Тиристор и симистор в чем разница

9

Чем симистор отличается от тиристора

Тиристором называется управляемый полупроводниковый переключатель, обладающий односторонней проводимостью. В открытом состоянии он ведет себя подобно диоду, а принцип управления тиристором отличается от транзистора, хотя и тот и другой имеют по три вывода и обладают способностью усиливать ток.

Выводы тиристора — это анод, катод и управляющий электрод.

Анод и катод — это электроды электронной лампы или полупроводникового диода. Их лучше запомнить по изображению диода на принципиальных электрических схемах. Представьте, что электроны выходят из катода расходящимся пучком в виде треугольника и приходят на анод, тогда вывод от вершины треугольника — катод с отрицательным зарядом, а противоположный вывод — анод с положительным зарядом.

Подав на управляющий электрод определенное напряжение относительно катода, можно перевести тиристор в проводящее состояние. А для того чтобы тиристор вновь запереть, необходимо сделать его рабочий ток меньшим, чем ток удержания данного тиристора.

Тиристор, как полупроводниковый электронный компонент, состоит из четырех слоев полупроводника (кремния) p и n-типа. На рисунке верхний вывод — это анод — область p-типа, снизу — катод — область n-типа, сбоку выведен управляющий электрод — область p-типа. К катоду присоединяется минусовая клемма источника питания, а в цепь анода включается нагрузка, питанием которой следует управлять.

Воздействуя на управляющий электрод сигналом определенной длительности, можно очень легко управлять нагрузкой в цепи переменного тока, отпирая тиристор на определенной фазе периода сетевой синусоиды, тогда закрытие тиристора будет происходить автоматически при переходе синусоидального тока через ноль. Это несложный и весьма популярный способ регулирования мощности активной нагрузки.

В соответствии с внутренним устройством тиристора, в запертом состоянии его можно представить цепочкой из трех диодов, соединенных последовательно, как показано на рисунке. Видно, что в запертом состоянии данная схема не пропустит ток ни в одном, ни в другом направлении. Теперь представим тиристор схемой замещения на транзисторах.

Видно, что достаточный базовый ток нижнего n-p-n-транзистора приведет к возрастанию его коллекторного тока, который тут же явится базовым током верхнего p-n-p-транзистора.

Верхний p-n-p-транзистор теперь отпирается, и его коллекторный ток складывается с базовым током нижнего транзистора, и тот поддерживается в открытом состоянии благодаря наличию в данной схеме положительной обратной связи. И если сейчас перестать подавать напряжение на управляющий электрод, открытое состояние все равно останется таковым.

Чтобы запереть эту цепочку, придется как-то прервать общий коллекторный ток данных транзисторов. Разные способы отключения (механические и электронные) показаны на рисунке.

Симистор, в отличие от тиристора, имеет шесть слоев кремния, и в проводящем состоянии он проводит ток не в одном, а в обоих направлениях, словно замкнутый выключатель. По схеме замещения его можно представить как два тиристора, включенных встречно-параллельно, только управляющий электрод остается один общий на двоих. А после открытия симистора, чтобы ему закрыться, полярность напряжения на рабочих выводах должна измениться на противоположную или рабочий ток должен стать меньше чем ток удержания симистора.

Если симистор установлен для управления питанием нагрузки в цепи переменного или постоянного тока, то в зависимости от текущей полярности и направления тока управляющего электрода, более предпочтительными окажутся определенные способы управления для каждой ситуации. Все возможные сочетания полярностей (на управляющем электроде и в рабочей цепи) можно представить в виде четырех квадрантов.

Стоит отметить, что квадранты 1 и 3 соответствуют обычным схемам управления мощностью активной нагрузки в цепях переменного тока, когда полярности на управляющем электроде и на электроде А2 в каждом полупериоде совпадают, в таких ситуациях управляющий электрод симистора достаточно чувствителен.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Тиристор или симистор?

Почему в регуляторах переменного напряжения чаще применяют
встречно параллельно соединенные однооперационные тиристоры,
а не симисторы?

44 комментария »

Встречные тиристоры допускают большие токи, по сравнению с симисторами, больше надежность, по сравнению с симисторами, хоть и сложнее схема управления

Одним из свойств симисторов является несимметричное отпирание. Включение симистора происходит при разных уровнях напряжения управляющего электрода. Это нежелательно, потому что несимметричное отпирание приводит к форме кривой тока с большей разностью гармонических частот. Уменьшение общего содержания гармоник также является причиной, по которой в сложных цепях управления использование отдельных тиристоров выглядит более предпочтительным.

Сообщение от Павел Рабушко — 30 ноября, 2015 @ 6:08 пп

Скорость изменения напряжения между основными электродами прибора (dU/dt). Превышение скорости изменения напряжения на симисторе (из-за наличия его внутренней ёмкости), а также величины этого напряжения, могут приводить к нежелательному открыванию симистора.
Скорость изменения тока и его величины через прибор (di/dt). Благодаря глубокой положительной обратной связи переход симистора в открытое состояние происходит лавинообразно, но, несмотря на это, процесс отпирания может длиться до нескольких микросекунд, в течение которых к симистору оказываются, приложены одновременно большие значения тока и напряжения. Поэтому, даже несмотря на то, что падение напряжения на полностью открытом симисторе невелико, мгновенная мощность во время открывания симистора может достигнуть большой величины.

Сообщение от Дашковский Алексей — 30 ноября, 2015 @ 8:25 пп

Так как тиристоры выдерживают более высокие напряжения и токи по сравнению с симисторами.

Сообщение от Ёч Эдвард — 30 ноября, 2015 @ 9:04 пп

Тиристоры выдерживают более высокие напряжения и токи по сравнению с симисторами.

Сообщение от Янушкевич Карина — 30 ноября, 2015 @ 9:59 пп

В регуляторах переменного напряжения чаще применяют
встречно соединенные однооперационные тиристоры,
так как они по отдельности могут быть рассчитаны на большие токи,чем симисторы и более надежны по конструкции.

Сообщение от Галтеева Дарья — 30 ноября, 2015 @ 10:44 пп

Тиристоры рассчитываются на работу при более высоких напряжениях и токах, чем при наличии симисторов

Сообщение от Андрей Белько — 30 ноября, 2015 @ 11:01 пп

Потому что тиристоры выдерживают более высокие напряжения и токи по сравнению с симисторами

Сообщение от Крапивина Татьяна — 1 декабря, 2015 @ 12:41 дп

Потому что симисторы применяются в простых и маломощных схема, например, в бытовых переключателях для регулирования силы света.В высокомощных управляющих цепях отдаётся предпочтение применению нескольких отдельных тиристоров.

Сообщение от Андрей Савошинский — 1 декабря, 2015 @ 11:54 дп

Используют из за того , что тиристоры выдерживают более высокие напряжения и токи относительно симисторов.

Сообщение от Мацкевич Марьян — 1 декабря, 2015 @ 3:56 пп

Потому что тиристоры выдерживают более высокие напряжения и токи относительно симисторов.

Сообщение от Мацкевич Марьян — 1 декабря, 2015 @ 4:02 пп

При использовании симистора накладываются ограничения, в частности при индуктивной нагрузке. Ограничения касаются скорости изменения напряжения (dU/dt) между основными электродами симистора и скорости изменения рабочего тока di/dt. Превышение скорости изменения напряжения на симисторе (из-за наличия его внутренней ёмкости), а также величины этого напряжения, могут приводить к нежелательному открыванию симистора. Превышение скорости нарастания тока между основными электродами, а также величины этого тока, может привести к повреждению симистора.

Сообщение от Владимир Бурло — 1 декабря, 2015 @ 11:01 пп

Встречно-параллельное включение применяется для использования тиристоров на переменном токе, так как тиристорный ключ способен проводить электрический ток только в одном направлении.
Поскольку при использовании отдельных тиристоров можно добиться большей гибкости в сложных управляющих системах, то чаще всего их можно встретить в таких схемах как электроприводы, в то время как симисторы чаще применяются в простых маломощных схемах, например, в бытовых переключателях для регулирования силы света.

Сообщение от Ирина Зданович — 2 декабря, 2015 @ 9:41 дп

Так как тиристор является силовым электронным не полностью управляемым ключом.Тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и обратное напряжение

Сообщение от Эдуард Хомяков — 3 декабря, 2015 @ 1:43 дп

Применение тиристоров обусловлено тем,что они выдерживают более высокие напряжения и токи по сравнению с симисторами.

Сообщение от Тараканова Анастасия — 3 декабря, 2015 @ 1:51 дп

Тиристоры могут выдерживать более высокие напряжения и токи чем симисторы.

Сообщение от Малашкевич Алёна — 3 декабря, 2015 @ 11:21 пп

По сравнению с симисторами тиристоры с односторонней (однонаправленной) проводимостью имеют более высокие параметры по току и напряжению, способны выдерживать значительно большие перегрузки по току.

Сообщение от Юлия Пинчук — 3 декабря, 2015 @ 11:24 пп

Потому что симисторы выдерживают менее высокие напряжения и токи по сравнению с тиристорами.

Сообщение от Лось Евгения — 3 декабря, 2015 @ 11:40 пп

Потому что симисторы выдерживают менее высокие напряжения и токи по сравнению с тиристорами.

Сообщение от Соколовская Наталия — 3 декабря, 2015 @ 11:41 пп

Потому что при применении симисторов очень большими станут токи высших гармоник, как следствие очень сильно увеличатся потери.

Сообщение от Плющёв 10609113 — 4 декабря, 2015 @ 10:30 дп

Скорость изменения напряжения между основными электродами прибора (dU/dt). Превышение скорости изменения напряжения на симисторе (из-за наличия его внутренней ёмкости), а также величины этого напряжения, могут приводить к нежелательному открыванию симистора.
Скорость изменения тока и его величины через прибор (di/dt). Благодаря глубокой положительной обратной связи переход симистора в открытое состояние происходит лавинообразно, но, несмотря на это, процесс отпирания может длиться до нескольких микросекунд, в течение которых к симистору оказываются, приложены одновременно большие значения тока и напряжения. Поэтому, даже несмотря на то, что падение напряжения на полностью открытом симисторе невелико, мгновенная мощность во время открывания симистора может достигнуть большой величины.

Сообщение от Антон Спода — 4 декабря, 2015 @ 12:19 пп

При использовании отдельных тиристоров можно добиться большей гибкости в сложных управляющих системах. Также при использовании отдельных тиристоров уменьшается общее содержание гармоник в высокомощных системах

Сообщение от Владислав(10609113) — 4 декабря, 2015 @ 12:46 пп

Симистор весьма чувствителен к перегреву и монтируется на радиаторе.
Не работает на высоких частотах, так как просто не успевает перейти из открытого состояния в закрытое.
Реагирует на внешние электромеханические помехи, что вызывает ложное срабатывание.
И для открывания симистора необходимым условием является совокупность тока и напряжения. Больше ток, меньше напряжение и наоборот. Следует обратить внимание на большую разницу между временем включения и выключения (10 мкс. против 150 мкс.).

Сообщение от Излишков Олег — 4 декабря, 2015 @ 3:25 пп

Симистор весьма чувствителен к перегреву и монтируется на радиаторе.
Не работает на высоких частотах, так как просто не успевает перейти из открытого состояния в закрытое.
Реагирует на внешние электромеханические помехи, что вызывает ложное срабатывание.
И для открывания симистора необходимым условием является совокупность тока и напряжения. Больше ток, меньше напряжение и наоборот. Следует обратить внимание на большую разницу между временем включения и выключения (10 мкс. против 150 мкс.).

Сообщение от Вишеватый Алексей — 4 декабря, 2015 @ 3:32 пп

т.к тиристоры выдерживают более высокие напряжения и токи по сравнению с симисторами

Сообщение от Антон Морозов — 4 декабря, 2015 @ 4:47 пп

у 2-х тиристоров запас прочности выше , чем у симистора.

Сообщение от Смирнов Евгений — 4 декабря, 2015 @ 4:59 пп

у 2-х тиристоров запас прочности выше , чем у симистора.

Сообщение от Михалович Павел — 4 декабря, 2015 @ 4:59 пп

у 2-х тиристоров запас прочности выше , чем у симистора.

Сообщение от Алексей Конончик — 4 декабря, 2015 @ 5:00 пп

Симистор весьма чувствителен к перегреву и монтируется на радиаторе.
Не работает на высоких частотах, так как просто не успевает перейти из открытого состояния в закрытое.
Реагирует на внешние электромеханические помехи, что вызывает ложное срабатывание.
И для открывания симистора необходимым условием является совокупность тока и напряжения. Больше ток, меньше напряжение и наоборот. Следует обратить внимание на большую разницу между временем включения и выключения (10 мкс. против 150 мкс.).

Сообщение от Апетенок Владислав — 4 декабря, 2015 @ 6:26 пп

Превышение скорости изменения напряжения и самой величины напряжения приводят к нежелательному открыванию симистора. Поэтому целесообразно использовать тиристоры в рпн.

Сообщение от Иванов Александр 10603113 — 4 декабря, 2015 @ 8:35 пп

Потому что тиристоры выдерживают более высокие напряжения и токи по сравнению с симисторами.

Сообщение от Борисова Анастасия — 4 декабря, 2015 @ 8:44 пп

Тиристорный ключ может проводить ток только в одном направлении, а в закрытом состоянии способен выдержать как прямое, так и обратное напряжение.
Тиристоры являются наиболее мощными электронными ключами, способными коммутировать цепи с напряжением до 5 кВ и токами до 5 кА при частоте не более 1 кГц.

Сообщение от Влад Федорович — 4 декабря, 2015 @ 9:14 пп

Потому что при применении симисторов очень большими станут токи высших гармоник, как следствие очень сильно увеличатся потери.

Сообщение от Власюк — 4 декабря, 2015 @ 10:24 пп

Потому что у двух тиристоров запас прочности больше, чем у симистора.

Сообщение от Малиновская Анастасия — 4 декабря, 2015 @ 10:27 пп

потому что у 2-х тиристоров запас прочности выше , чем у симистора.

Сообщение от Александр Козлов 10603313 — 4 декабря, 2015 @ 10:30 пп

Т.к. симистор не работает на высоких частотах, так как просто не успевает перейти из открытого состояния в закрытое.
Реагирует на внешние электромеханические помехи, что вызывает ложное срабатывание.

Сообщение от Владислав Баранов (10609113 — 4 декабря, 2015 @ 10:35 пп

Потому что при применении симисторов токи высших гармоник станут очень большими, следовательно, сильно увеличатся потери.

Сообщение от Дмитрий Мшар — 4 декабря, 2015 @ 11:19 пп

Из экономических соображений тиристоры используются на стороне НН. При этом:
1. Не искажается синусоидальная форма Uвых и Iвых.
2.Сводятся к min высокочастотные помехи при включении СБК, т.к. включение происходит при Uc=0.
Применение бесконтактных ключей вместо электромеханических контактных у-в повышает надежность и обеспечивает возможность регулирования выходных параметров.

Сообщение от Лашук Майя Гр. 10601113 — 4 декабря, 2015 @ 11:31 пп

1. Не искажается синусоидальная форма Uвых и Iвых.
2.Сводятся к min высокочастотные помехи при включении СБК, т.к. включение происходит при Uc=0.
Применение бесконтактных ключей вместо электромеханических контактных у-в повышает надежность и обеспечивает возможность регулирования выходных параметров.

Сообщение от Хлудкова Анастасия Сенько Надежда (1601213) — 4 декабря, 2015 @ 11:35 пп

У 2-х тиристоров запас прочности выше , чем у симистора.

Сообщение от Алиса Ковалева — 5 декабря, 2015 @ 12:41 дп

у встречно параллельно соединенных операционных тиристоров запас прочности выше , чем у симистора.

Сообщение от Роман Тарашкевич — 5 декабря, 2015 @ 12:42 дп

Тиристоры применяются чаще, потому что ими можно проще и более плавно регулировать напряжение. Плюс к этому у симисторов бывают периодические ложные срабатывания.

Сообщение от Филипп Стальмаков (гр.10603213) — 5 декабря, 2015 @ 1:59 дп

Тиристоры применяются чаще, потому что ими можно проще и более плавно регулировать напряжение. Плюс к этому у симисторов бывают периодические ложные срабатывания.

Сообщение от Кузьмицкий Денис — 5 декабря, 2015 @ 2:00 дп

Используя тиристорные регуляторы переменного напряжения можно эффективно воздействовать на процессы разгона, замедления, осуществлять интенсивное торможение и точную остановку. Безыскровая коммутация, отсутствие подвижных частей, высокая степень надежности позволяют применять тиристорные регуляторы во взрывоопасных и агрессивных средах.Однако симистор в свою очередь имеем ряд ограничений при использовании например такие как ограничения на изменение напряжения двух категорий: на dV/dt применительно к закрытому симистору и на dV/dt при открытом симисторе
или несвоевременное открытие

В чем разница между тиристором и симистором

Тиристорами и симисторами называют твердотельные полупроводниковые устройства, способные регулировать включение/выключение электротока в полезной нагрузке, поэтому их используют в качестве электронных ключей (коммутаторов). Оба элемента являются альтернативой классическим контактным коммутаторам (контакторам, пускателям, электромеханическим реле). Разница между симистором и тиристором обусловлена разным количеством p-n-переходов и их структурной конфигурацией.

Особенности p-n-перехода

Ключевым структурным «кирпичиком» большинства полупроводниковых элементов, используемых для проектирования электросхем, является p-n-переход.

Базовым полупроводником чаще всего служит монокристаллический кремний — Si. Области с электронной и дырочной проводимостью формируются с помощью дополнительного внедрения примесей (легирования). Пограничный слой между p- и n-областями называется p-n-переходом. Его сопротивление ничтожно мало, когда к n-слою приложено напряжение отрицательной полярности («минус»), а к p-слою — «плюс». При смене полярности сопротивление перехода резко возрастает, проводимость падает, ток в цепи отсутствует.

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 I_У (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 I_У.

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.

Похожи, но не близнецы

Симисторы отличаются от тиристоров, несмотря на внешнюю схожесть, одинаковое количество выводов (три) и наличие в структуре некоторого количества p-n-переходов. Основные отличия этих устройств:

• Тиристоры состоят из четырёх полупроводниковых слоёв, образующих три p-n-перехода. Для создания симистора необходимо, как минимум, пять p- и n-слоёв, с помощью которых получается четыре p-n-перехода.
• Контакты тиристора — катод, анод и управляющий электрод. У симистора также есть управляющий электрод — затвор. А вот электроды МТ1 и МТ2 могут быть и анодом и катодом, что даёт возможность симистору пропускать ток в обоих направлениях.
• Вольт-амперная характеристика (ВАХ) симистора отличается от ВАХ тиристора.
• Тиристор является преобразователем однонаправленного действия.

Плюсы и минусы симисторов

К достоинствам следует отнести:

• Небольшую стоимость.
• Значительный эксплуатационный ресурс.
• Отсутствие механических контактов, которые приводят к «дребезгу», генерирующему помехи.

• Невысокая помехоустойчивость по отношению к шумам, сторонним помехам, переходным процессам.
• Ограниченный (низкий) диапазон частот переключения.
• Необходимость применения дополнительных радиаторов для отвода джоулева тепла. Зачастую один из выводов сделан в виде винта с резьбой для крепления к радиатору с помощью гайки.
• Для регулирования мощности на нагрузке требуется блок управления тиристорами и симисторами, выходные параметры которого определяются разницей в работе этих полупроводниковых устройств.

Области применения

Поскольку симисторы способны пропускать электроток в обоих направлениях, их применяют в цепях переменного электротока, где тиристор не «додаёт» мощности ввиду однонаправленности. Чаще всего этот полупроводниковый прибор применяется в следующих устройствах:

• Приборы, регулирующие яркость источников света (диммерах).
• Регуляторы скорости оборотов электроинструментов (шуруповёрты, дрели, лобзики и т. п.).
• Электронные регуляторы температуры индукционных плит.
• Холодильная аппаратура для плавного пуска.
• Бытовая техника (швейные и стиральные машины, пылесосы).
• Реверсивные выпрямители.

Историческая справка

Интересно, что симистор был изобретен в СССР в далёком 1963 г. Официальную заявку на изобретение авторы из Мордовского электротехнического института подали всего на полгода раньше заявки инженеров из знаменитой американской фирмы «Дженерал электрик». Название симистор, предложенное нашими изобретателями, на западе не прижилось. Там предпочитают называть его TRIAC.

Заключение

Отличие структурных особенностей симистора от тиристора связано с разным количеством p-n-переходов в составе этих радиоэлементов. Оба они могут служить электронными ключами, используемыми для регулирования мощности, подаваемой на полезную нагрузку.

Тиристоры и симисторы

Тиристоры и симисторы — это ключевые полупроводниковые элементы, которые могут находиться в одном из двух устойчивых состояний — проводящем (открытом) и непроводящем (закрытом). Перевод из непроводящего в проводящее состояние осуществляется относительно слабым постоянным или импульсным сигналом.

Эти свойства обуславливают основное предназначение тиристоров и симисторов как ключевых элементов для коммутации токов в нагрузке. В отличие от контактных коммутаторов — электромеханических реле, пускателей и контакторов — тиристоры и симисторы осуществляют бесконтактную коммутацию тока в нагрузке со всеми вытекающими из этого положительными последствиями.

Тиристоры в открытом состоянии проводят ток только в одном направлении, симисторы — в двух. Таким образом, один симистор может заменить два встречно-параллельно включенных тиристора. Поэтому решения на симисторах представляются более экономичными.

Контактная и бесконтактная коммутация тока

Прежде чем переходить к рассмотрению принципов работы тиристоров и симисторов и их основных характеристик, сравним контактные (электромеханические реле, пускатели, контакторы) и бесконтактные (тиристоры и симисторы) способы коммутации тока, преимущества и недостатки каждого из них.

Ресурс, количество переключений

Количество переключений полупроводниковых коммутаторов практически неограниченно. Долговечность полупроводников определяется перепадами рабочих температур: количеством циклов и их амплитудой.

Реле, а тем более электромагнитные пускатели, имеют ограниченный ресурс переключений. Различают механический ресурс (механическую износостойкость в отсутствие тока через контакты), который у современных реле составляет 1-2 миллиона переключений, и коммутационную износостойкость при максимальной нагрузке, которая в 10-100 раз ниже. Для оценки укажем, что при непрерывной работе и периоде переключений 10 с, ресурс вырабатывается через 2 недели, при периоде переключений 5 мин — через 1 год. Отсюда сразу следует, что применение контактных коммутаторов оправдано только при редких коммутациях нагрузки (с периодов больше 10 мин).

Частота коммутации

Полупроводниковые коммутаторы допускают коммутацию нагрузки на каждом полупериоде сетевого напряжения.

Примечание: В специальных схемотехнических решениях, в которых применяется принудительное закрытие элементов, частота коммутации может быть еще выше.

У электромеханических устройств, помимо количества циклов переключений, есть и еще одно важное негативное свойство — низкая частота коммутаций цепи нагрузки. Она определяется и механическими свойствами реле и тем, что при возрастании частоты коммутаций реле начинает перегреваться. Выше отмечалось, что при необходимости осуществлять коммутацию электромеханическими устройствами с малыми периодами, срок службы этих устройств будет невелик.

Кроме того, механика — это движущиеся части. А движущиеся части всегда являются источником повышенного риска: истирание осей, увеличение люфта, общее расшатывание механизма вплоть до потери функциональности и т. д.

Искрообразование

Бесконтактные коммутаторы по определению не искрят.

Коммутация при помощи электромеханических устройств неизбежно сопровождается искрообразованием, которое, с одной стороны, приводит к обгоранию контактов и снижению ресурса, а с другой, вызывает сильные высокочастотные электромагнитные помехи, которые могут приводить к сбоям в работе измерительных и микропроцессорных приборов.

Электромагнитные помехи

Для того, чтобы не создавать электромагнитные помехи, возникающие при коммутации сильных токов (проводники с быстро меняющимся током работают как обычные антенны), желательно коммутацию производить в моменты времени, когда эти токи минимальны (в идеале равны нулю). Полупроводниковые коммутаторы, благодаря возможности управления моментом переключения, позволяют применять решения, в которых коммутация производится в моменты нулевого тока в сети.

Контактная коммутация, как правило, осуществляется в произвольные моменты времени, а значит, и в моменты максимальных значений токов. Соответственно, контактная коммутация сопровождается сильными электромагнитными помехами. В результате устойчивость работы контрольно-измерительных систем снижается.

Потери на коммутирующем элементе

Падение напряжения на открытом симисторе составляет 1-2 В и мало зависит от протекающего тока. Как следствие, на открытом симисторе выделяется относительно большая мощность. Например, при токе 40 А на симисторе выделяется 40-80 Вт тепла, которые необходимо отвести. Для этого применяются радиаторы. Это обстоятельство является самым серьёзным недостатком бесконтактных коммутаторов, так как требует дополнительное место для радиатора и удорожает решение.

На контактах реле и пускателей также выделяется определенная мощность, но она меньше, чем у симисторов. Однако, следует иметь в виду, что по мере обгорания контактов выделяемое тепло возрастает. Для борьбы с этим явлением требуется регулярная зачистка контактов или замена всего устройства. Всё это приводит к росту эксплуатационных расходов. Кроме того, необходимо учитывать выделение тепла за счёт прохождения тока через обмотку во включенном состоянии коммутатора.

Экономические соображения

Рассматривая целесообразность применения контактного или бесконтактного способа коммутации, необходимо, помимо сугубо технических преимуществ того или иного способа, учесть следующие экономические соображения.

С одной стороны, контактные коммутаторы, как правило, значительно дешевле бесконтактных устройств, особенно в совокупности с радиаторами.

С другой стороны, ресурс бесконтактных коммутаторов практически неограничен, обслуживание устройств не требуется. Контактные коммутаторы имеют ограниченный ресурс, требуют проведения регламентных работ и регулярной замены в течение срока службы. Как следствие, эксплуатационные расходы растут, а надёжность систем, в которых применяются контактные коммутаторы с малыми периодами переключения, снижается.

Принцип работы

Тиристоры и симисторы относятся к семейству полупроводниковых приборов, свойства которых определяются наличием в полупроводниковой пластине смежных слоёв с разными типами проводимости.

Как отмечалось выше, упрощенно симистор представляет собой два тиристора, подключенных параллельно навстречу друг другу. Поэтому для простоты принцип действия поясним на примере тиристора. Каждый тиристор ? это прибор с четырёхслойной структурой p-n-p-n. Схематически тиристор обозначен на рис. 1.

Крайняя область p-структуры, к которой подключается положительный полюс источника напряжения, называется анодом (А), крайняя область n-типа, к которой подключается отрицательный полюс источника — катодом (К). Вывод от внутренней области — p-управляющим электродом.

На рис. 2 изображена модель тиристора в виде схемы с двумя транзисторами с различными типами проводимости. База и коллектор транзистора VT1 соединяются соответственно с коллектором и базой транзистора VT2. В результате, база каждого транзистора питается коллекторным током другого транзистора. В схеме образуется цепь положительной обратной связи.

Если ток Iу через управляющий электрод отсутствует, то оба транзистора закрыты и ток через нагрузку не течёт — тиристор закрыт. Если подать ток Iу больше определенного уровня, то в схеме за счёт положительной обратной связи начинается лавинообразный процесс и оба транзистора открываются — тиристор открывается и остаётся в этом стабильном состоянии, даже если ток Iу больше не подавать.

Таким образом, тиристором можно управлять как постоянным током, так и импульсным. Для того, чтобы тиристор перевести в непроводящее состояние, необходимо снизить ток через него до такого уровня, при котором обратная связь не может больше удерживать схему в стабильном открытом состоянии. Это так называемый ток удержания.

Вольт-амперные характеристики тиристора и симистора

Сначала рассмотрим типовую вольт-амперную характеристику (ВАХ) тиристора, изображенную на рис. 3.

Рис. 3

По горизонтальной оси отложено напряжение между анодом и катодом, а по вертикальной ? протекающий через прибор ток.

Изменяемым параметром семейства характеристик является значение тока Iу в цепи управляющего электрода.

На ВАХ тиристора можно выделить четыре характерных участка, отмеченных на рис. 3 латинскими буквами ABCDE. Дополнительно на рис. 3 показаны нагрузочные прямые I, II, III для различных напряжений сети.

Участок AB соответствует обратной характеристике, когда к аноду тиристора приложено отрицательное напряжение относительно катода. При разомкнутой цепи управления или отсутствии в ней тока (Iу=0) обратная характеристика тиристора аналогична обратной ВАХ полупроводникового диода. В рабочем диапазоне напряжений UЗС от 0 до максимального рабочего, называемого обратным повторяющимся напряжением Uповт, обр max, через прибор протекает очень малый, порядка долей миллиампера, ток (рабочая точка 1).

Прямая ветвь тиристора изображена в первом квадранте системы координат. Она соответствует такой полярности напряжения, когда к аноду приложено положительное относительно катода напряжение.

На отрезке BC вплоть до напряжения переключения Uповт, Пр max тиристор с нулевым управляющим током закрыт и ток через него не превышает 5-15 мА (рабочая точка 2). Переход в открытое состояние (в рабочую точку 3 на участке DE) возможен двумя способами. Первый способ — повышение напряжения на тиристоре, так что рабочая точка доходит до точки С. В этом случае рабочая точка скачкообразно переходит на участок DE. Такой режим включения тиристора применяется редко. Традиционным способом открытия тиристора является подача управляющего тока. В результате кривая BCD на ВАХ спрямляется и рабочая точка также попадает на участок DE, соответствующий открытому состоянию тиристора.

Семейство вольт-амперных характеристик при разных управляющих токах показывает, что при различных напряжениях на тиристоре требуется подача различных токов управления для включения тиристора: малые управляющие токи при больших напряжениях и большие токи при малых напряжениях. При управляющем токе, равном IУЗ, прямая ветвь ВАХ тиристора также совпадает с ВАХ полупроводникового диода.

Отметим, что участок DC характеризует неустойчивое состояние тиристора. Эта область носит название участка с отрицательным электрическим сопротивлением. Из него тиристор всегда переходит в открытое состояние с низким электрическим сопротивлением (на участок DE).

Рабочий участок DE соответствует открытому состоянию симистора и характеризуется малым падением напряжения на приборе Uос при большом токе Ioс.

Эта область характеристики аналогична прямой ветви характеристики полупроводникового диода. Напряжение Uос в зависимости от свойств полупроводниковой структуры равно 1-2 В и слабо зависит от величины протекающего тока Ioс. На переходе тиристора выделяется мощность, которую можно оценить величиной (1. 2) Ioс. После падения тока, проходящего через тиристор, ниже значения тока удержания Iуд, тиристор закрывается.

Собственно, в этом и заключается самое полезное свойство тиристора, симистора и других приборов с отрицательным обратным сопротивлением: переключенные в состояние с малым сопротивлением, они остаются в этом состоянии сколь угодно долго, даже после снятия управляющего сигнала, вплоть до падения тока нагрузки ниже тока удержания. Это позволяет управлять симисторами и тиристорами короткими импульсами управляющего напряжения.

Вольт-амперная характеристика симистора очень похожа на ВАХ тиристора, но, поскольку для симистора не существует прямого и обратного направления включения, то кривая симметрична относительно центра координат. Каждая из половин этой кривой напоминает кривую включения тиристора в прямом направлении.

Одним из факторов, делающих симистор более удачным устройством для коммутации переменного тока, чем тиристор, является то, что прибор имеет одинаковые свойства при протекании по нему тока в любом из направлений. Как и тиристор, симистор выключается при токе через него, стремящемся к 0. Это снижает индукционные и другие наведённые токи и помехи в сети, вызываемые отключением питания при высоком напряжении.

Сигналы управления

Несмотря на то, что на тиристорах и симисторах могут присутствовать напряжения различной полярности, для этих полупроводниковых приборов предпочтительным является такая полярность управляющего напряжения, которая совпадает с полярностью напряжения на аноде.

Таким образом, для обеспечения гарантированной работоспособности и наибольшей эффективности, управляющий сигнал должен менять свою полярность на каждой полуволне переменного тока нагрузки. Соответственно, система управления симистором должна «уметь» менять полярность управляющего сигнала в зависимости от направления движения коммутируемого тока.

При формировании сигнала управления надо иметь виду, что он должен иметь некоторую конечную длительность, большую, чем tимп. мин.. Если сигнал управления короче, чем tимп. мин., то симистор может не успеть перейти в стабильное открытое состояние и вернуться в исходное закрытое состояние. Обычно tимп. принимают равным 50 мкс. Этого достаточно для включения большинства симисторов.

Основные параметры симисторов

Сразу заметим, что все характеристики симисторов сильно зависят от рабочей температуры p-n-p-n-структуры. Как правило, указываются два значения — при температуре 25-30 °С и на верхнем пределе рабочего диапазона. Значения параметров в промежуточных точках вычисляют по линейному закону. Для симисторных блоков производства КонтрАвт указываются значения параметров для 30 °С и 50 °С.

Сильное тепловыделение вызвано тем, что на полностью открытом симисторе в рабочем диапазоне всегда сохраняется падение напряжения около 1-2 В, независимо от тока нагрузки. На рис. 3 оно соответствует величине Uос. Таким образом, симистор всегда должен рассеивать мощность в окружающую среду. Как уже отмечалось, при токе нагрузки 40 А симистор должен рассеивать порядка 60-80 Вт, оставаясь при этом в рабочем диапазоне температур. Поэтому симистор, в отличие от реле и других электромеханических коммутационных устройств, немыслим без радиатора, тем большего, чем большую мощность он коммутирует.

Параметры открытого состояния

Тиристоры и симисторы в открытом состоянии характеризуются напряжением Uос, равным 1-2 В и практически независящим от тока открытого состояния.

Максимально допустимый действующий ток Iос, д характеризует коммутационную способность полупроводникового элемента. Максимально допустимый действующий ток Iос, д и ударный ток Iос, уд (короткодействующий импульс большой силы тока, действующий не более 20-50 мс) также зависят от температуры корпуса симистора. Следует отметить, что ударный ток Iос, уд может превышать максимально допустимый действующий ток Iос, д в несколько раз. Это обстоятельство следует учитывать при расчете различных схем защиты полупроводниковых устройств от короткого замыкания.

Еще один важный параметр — ток удержания Iуд — минимальный ток нагрузки, до которого симистор сохраняет своё открытое состояние. После падения тока нагрузки ниже этого значения симистор закроется.

Параметры закрытого состояния

В закрытом состоянии симистор не коммутирует нагрузку, пока напряжение на силовых электродах не превысит Uповт, пр. max (рис. 3). После превышения этого напряжения симистор переключается в открытое состояние. Этот параметр чрезвычайно важен при коммутации цепей с высокими помехами или индуктивными нагрузками. Например, при выключении симистором питания индуктивной нагрузки большой мощности в ней возникает ЭДС самоиндукции с высоким напряжением. Если это напряжение превысит Uповт, пр. max, то возможно неуправляемое открытие симистора. Поэтому такие цепи обычно шунтируют RC-цепочками, фильтрующими соответствующие выбросы.

Также важен параметр UЗС — синусоидальное «безопасное» напряжение, при котором самопроизвольное (Iу=0) включение невозможно.

Существует еще один случай самопроизвольного включения симистора в закрытом состоянии. Это может произойти, когда скорость возрастания коммутационного напряжения превысит некую критическую величину (dU/dt)ком. Этот нежелательный эффект обусловлен емкостным током в центральном переходе p-n-p-n структуры. При высоких скоростях нарастания тока на паразитной ёмкости p-n-перехода управляющего электрода успевает скапливаться заряд, достаточный для включения симистора.

Это явление следует учитывать при каскадном включении нескольких симисторов, используемом для повышения нагрузочной способности схемы. Если основной коммутирующий элемент является очень быстродействующим, то его выключение в цепях с индуктивностью может вызвать настолько быстрые изменения напряжения, которые в свою очередь вызывают ложные срабатывания маломощных управляющих симисторов. В результате схема «не может» выключиться даже при отсутствии сигнала управления.

Параметры управления

Отпирающий постоянный ток управления Iу, отп (на рис. 3 обозначен как I3) характеризует минимальное значение управляющего тока, при котором симистор полностью открывается.

Отпирающее постоянное напряжение управления Uу, от ? напряжение, формирующее Iу, отп, т. е. напряжение управления, при котором симистор гарантированно переходит в открытое состояние.

Неотпирающее постоянное напряжение управления Uу, Нот — напряжение, до которого симистор гарантированно находится в закрытом состоянии. Этот параметр чрезвычайно важен при использовании симистора в цепях с высоким уровнем помех. Если помеха превысит данный параметр, то симистор может открыться. Один из вариантов таких помех обсуждался выше — индуктивность в цепи.

Один из важнейших параметров — время включения (tвкл) — определяет интервал времени, в течение которого симистор переключается из закрытого состояния в полностью открытое при наличии отпирающего импульса управления (≥Uу, отп). Фактически он определяет минимальную длительность сигнала управления, необходимую для гарантированного включения.

(dIос/dt)кр — критическая скорость нарастания тока в момент открытия симистора. Если в цепи скорость нарастания тока превышает максимально допустимую, то происходит эффект разрушения структуры. Он обусловлен тем, что физически управляющий электрод занимает значительно меньшую площадь на кристалле. При включении ток управления распределяется по кристаллу неравномерно и обеспечивает открытие не всей площади p-n-переходов под силовыми электродами. На низких скоростях возрастания тока p-n-переход успевает полностью открыться, а на высоких — сказывается собственное объёмное сопротивление и емкость p-n-переходов.

Тепловые параметры

TП(МАХ) и TП(МIN) — максимальная и минимальная температура перехода особенных пояснений не требуют. У современных приборов температура перехода может достигать 125 °С. Однако при работе на переходе выделяется большое количество тепла, которое необходимо отводить. Способность приборов отводить тепло характеризуется такими параметрами как тепловое сопротивление. Различают тепловое сопротивление контакта переход-корпус и тепловое сопротивление контакта корпус-охладитель.

RТ(П-К) — тепловое сопротивление контакта переход-корпус определяет способность симистора передавать тепло от полупроводника на свой корпус. Параметр RТ(П-К) — тепловое сопротивление контакта корпус-охладитель — определяет размеры и характеристики радиатора, требуемого на отвод тепла, выделяемого при коммутации заданной мощности.

В результате прибор, установленный на радиатор, допускает нормальную эксплуатацию при температурах значительно ниже, чем допустимая температура перехода. В частности, рабочая температура симисторных блоков производства КонтрАвт ограничена 50 °С.

В заключение приведем сравнительную таблицу с указанием основных характеристик, о которых шла речь в данной статье. Данные приведены для трёх широко применяемых симисторов, которые различаются допустимыми токами коммутации. Представленные сведения позволяют получить представления о характерных значениях параметров симисторов.

О схемотехнике и наиболее рапространённых вариантах использования симисторов мы расскажем в следующем номере.