Симистор — принцип работы для чайника. Простыми словами показываю устройство, основы формирования электронного ключа, какие условия необходимо создать для его правильного переключения, как оценить работоспособность — 5 методик

Меня до сих пор малость смущает слово «чайник», хотя и применил его в названии статьи: “ Симистор — принцип работы для чайника”. Этот жаргон внедрен поколением людей, выросших вместе с компьютерными технологиями. Так они подчеркивают новичка, которому надо все подробно объяснять.

В этом жанре я постарался изложить всю информацию. Старые, бывалые электрики и так хорошо знают эту тему.

Что такое симистор и как он выглядит — кратко

Словосочетание «симметричный триодный тиристор» на английский язык переводится как symmetrical triode thyristor. Его же именуют triode for alternationg current (триод для переменного тока). Или сокращенно — triac (триак).

Все эти названия общеприняты, они встречаются в технической литературе. Вы можете столкнуться с любым из них.

Показываю фотографиями наиболее типичные конструкции корпусов, с которыми выпускаются эти полупроводниковые приборы.

На фото любого из них хорошо видно три контактных вывода. Они совместно с устройством корпуса изготавливаются под мощность номинальной нагрузки, которую должны передавать и коммутировать в режиме ключа.

Что такое ключ в электронике и электрике — образное пояснение

Сравним его работу с устройством входной двери, закрытой на замок.

Человек без ключа не сможет через нее пройти: замок надежно закрыт. Владелец квартиры и его доверенные люди имеют ключ, открывают дверь, свободно проникают в помещение.

Точно так же работают ключи в электрике, пропуская нагрузку. Только они управляются по команде и бывают трех типов:

1. Механическими.
2. Электромеханическими.
3. Электронными.

Электрический ток совершает работу, например, освещает помещение. А ключ позволяет человеку управлять этим процессом за счет использования определенных технологий. Они разрешают коммутировать силовые контакты и даже выполнять дополнительные действия.

Таблица: как работает электрический ключ

Основным недостатком механических и электромагнитных ключей является переключение силовых контактов, вынужденно разрывающих цепь нагрузки.

При этом возникает электрическая дуга, выжигающая поверхность контактирующих металлов.

Она же может стать причиной пожара или взрыва горючих сред.

Электронные ключи работают без дуги. Они имеют уменьшенные габариты, удачно вписываются внутри корпусов электроприборов.

Как происходит управление симистором: основные принципы

Электронные элементы (диоды, транзисторы, тиристоры, триаки) создаются под различные задачи, имеют разное количество полупроводниковых слоев. Понять принципы управления триаком нам поможет метод освоения информации от простого к сложному.

Основы протекания тока в полупроводниках я уже описывал ранее. У диода, состоящего из двух «p» и «n» переходов носителями зарядов выступают дырки и электроны.

При прямом подключении источника напряжения с нагрузкой образуется ток, а при обратном — прекращается. Этот процесс наглядно описывается вольт-амперной характеристикой (показана справа).

Такой алгоритм заложен в работу одного p-n перехода. По мере усложнения конструкции элементов их количество понемногу увеличивается.

Схема включения транзистора: 2 типа конструкций

Для начала уточняю возможности биполярных моделей.

Как работает биполярный транзистор

В работе этого ключа участвует два полупроводниковых перехода. Биполярный транзистор создается с одной из двух возможных структур:

1. p-n-p;
2. или n-p-n.

Кратко привожу пример устройства и работы по первому варианту.

В правой части картинки показаны характеристики зависимости токов через эмиттер и коллектор от приложенного напряжения на участках цепи эмиттер-база и коллектор-база.

Состояние полупроводниковых переходов меняется величиной приложенного к ним напряжения, чем достигают один из четырех режимов:

1. основной или активный (открыт коллекторный переход);
2. инверсный (открыт эмиттерный переход);
3. насыщенный (открыты оба перехода);
4. отсечка (закрыты оба перехода).

При эксплуатации используют в основном два последних режима за счет изменения тока через базу. Его прекращение закрывает ток через нагрузку, подключенную к коллектору, а подача с номинальным значением — открывает, то есть переводит в режим насыщения.

Конструкции с n-p-n переходами работают по этим же принципам, но направления токов у них меняются.

Как работает полевой (униполярный) транзистор

Рассмотрим на примере n-канальной структуры p-n-p. Для нашего случая этого вполне достаточно.

Ширина канала и тока Ic через сток и исток увеличивается при введении положительного напряжения на затвор (Uзи). Оно может достигать определенного порогового значения, при котором происходит закрытие транзистора.

Выходная ВАХ зависит от напряжения между стоком и истоком (Uси).

Подобные схемы отличаются повышенным быстродействием по отношению даже к биполярным модулям.

Схема включения тиристора: 2 варианта подключения для цепей постоянного и переменного тока

Этой теме я уже посвятил отдельную статью на своем блоге. Здесь же вкратце показываю, что в его структуре работает уже не три, а четыре полупроводниковых перехода, например, p-n-p-n.

Такую схему можно упрощенно представить составленной из двух одинаковых транзисторов (2 транзисторных ключа, подключенных встречно с коммутацией базы одного на коллектор другого).

ВАХ тиристора имеет две области смещений и 4 режима, из которых нас интересует только два:

1. открытое (1-2);
2. или закрытое состояние (0-1).

Они находятся в первом квадранте. Посмотрите внимательно на эту область. Она нам пригодится при уяснении работы триака.

Как подключают тиристоры для управления нагрузкой в бытовой сети 220 вольт

Возьмем за основу предыдущую схему и дополнительно включим в нее еще один тиристор со своей цепочкой управления. Так появится двухполупериодное выпрямление на нагрузке R.

Оно же вырабатывается на триаке.

Схема включения симистора: как создается уникальная ВАХ

Принципиально triac (симметричный управляемый диод) можно представить состоящим из тиристоров, собранных встречно параллельно. Поэтому его на электрических схемах так и обозначают.

Обратите внимание на его электроды анод и катод (+ и -). Они переименовались в Т1 и Т2. Встречаются иные обозначения. Связано это с тем, что triac способен пропускать одновременно обе полугармоники положительного и отрицательного направления переменной синусоиды.

Другими словами: триак работает как с прямым направлением тока, так и обратным.

Структуру его полупроводниковых слоев можно представить следующим видом.

А их вольт амперная характеристика в первом квадранте работает как у тиристора (прямые токи), а в третьем — симметрично вывернута (обратное направление), что еще раз демонстрирует принцип действия triac.

Такой полупроводник при эксплуатации отличается:

• высокой надежностью, обеспечивающей ему длительный ресурс;
• отсутствием подвижных контактных механизмов, создающих помехи в сети;
• допустимой стоимостью.

При этом надо учитывать, что он:

• требует отвода тепла (применения дополнительных радиаторов охлаждения), ибо при перегреве может сгореть;
• подвержен воздействию высокочастотных помех из электросети — в схему встраивается шунтирующая электрические шумы RC цепочка.

Технические возможности триака позволяют создавать на его основе не только электрические ключи, коммутирующие различные цепи, но и всевозможные регуляторы:

• мощности;
• изменения яркости освещения ламп;
• числа оборотов электродвигателей.

Как работает регулятор мощности на симисторе: самая простая схема из пяти доступных деталей и поясняющее видео

Сразу замечу, что новичка может ввести в заблуждение общепринятое слово «регулятор». Технически правильнее назвать сие изделие «ограничитель».

Схем, работающих на этом принципе, разработано очень много. Они используются, как в промышленности, так и при самостоятельном изготовлении. Дальше предлагаю ознакомиться с одной из простейших.

Такую конструкцию можно собрать своими руками новичку для получения практических навыков, поместить ее в небольшую коробочку. Она при размещении на теплоотводящем радиаторе позволяет управлять нагрузкой до 5 киловатт.

В работе схемы участвует всего 5 деталей:

1. Симистор BTA-41600B (продается в Китае).
2. Динистор DB3 можно найти в энергосберегающих лампах или в интернет магазине.
3. Резистор 500 Ом с мощностью рассеивания тепла от 1 ватта.
4. Конденсатор 0,1 микрофарада с допустимым напряжением от 250 вольт.
5. Переменный резистор с сопротивлением от 200 до 500 килоом.

Конструктивно регулятор можно выполнить простым навесным монтажом или разместить на монтажной плате. Это не принципиально, деталей мало.

Эта конструкция позволяет регулировать:

• температуру паяльника, нагревателей резистивного типа;
• обороты вращения коллекторных электродвигателей (пылесосы, стиральные машины, дрели, болгарки, перфораторы, шлифовальные машинки, электролобзики;
• свет от лампочек накаливания;
• ток зарядки автомобильных аккумуляторов;
• силу тока на первичной стороне трансформатора, но при этом создается искаженный сигнал, который несколько ухудшит процесс трансформации — электромагнитных преобразований.

В принципе это обычный диммер. Подобные изделия продаются в магазинах для ламп накаливания. Только он отличается небольшими доработками, упрощениями, не подходит к светодиодным и энергосберегающим источникам. Возможно их мерцание.

Схема не обеспечивает сохранение мощности на валу двигателя: при увеличении нагрузки, например, усиленном вдавливании резца в обрабатываемую деталь, обороты ротора падают.

Она вполне рабочая, но упрощена до минимума деталей. В ней даже трудно выделить все 4 основных узла, присущих подобным регуляторам. А это:

1. частотно задающая RC цепочка;
2. формирователь импульсов для отпирания симметричного управляющего диода;
3. силовой элемент — сам симистор;
4. демпферная RC цепочка (защищает триак от помех, возникающих на индуктивной нагрузке — электродвигателе).

Для любителей смотреть видеоролики рекомендую обратить внимание на видеоматериал Ростислава Михайлова, где он довольно доступно разъясняет эти 4 принципы работы симмисторного регулятора мощности.

Как проверить симистор новичку: 4 популярных способа с показом преимуществ, недостатков и типичных ошибок

Вопрос проверки возникает после того, когда выяснилось, что наш электроприбор стал неправильно работать или вообще отказал. При этом мы вначале осматриваем triac внешне.

Если на корпусе заметны трещины, сколы, следы нагара, то ему открыт путь в утиль. В остальных случаях требуется оценить работоспособность. Нужны проверки электрических характеристик. Для этого необходимо:

1. посмотреть маркировку полупроводника на корпусе;
2. уточнить технические характеристики по даташипу (так принято называть техническую документацию производителя).

Например, в интернете не сложно найти подобные сведения на симистор BTA-41600B, который работает в предыдущей схеме. Показываю их обычным скриншотом.

Я взял самый необходимый минимум. Нам важно определиться с критическими значениями параметров, запомнить их, не превысить при проверках. Иначе можем повредить исправный модуль, что новички делают часто.

Во время выполнения электрических проверок понимаем, что в подавляющем большинстве случаев неисправность может проявиться всего двумя дефектами:

1. замыканием или уменьшением сопротивления между любыми контактными выводами, что свидетельствует о внутреннем повреждении полупроводниковой структуры;
2. обрывом собранной внутри корпуса заводской схемы.

При этом учитываем, что обычный замер величин сопротивления между контактами не эффективен: требуется оценить в работе открытие и закрытие полупроводниковых переходов.

Дальше привожу четыре методики, которые позволяют с вероятностью до 95% выявить все неисправности. Как довести этот результат до 100% я объясняю в конце статьи.

Как проверить симистор на исправность за 6 шагов: только батарейка и лампочка

Эта методика подходит для триаков, которые стоят в бытовой технике: посудомоечных или стиральных машинах, пылесосах, блоках питания…

Шаг №1. Подготовка к проверке

Нам потребуется:

1. Источник напряжения в виде батарейки или аккумулятора от полутора до девяти вольт.
2. Лампочка накаливания от карманного фонарика или автомобильной подсветки.
3. Три гибких провода длиной порядка 15-20 см, желательно разной расцветки.

Облегчат проверку 5 зажимов типа крокодил (можно воспользоваться прищепками или любым паяльником для сборки схемы).

Один провод (показал черным цветом) разрезаем посередине и припаиваем к его концам контакты лампочки.

Для удобства работы все концы зачищаем и устанавливаем на них зажимы. На один провод (показал белым цветом) достаточно подключить только один крокодил.

После этого нам нужно убедиться в исправности батарейки и лампочки: крокодилы черного провода подключаем на клеммы источника питания, наблюдаем свечение. Если его нет, то выясняем причину.

Здесь же желательно измерить ток в этой цепочке: такая нагрузка будет подаваться на контакты проверяемого triac. Его нельзя спалить.

Шаг №2. Сборка схемы проверки

Ранее мы уже выяснили: какая клемма у симистора является управляющим электродом (G). Цепляем на нее зажим белого провода. Второй конец никуда не подключаем.

На оставшиеся контакты полупроводника (Т1 и Т2) сажаем зажимы от двух других проводов.

Вторые концы черного и синего проводов соединяем произвольно с клеммами батарейки (+) и (-).

Шаг №3. Проверка закрытого состояния полупроводника

Наблюдаем отсутствие загорания нити накала у лампочки. Поскольку она включена в разрыв силового перехода, то делаем вывод об его исправности: закрыт.

Возникновение же свечения будет свидетельствовать об образовании внутреннего шунта, что является дефектом.

Шаг №4. Проверка открытия полупроводникового перехода

Подача команды на запуск триака осуществляется кратковременной коммутацией (легким касанием и быстрым снятием) оголенного конца белого провода (G) на вывод Т2.

Этим действием мы подаем напряжение управления на симметричный управляемый диод при подключенном к его силовым выводам источнике тока, а затем снимаем.

Исправный triac откроется, лампочка засветится. Отсутствие свечения — явный признак внутренних повреждений.

Шаг №4. Проверка закрытия полупроводникового перехода

Выполняется кратковременным шунтированием (установкой перемычки) между силовыми выводами T1 и T2.

Лампочка погасла — переход исправен, осталась гореть — дефект полупроводника или перемычки (иногда «кривые руки» проверяющего).

На этом проверка одной части схемы триака (обычный тиристор) считается законченной.

Шаг №5. Сборка схемы проверки второй части triac

Симистор состоит из двух тиристоров. Дальше нам остается оценить его вторую половинку, проводящую ток в противоположном направлении.

Снимаем и меняем местами зажимы проводов, сидящих на клеммах батарейки (+ и -).

Шаг №6. Проверка работоспособности второй части

Повторяем последовательно все действия, расписанные выше в шагах №3, 4, 5. Убеждаемся, что второй переход:

1. нормально находится в закрытом состоянии;
2. при поступлении управляющего сигнала открывается;
3. по команде на отключение закрывается.

Эта методика позволяет источником постоянного тока с низким напряжением оценить косвенным способом состояние полупроводниковых переходов, коммутирующие цепи 220 вольт.

Как проверить симистор тестером: 2 особенности, которые надо знать и учитывать

Показываю на примере своей старенькой, но полностью рабочей цешки Ц4324, отмеченной знаком качества в семидесятых годах прошлого века.

Тестер может измерять сопротивление в двух режимах:

1. омметра;
2. килоометра.

При этом он работает по одним и тем же алгоритмам закона Ома, выполняя простые преобразования выходного стабилизированного напряжения в электрический ток, отклоняющий стрелку измерительной головки.

За счет переключателей режимов величина напряжения в разных позициях меняется. Показываю это фотографиями.

В положении омметра я своим карманным мультиметром замерил на выходных клеммах цешки всего 0,14 вольта.

Перевел ее в режим килоометра kΩ×1. Тестер выдает почти 3 вольта (напряжение открытия BTA-41600B составляет 1,5).

В обоих случаях стрелка прибора установилась на значок бесконечности (∞).

При проверках triac вам надо учитывать эту особенность, ибо значения 0,14 вольта явно не хватит для открытия полупроводникового перехода. Поэтому вы можете совершить ошибку: забраковать исправный прибор. Уточните характеристики своего тестера заранее.

Дальнейшая технология проверки триака тестером повторяет только что разобранную методику. Просто в нашем измерительном приборе уже имеется встроенный источник питания и внутренняя схема, выполняющая функцию нагрузки.

Индикатором протекания тока через силовые выводы полупроводника служит стрелка цешки, указывающая величину сопротивления подключенной цепочки.

Методика проверки за 5 шагов

Шаг №1. Сборка схемы

Тестер переводим в режим измерения сопротивлений. Его концы соединяем с силовыми выводами триака Т1 и Т2. На управляющий контакт G подключаем отдельный зажим с проводом.

Шаг №2. Оценка состояния закрытого перехода

На тестере смотрим положение стрелки:

1. позиция «∞» указывает на исправность прибора;
2. иное отклонение — брак.

Шаг №3. Оценка срабатывания

Закорачиваем вывод G на Т2 и снимаем провод. Наблюдаем открытие триака по отклонению стрелки.

В зависимости от модели и конструкции сопротивление исправного модуля составит примерно 20-80 Ом. При внутреннем обрыве оно не изменится.

Шаг №4. Оценка закрытия перехода

Кратковременно закорачиваем выводы Т1 и Т2. Исправный прибор закроется, стрелка тестера вернется на положение ∞.

Шаг №5. Оценка работоспособности второй части симистора

Чтобы сменить направление тока через силовой переход переключим концы на тестере.

После этого выполняем шаги №2, 3, 4. Каждый раз анализируем состояние триака.

Как проверить симистор мультиметром

При таком способе также важно оценить выходное напряжение прибора в режиме измерения сопротивлений. Показываю фотографией свой замер, который делал тестером. Результат — 3,6 вольта (9 делений из 30 на шкале +12 V).

Если ваш прибор подходит по выходному напряжению, то с его помощью смело проходите все пять шагов, которые я расписал для тестера. Повторятся не вижу смысла.

Тестер проверки симисторов: 2 варианта исполнения

Радиолюбители и промышленность разработали много полезных схем и конструкций для определения работоспособности различных электронных деталей. Новичкам полезно иметь следующий прибор.

Заводской тестер проверки симисторов

В торговле можно приобрести относительно дешево модуль LCR-T4 12864 9V или ему подобный. Он позволяет быстро и наглядно отслеживать состояние различных полупроводников, показывает их внутреннюю схему и характеристики.

Тестер проверки симисторов и тиристоров своими руками: как сделать и пользоваться

Привожу относительную простую схему, которую может спаять электрик начального уровня.

В качестве входного трансформатора можно использовать любой готовый с двумя выходными обмотками на 9 вольт и нагрузкой порядка 0,3 А. Его же не сложно рассчитать и намотать своими руками.

Со стороны 220 вольт трансформатор защищает плавкая вставка на 0,1 А.

Конденсаторы С1, С2, С5, С6, С7, С8: это электролиты с напряжением на 16 вольт, а остальные — керамические. Диодным мостом может работать любая сборка с напряжением на 50 вольт и током 1 ампер.

Выпрямительные диоды VD2 и VD3 подбираются по току 300 мА и напряжению 25 вольт.

Микросхемы: 7805 (аналог КР142ЕН5А, КР142ЕН5В) и 7905 (аналог КР1162ЕН5А, КР1162ЕН5Б, КР1179ЕН05).

Лампочка сигнализации — на 12 вольт, 0,15 ампера или близкая к этим параметрам.

Как пользоваться тестером

Испытания тиристоров и симисторов выполняются по одному индивидуально. Их устанавливают в соответствующие гнезда «Анод», «Катод», «Управляющий электрод».

Ключ тока управляющего электрода SA2 вначале устанавливают в положение, соответствующее открытию перехода. Переключатель SA1 — «Прямое напряжение».

Включают питание 220.

Как проверять тиристор

Шаг 1. После подачи питания на схему наблюдаем отсутствие свечения лампочки: закрытие полупроводникового перехода.

Шаг 2. Срабатываем кнопку SB2 «Запуск +». Контролируем загорание лампочки. Отпускаем кнопку — наблюдаем, что лампочка не тухнет и продолжает светиться (переход открыт).

Шаг 3. Срабатываем кнопку SB1 «Сброс». Контролируем погасание лампочки (закрытие перехода).

Как проверять симистор

Шаг 1. Устанавливаем модуль в гнезда, выполняем все три шага проверки тиристора.

Шаг 2. Переключаем ключ SA1 в положение — «Обратное напряжение».

Шаг 3. Срабатываем кнопку SB2 «Запуск +». Контролируем загорание лампочки. Отпускаем кнопку — наблюдаем, что лампочка не тухнет и продолжает светиться (переход открыт).

Шаг 4. Срабатываем кнопку SB1 «Сброс». Контролируем погасание лампочки (закрытие перехода).

Заключительный вывод

Основной недостаток всех перечисленных методик состоит в том, что они не могут вскрыть отдельные дефекты полупроводников, которые проявляются под напряжением 220 вольт, ибо работают с величинами до 9-12.

100% результат способна гарантировать только полная проверка в условиях эксплуатации с реальной нагрузкой и замером выходных характеристик.

Для ее выполнения потребуется:

1. Осциллограф с делителем напряжения, показывающий форму выходного сигнала;
2. Токоизмерительные клещи или амперметр, оценивающие величину выходного тока на нагрузке.

Только новичкам самостоятельно я не рекомендую делать такую проверку: она опасна и требует навыков работы под напряжением в действующих цепях, умения пользоваться сложными измерительными приборами.

В бытовых условиях проверяйте семистор любой из описанных выше методик пониженным напряжением. Они не представляют повышенной опасности.