Андрей Смирнов
Время чтения: ~9 мин.
Просмотров: 0

Как проверить исправность симистора

История изобретения

Изобретение тиристора стало возможным после открытия полупроводников и исследования их свойств. После обнаружения в 1600 году английским физиком Уильямом Гилбертом электричества многие инженеры и ученые посвятили себя изучению этого явления. Выдающими людьми, изучающими электромагнетизм в разное время, были: Эрстед, Ампер, Вольт, Фарадей, Максвелл, Кюри, Яблочков. Благодаря их исследованиям и теоретическим догадкам было установлено, что все окружающие твёрдые тела можно разделить на три группы:

  • проводники — вещества, обладающие большим количеством свободных носителей зарядов и способные практически без потерь проводить электрический ток;
  • диэлектрики — физические тела, плохо проводящие ток;
  • полупроводники — материалы, у которых в кристаллической решётке концентрация подвижных зарядов намного ниже, чем количество атомов.

В 1947 году американцы Бардин, Бреттейн и Шокли создали первый транзистор, что и послужило толчком к бурному развитию полупроводниковой техники. В разных странах начались исследования этих материалов. Так, русским инженером Лошкарёвым была выявленная биполярная диффузия. А Красиловым и Мадояном разработаны образцы германиевых элементов.

В 60-х годах полученные исследования позволили создать чипы, которые содержали несколько объединённых транзисторов. Начали создаваться компании и заводы, выпускающие серийно электронные компоненты. В процессе изучения свойств полупроводников было установлено, что структура монокристаллов, то есть тел, имеющих непрерывную кристаллическую решётку, может иметь три и более p-n переходов. В зависимости от уровня напряжения, подаваемого на один из них, изменялись состояния других.

Конструкция и принцип работы

Структура симметричного тиристора складывается из пластинки, состоящей из поочередных слоёв с электропроводами p- и n- вида и из контактов электродов главного и управляющего действия.

Всего в структуре полупроводника находится 5 слоёв p- и n-вида. Область между пластами именуется p-n-переходом, который владеет нелинейной ВАХ с незначительным противодействием в противоположном направлении, где минус — это n-прослойка, а плюс — p-прослойка и высочайшее значение сопротивления в обратном направлении. Пробой p-n-перехода происходит при напряжениях в несколько тысяч вольт.

Во время введения механизма в прямолинейном направлении в работу входит правая половина структуры. Левосторонняя область структуры выключена, она считается для тока с обладанием весьма высоким противодействием.

Характеристики симметричного тиристора динамического и постоянного плана при его воздействии в прямом направлении, при поступлении позитивного управляющего сигнала отвечают аналогичным данным тиристора, работающего в непосредственном направлении.

Как работает симистор? Принцип работы устройства основан на прохождении электросигнала в двух направленностях. Это даёт возможность применять симисторы в качестве электрического реле в различных схемах, где необходимо корректировать нагрузку или проход тока по цепи. Одним из бесспорных превосходств симметричного тиристора считается и тот факт, что для предоставления проходного канала не требуется присутствие постоянного уровня напряжения в управляющем ключе. Нужно только наличие его не выше определённого уровня, в зависимости от использования.

Простейший ключ

В дальнейшем полевым транзистором мы будет называть конкретно MOSFET,
то есть полевые транзисторы с изолированным
затвором
(они же МОП, они же МДП). Они удобны тем, что управляются
исключительно напряжением: если напряжение на затворе больше
порогового, то транзистор открывается. При этом управляющий ток через
транзистор пока он открыт или закрыт не течёт. Это значительное
преимущество перед биполярными транзисторами, у которых ток течёт всё
время, пока открыт транзистор.

Также в дальнейшем мы будем использовать только n-канальные MOSFET
(даже для двухтактных схем). Это связано с тем, что n-канальные
транзисторы дешевле и имеют лучшие характеристики.

Простейшая схема ключа на MOSFET приведена ниже.

Опять же, нагрузка подключена «сверху», к стоку. Если подключить её
«снизу», то схема не будет работать. Дело в том, что транзистор
открывается, если напряжение между затвором и истоком превышает
пороговое. При подключении «снизу» нагрузка будет давать
дополнительное падение напряжения, и транзистор может не открыться или
открыться не полностью.

Несмотря на то, что MOSFET управляется только напряжением и ток через
затвор не идёт, затвор образует с подложкой паразитный
конденсатор. Когда транзистор открывается или закрывается, этот
конденсатор заряжается или разряжается через вход ключевой схемы. И
если этот вход подключен к push-pull выходу микросхемы, через неё
потечёт довольно большой ток, который может вывести её из строя.

При управлении типа push-pull схема разряда конденсатора образует,
фактически, RC-цепочку, в которой максимальный ток разряда будет равен

где — напряжение, которым управляется транзистор.

Таким образом, достаточно будет поставить резистор на 100 Ом, чтобы
ограничить ток заряда — разряда до 10 мА. Но чем больше сопротивление
резистора, тем медленнее он будет открываться и закрываться, так как
постоянная времени увеличится

Это важно, если транзистор
часто переключается. Например, в ШИМ-регуляторе

Основные параметры, на которые следует обращать внимание — это
пороговое напряжение , максимальный ток через сток и
сопротивление сток — исток у открытого транзистора. Ниже приведена таблица с примерами характеристик МОП-транзисторов

Ниже приведена таблица с примерами характеристик МОП-транзисторов.

Модель
2N7000 3 В 200 мА 5 Ом
IRFZ44N 4 В 35 А 0,0175 Ом
IRF630 4 В 9 А 0,4 Ом
IRL2505 2 В 74 А 0,008 Ом

Для приведены максимальные значения. Дело в том, что у разных
транзисторов даже из одной партии этот параметр может сильно
отличаться. Но если максимальное значение равно, скажем, 3 В, то этот
транзистор гарантированно можно использовать в цифровых схемах с
напряжением питания 3,3 В или 5 В.

Сопротивление сток — исток у приведённых моделей транзисторов
достаточно маленькое, но следует помнить, что при больших напряжениях
управляемой нагрузки даже оно может привести к выделению значительной
мощности в виде тепла.

Технические характеристики

Фазовый регулятор мощности имеет несколько важных характеристик, изменение которых влечет перемены в работе всей цепи. Разобрать данные характеристики можно на примере регуляторов марки PR, которые являются одними из самых популярных:

  • напряжение в цепи 220 В;
  • частота переменного тока 50 Гц;
  • регуляция мощности в пределах от 0 до 97 % исходного значения;
  • максимально допустимый уровень нагрузки составляет 1500 Вт;
  • сила тока на аноде от 7 А при рабочей температуре 80 °С до 2 А при 100 °С;
  • пределы рабочей температуры (на корпусе) от −10 °С до 100 °С;
  • амплитуда колебания напряжения 1,75 В;
  • масса до 15 г.

Модель PR

Для разных целей и цепей требуются регуляторы с различными характеристиками. В зависимости от цепи может понадобиться другая мощность регулятора, номинальное напряжение или частота тока.

Важно! У любого устройства регуляции мощности нужно обращать внимание на температурные пределы, особенно на верхнюю границу. Устройство при работе само выделяет большое количество тепла, а высокая окружающая температура может вызвать порчу схемы и даже возгорание

Принцип работы

Радиотехнический термин thyristor составлен из двух частей. В начале употреблено слово thyra, что означает на греческом языке «дверь» или «вход». Затем использовано окончание английского слова resistor, которое переводится как «сопротивление».

Тиристором называется полупроводниковое устройство, где на базе монокристалла собираются более двух p — n переходов. Суть электронно-дырочного соединения пары химических элементов — так расшифровывается понятие «p — n переход» — состоит в том, что при подключении прямого тока на выводах появляется разность потенциалов. При обратном токе совершается блокировка носителей заряда.

В устройство коммутируется сигнальный контакт, назначение которого состоит в управлении током пробоя границы разнозаряженных зон. На электрических схемах обозначение тиристора почти совпадает со значком диода. Различие состоит в том, что к катодному выводу пририсована стрелка управляющего электрода.

Конструкция прибора

Полупроводниковый прибор представляет собой структуру, которую образуют четыре слоя разной полярности, соединённых последовательно. Образуется цепочка p — n — p — n типа. К наружному слою с положительным зарядом подключён анодный вывод, к отрицательному полупроводнику — катод. К внутренним прослойкам допустимо присоединение до двух управляющих контактов.

Основообразующим элементом тиристора является кристалл кремния с заданной толщиной. Для формирования p-слоя применяются примеси бора и алюминия. Чтобы получить n-область используется фосфор. Нанесение добавок происходит с помощью диффузионной технологии. При температуре от 1000° C до 1300° C создаётся переходный слой глубиной 60 Мкм.

Внешний вид современных устройств непохож на детали, изготовленные два десятка лет назад. Раньше они выглядели как «летающие тарелки». Минусовый электрод и сигнальный контакт располагались на торце, а анодный вывод устанавливался с противоположной стороны или сбоку изделия. Сейчас тиристор представляет собой небольшой пластмассовый коробок с тремя электродами внизу. Расположение контактов указывается в описании устройства.

Режимы работы

Принцип действия тиристора характеризуется работой в двух устойчивых состояниях. Положение «закрыто» свидетельствует о низкой проводимости. Значение «открыто» указывает высокую электропроводность.

Как работает тиристор, для чайников объяснит диаграмма зависимости силы тока от напряжения. В исходной позиции полупроводниковый элемент заперт.

Но стоит подать ток на управляющий вывод, как тиристор откроется. В этот момент линейный отрезок на графике круто изменяет угол наклона, близкий к вертикальному положению. От величины сигнального тока зависит уровень пробойного напряжения. Вольт-амперная характеристика объясняет, зачем требуется применение управляющего электрода. После обнуления командного сигнала устройство останется открытым, пока напряжение не уменьшится до уровня удержания.

Работа транзистора также основана на взаимодействии p — n переходов. От полупроводникового триода, который, как вентиль, плавно регулирует напряжение, тиристорный элемент отличается скачкообразным ростом разности потенциалов после появления сигнала управления. Своеобразный электронный ключ по команде открывает дорогу питанию электрической цепи.

Где используется и как выглядит

Чаще всего симистор используется для коммутации в цепях переменного тока (подачи питания на нагрузку). Это удобно, так как при помощи напряжения малого номинала можно управлять высоковольтным питанием. В некоторых схемах ставят симистор вместо обычного электромеханического реле. Плюс очевиден — нет физического контакта, что делает включение питания более надежным. Второе достоинство — относительно невысокая цена. И это при значительном времени наработки и высокой надежности схемы.

Минусы тоже есть. Приборы могут сильно нагреваться под нагрузкой, поэтому необходимо обеспечить отвод тепла. Мощные симисторы (называют обычно «силовые») монтируются на радиаторы. Еще один минус — напряжение на выходе симистора пилообразное. То есть подключаться может только нагрузка, которая не предъявляет высоких требований к качеству электропитания. Если нужна синусоида, такой способ коммутации не подходит.

Заменить симистор можно двумя тиристорами. Но надо правильно подобрать их по параметрам, да и схему управления придется переделывать — в таком варианте управляющих вывода два

По внешнему виду отличить тиристор и симистор нереально. Даже маркировка может быть похожей — с буквой «К». Но есть и серии, у которых название начинается с «ТС», что означает «тиристор симметричный». Если говорить о цоколевке, то это то, что отличает тиристор от симистора. У тиристора есть анод, катод и управляющий вывод. У симистора названия «анод» и «катод» неприменимы, так как вывод может быть и  катодом, и анодом. Так что их обычно называют просто «силовой вывод» и добавляют к нему цифру. Тот который левее — это первый, который правее — второй. Управляющий электрод может называться затвором (от английского слова Gate, которым обозначается этот вывод).

Управление

Для отпирания симистора на его управляющий электрод подаётся напряжение относительно условного катода. Полярность управляющего напряжения, как правило, должна быть либо отрицательной, либо должна совпадать с полярностью напряжения на условном аноде. Поэтому часто используется такой метод управления симистором, при котором сигнал на управляющий электрод подаётся с условного анода через токоограничительный резистор и выключатель. Управлять симистором часто удобно, задавая определённую силу тока управляющего электрода, достаточную для отпирания. Некоторые типы симисторов (так называемые четырёхквадрантные симисторы) могут отпираться сигналом любой полярности, хотя при этом может потребоваться больший управляющий ток (а именно, больший управляющий ток требуется в четвёртом квадранте, то есть когда напряжение на условном аноде имеет  отрицательную полярность, а на управляющем электроде —  положительную).

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Степан Волков
Наш эксперт
Написано статей
141
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации