тогда, когда через него протекает максимально допустимый постоянный ток I откр. макс. .

Для того чтобы привести динистор в открытое состояние требуется такое напряжение его включения, которое составляет несколько сотен вольт. До тех пор, пока через этот прибор протекает ток, величина которого не меньше, чем ток удержания I уд. , он находится в открытом состоянии. Чтобы перевести его в состояние закрытое, надо или произвести полное отключение, или хотя бы уменьшить напряжение внешнего источника до величины 1 В .

Трехэлектродные тиристоры ( тринисторы )

От динистра тринистор с точки зрения своей конструкции отличается только тем, что у него есть еще один, третий вывод, который выведен от одной из средних областей. Он является управляющим, и именно благодаря его наличию прибор можно открывать даже тогда, когда значение напряжения меньше, чем U вкл. и даже U пр.зкр.макс. . Чтобы это сделать, нужно всего лишь пропустить открывающий ток I у.от. через управляющий электрод. Чем большее значение этого тока, тем меньше величина напряжения U вкл. , при котором тринистор отпирается.

Трехэлектродный тиристор ( тринистор )

Если в качестве нагрузки в анодную цепь тринистора включено активное сопротивление (лампа накаливания, резистор, паяльник и т.п.), то следующий от анода к катоду основной ток растет очень быстро, практически мгновенно. Для того чтобы открыть тринистор, достаточно подать на управляющий электрод очень короткий импульс (несколько микросекунд). Стоит отметить, что положительный импульс подаётся если управляющий электрод присоединен к р -базе, а отрицательный импульс если соединение планируется с n -базой.

Чтобы перевести тринистор в закрытое состояние из состояния открытого, то нужно всего лишь значение основного тока сделать меньше, чем I уд. . Чаще всего в цепях, где протекает постоянный ток, это делается краткосрочным пропусканием через прибор обратного тока (его значение должно быть больше, чем значение тока основного). Чтобы это сделать, применяют специализированное коммутационное устройство.

Те тринисторы, которые функционируют в цепях переменного тока, автоматически запираются тогда, когда полуволна основного тока завершается. Именно этим объясняется то обстоятельство, что тринисторы весьма широко используются для того, чтобы управлять электродвигателями переменного тока, в импульсных схемах, инверторах, выпрямителях, различных устройствах автоматики и т.п.

Что касается значений напряжения и тока цепи управления, то они совсем невелики, а вот значение основного тока порой достигает сотен ампер, а основного напряжения – нескольких тысяч вольт. По этой причине у тринисторов такой показатель, как коэффициент усиления по мощности, может достигать 10 4 – 10 5 .

Назначение и устройство

Симисторы – это полупроводниковые полууправляемые ключи, которые открываются импульсом тока через управляющий электрод. Чтобы его закрыть нужно прервать ток в цепи или приложить обратное напряжение.

По принципу действия они подобны аналогичны тиристорам. Отличаются лишь тем, что симистор представляет собой два тиристора, соединённых встречно-параллельно. Обозначение на схеме вы видите ниже.

По определению они часто используются в релейном режиме – простыми словами работают на «включение» и «отключение», кстати такие реле называются полупроводниковыми.

Отличия от электромеханического следующие — быстродействие на порядки выше, нет контактов, в связи с чем большая долговечность. Главное условие долгой эксплуатации – обеспечить номинальный тепловой режим и нагрузку.

Способы проверки

Для диагностики неисправностей электронной схемы нужно последовательно проверять её элементы. В первую очередь уделяют внимание силовым цепям, а именно всем полупроводниковым ключам. Для их проверки можно воспользоваться одним из способов:

мультиметром (омметром или прозвонкой);
батарейкой со светодиодом или лампочкой;
на стенде.

Для диагностики следует выпаять элемент, потому что при проверке любых компонентов электронных схем на исправность, не выпаивая с платы, есть вероятность неправильных измерений. Например, вы обнаружите короткое замыкание не проверяемого элемента, а соединённых с ним в цепи параллельно.

В любом случае вы можете проверить симистор и тиристор на исправность не выпаивая, а если найдете возможную неисправность – выпаять и провести измерения повторно.

Типовое расположение выводов или как еще это называют — цоколевка, изображена на рисунке ниже. А1 и А2 (иногда T1, T2) – это силовые выводы, через них протекает больший ток в нагрузку, а G (gate) – это управляющий электрод. Цоколевка может отличаться, поэтому проверяйте её в даташите вашего симистора

В режиме проверки диодов на экран выводится падение напряжения между щупами в миливольтах. При этом на щупах тестера есть напряжение, которое обеспечивает протекание тока в измеряемой цепи (как и в режиме Омметра).

Для проверки элемента на пробой коснитесь щупами выводов А1 и А2, если элемент исправен, то на экране появится «1» или 0L, а если пробит – значение близкое к 0. Если между выводами А1 и А2 нет КЗ – проверьте управляющий электрод. Для этого нужно прикоснуться щупами к одному из силовых выводов и управляющему электроду, на экране должно быть низкое значение 80-200.

Чтобы проверить, открывается симистор или нет, можно кратковременно замкнуть его управляющий электрод с одним из выводов мультиметра, так вы подадите на него управляющее напряжение (ток). Алгоритм проверки на примере тиристора вы видите ниже.

После того как вы уберете напряжение с управляющего электрода – симистор может обратно закрыться. Это связано с тем, что через него должен протекать какой-то минимальный ток, для удержания проводящем состоянии. Такое же явление может наблюдаться и в следующих способах проверки.

Тоже самое можно сделать омметром: если элемент пробит – сопротивление будет низким, а если не пробит – будет стремиться к бесконечности.

Такой способ проверки подробно рассмотрен в следующем видео, но учтите, что автор допустил ошибку в формулировке, назвав падение напряжения сопротивлением. В остальном оно очень наглядно.

Если вместо светодиода использовать малогабаритную лампу накаливания от карманного фонаря, то резистор R1 нужно убрать из цепи, если использовать батарейку с малым напряжением — убрать резистор R2 или уменьшить его сопротивление. Использовать можно 3 включенных последовательно пальчиковых батарейки (3х1.5=4.5В) или вовсе — крону (9В). Если вы соберете переносной тестер по этой схеме, можете установить кнопку без фиксации с нормально-разомкнутыми контактами, как это показано на схеме.

Если вы не будете собирать такой прибор, то просто кратковременно касайтесь управляющего электрода проводом, как было показано в способе с мультиметром.

Стоит такое устройство порядка 4-10 долларов на Алиэкспресс в зависимости от комплекта поставки (с корпусом или без) и модели (даже самая дешевая – вполне функциональный инструмент домашнего мастера).

Для проверки исправности элемента вам нужно просто вставить его в клеммную колодку и нажать на единственную кнопку. Если компонент определился правильно – значит он исправен. Если вы видите, что на дисплее появилось изображение заведомо другой детали (резистор вместо тиристора, например) – значит он сгоревший

В сети есть масса схем небольших стендов или приборов для проверки симисторов. Их принцип работы ничем не отличается от описанных выше методов. Рассмотрим некоторые из них.

Для проверки симисторов на блоке управления в стиральной машины специалисты советуют использовать схему с лампочкой, не выпаивая деталь с платы.

Кстати, с заменой ключей в стиральной машине-автомат ремонтники сталкиваются довольно часто. В этом случае они отвечают за управление двигателем и регулировку оборотов, как и в пылесосе, а в электрочайнике – в цепи управления ТЭНом.

Еще одну схему проверочного стенда публиковали в одном из выпусков журнала «Радио» и подобную её с зарубежного форума. При проверке на стенде по такой схеме – вы можете проверить в обоих ли направлениях открывается симистор, для этого есть переключатели SA1, SA2 на первой схеме и S1 на второй.

Рекомендуем также посмотреть:

Мы рассмотрели основные способы для диагностики схем с тиристорами и симисторами. Они подходят для всех случаев, неважно где он был установлен в пылесосе, диммере, стиралке или другом приборе. Учтите, что при проверке ключ может самопроизвольно закрываться после снятия управляющего импульса – это связано с особенностью их внутреннего устройства и номинальных рабочих параметров.

Материалы по теме: