Симисторы их устройство и принцип работы

---

Определение симистора.

Симистор — это полупроводниковый прибор, который является разновидностью тиристоров и используется для коммутации в цепях переменного тока. В электронике часто рассматривается как управляемый выключатель (ключ).

Основные характеристики симистора

Характеристики симистора которые определяют его работу:

Обозначение	Параметр	Описание
$V_{DRM}$	Максимальное обратное рабочее напряжение	Наибольшее напряжение «анод–катод» (MT2–MT1) в прямом направлении, при котором прибор остаётся запертым. Обычно 200–1200 В.
$V_{RRM}$	Максимальное обратное рабочее напряжение	Аналогично VDRM, но для отрицательного полупериода.
$I_{T(RMS)}$	Номинальный ток в нагрузке (RMS)	Допустимый сквозной ток в переменном режиме (синусоида), часто 4–50 А и выше.
$I_{TSM}$	Пиковый импульсный ток	Максимальный повторный или одиночный ток короткого импульса (10…100 µs), который симистор способен выдержать без разрушения.
$I_{GT}$	Минимальный управляющий ток	Наименьший ток затвора, при котором прибор гарантированно откроется (обычно 5–50 мА).
$V_{GT}$	Напряжение управления	Минимальное напряжение «затвор–катод», при котором обеспечивается срабатывание при заданном IGT.
$I_H$	Ток удержания	Минимальный ток в проводящем состоянии, при падении которого симистор перейдёт в блокированное состояние (обычно 50…500 мА).
$\frac{dV}{dt}$	Пороговая скорость нарастания напряжения	Максимальная скорость изменения UAK, при которой прибор не включится самопроизвольно (10…1000 В/µs).
$\frac{dI}{dt}$	Пороговая скорость нарастания тока	Максимальная крутизна тока при включении, которую симистор может «прократковременно» выдержать (0,1…10 A/µs).
$R_{th(j–c)}$	Тепловое сопротивление «кристалл–корпус»	Характеризует способность отвода тепла от чипа к корпусу (0,5…2 °C/Вт).
$T_{j max}$	Максимальная температура кристалла	Наибольшая рабочая температура p–n структуры (125…150 °C).
$t_q$	Время отключения	Время, требуемое для восстановления блокирующего состояния после снятия тока затвора.

Обозначение на схеме

Симистор обычно представлен следующим образом на сxемах.

На этой упрощённой схеме показана внутренняя структура силового симистора/тиристора и его выводы:

• T1 (верхний вывод, «условный катод») – один из силовых электродов прибора.
• T2 (нижний вывод, «условный анод») – второй силовой электрод.
• G (справа, «затвор» или «управляющий электрод») – вспомогательный вывод, через который подаётся управляющий ток для включения прибора.

Толстые горизонтальные линии соответствуют выводным электродам; между ними изображены два пересекающихся треугольника, символизирующих внутренние p-n переходы (PNPN-структуру), из которых и складывается работа симистора/тиристора. При подаче управляющего импульса на затвор G структура «защелкивается» и начинает проводить ток между T2 и T1.

Краткий обзор истории развития симисторов.

В 1963 году General Electric представила новый полупроводниковый прибор, который впоследствии стал известен как симистор, что сделало его важным шагом в области электроники. Эта деталь, изначально названа триаком, отличался от традиционных тиристоров наличием двух управляющих электродов, что сделало его более приспособленным для управления переменным током.

Симисторы предназначены для коммутации переменного тока вместо двух встречно-параллельных тиристоров. В их основе лежит способность изменять управляющие сигналы, чтобы управлять потоком тока через них. Симисторы имели ряд преимуществ по сравнению с традиционными тиристорами, включая то, что они компактны, проще управлять ими, имеют меньше выводов и имеют более высокую надежность.

Ключевые характеристики симисторов, такие как напряжение отпирания, ток удержания и время включения/выключения, изменились с течением времени. Эти изменения сделали симисторов более приспособленными к различным условиям работы и более эффективными в управлении.

Принцип работы симистора

Симистор — это устройство на основе полупроводниковых элементов, применяемое для переключения в цепях переменного тока. Он формируется объединением двух тиристоров, которые соединены параллельно и обладают тремя выводами: затвор (G) и два силовых электрода (T1 и T2). Симистор способен проводить ток в обе стороны, зависящий от полярности напряжения на электродах и управляющего импульса на затворе.

Работа симистора базируется на явлении автономного включения тиристоров, возникающего при достижении определенного уровня напряжения на его электродах. При достижении порогового напряжения один из тиристоров активируется, начиная проводить ток. Это приводит к падению напряжения на другом тиристоре, который также включается, усиливая ток через симистор. Таким образом, симистор переходит из состояния высокого сопротивления в состояние низкого сопротивления.

Чтобы выключить симистор, необходимо уменьшить ток через него до уровня удержания, который зависит от температуры и других параметров прибора. Симисторы широко используются в области силовой электроники для контроля температуры, освещения, нагрева и других нагрузок. Импульсные источники питания, преобразователи частоты, инверторы и другие электронные устройства также используют их.

Симистор, в отличие от транзистора, обладает способностью пропускать ток в обоих направлениях. Напротив, транзисторы обычно используются для усиления или переключения электрической мощности и электронных сигналов. После отпирания симистор управляет током; он остается включенным до тех пор, пока ток нагрузки не опустится ниже уровня удержания, обеспечивая автоматическое отключение нагрузки.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ)

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) симистора визуально напоминает симметричную $S$-образную кривую, развернутую в первом и третьем квадрантах системы координат (напряжение анод-катод $U_{ak}$ по горизонтали, ток $I_{ak}$ по вертикали). Эта симметрия отражает его ключевую способность проводить ток в обоих направлениях при подаче управляющего импульса на затвор.

ВАХ Симистора В Закрытом Состоянии

В закрытом состоянии (низкое напряжение $U_{ak}$) симистор ведет себя как очень большое сопротивление, и через него течет лишь незначительный ток утечки. Кривая в этой области проходит близко к оси напряжения. По мере роста $U_{ak}$ в прямом или обратном направлении наступает момент, когда напряжение достигает напряжения включения $U_{BO}$ (Breakover Voltage). Это критическая точка лавинного пробоя p-n-переходов структуры, после которой симистор резко открывается без участия управляющего сигнала, и ток скачкообразно возрастает при резком падении напряжения на приборе. Этот режим является аварийным и может привести к повреждению.

График ВАХ Симистора В Закрытом Состоянии

На графике показана только закрытая область ВАХ симистора, где через прибор идёт малый ток утечки, пропорциональный приложенному напряжению (область до лавинного пробоя ±30 В). Ток остаётся микроскопически малым (на уровне единиц микроампер), что иллюстрирует высокое off-сопротивление устройства.

ВАХ Симистора В Нормальном Проводящем Режиме

Нормальный режим работы симистора основан на управляемом включении. При подаче достаточного тока управления $I_g$ на затвор (вне зависимости от полярности $U_{ak}$) характеристика резко «срывается» в область низкого прямого падения напряжения (обычно 1-2 В). При этом симистор лавинообразно открывается («защелкивается») и начинает проводить основной ток нагрузки. Кривая в открытом состоянии круто поднимается вверх, оставаясь вблизи оси тока — напряжение на открытом симисторе мало и слабо зависит от величины протекающего тока (в пределах номинала).

График ВАХ Симистора В Нормальном Проводящем Режиме

На графике показан нормальный (управляемый) режим проводимости симистора:

• До достижения падения на открытом приборе $U_d \approx1,5 В$ ток через симистор практически отсутствует.
• После подачи управляющего импульса устройство «защелкивается» и в проводящем состоянии выдерживает нарастание тока, при этом падение напряжения остаётся близким к своему диодному значению ($U_d$) плюс небольшая часть, зависящая от динамического сопротивления Ron.
• В области $U_{ak} > U_d$ (первый квадрант), ток растёт по закону $I=\frac{(U_{ak}−U_d)}{R_{on}}$, что иллюстрирует низкое прямое сопротивление открытого прибора.
• В третьем квадранте картина зеркальна при обратном напряжении и управлении.

Нормальная ВАХ — это почти линейная зависимость тока от ($U_{ak}−U_d$) с очень малым угловым коэффициентом ($R_{on}$).

Гистерезис ВАХ Симистора При Выключении

Важной особенностью ВАХ является гистерезис при выключении. Чтобы закрыть симистор, необходимо не просто снять сигнал с затвора, а снизить ток через основные электроды ниже величины тока удержания $I_H$ (Holding Current). При этом характеристика скачком возвращается в область закрытого состояния. На практике это обычно происходит при естественном переходе тока нагрузки через ноль в сети переменного тока.

График гистерезиса ВАХ Симистора При Выключении

На графике видно явный гистерезис: при росте напряжения устройство переходит в проводящее состояние лишь при $U_{ak} ≥ U_{BO}$ (30 В), а при обратном спаде остаётся проводящим до тех пор, пока ток не снизится ниже тока удержания $I_H$ (0,5 A), что соответствует напряжению около 2 В. При дальнейшем снижении напряжения ниже этой точки симистор «выключается» и ток возвращается к микротокам утечки. Такой разрыв точек включения и выключения и образует петлю гистерезиса В-А характеристики.

Динамическая ВАХ

Динамическая ВАХ также отражает критическую чувствительность симистора к скорости нарастания напряжения $\frac{dU}{dt}$. Даже в закрытом состоянии слишком крутой фронт напряжения $U_{ak}$ может индуцировать ток, достаточный для самопроизвольного включения без управляющего сигнала. На графике это проявляется как «соскальзывание» рабочей точки в область открытого состояния до достижения $U_{BO}$.

График динамической И Статической ВАХ Симистора

На этом графике показаны две характеристики: статическая ВАХ (сплошная линия) и динамическая ВАХ (пунктир), возникающая при быстром нарастании напряжения (высоком $\frac{dU}{dt}$). Видно, что в динамическом режиме симистор «пробивается» при более низком напряжении (примерно $U_{BO_dyn} = ±25 В$, зелёные штриховые линии), тогда как в статике условие пробоя наступает при ±30 В (оранжевые пунктирные линии). После перехода в проводящее состояние обе кривые сходятся в линейной области низкого падения напряжения $U_d$ и идут по закону ($\frac{U_{ak} – U_d)}{R_{on}}$. Такое смещение порога пробоя вниз при высоком $\frac{dU}{dt}$ и иллюстрирует критическую чувствительность симистора к скорости нарастания напряжения, когда даже без управляющего сигнала он может самопроизвольно включиться.

Квадрантная характеристика срабатывания симистора

На представленной иллюстрации показаны все четыре возможных сочетания полярности напряжения на основных выводах симистора ($MT2$ относительно $MT1$) и направления тока управления затвором — то, что в литературе называют «четырьмя квадрантами» работы прибора.

В том случае, когда на $MT2$ подаётся положительный потенциал относительно $MT1$ и на затвор подаётся тоже положительный импульс (ток течёт от затвора к $MT1$), симистор открывается в первом квадранте при наименьшем управляющем напряжении. Если же основное напряжение остаётся тем же ($MT2$ выше $MT1$), а на затвор подаётся отрицательный импульс (ток от $MT1$ в затвор), сработка всё ещё возможна, но уже во втором квадранте, и порог срабатывания оказывается выше.

При смене знака основного напряжения ($MT2$ становится отрицательным относительно $MT1$) открытие симистора в третьем квадранте происходит при отрицательном управляющем токе (от $MT1$ к затвору), а если одновременно затвор смещён в положительную сторону (ток от затвода внутрь), прибор включается в четвёртом квадранте — самый «трудный» режим, поскольку здесь требуются наибольшие импульсы на затворе.

Выбор рабочей четверти напрямую влияет на величину требуемого управляющего импульса и энергетические потери, так что при проектировании схем фазового управления нагрузкой важно учитывать, в каких квадрантах будет происходить запуск симистора могут варьироваться в зависимости от конкретного типа симистора и его производителя.

Применение симисторов

Симисторы находят обширное применение в электронике и силовой электротехнике благодаря своей способности управлять мощностью в цепях переменного тока. Их роль заключается в функциях включения/выключения нагрузки и, что особенно ценно, плавного регулирования мощности (диммирования) путем изменения фазы включения относительно нуля сетевого напряжения.

Одно из самых массовых применений — регуляторы яркости ламп (диммеры) для ламп накаливания и галогенных ламп. Здесь симисторы идеальны из-за резистивного характера нагрузки и необходимости точного управления мощностью. Аналогичным образом они управляют нагревательными элементами в бытовых приборах (электрочайники, плиты, утюги), промышленных печах и системах поддержания температуры, где требуется плавная регулировка тепла.

В управлении электродвигателями переменного тока (особенно коллекторными, как в дрелях, пылесосах, вентиляторах) симисторы также востребованы для регулировки скорости вращения. Однако здесь их применение сложнее из-за индуктивного характера нагрузки, требующего дополнительных защитных цепей (снабберов) для подавления выбросов напряжения и обеспечения надежного выключения при сдвиге фазы тока и напряжения.

Симисторы часто служат бесконтактными выключателями в релейных схемах, заменяя механические реле для управления мощными нагрузками (освещение, ТЭНы, трансформаторы малой мощности). Это обеспечивает бесшумность, долговечность и отсутствие искрения. Их можно встретить в стабилизаторах напряжения, где они коммутируют отводы обмоток автотрансформатора, и в простых пусковых устройствах для электродвигателей.

Бытовая электроника — еще одна обширная область: симисторы управляют нагревателями в кофеварках, стиральных машинах (ТЭНы), посудомоечных машинах, системах кондиционирования. В более сложных системах, таких как промышленная автоматика и управление освещением, они выполняют функции коммутации силовых цепей по сигналу контроллера.

Примеры применения симисторов в реальной схеме

Схема представляет собой классический фазовый регулятор мощности (диммер) для нагрузки от сети 220 В. Основу силового тракта составляет симистор (или $TRIAC$) $T1$, включённый последовательно с нагрузкой (например, лампой) и питающей сетью. Управление симистором осуществляется цепью $R1–C–DB3–R2$: при каждом новом полупериоде напряжения на конденсаторе (0,1 µF) начинается заряд через переменный резистор $R1$ (420 кОм). Как только напряжение на конденсаторе достигает порога срабатывания диака $DB3$ (около 30…35 В), происходит резкий разряд через ограничительный резистор $R2$ (510 Ω) в затвор симистора, открывая его на остаток полупериода. При переходе тока через ноль симистор автоматически закрывается, конденсатор разряжается, и процесс повторяется заново. Путём изменения сопротивления $R1$ можно сдвигать момент срабатывания диака внутри полупериода (угол открытия симистора), тем самым плавно регулируя долю включенного времени в каждом полупериоде и яркость лампы.

Преимущества и недостатки

Основные преимущества заключаются в их простоте и эффективности для управления мощностью в цепях переменного тока. Управление осуществляется подачей относительно маломощного сигнала всего на один управляющий электрод, что значительно упрощает схемы управления по сравнению с механическими реле или даже парой встречно-параллельных тиристоров. Будучи полупроводниковыми приборами, симисторы не имеют механических частей, что обеспечивает им высокую надежность, долгий срок службы, бесшумную работу и отсутствие искрообразования. Они способны коммутировать значительные токи в компактном корпусе и работают очень быстро, что позволяет реализовывать плавное регулирование мощности (диммирование) с высокой точностью фазы включения. Для резистивных и емкостных нагрузок (например, лампы накаливания, нагреватели) они часто являются наиболее экономичным и практичным решением.

Однако, симисторы имеют и существенные недостатки, которые необходимо учитывать. Они весьма чувствительны к быстрым скачкам напряжения ($\frac{dU}{dt}$) и тока ($\frac{dI}{dt}$), что может приводить к их самопроизвольному включению или повреждению, особенно в «шумной» электромагнитной среде, требуя дополнительных защитных цепей (снабберов). Частота коммутации у них ограничена; при работе на высоких частотах возникают трудности с надежным выключением при переходе тока через ноль. Особенно проблематичны индуктивные нагрузки (двигатели, трансформаторы), так как ток и напряжение в них сдвинуты по фазе. Это может вызвать задержку выключения симистора после перехода напряжения через ноль, приводя к его перегреву и потенциальному сбою. Даже при работе в номинальном режиме симисторы рассеивают мощность в виде тепла, особенно при коммутации больших токов или неполном открытии (режим диммирования), что требует обязательного применения радиаторов соответствующего размера для эффективного отвода тепла. Кроме того, они создают электромагнитные помехи (EMI) в момент включения, когда нагрузка подключается к сети при ненулевом напряжении.

Выбор симистора оправдан там, где требуется простое и надежное управление мощностью переменного тока в пределах его рабочих частот, особенно для резистивных нагрузок. Однако для индуктивных нагрузок, высокочастотных применений или в условиях сильных электромагнитных помех их использование сопряжено с дополнительными сложностями и рисками, требующими тщательного проектирования схем защиты и охлаждения.