Симистор
Симистор – полупроводниковый прибор, который широко используется в устройствах, питающихся переменным напряжением. Упрощенно симистор может рассматриваться как управляемый выключатель. В закрытом состоянии он похож на разомкнутый тумблер. Но при подаче управляющего тока на управляющий электрод симистора, он переходит в проводящее состояние.
При отсутствии управляющего тока симистор во время любого полупериода переменного напряжения питания неизбежно переходит из открытого в закрытое состояние.
Кроме работы в релейном режиме в термостате или светочувствительном выключателе, разработаны системы регулирования мощности, функционирующие по принципу фазоимпульсного управления напряжением нагрузки, или, другими словами, плавные регуляторы (диммеры).
Условно симистор можно представить двумя тиристорами, включенными параллельно-встречно. Он пропускает ток в обоих направлениях. Структура симистора показана на рисунке ниже.
Симистор имеет три электрода: управляющий и два для пропускания рабочего тока. Существуют различные варианты корпусов и цоколевок симисторов.
Особенности работы симистора. Квадранты.
Симистор открывается, если через управляющий электрод проходит отпирающий ток или если напряжение между его электродами А1 И А2 превышает некоторую максимальную величину. (При максимальной амплитуде напряжения питания может происходить несанкционированное срабатывание симистора). Симистор закрывается после изменения полярности между его выводами А1 и А2 или если значение рабочего тока меньше тока удержания Iуд.
В режиме переменного питания смена состояний симистора вызывается изменением полярности напряжения на рабочих электродах А1 и А2. И в зависимости от полярности управляющего тока можно определить четыре варианта управления симистором.
Итак, например, если между рабочими электродами А1 и А2 симистора прикладывается напряжение больше нуля и напряжение на управляющем электроде отрицательно по отношению к аноду А1, то смещение симистора соответствует второму квадранту. Отпирающий ток (ток управляющего электрода) должен сохраняться до тех пор, пока ток между электродами А1 и А2 не превысит в два-три раза величину тока удержания. Этот минимальный отпирающий ток и является током включения симистора. Если убрать ток через управляющий электрод, симистор останется в проводящем состоянии до тех пор, пока анодный ток будет превышать ток удержания. Самым нежелательным для работы симистора является четвертый квадрант.
Есть некоторые величины, которые могут быть критичными при работе симистора. Это величины скорости изменения напряжения (dV/dt) между анодами симистора и скорости изменения рабочего тока (di/dt).
Во время перехода симистора из закрытого состояния в открытое внешней цепью может быть вызван значительный ток. В то же время мгновенного падения напряжения на рабочих электродах не происходит. А значит, одновременно будут присутствовать напряжение и ток, развивающие мгновенную мощность, которая может достигнуть значительных величин. Рассеиваемая энергия вызовет резкое повышение температуры p-n переходов. При превышении критической температуры, вызванным чрезмерной скоростью нарастания тока di/dt, симистор может разрушиться.
Симистор характеризуется скоростью нарастания напряжения в закрытом состоянии и открытом. Последнее также называется скоростью переключения).
При чрезмерной скорости нарастания напряжения на электродах А1 и А2 закрытого симистора, он может открыться даже при отсутствии сигнала на управляющем электроде. Это явление вызывается внутренней емкостью симистора. Ток заряда этой емкости может быть достаточным для отпирания симистора.
Но не только это является причиной несвоевременного открытия. Как правило максимальная величина dV/dt не велика и слишком быстрое изменение напряжения на выводах симистора в момент его запирания может вызвать новое включение. Симистор заново отпирается, в то время как должен закрыться.
Защита симистора
Для защиты от внешних перенапряжений ограничения влияния dV/dt и тока перегрузки, а также при индуктивной нагрузке желательно использовать защитную RC-цепочку.
Расчет значений R и C зависит от многих параметров, которые с трудом поддаются точному описанию. Поэтому часто принимают во внимание эмпирические значения. Включение сопротивления 39-150 Ом и конденсатора 100 нФ дает удовлетворительные результаты. При этом значение сопротивления должно быть гораздо меньше (или одного порядка), чем величина полной нагрузки, являясь достаточно высоким для того, чтобы ограничить ток разряда конденсатора с целью соблюдения максимального значения di/dt в момент отпирания.
RC-цепочка улучшает открытие симистора, управляющего индуктивной нагрузкой. Ток разряда конденсатора устраняет влияние задержки индуктивного тока, поддерживая рабочий ток выше минимального тока удержания. Защитить симистор можно также подключив варистор параллельно его выводам А1 и А2.
Дополнительной защитой может служить варистор, подключенный к выводам индуктивной нагрузки. Варистор, включенный параллельно питающему напряжению, будет выступать в качестве фильтра помех в цепи питания.
Фазоимпульсное управление мощностью на нагрузке
Симисторные регуляторы состоят из двух основных частей. Самого симистора и узла управления. В качестве управляющего звена как правило применяются динисторы. Динисторы – это полупроводниковые приборы симметричного типа, не обладающие полярностью. Динистор пропускает ток в двух направлениях и фактически является переключающим диодом. Он будет работать в обоих направлениях не зависимо от полярности питания на его выводах. Когда напряжение на контактах симметричного динистора превышает некоторое значение, называемое напряжением включения, происходит резкое уменьшение падения напряжения.
Переход симметричного динистора в проводящее состояние происходит лавинообразно и подобен отпиранию симистора. Поведение динистора аналогично поведению симистора при напряжении переключения.
С помощью переменного резистора, включенного последовательно заряжаемому конденсатору, мы, по сути, меняем время заряда конденсатора. Чем больше сопротивление резистора, тем дольше заряжается конденсатор. Следовательно, динистор будет срабатывать реже и наоборот. Этот резистор с конденсатором образуют времязадающую цепочку. (Для примера смотрите схему в статье китайский регулятор мощности)
Динистор подает короткие импульсы на управляющий электрод симистора. Симистор срабатывает, сетевое питание идет в нагрузку через открытый симистор и переход остается открытым пока сетевое напряжение не сменит полярность.
Если в ШИМ-регуляторах регулировка мощности осуществляется изменением длительности импульса, в фазоимпульсных регуляторах все иначе. Так как в сети ток синусоидальной формы, вращая переменный резистор мы частично отсекаем синус в нагрузке. Чем больше отсекается синус, тем меньше мощности поступает на нагрузку. Такие отсекания или обрезания синусоиды происходят по следующей причине.
Динистор подает короткий импульс, в момент подачи импульса симистор открывается и пропускает часть синусоиды. Динистор сразу закрывается так как на конденсаторе напряжение падает ниже 32 вольт, ранее он разрядился через динистор и открытый симистор. Но симистор по-прежнему открыт, он закроется только если убрать напряжение с рабочих электродов А1 и А2. При работе с переменным током синусоида проходит через нулевую точку (верхний полупериод закончился, а нижний еще не начался), напряжение равно нулю. И симистор закроется именно в этот момент.
