Тиристоры нашли широкое применение в полупроводниковых устройствах и преобразователях. Различные источники питания, частотные преобразователи, регуляторы, возбудительные устройства для синхронных двигателей и много других устройств строились на тиристорах, а в последнее время их вытесняют преобразователи на транзисторах. Основной задачей для тиристора является включение нагрузки в момент подачи управляющего сигнала. В этой статье мы рассмотрим, как управлять тиристорами и симисторами.
Определение
Тиристор (тринистор) — это полупроводниковый полууправляемый ключ. Полууправляемый — значит, что вы можете только включать тиристор, отключается он только при прерывании тока в цепи или если приложить к нему обратное напряжение.
Он, подобно диоду, проводит ток только в одном направлении. То есть для включения в цепь переменного тока для управления двумя полуволнами нужно два тиристора, для каждой по одному, хотя не всегда. Тиристор состоит из 4 областей полупроводника (p-n-p-n).
Другой подобный прибор называется симистор — двунаправленный тиристор. Его основным отличием является то, что ток он может проводить в обе стороны. Фактически он представляет собой два тиристора соединённых параллельно навстречу друг другу.
Основные характеристики
Как и любых других электронных компонентов у тиристоров есть ряд характеристик:
Падение напряжения при максимальном токе анода (VT или Uос).
Прямое напряжение в закрытом состоянии (VD(RM) или Uзс).
Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).
Прямой ток (IT или Iпр) – это максимальный ток в открытом состоянии.
Максимально допустимый прямой ток (ITSM) — это максимальный пиковый ток в открытом состоянии.
Обратный ток (IR) — ток при определенном обратном напряжении.
Постоянный ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (ID или Iзс).
Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).
Ток управления (IGT).
Максимальный ток управления электрода IGM.
Максимально допустимая рассеиваемая мощность на управляющем электроде (PG или Pу)
Принцип работы
Когда на тиристор подают напряжение он не проводит ток. Есть два способа включит его – подать напряжение между анодом и катодом достаточное для открытия, тогда его работа ничем не будет отличаться от динистора.
Другой способ – это подать кратковременный импульс на управляющий электрод. Ток открытия тиристора лежит в пределах 70-160 мА, хотя на практике эта величина, как и напряжение которое нужно приложить к тиристору зависит от конкретной модели и экземпляра полупроводникового прибора и даже от условий, в которых он работает, таких, например, как температура окружающей среды.
Кроме управляющего тока, есть такой параметр как ток удержания — это минимальный ток анода для удержания тиристора в открытом состоянии.
После открытия тиристора управляющий сигнал можно отключать, тиристор будет открыт до тех пор, пока через него протекает прямой ток и подано напряжение. То есть в цепи переменного тиристор будет открыт в течении той полуволны напряжение которой смещает тиристор в прямом направлении. Когда напряжение устремится к нулю, снизится и ток. Когда ток в цепи упадет ниже величины тока удержания тиристора — он закроется (выключится).
Полярность управляющего напряжения должна совпадать с полярностью напряжения между анодом и катодом, что вы наблюдаете на осциллограммах выше.
Управление симистором аналогично хоть и имеет некоторые особенности. Для управления симистором в цепи переменного тока нужно два импульса управляющего напряжения — на каждую полуволну синусоиды соответственно.
После подачи управляющего импульса в первой полуволне (условно положительной) синусоидального напряжения ток через симистор будет протекать до начала второй полуволны, после чего он закроется, как и обычный тиристор. После этого нужно подать еще один управляющий импульс для открытия симистора на отрицательной полуволне. Это наглядно проиллюстрировано на следующих осциллограммах.
Полярность управляющего напряжения должна соответствовать полярности приложенного напряжения между анодом и катодом. Из-за этого возникают проблемы при управлении симисторами с помощью цифровых логических схем или от выходов микроконтроллера. Но это легко решается путем установки симисторного драйвера, о чем мы поговорим позже.
Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами
Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.
Здесь тиристор открывается после того как на конденсаторе будет достаточная величина для его открытия. Момент открытия регулируется с помощью потенциометра или переменного резистора. Чем больше его сопротивление — тем медленнее заряжается конденсатор. Резистор R2 ограничивает ток через управляющий электрод.
Эта схема регулирует оба полупериода, то есть вы получаете полную регулировку мощности почти от 0% и почти до 100%. Это удалось достичь, установив регулятор в диодном мосте, таким образом регулируется одна из полуволн.
Упрощенная схема изображена ниже, здесь регулируется лишь половина периода, вторая полуволна проходит без изменения через диод VD1. Принцип работы аналогичен.
Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.
По принципу действия почти аналогична предыдущим, но построена на симисторе с её помощью регулируются уже обе полуволны. Отличия заключаются в том, что здесь импульс управления подаётся с помощью двунаправленного динистора DB3, после того как конденсатор зарядится до нужного напряжения, обычно это 28-36 Вольт. Скорость зарядки также регулируется переменным резистором или потенциометром. Такая схема реализована в большинстве бытовых диммеров.
Такие схемы регулировки напряжения называется СИФУ — система импульсного фазового управления.
На рисунке выше изображен вариант управления симистором с помощью микроконтроллера, на примере популярной платформы Arduino. Симисторный драйвер состоит из оптосимистора и светодиода. Так как в выходной цепи драйвера установлен оптосимистор на управляющий электрод всегда подаётся напряжение нужной полярности, но здесь есть некоторые нюансы.
Дело в том, что для регулировки напряжения с помощью симистора или тиристора нужно подавать управляющий сигнал в определенный момент времени, так чтобы срез фазы происходил до нужной величины. Если наугад стрелять управляющими импульсами — схема работать конечно будет, но регулировок добиться не выйдет, поэтому нужно определять момент перехода полуволны через ноль.
Так как для нас не имеет значения полярность полуволны в настоящий момент времени — достаточно просто отслеживать момент перехода через ноль. Такой узел в схеме называют детектор нуля или нуль-детектор, а в англоязычных источниках "zero crossing detector circuit" или ZCD. Вариант такой схемы с детектором перехода через ноль на транзисторной оптопаре выглядит следующим образом:
Оптодрайверов для управления симисторами есть множество, типовые – это линейка MOC304x, MOC305x, MOC306X, произведенные компанией Motorola и другими. Более того – эти драйверы обеспечивают гальваническую развязку, что убережет ваш микроконтроллер в случае пробоя полупроводникового ключа, что вполне возможно и вероятно. Также это повысит безопасность работы с цепями управления, полностью разделив цепь на «силовую» и «оперативную».
Заключение
Мы рассказали базовые сведения о тиристорах и симисторах, а также управлении ими в цепях с «переменкой». Стоит отметить, что мы не затрагивали тему запираемых тиристоров, если вас интересует этот вопрос – пишите комментарии и мы рассмотрим их подробнее. Также не были рассмотрены нюансы использования и управления тиристорами в силовых индуктивных цепях. Для управления «постоянкой» лучше использовать транзисторы, поскольку в этом случае вы решаете, когда ключ откроется, а когда он закроется, повинуясь управляющему сигналу…
Тиристоры нашли широкое применение в полупроводниковых устройствах и преобразователях. Различные источники питания, частотные преобразователи, регуляторы, возбудительные устройства для синхронных двигателей и много других устройств строились на тиристорах, а в последнее время их вытесняют преобразователи на транзисторах. Основной задачей для тиристора является включение нагрузки в момент подачи управляющего сигнала. В этой статье мы рассмотрим, как управлять тиристорами и симисторами.
Определение
Тиристор (тринистор) — это полупроводниковый полууправляемый ключ. Полууправляемый — значит, что вы можете только включать тиристор, отключается он только при прерывании тока в цепи или если приложить к нему обратное напряжение.
Он, подобно диоду, проводит ток только в одном направлении. То есть для включения в цепь переменного тока для управления двумя полуволнами нужно два тиристора, для каждой по одному, хотя не всегда. Тиристор состоит из 4 областей полупроводника (p-n-p-n).
Другой подобный прибор называется симистор — двунаправленный тиристор. Его основным отличием является то, что ток он может проводить в обе стороны. Фактически он представляет собой два тиристора соединённых параллельно навстречу друг другу.
Основные характеристики
Как и любых других электронных компонентов у тиристоров есть ряд характеристик:
Падение напряжения при максимальном токе анода (VT или Uос).
Прямое напряжение в закрытом состоянии (VD(RM) или Uзс).
Обратное напряжение (VR(PM) или Uобр).
Прямой ток (IT или Iпр) – это максимальный ток в открытом состоянии.
Максимально допустимый прямой ток (ITSM) — это максимальный пиковый ток в открытом состоянии.
Обратный ток (IR) — ток при определенном обратном напряжении.
Постоянный ток в закрытом состоянии при определенном прямом напряжении (ID или Iзс).
Постоянное отпирающее напряжение управления (VGT или UУ).
Ток управления (IGT).
Максимальный ток управления электрода IGM.
Максимально допустимая рассеиваемая мощность на управляющем электроде (PG или Pу)
Принцип работы
Когда на тиристор подают напряжение он не проводит ток. Есть два способа включит его – подать напряжение между анодом и катодом достаточное для открытия, тогда его работа ничем не будет отличаться от динистора.
Другой способ – это подать кратковременный импульс на управляющий электрод. Ток открытия тиристора лежит в пределах 70-160 мА, хотя на практике эта величина, как и напряжение которое нужно приложить к тиристору зависит от конкретной модели и экземпляра полупроводникового прибора и даже от условий, в которых он работает, таких, например, как температура окружающей среды.
Кроме управляющего тока, есть такой параметр как ток удержания — это минимальный ток анода для удержания тиристора в открытом состоянии.
После открытия тиристора управляющий сигнал можно отключать, тиристор будет открыт до тех пор, пока через него протекает прямой ток и подано напряжение. То есть в цепи переменного тиристор будет открыт в течении той полуволны напряжение которой смещает тиристор в прямом направлении. Когда напряжение устремится к нулю, снизится и ток. Когда ток в цепи упадет ниже величины тока удержания тиристора — он закроется (выключится).
Полярность управляющего напряжения должна совпадать с полярностью напряжения между анодом и катодом, что вы наблюдаете на осциллограммах выше.
Управление симистором аналогично хоть и имеет некоторые особенности. Для управления симистором в цепи переменного тока нужно два импульса управляющего напряжения — на каждую полуволну синусоиды соответственно.
После подачи управляющего импульса в первой полуволне (условно положительной) синусоидального напряжения ток через симистор будет протекать до начала второй полуволны, после чего он закроется, как и обычный тиристор. После этого нужно подать еще один управляющий импульс для открытия симистора на отрицательной полуволне. Это наглядно проиллюстрировано на следующих осциллограммах.
Полярность управляющего напряжения должна соответствовать полярности приложенного напряжения между анодом и катодом. Из-за этого возникают проблемы при управлении симисторами с помощью цифровых логических схем или от выходов микроконтроллера. Но это легко решается путем установки симисторного драйвера, о чем мы поговорим позже.
Распространенные схемы управления тиристорами или симисторами
Самой распространенной схемой является симисторный или тиристорный регулятор.
Здесь тиристор открывается после того как на конденсаторе будет достаточная величина для его открытия. Момент открытия регулируется с помощью потенциометра или переменного резистора. Чем больше его сопротивление — тем медленнее заряжается конденсатор. Резистор R2 ограничивает ток через управляющий электрод.
Эта схема регулирует оба полупериода, то есть вы получаете полную регулировку мощности почти от 0% и почти до 100%. Это удалось достичь, установив регулятор в диодном мосте, таким образом регулируется одна из полуволн.
Упрощенная схема изображена ниже, здесь регулируется лишь половина периода, вторая полуволна проходит без изменения через диод VD1. Принцип работы аналогичен.
Симисторный регулятор без диодного моста позволяет управлять двумя полуволнами.
По принципу действия почти аналогична предыдущим, но построена на симисторе с её помощью регулируются уже обе полуволны. Отличия заключаются в том, что здесь импульс управления подаётся с помощью двунаправленного динистора DB3, после того как конденсатор зарядится до нужного напряжения, обычно это 28-36 Вольт. Скорость зарядки также регулируется переменным резистором или потенциометром. Такая схема реализована в большинстве бытовых диммеров.
Такие схемы регулировки напряжения называется СИФУ — система импульсного фазового управления.
На рисунке выше изображен вариант управления симистором с помощью микроконтроллера, на примере популярной платформы Arduino. Симисторный драйвер состоит из оптосимистора и светодиода. Так как в выходной цепи драйвера установлен оптосимистор на управляющий электрод всегда подаётся напряжение нужной полярности, но здесь есть некоторые нюансы.
Дело в том, что для регулировки напряжения с помощью симистора или тиристора нужно подавать управляющий сигнал в определенный момент времени, так чтобы срез фазы происходил до нужной величины. Если наугад стрелять управляющими импульсами — схема работать конечно будет, но регулировок добиться не выйдет, поэтому нужно определять момент перехода полуволны через ноль.
Так как для нас не имеет значения полярность полуволны в настоящий момент времени — достаточно просто отслеживать момент перехода через ноль. Такой узел в схеме называют детектор нуля или нуль-детектор, а в англоязычных источниках "zero crossing detector circuit" или ZCD. Вариант такой схемы с детектором перехода через ноль на транзисторной оптопаре выглядит следующим образом:
Оптодрайверов для управления симисторами есть множество, типовые – это линейка MOC304x, MOC305x, MOC306X, произведенные компанией Motorola и другими. Более того – эти драйверы обеспечивают гальваническую развязку, что убережет ваш микроконтроллер в случае пробоя полупроводникового ключа, что вполне возможно и вероятно. Также это повысит безопасность работы с цепями управления, полностью разделив цепь на «силовую» и «оперативную».
Заключение
Мы рассказали базовые сведения о тиристорах и симисторах, а также управлении ими в цепях с «переменкой». Стоит отметить, что мы не затрагивали тему запираемых тиристоров, если вас интересует этот вопрос – пишите комментарии и мы рассмотрим их подробнее. Также не были рассмотрены нюансы использования и управления тиристорами в силовых индуктивных цепях. Для управления «постоянкой» лучше использовать транзисторы, поскольку в этом случае вы решаете, когда ключ откроется, а когда он закроется, повинуясь управляющему сигналу…
Симистором называют полупроводниковый выключатель для переменного тока. Часто встречается международное название TRIAC, что означает то же самое (TRIode for Alternate Current). Чтобы разобраться в устройстве симистора (симметричного тиристора) и узнать, как проверить симистор, важно сначала понять, что он состоит из двух встречно-параллельно включенных тиристоров (если совсем правильно, тринисторов, но тиристор употребляется чаще), имеющих общую цепь управления. Теперь осталось понять, что такое тиристор.
Что это такое
Как показано на Рис.2, тиристор составлен из двух транзисторов разной проводимости: npn и pnp, включенных «навстречу» друг-другу. Если приоткрыть один из транзисторов (npn), приложив между его эмиттером и базой напряжение порядка 0,6 … 0,8 В (напряжение открывания кремниевого p-n перехода), то в коллекторе потечет ток.
Появившееся напряжение между базой и эмиттером второго транзистора начнет открывать его и, одновременно, через коллектор второго транзистора, — первый транзистор. Все это будет лавинообразно нарастать с очень большой скоростью, и теперь уже независимо от начального напряжения. Достаточно только «подтолкнуть» процесс открывания небольшим начальным импульсом.
Для закрывания тиристора необходимо понизить ток в его цепи до минимальной величины, называемой током удержания, и чуть ниже. Поскольку переменный ток так себя и ведет в каждом полупериоде, то каждая половинка симистора будет закрываться, когда меняется полярность в цепи тока.
Схема симистора показана на рисунке Рис. 3 слева, а его физическое устройство, — справа. Напоминаем, что это два встречно-параллельно включенных тиристора. Выводы Т1 и Т2 уже нельзя назвать анодом и катодом, в цепи переменного тока они становятся равноправными. Однако, в цепи постоянного тока триак ведет себя как обычный тиристор и даже содержит «запасной», хотя для его использования придется поменять полярность управляющего напряжения.
Дополнительная информация! Кстати говоря, как тиристор, так и симистор, могут быть составлены из обычных транзисторов разной структуры, имея ту же работоспособность. Главное, чтобы они были рассчитаны на требуемый ток и допустимое напряжение. Но на практике это не используется, с очень давних времен (1960-е) тиристоры стали выпускать в виде готовых приборов в одном корпусе.
Современный тиристор или симистор средней мощности выглядит, как показано на Рис. 4.
Характеристики
Симистор имеет несколько параметров, которые можно расположить по порядку убывания важности (лучше сказать, частоты использования) следующим образом:
- Напряжение обратного пробоя, Uобр, В;
- Напряжение закрытого состояния, Uзс, В;
- Ток открытого состояния средний, Iос, А;
- Время включения, tвк, мкс;
- Время выключения, tвык, мкс;
- Ток открытого состояния импульсный, Iос, А;
- Ток закрытого состояния, Iзс, мА;
- Обратный ток, Iобр, мА;
- Напряжение открытого состояния, Uос, В;
- Управляющее напряжение, Uупр, В;
- Ток управления, Iупр, мА;
- Скорость нарастания напряжения, dU/dt, В/мкс;
- Скорость нарастания тока, dI/dt, А/мкс.
Обратите внимание! Параметр «напряжение обратного пробоя» означает максимальное напряжение, которое способен выдержать симистор или тринистор без выхода из строя. Напряжение закрытого состояния характеризует только динисторный эффект.
Проверка исправности
Если принять во внимание уже написанное в этой статье, то такую проверку выполнить несложно. Как проверить симистор? Это можно сделать несколькими способами. Самый простой проверить исправность, — это способ замены. Вместо подозреваемого симистора устанавливаем заведомо исправный, и смотрим, как будет работать схема. Но обычно симисторы проверяют при помощи мультиметра или тестера, иногда без отключения от схемы. Тестером называют мультиметр старого типа, стрелочный. Кроме того, есть еще один способ проверки, при помощи тумблера, лампочки и кнопки. Рассмотрим два последних способа проверять триак более подробно.
Проверка с помощью тестера
Симистор имеет три вывода, которые потребуется попарно прозвонить. В этом и состоит проверка. Включите тестер в режим измерения сопротивления на диапазоне килоом и установите его стрелку на нуль, замкнув между собой щупы. В старых стрелочных приборах это необходимая операция. Полезно знать, какой из щупов тестера имеет положительную полярность, — это позволит определить вид p-n перехода, связанного с управляющим электродом.
Поскольку конструкция симисторов бывает разной, каким-либо образом отметьте проверочный симитор, любым способом, это просто условность. Затем выполните прозвонку всех трех возможных пар электродов, меняя полярность их подключения, и результаты запишите в таблицу. В зависимости от состояния прибора, и даже типа, вы получите различные результаты. Проверка облегчается, если вы заранее знаете тип прибора (при недостатке знаний и опыта можно спутать с транзистором). Поскольку речь в статье идет именно о симисторе (триаке), то дальше будем считать, что мы проверяем именно его.
Некоторые типичные сопротивления при проверке:
- 0Ом — пробой, короткое замыкание;
- 50 … 100Ом — открытый (прямосмещенный) p-n переход;
- 1 … 10кОм — утечка, испорчен кристалл полупроводника;
- 1МОм … ∞ — запертый (обратносмещенный) p-n переход или обрыв.
Признак исправности симистора — есть пара выводов, дающая при любой полярности щупов тестера признаки исправного p-n перехода, при этом с третьим выводом любой из двух показывает очень большое сопротивление. Остальные случаи показывают, как минимум, очень сомнительное состояние прибора.
Проверка мультиметром
Мультиметром называют тот же тестер, просто в более современном исполнении, с микропроцессором внутри и цифровым дисплеем. Функции у него те же самые. У мультиметра не требуется устанавливать ноль шкалы, достаточно просто переключить прибор на измерение сопротивлений. Более того, так как в режиме измерения сопротивлений цифровой мультиметр выдает в цепь слишком маленькое напряжение, почти у всех мультиметров есть функция проверки диодов или, что то же самое, p-n переходов. Иногда она объединяется с прозвонкой. Здесь в цепь дается достаточное напряжение, чтобы открыть переход.
Обратите внимание! Для исправного p-n перехода (или диода) цифровой мультиметр покажет не сопротивление, а напряжение в милливольтах, падающее на открытом p-n переходе, или «бесконечность» на запертом переходе. «Бесконечность» в обе стороны означает обрыв, а ноль в обе стороны — пробой p-n перехода.
Разумеется, никакой бесконечности тут нет, просто в цепь выдается напряжение, превышающее 2 вольта, на которые рассчитана полная шкала милливольтметра (2,5 В от источника опорного напряжения АЦП), и милливольтметр просто зашкаливает, если он не зашунтирован такой нагрузкой, как открытый диод.
Проверка лампочкой и переменой полярности
Это самый надежный способ проверки работоспособности симистора. Мультиметровый способ не дает полной уверенности в его исправности. Если такая проверка производится достаточно часто, есть смысл собрать простой испытательный стенд. Его схема (и схема проверки в любом случае) показана на Рис. 8.
На схеме Рис. 8, аккумулятор B подключается через тумблер S2 с двумя группами контактов. Они соединены так, что тумблер меняет плюс с минусом, то есть, фактически имитирует переменный ток (частота тут не важна, меняется только подключение).
Рабочий симистор VS поведет себя следующим образом: пока не будет нажата кнопка S1, небольшая автомобильная лампа L (от поворотника, например) не загорится, как S2 не переключай. После нажатия кнопки S1 лампа должна зажечься при любом положении тумблера и продолжать гореть при отпускании кнопки. Но при переключении тумблера лампа гаснет. Если лампочка включается и при новом положении тумблера, продолжая гореть, значит, триак, он же симистор, исправен.
Если лампочка не зажигается при одном из положений тумблера, то это либо простой тиристор, либо вышла из строя одна половина симистора, превратив его в тиристор.
Важно! Не рекомендуется использовать частично работающий симистор в качестве замены для тиристора, так как его надежность под большим сомнением.
Если лампочка не зажигается при любых переключениях, то симистор в обрыве, а если лампочка горит при любых переключениях, то симистор «битый», замкнут накоротко или «пробит».
Проверка без выпаивания из схемы
Такая проверка сводится к проверке тестером или мультиметром. Выпаивание не производится. Но при этом есть особенности, которые необходимо учесть. Так как проверка симистора мультиметром без выпаивания содержит свои «подводные камни». Как проще проверить симистор мультиметром не выпаивая? Во-первых, симистор может быть зашунтирован другими элементами схемы, и это может ввести в заблуждение. Во-вторых, монтаж или плата может препятствовать доступу к выводам, как показано на Рис. 9. Выпаивать симистор может помешать заливка корпуса компаундом. Тогда выпаять будет невозможно.
Поэтому проверку надо производить, по возможности, отключая все, что можно: нагрузку в цепи симистора, цепь управления и т. п. если есть возможность вытаскивать разъемы или клеммы. Крайне желательно при этом руководствоваться принципиальной схемой устройства. Для простых регуляторов схема может быть нарисована по имеющемуся монтажу.
Симистор, или триак, это мощный полупроводниковый ключ, способный работать в цепях со значительным током и напряжением, достигающим 1 кВ и больше. Точное значение определяется по марке прибора и его даташиту. Благодаря своей двусторонней проводимости и простоте управления, симисторы еще долго будут применяться в технике. Не последнее место в этом занимает достаточная надежность и простота проверки симисторов, не требующая специального оборудования.