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.
Содержание статьи
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.
Интересно:
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…
Алексей Бартош
Симисторы: принцип работы, проверка и включение, схемы
Существенный недостаток тиристоров заключается в том, что это однополупериодные элементы, соответственно, в цепях переменного тока они работают с половинной мощностью.
Избавиться от этого недостатка можно используя схему встречно-параллельного включения двух однотипных устройств или установив симистор.
Давайте разберемся, что представляет собой этот полупроводниковый элемент, принцип его функционирования, особенности, а также сферу применения и способы проверки.
Что такое симистор?
Это один из видов тиристоров, отличающийся от базового типа большим числом p-n переходов, и как следствие этого, принципом работы (он будет описан ниже). Характерно, что в элементной базе некоторых стран данный тип считается самостоятельным полупроводниковым устройством. Эта незначительная путаница возникла вследствие регистрации двух патентов, на одно и то же изобретение.
Описание принципа работы и устройства
Основное отличие этих элементов от тиристоров заключается в двунаправленной проводимости электротока. По сути это два тринистора с общим управлением, включенных встречно-параллельно (см. А на рис. 1) .
Рис. 1. Схема на двух тиристорах, как эквивалент симистора, и его условно графическое обозначение
Это и дало название полупроводниковому прибору, как производную от словосочетания «симметричные тиристоры» и отразилось на его УГО.
Обратим внимание на обозначения выводов, поскольку ток может проводиться в оба направления, обозначение силовых выводов как Анод и Катод не имеет смысла, потому их принято обозначать, как «Т1» и «Т2» (возможны варианты ТЕ1 и ТЕ2 или А1 и А2). Управляющий электрод, как правило, обозначается «G» (от английского gate).
Теперь рассмотрим структуру полупроводника (см. рис. 2.) Как видно из схемы, в устройстве имеется пять переходов, что позволяет организовать две структуры: р1-n2-p2-n3 и р2-n2-p1-n1, которые, по сути, являются двумя встречными тринисторами, подключенными параллельно.
Рис. 2. Структурная схема симистора
Когда на силовом выводе Т1 образуется отрицательная полярность, начинается проявление тринисторного эффекта в р2-n2-p1-n1, а при ее смене – р1-n2-p2-n3.
Заканчивая раздел о принципе работы приведем ВАХ и основные характеристики прибора.
ВАХ симистора
Обозначение:
- А – закрытое состояние.
- В – открытое состояние.
- UDRM (UПР) – максимально допустимый уровень напряжения при прямом включении.
- URRM (UОБ) – максимальный уровень обратного напряжения.
- IDRM (IПР) – допустимый уровень тока прямого включения
- IRRM (IОБ) – допустимый уровень тока обратного включения.
- IН (IУД) – значения тока удержания.
Особенности
Чтобы иметь полное представление о симметричных тринисторах, необходимо рассказать про их сильные и слабые стороны. К первым можно отнести следующие факторы:
- относительно невысокая стоимость приборов;
- длительный срок эксплуатации;
- отсутствие механики (то есть подвижных контактов, которые являются источниками помех).
В число недостатков приборов входят следующие особенности:
- Необходимость отвода тепла, примерно из расчета 1-1,5 Вт на 1 А, например, при токе 15 А величина мощности рассеивания будет около 10-22 Вт, что потребует соответствующего радиатора. Для удобства крепления к нему у мощных устройств один из выводов имеет резьбу под гайку.
Симистор с креплением под радиатор
- Устройства подвержены влиянию переходных процессов, шумов и помех;
- Не поддерживаются высокие частоты переключения.
По последним двум пунктам необходимо дать небольшое пояснение. В случае высокой скорости коммутации велика вероятность самопроизвольной активации устройства. Помеха в виде броска напряжения также может привести к этому результату. В качестве защиты от помех рекомендуется шунтировать прибор RC цепью.
RC-цепочка для защиты симистора от помех
Помимо этого рекомендуется минимизировать длину проводов ведущих к управляемому выводу, или в качестве альтернативы использовать экранированные проводники. Также практикуется установка шунтирующего резистора между выводом T1 (TE1 или A1) и управляющим электродом.
Применение
Этот тип полупроводниковых элементов первоначально предназначался для применения в производственной сфере, например, для управления электродвигателями станков или других устройств, где требуется плавная регулировка тока.
Впоследствии, когда техническая база позволила существенно уменьшить размеры полупроводников, сфера применения симметричных тринисторов существенно расширилась.
Сегодня эти устройства используются не только в промышленном оборудовании, а и во многих бытовых приборах, например:
- зарядные устройства для автомобильных АКБ;
- бытовое компрессорное оборудования;
- различные виды электронагревательных устройств, начиная от электродуховок и заканчивая микроволновками;
- ручные электрические инструменты (шуроповерт, перфоратор и т.д.).
И это далеко не полный перечень.
Одно время были популярны простые электронные устройства, позволяющие плавно регулировать уровень освещения. К сожалению, диммеры на симметричных тринисторах не могут управлять энергосберегающими и светодиодными лампами, поэтому эти приборы сейчас не актуальны.
Как проверить работоспособность симистора?
В сети можно найти несколько способ, где описан процесс проверки при помощи мультиметра, те, кто описывал их, судя по всему, сами не пробовали ни один из вариантов. Чтобы не вводить в заблуждение, следует сразу заметить, что выполнить тестирование мультиметром не удастся, поскольку не хватит тока для открытия симметричного тринистора. Поэтому, у нас остается два варианта:
- Использовать стрелочный омметр или тестер (их силы тока будет достаточно для срабатывания).
- Собрать специальную схему.
Алгоритм проверки омметром:
- Подключаем щупы прибора к выводам T1 и T2 (A1 и A2).
- Устанавливаем кратность на омметре х1.
- Проводим измерение, положительным результатом будет бесконечное сопротивление, в противном случае деталь «пробита» и от нее можно избавиться.
- Продолжаем тестирование, для этого кратковременно соединяем выводы T2 и G (управляющий). Сопротивление должно упасть примерно до 20-80 Ом.
- Меняем полярность и повторяем тест с пункта 3 по 4.
- Если в ходе проверки результат будет таким же, как описано в алгоритме, то с большой вероятностью можно констатировать, что устройство работоспособное.
- Заметим, что проверяемую деталь не обязательно демонтировать, достаточно только отключить управляющий вывод (естественно, обесточив предварительно оборудование, где установлена деталь, вызывающая сомнение).
- Необходимо заметить, что данным способом не всегда удается достоверно проверку, за исключением тестирования на «пробой», поэтому перейдем ко второму варианту и предложим две схемы для тестирования симметричных тринисторов.
Схему с лампочкой и батарейкой мы приводить не будем в виду того, что таких схем достаточно в сети, если вам интересен этот вариант, можете посмотреть его в публикации о тестировании тринисторов. Приведем пример более действенного устройства.
Схема простого тестера для симисторов
Обозначения:
- Резистор R1 – 51 Ом.
- Конденсаторы C1 и С2 – 1000 мкФ х 16 В.
- Диоды – 1N4007 или аналог, допускается установка диодного моста, например КЦ405.
- Лампочка HL – 12 В, 0,5А.
Можно использовать любой трансформатор с двумя независимыми вторичными обмотками на 12 Вольт.
Алгоритм проверки:
- Устанавливаем переключатели в исходное положение (соответствующее схеме).
- Производим нажатие на SB1, тестируемое устройство открывается, о чем сигнализирует лампочка.
- Жмем SB2, лампа гаснет (устройство закрылось).
- Меняем режим переключателя SA1 и повторяем нажатие на SB1, лампа снова должна зажечься.
- Производим переключение SA2, нажимаем SB1, затем снова меня ем положение SA2 и повторно жмем SB1. Индикатор включится, когда на затвор попадет минус.
Теперь рассмотрим еще одну схему, только универсальную, но также не особо сложную.
Схема для проверки тиристоров и симисторов
Обозначения:
- Резисторы: R1, R2 и R4 – 470 Ом; R3 и R5 – 1 кОм.
- Емкости: С1 и С2 – 100 мкФ х 10 В.
- Диоды: VD1, VD2, VD5 и VD6 – 2N4148; VD2 и VD3 – АЛ307.
В качестве источника питания используется батарейка на 9V, по типу Кроны.
Тестирование тринисторов производится следующим образом:
- Переключатель S3, переводится в положении, как продемонстрировано на схеме (см. рис. 6).
- Кратковременно производим нажатие на кнопку S2, тестируемый элемент откроется, о чем просигнализирует светодиод VD
- Меняем полярность, устанавливая переключатель S3 в среднее положение (отключается питание и гаснет светодиод), потом в нижнее.
- Кратковременно жмем S2, светодиоды не должны загораться.
Если результат будет соответствовать вышеописанному, значит с тестируемым элементом все в порядке.
Теперь рассмотрим, как проверить с помощью собранной схемы симметричные тринисторы:
- Выполняем пункты 1-4.
- Нажимаем кнопку S1- загорается светодиод VD
То есть, при нажатии кнопок S1 или S2 будут загораться светодиоды VD1 или VD4, в зависимости от установленной полярности (положения переключателя S3).
Схема управления мощностью паяльника
В завершении приведем простую схему, позволяющую управлять мощностью паяльника.
Простой регулятор мощности для паяльника
Обозначения:
- Резисторы: R1 – 100 Ом, R2 – 3,3 кОм, R3 – 20 кОм, R4 – 1 Мом.
- Емкости: С1 – 0,1 мкФ х 400В, С2 и С3 – 0,05 мкФ.
- Симметричный тринистор BTA41-600.
Приведенная схема настолько простая, что не требует настройки.
Теперь рассмотрим более изящный вариант управления мощностью паяльника.
Схема управления мощностью на базе фазового регулятора
Обозначения:
- Резисторы: R1 – 680 Ом, R2 – 1,4 кОм, R3 – 1,2 кОм, R4 и R5 – 20 кОм (сдвоенное переменное сопротивление).
- Емкости: С1 и С2 – 1 мкФ х 16 В.
- Симметричный тринистор: VS1 – ВТ136.
- Микросхема фазового регулятора DA1 – KP1182 ПМ1.
Настройка схемы сводится к подбору следующих сопротивлений:
- R2 – с его помощью устанавливаем необходимую для работы минимальную температуру паяльника.
- R3 – номинал резистора позволяет задать температуру паяльника, когда он находится на подставке (срабатывает переключатель SA1),
Telegram канал @asutpp_ru
Симистор: что такое, из чего состоит и как проверить
Доброго времени суток, уважаемые читатели нашего сайта! В данной статье мы решили рассказать вам о таком важном маленьком приборчике, без которого современную электронику представить себе очень сложно. Для того, чтобы понять, что такое симистор, давайте сначала поговорим немного о полупроводниках.
Что такое полупроводник?
Полупроводники — это нечто среднее между проводниками и диэлектриками (про них у нас есть отдельная статья, рекомендуем ознакомиться). Да, они проводят электрический ток, но проводят они их не так хорошо, как проводники.
Физики любят говорить, что у них есть “определенный коэффицент” проводимости. Нам же больше нравится называть их такими веществами, которые достаточно плохо проводят ток. Так вот, из полупроводников изготавливают тиристоры.
Что это такое?
Перейдем к тиристорам
Тиристоры — это штуки, которые очень напоминают электронные ключи, однако у них нет закрытого состояния? Как? А вот так! У них немного другое предназначение. По сути, это 2 транзистора, которые управляют мощностью нагрузки с помощью очень слабого сигнала. Обычные тиристоры состоят из 3 деталей — катода, управляющего электрода и анода.
Тиристор
Виды тиристоров
Давайте теперь узнаем, какие тиристоры существуют в природе и какие из них будут интересны нам в первую очередь:
- динисторы (тиристоры, у которых всего 2 вывода — анод и катод)
- триодный тиристор (с 3 выводами)
- тетроидный тиристор (с 4 выводами)
- симистор или симметричный тиристор (именно его мы сегодня изучим доскосконально)
Симистор? Впервые слышу
Симистор — это один из подвидов тиристоров, который обычно состоит из множества тиристоров. По-другому его также называют симметричный симистор.
Из чего состоит этот симистор?
Симистор очень часто физики представляют в виде пятислойного полупроводника. Также бывают и изображения в виде 2 тиристоров. При этом, управление сильно отличается от того, как управляется включенные триодные тиристоры потому их и выделили в отдельную группу. Давайте теперь узнаем, как работает управление.
Управление симистором
Дело в том, что у обыкновенного тиристора есть как катод, так и анод, причем каждый из них выполняет строго определенную функцию, а вот у симистора все немного иначе.
Представим, что у нас есть и катод и анод, но когда симистор подключен и работает, то катод становится анодом, а анод — катодом. Вот такое чудесное превращение. Именно поэтому мы не можем сказать, что они здесь присутствуют в явном виде и будет просто называть их выходами (электродами).
Для того, чтобы точно не ошибиться, давайте будет называть выходы симистора условными катодом и анодом. Еще немного теории.
У симистора управление работает следующим образом: на входе полярность может быть либо отрицательной — это первый вариант.
Второй вариант — это тот, когда она совпадает с полярностью на аноде, что встречается реже. Далее все просто — задаем нужную силу тока и ее хватает для отпирания симистора.
Обратите внимание, что для тока специально сделан управляющий электрод, именно им мы и пользуемся для этой цели.
Вуаля! Главная сложность для нас здесь — это подобрать идеальный ток, вот и все!
Симистор схема
Теперь, когда мы уже знаем достаточно много о структуре симисторов и том, каким образом они обычно управляются, пришло время посмотреть, как они выглядят на схемах и что здесь есть интересного. Взгляните, например, на эту схему:
Здесь нам стоит сразу отметить, какие есть условные обозначения, чтобы дальше без проблем разбираться во всех схемах. Симисторы обычно имеют 3 электрода, один из которых — это затвор.
Его обозначают через английскую букву G. Что, уже гораздо больше понимания, верно? Отлично! Теперь давайте разберемся со схемой немного другого симистора.
Замечаете отличия? Да, ведь здесь симистор составлен из целых 2 тиристоров!
Ага, а почему же тогда это симистор? Почему нельзя было сюда поставить схему обычного эквивалентного тиристора? А все дело в том, что управляется такая схема несколько иначе.
Регулятор на симисторе
Теперь пришло время нам обсудить, каким образом симистор регулирует напряжение. Это на самом деле очень интересно. Смотрите. Как только симистор начинает работать, на один из его электронов сразу же подается напряжение, которое всегда является переменным.
Далее на управляющий электрод дается отрицательный ток, который и будет управлять процессом. Как будет преодолен порог включения (он всегда известен заранее, в этом и удобство), симистор откроется и ток начнет проходить через него.
Отметим, что симистор перестанет работать в тот момент, когда ток поменяет полярность (другими словами он закроется). Далее все идет цикл за циклом и повторяется.
Ага, вроде понятно. А что влияет на скорость открытия и закрытия симистора? Что влияет на силу на выходе? Здесь все опять же очень просто. При нарастании входного напряжения импульс на выходе также увеличивается.
Соответственно, если на входе маленькое напряжение — то и на выходе импульс будет короткий. Приведем в пример обыкновенную лампочку с симистором. Чем больше подаем напряжения — тем ярче лампочка.
Здорово, не так ли?
Режимы работы симистора
Симистор может работать как под воздействием отрицательного тока, так и под воздействием положительного. Всего выделяют четыре основных режима работы: все зависит от полярности и входного напряжения.
В чем главные достоинства симистора
Давайте рассмотрим симистор как реле. В такой роли у него много существенных преимуществ:
- дешево. Да, это тоже плюс. Ну а что? Когда вам нужно сразу много, то будет очень хорошо, если потратить нужно будет меньше
- служит очень долго (конечно же, по сравнению с другими приборами этого класса)
- надежность из-за отсутствия контактов
Но есть у него и минусы
Конечно, идеальных приборов пока не придумали, поэтому здесь мы тоже не в праве их скрывать:
- сильная чувствительность к высоким температурам
- работает только на низких частотах (уж слишком долго он открывается и закрывается)
- иногда бывают внезапные срабатывания из-за естественного внешнего электромагнитного воздействия
Как проверить симистор?
Поговорив о положительных и отрицательных моментах симистора, мы плавно подвели наше с вами изучение симисторов к очень важному аспекту, а именно — к проверке. Вы можете сказать? Что это еще за проверка. Наверняка это что-то бесполезное.
А мы вам ответим, что проверять симисторы — это очень важно, ведь на нем по сути держится весь электроприбор, и выявив брак или неисправность хотя бы в одном симисторе из партии, у вас есть шанс спасти целые электроприборы от серьезных поломок.
Но и здесь новички задают вопрос.
А на фабриках, где изготавливают эти симисторы разве их не проверяют. Вопрос этот очень интересен, но ответ тоже довольно прост. На заводах нет времени на проверку каждого отдельного симистора, поэтому от силы проверке может подвергаться один прибор из партии. Поэтому давайте теперь уже поговорим о том, как же все-таки можно проверить на исправность этот замечательный прибор.
Существует сразу несколько эффективных способов проверки симистора. Давайте подробно разберемся с каждым из них. Для начала сразу скажем, что проверять симистор внутри схемы — это совершенно неверное действие. Вам сначала обязательно нужно извлечь его из платы, а потом уже работать с ним. Почему?
Тут все очень просто. Если вы будете проверять свой симистор и при этом он будет внутри схемы, то вы можете проверить его и он будет неисправен, но на самом деле будет неисправен соседний элемент, подключенный к нему параллельно.
Поэтому нужно исключить все факторы, отключив симистор от схемы, выпаяв его. Отметим, что проверять нужно будет каждый отдельный элемент, иначе вы не сможете найти причину поломки.
Сначала, как правило, проверяют силовые цепи, потом уже переходят к ключам, сделанным из полупроводниковых материалов. Как же можно проверить полупроводниковые ключи:
- проверка мультиметром (например прозвонкой или омметром). Это работает по следующему принципу: используем мультиметр в режиме измерения сопротивления Контактами присоединяем к нашему симистору, а затем смотрим полученные измерения. Дело в том, что у исправного симистора значение на омметре должно быть большим или очень большим.
Вот так выглядит мультиметр - проверка батарейкой в паре с лампочкой. На первый взгляд такая идея может показаться глупой и нерациональной, но на деле же это не так. Давайте узнаем, как это работает. Тут все немного сложнее, но все по порядку. Для начала нам нужно будет подсоединить лампочку одним контактом к катоду (условному) нашего симистора. Далее второй контакт лампочки подключается к “отрицательной” стороне батарейки. Останется только присоединить “плюсовой” конец к аноду. Если лампочка горит нормально, то значит и симистор полностью рабочий.
Мощность симистора
Теперь, когда мы уже достаточно много знаем о симисторах, пришло время перейти к технической части. Как? Уже? Ага, вы уже к этому готовы.
Итак, самый главный аспект, который волнует всех покупателей этого замечательного прибора — это мощность. Конечно, под этим понимается обычно целая совокупность технических характеристик симистора. О них и пойдет речь.
Отметим, что мы разберем характеристики на примере довольно популярной модели — BT139-800.
Сначала давайте узнаем. Что вообще из себя представляют технические характеристики. Больше всего нас будут волновать:
- самое большое напряжение, которое только возможно
- самое большое напряжение, когда симистор открыт
- то напряжение, при котором симистор отпирается
- самый маленький ток, при котором открывается симистор
- температуры, при которых работает симистор
- время отклика (срабатывания)
Ага, вроде бы мы обо всем этом уже говорили, поэтому не так уж и сложно. Хорошо. Теперь о каждой характеристике немного подробнее.
Время отклика (срабатывания)
Скорость срабатывания симистора — это тоже очень важный параметр. Почему? Когда в цепи много таких симисторов и если каждый будет долго срабатывать, то большой аппарат будет очень долго реагировать на каждую команду или даже вообще не сможет работать.
У тока тоже есть своя скорость, а если на его задержку еще будет накладываться куча других, то прибор может стать ну очень медленным, поэтому на это тоже нужно обращать внимание. Наш симистор срабатывает в среднем за 2 микросекунды и это очень хороший результат. Формально, это то время, которое пройдет с момента, когда симистор начинает открываться и уже открыт.
Температура тоже важна
Симисторы, конечно же, работают при достаточно обычных для нас температурах. Однако при помещении его в критические условия будет лучше, если этот диапазон будет очень широким. Наш симистор работает при температуре от МИНУС 40, до ПЛЮС 125 градус по Цельсию. В обычной жизни этот диапазон оптимален, поэтому тут добавить нечего.
Самое большее возможное напряжение
В симисторе BT139-800 это 800 вольт и других моделей этот параметр может отличаться. Не стоит считать, что это напряжение, при котором симистор отлично работает.
Нет, напротив — это теоретическое напряжение, от которого симистор еще не выйдет из строя.
То есть при идеальных условиях для конкретной модели этот симистор еще вытянет такое напряжение в цепи, однако при превышении его шансов на дальнейшую работоспособностью почти нет. Идем дальше.
Минимальный ток управления
Начнем с того, что этот ток принято измерять в миллиамперах. Разумеется, все зависит от того, как определена полярность симистора в данное время, а также от полярности входного напряжения.
Наш симистор имеет мин ток управления от 5 до 22 миллиампер. Однако при проектировании схемы, в которой будет работать симистор, правильнее всего будет ориентироваться на максимальные значения тока.
Для нашего симистора это значения, которые находятся между 35 и 70 миллиамперами.
Прямое управление симистором с микроконтроллера
Иногда возникает необходимость порулить с микроконтроллера чем-то на 220 вольт, задумчиво покручивая фазу. Стандартный способ — сделать это через симистор с оптроном. Если управляете лампочкой — вам повезло. Если чем-то вроде коллекторного мотора от стиралки (индуктивной нагрузкой) — вперед, навстречу приключениям.
Постараюсь обобщить собственный опыт подобных конструкций, полученный при проектирование регуляторов скорости бормашинок со стабилизацией оборотов. То есть, область применения — индуктивная нагрузка, без гальваноразвязки. Сразу предупреждаю, я не большой мастер объяснять совсем с нуля, поэтому если что-то непонятно — спрашивайте.
Что же не так с оптроном?
Вариант неплохой, пока с лампочкой. С мотором понадобится снаббер (либо не самый дешевый и доступный оптрон).
Дело в том, что симисторы реагируют на резкий перепад напряжения в момент выключения (они выключаются при нулевом токе, а на индуктивной нагрузке фаза тока смещена).
В итоге триак может самопроизвольно включаться обратно, добавляя море радости. Снаббер сглаживает броски, и загоняет симистор в предсказуемый режим работы.
— Снаббер непосредственно на сам мотор — довольно тоскливый вариант. И по размерам и по расчетам. Допустим, мы хитровывернутые, и знаем про Subberless Triac (c dV/dt 200-1000). Берем, ставим.
Победа? А вот хрен! Внезапно обнаруживается, что силовой триак работает, но оптический продолжает дурить по тем же самым причинам.
И если бесснабберные силовые симисторы валяются занедорого на каждом углу, то оптроны — нет.
— Ну ок, делаем snubber network непосредственно на оптрон. Подробности в Panasonic Application Note 030, Driving Triacs with Phototriacs. Все понятно, номиналы не очень большие, можно развести SMD на плате. Но все равно, SMD-резисторов понадобится несколько последовательно, и совсем компактно развести не получится.
Альтернативы
Возникает логичный вопрос — а как бы избежать этих приключений и минимизировать высоковольтные компоненты. Давайте рулить симистором напрямую? Ну ок. Только вот симистору нужны отрицательные импульсы, и тут вариантов два:
— Делать питание микроконтроллера с «общим плюсом», огребая альтернативные приключения с негативными LDO и заведением сигналов на АЦП.
— Управлять триаком импульсами через конденсатор.
Последний подход почему-то не очень распространен, но весьма интересен. Для подробностей рекомендую почитать ST AN440. Triac control with a microcontroller powered from a positive supply. Нам нужен самый простой вариант:
Я такое проверял, работает отлично. И возможно кому-то понравится даже для управления лампочкой, за счет простоты. Компоненты низковольтные, можно располагать очень компактно.
Но и у этой схемы есть ограничения — ток микроконтроллера не резиновый, да и блока питания тоже.
Поэтому нам подойдут только те бесснабберные триаки, которым для управления хватает 10ма (это на ток нагрузки ~ 4А). Если вам такого достаточно — ну и отлично. Лично мне хватило.
Но что делать если нужны более толстые триаки, с током управления 35-60ма? Честно скажу, сам не пробовал, но придумал вот такой вариант:
Тут добавлено всего 2 детали и разнесены цепи разряда и заряда конденсатора. Разряжаем транзистором, ток можно сделать почти любым. А для заряда используем отдельный вывод микроконтроллера.
Пауза между импульсами очень большая, поэтому заряжать можно неспешно, без больших бросков тока.
По сравнению с предыдущей схемой аж 5 деталей, но напоминаю — это низковольтные компоненты, которые разводятся заметно компактнее варианта с оптроном.
Тут правда тоже есть ограничение — с ростом тока надо увеличивать емкость конденсатора. Но до 60ма значения будут вменяемые, а больше вам вряд ли когда понадобится.
Что еще нужно знать
— Чтобы триак оставался включенным после управляющего импульса, это надо делать не при нулевом напряжении, а немного позже
— По тем же причинам, т.к на индуктивной нагрузке ток запаздывает, при нулевом напряжении пытаться включать триак нельзя — он все еще «на старой полу-волне».
Можно конечно начать контролировать фазу тока, но по личному опыту — просто сделайте задержку на 10% от zero cross и не заморачивайтесь. Мотор вносит задержку процентов пять, ну может семь для экзотических случаев. А если посчитать не использованную энергию — там будут единицы процентов. Так что тут оптимизировать нет смысла.
Надеюсь, это кому-нибудь пригодится или будет хотя бы интересным :).
Загрузка...
