Сімістор: принцип роботи, застосування, пристрій і керування ними

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 сімістор – це те ж, що і тиристор (тільки симетричний). Отже, не обійтися в статті без опису принципу функціонування тиристорів та їх особливостей. Без знання основ не вийде спроектувати і побудувати навіть найпростішу схему управління.

Тиристори

Тиристор є перемикаючим напівпровідниковим 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 виводу, причому один – це електрод управління. Це, якщо сказати грубо, кнопка, за допомогою якої відбувається перемикання елемента 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 електросхема живиться від джерела змінної напруги). У всіх тиристорів є деякі особливості, про які варто поговорити більш детально.

Властивості тиристорів

Серед величезної безлічі характеристик цього напівпровідникового елемента можна виділити самі істотні:

Тиристори, подібно діоди, здатні проводити електричний струм тільки в одному напрямку. У цьому випадку вони працюють у схемі, як випрямний діод.

З відключеного під включене 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 у вихідне розімкнене стан, необхідно, щоб виконувалися певні умови.

Струм сигналу управління, який необхідний для переходу кристала тиристора із замкненого режиму у відкритий, набагато менше, ніж робітник (буквально вимірюється в миллиамперах). Це означає, що у тиристора є властивості підсилювача струму.

Існує можливість точного регулювання середнього струму, що протікає через підключену навантаження, за умови, що навантаження включена з тиристором послідовно. Точність регулювання напряму залежить від того, яка тривалість сигналу на електроді управління. У 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 побудований і симистор. Принцип роботи, застосування, структура цього елемента та обмеження використання розглянуті детально в статті.
Описану структуру ще називають чотиришаровою. Крайню область р-структури з підключеним до неї позитивної полярності виводом джерела живлення, називають анодом. Отже, друга область п (теж крайній) – це катод. До неї додається негативне напруга джерела живлення.

Якими властивостями володіє тиристор

Якщо провести повний аналіз структури тиристора, то можна знайти в ній три переходу (електронно-діркових). Отже, можна скласти еквівалентну схему на напівпровідникових транзисторах (полярних, біполярних, польових) і діодах, яка дозволить зрозуміти, як веде себе тиристор при відключенні живлення електрода управління.
У тому разі, коли стосовно катода анод позитивний, діод закривається, і, отже, тиристор теж веде себе аналогічно. У випадку 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. Задається певний струм, який протікає через електрод управління тиристора. При цьому струм має зсув прямої спрямованості. Цей струм вважається базовим для транзистора зі структурою п-р-п. Тому в колекторі струм у нього буде більше в кілька разів (необхідне значення струму управління помножити на коефіцієнт підсилення 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 підсилення обох транзисторів і спочатку заданого струму управління. Сімістори (принцип роботи та управління ними розглянуті в статті) володіють аналогічними властивостями. Далі цей струм необхідно підсумовувати з раніше заданим струмом ланцюга управління. І вийде саме те значення, яке необхідно, щоб підтримувати перший транзистор отпертом стані. У тому випадку, коли струм управління дуже великий, два транзистора одночасно насичуються. Внутрішня ОС продовжує зберігати свою провідність навіть тоді, коли зникає первинний струм на керуючому електроді. Одночасно з цим на аноді тиристора виявляється досить високе значення струму.

Як відключити тиристор

Перехід у замкнений стан тиристора можливий у тому випадку, якщо до електроду управління відкритого елемента не прикладається сигнал. При цьому струм спадає до певної величини, яка називається гипостатическим струмом (або струмом утримання). Тиристор відключиться і в тому випадку, якщо відбудеться розмикання в ланцюзі навантаження. Або коли напруга, що прикладається до ланцюга (зовнішньої), змінює свою полярність. Це відбувається під кінець кожного напівперіоду у випадку, коли схема харчується 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 симисторе, щоправда, 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 розташовувати вимикач так, щоб він був між катодом і електродом управління. Це дозволить гарантувати, що тиристор відключиться нормально, а утримуючий струм отсечется. Іноді для зручності та підвищення швидкодії і надійності застосовують замість механічного ключа допоміжний тиристор. Варто зазначити, що робота симістора багато в чому схожа з функціонуванням тиристорів.

Сімістори

А тепер ближче до теми статті – потрібно розглянути окремий випадок тиристора – симистор. Принцип роботи схожий з тим, що був розглянутий раніше. Але є деякі відмінності і характерні особливості. Тому потрібно поговорити про нього більш докладно. Сімістор 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 розімкнутими контактами. При подачі сигналу на електрод управління симістора відбувається перехід приладу у відкритий стан (режим провідності). При роботі в такому режимі можна провести паралель з вимикачем, у якого контакти замкнуті. Коли сигнал у ланцюзі управління відсутня, в будь-який з напівперіодів (при роботі в ланцюгах змінного струму) відбувається перехід симістора з режиму відкритого в закритий. Сімістори широко використовуються в релейному режимі (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 симістора

Сімістор – 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 симістора є три основних виводу – керуючий, для подачі сигналів, і основні (анод, катод), щоб він міг пропускати робочі струми. Сімістор (принцип роботи для "чайників" цього напівпровідникового елемента надано вашій увазі) відкривається, коли на керуючий висновок подається мінімальне необхідне 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. Перехід у замкнений стан відбувається у випадку зміни полярності або при зменшенні робочого струму до рівня нижче, ніж струм утримання.

Як відмикається симистор

При живленні від мережі змінного струму відбувається зміна режимів роботи за рахунок зміни полярності напруги у на робочих електродах. З цієї причини в залежності від того, яка полярність струму у управління, можна виділити 4 типи проведення цієї процедури. Припустимо, між робочими електродами прикладена напруга. А на електроді управління напругу по знаку протилежне тому, яке додано до ланцюзі анода. У цьому випадку зміститься по квадранту симистор - принцип роботи, як можна побачити, досить простий. Існує 4 квадранти, і для кожного з них визначено струм відмикання, утримуючий, включення. Отпирающий струм необхідно зберігати до тієї пори, доки не перевищить в кілька разів (2-3) він значення утримуючого струму. Саме це і є струм включення симістора – 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, доки струм в ланцюзі анода буде 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 зовнішньому ланцюзі виникає значний струм. Напруга не миттєво падає на силових висновках симістора. 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 руйнація кристала, через надмірно швидкого наростання сили струму. Якщо до симистору, який знаходиться в закритому стані, прикласти деяке напруження і різко його збільшити, то відбудеться відкриття каналу (при відсутності сигналу в ланцюзі управління). Таке явище можна спостерігати з причини того, що відбувається накопичення заряду внутрішньої паразитної ємністю напівпровідника. Причому струм заряду має достатнє значення, щоб відімкнути симистор.