Симистор: устройство и применение¶
Симистор (от англ. symmetry — симметрия и thyristor — тиристор; также триак, от англ. triac) — полупроводниковый прибор класса тиристоров, обладающий двусторонней проводимостью и способный проводить ток в обоих направлениях при подаче управляющего сигнала. Симистор представляет собой симметричный ключ переменного тока: он открывается по управляющему электроду как при положительной, так и при отрицательной полуволне питающего напряжения и закрывается самостоятельно при снижении тока ниже тока удержания. Основные области применения — регулирование мощности в цепях переменного тока, коммутация нагрузок, фазовое управление.
¶История и происхождение
Тиристорные приборы появились в 1950-х годах, когда в компании Bell Labs были созданы первые кремниевые управляемые вентили (SCR — silicon controlled rectifier). Односторонний тиристор проводит ток только в одном направлении, поэтому для работы в цепи переменного тока требовались либо два встречно-параллельно включённых тиристора, либо специальный симметричный прибор.
Симистор как самостоятельный тип прибора был разработан в 1960-х годах. В 1963 году компания General Electric представила коммерческий триак, что позволило упростить схемы регуляторов переменного тока: один прибор заменил пару встречно-параллельных тиристоров с их цепями управления. В СССР и России симисторы выпускались и выпускаются под обозначениями серий КУ208, КУ104, ТС, ТС1, ТС2 и других; типичный пример — симисторы серии КУ208 с максимальным током до 10 А.
¶Устройство и принцип работы
Конструктивно симистор — это монокристалл кремния с четырьмя слоями чередующегося типа проводимости (n-p-n-p), образующими две встречно включённые тиристорные структуры. Прибор имеет три вывода: два силовых (условно электроды A1 и A2) и управляющий электрод (G).
Принцип действия:
- при отсутствии управляющего импульса симистор закрыт в обоих направлениях;
- при подаче управляющего тока прибор открывается и проводит ток независимо от полярности напряжения между силовыми электродами;
- закрытие происходит автоматически, когда протекающий ток падает ниже тока удержания, то есть в конце каждой полуволны переменного тока.
Существует четыре квадранта управления — комбинации полярности напряжения на силовых электродах и полярности управляющего сигнала. Наибольшая чувствительность обычно достигается в первом и третьем квадрантах, что учитывают при проектировании схем драйверов.
¶Основные характеристики
| Параметр | Описание |
|---|---|
| Максимальный ток | Действующее значение тока в открытом состоянии (от единиц до сотен ампер) |
| Напряжение | Класс прибора — максимальное повторяющееся напряжение (от 100 до 1600 В и выше) |
| Ток удержания | Минимальный ток, при котором прибор остаётся открытым |
| Ток включения | Минимальный управляющий ток для открытия |
| Падение напряжения | Напряжение на открытом приборе (обычно 1–2 В) |
| Скорость нарастания | Критическая скорость нарастания напряжения и тока |
Важным недостатком симисторов является несимметричность квадрантов управления и склонность к ложным срабатываниям при высокой скорости нарастания напряжения (эффект dV/dt). Для защиты применяются снабберные RC-цепи.
¶Применение
Симисторы широко используются в бытовой и промышленной электронике:
- регуляторы яркости ламп накаливания (диммеры);
- регуляторы скорости вращения коллекторных двигателей (электроинструмент, вентиляторы);
- регуляторы мощности нагревательных приборов;
- пускатели и коммутаторы цепей переменного тока;
- управление маломощными асинхронными двигателями;
- бытовая техника: стиральные машины, пылесосы, кухонные приборы.
В диммерах симистор работает по принципу фазового регулирования: управляющая схема задерживает открытие прибора на часть полупериода, изменяя действующее значение напряжения на нагрузке. Для питания управляющей цепи применяются динисторы или специализированные микросхемы.
¶Разновидности
- Стандартные симисторы — классические триоды для коммутации переменного тока.
- Оптосимисторы — приборы с гальванической развязкой, управляемые светодиодом; применяются в твердотельных реле.
- Симисторы с высоким dV/dt — устойчивые к помехам, для индуктивных нагрузок.
- Снабберless-симисторы — не требующие внешней RC-защиты.
¶Ограничения и критика
Симисторы уступают современным полевым и IGBT-транзисторам по частоте переключения и точности управления, плохо работают на индуктивной нагрузке из-за фазового сдвига, создают электромагнитные помехи при фазовом регулировании. В схемах с высокими требованиями к качеству питания их вытесняют импульсные преобразователи. Тем не менее для простых и дешёвых регуляторов переменного тока симистор остаётся основным решением.
¶Источники
- ГОСТ 15133-77. Приборы полупроводниковые. Термины и определения.
- Справочник по тиристорам и симисторам под редакцией В. А. Кузьмина.
- Техническая документация серий КУ208, ТС1, ТС2.
- Материалы по силовой электронике (учебные курсы технических вузов).