Как подобрать симистор по мощности

Все полупроводниковые приборы основаны на переходах, и если трехпереходный прибор — это тиристор, то два трехпереходных прибора, включенных встречно-параллельно внутри одного общего корпуса, — это уже симистор, то есть симметричный тиристор. В англоязычной литературе он именуется «TRIAC» – триод для переменного тока.

Так или иначе, у симистора есть три вывода, два из которых силовые, а третий — управляющий или затвор (англ. GATE). При этом у симистора нет конкретных анода и катода, ибо каждый из силовых электродов в разные моменты времени может выступать как в роли анода, так и в роли катода.

В силу этих особенностей симисторы весьма широко применяются в цепях переменного тока. Кроме того, симисторы недорого стоят, имеют продолжительный строк службы, и не вызывают искрения, по сравнению с механическими коммутационными реле, чем и обеспечивают себе неугасающую востребованность.

Давайте же рассмотрим основные характеристики, то есть основные технические параметры симисторов, и разъясним, что каждый из них обозначает. Рассматривать будем на примере довольно распространенного симистора BT139-800, часто применяемого в разного рода регуляторах. Итак, основные характеристики симистора:

Максимальное повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии;

Максимальный, средний за период, ток в открытом состоянии;

Максимальный кратковременный импульсный ток в открытом состоянии;

Максимальное падение напряжения на симисторе в открытом состоянии;

Минимальный постоянный ток управления, необходимый для включения симистора;

Отпирающее напряжение управления, соответствующее минимальному постоянному отпирающему току;

Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии;

Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии;

Рабочий диапазон температур;

Для нашего примера оно составляет 800 вольт. Это то напряжение, которое будучи приложено к силовым электродам симистора теоретически еще не вызовет его выхода из строя. Практически же это максимально допустимое рабочее напряжение для коммутируемой данным симистором цепи, в условиях рабочей температуры, попадающей в допустимый температурный диапазон.

Даже кратковременное превышение этого значения не гарантирует дальнейшей работоспособности полупроводникового прибора. Следующий параметр пояснит данное положение.

Максимальное повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии

Данный параметр всегда указывается в документации, и обозначает он как раз критическое значение напряжения, являющееся предельным для данного симистора.

Это то напряжение, которое в пике нельзя превышать. Даже если симистор закрыт и не открывается, будучи установлен в цепи с постоянно действующим переменным напряжением, симистор не будет пробит, если амплитуда прикладываемого напряжения не превышает для нашего примера 800 вольт.

Если же к запертому симистору окажется приложено напряжение хоть чуть-чуть выше, хоть на долю периода переменного напряжения, его дальнейшая работоспособность производителем не гарантируется. Данное положение опять же относится к условиям допустимого температурного диапазона.

Максимальный, средний за период, ток в открытом состоянии

Так называемый максимальный среднеквадратичный (RMS — root mean square) ток, для тока синусоидальной формы это его среднее значение, в условиях приемлемой рабочей температуры симистора. Для нашего примера это максимум 16 ампер при температуре симистора до 100 °C. Пиковый ток может быть и выше, об этом сообщает следующий параметр.

Максимальный кратковременный импульсный ток в открытом состоянии

Это пиковый ток, который указывается в документации на симистор обязательно с приведением максимально допустимой продолжительности действия тока данной величины в миллисекундах. Для нашего примера это 155 ампер в течение максимум 20 мс, что означает практически, что время действия такого большого тока должно быть еще меньше.

Обратите внимание, что среднеквадратичный ток по прежнему не должен быть превышен ни при каких условиях. Это связано с максимальной рассеиваемой корпусом симистора мощностью и с максимально допустимой температурой кристалла менее 125 °C.

Максимальное падение напряжения на симисторе в открытом состоянии

Данный параметр указывает на максимальное напряжение (для нашего примера оно составляет 1,6 вольт), которое установится между силовыми электродами симистора в открытом состоянии, при указанном в документации токе в его рабочей цепи (для нашего примера — при токе в 20 ампер). Обычно чем выше ток — тем больше падение напряжения на симисторе.

Данная характеристика необходима при тепловых расчетах, ибо она косвенно сообщает разработчику о максимальной потенциальной величине рассеиваемой корпусом симистора мощности, что важно при подборе радиатора. Также с ее помощью предоставляется возможность оценить эквивалентное сопротивление симистора в заданных температурных условиях.

Минимальный постоянный ток управления, необходимый для включения симистора

Минимальный ток управляющего электрода симистора, измеряется в миллиамперах, зависит от полярности включения симистора в текущий момент времени, а так же от полярности управляющего напряжения.

Для нашего примера данный ток лежит в диапазоне от 5 до 22 мА в зависимости от полярности напряжения в управляемой симистором цепи. При разработке схемы управления симистором лучше приблизить величину управляющего тока к максимальному значению, для нашего примера это 35 или 70 мА (в зависимости от полярности).

Отпирающее напряжение управления, соответствующее минимальному постоянному отпирающему току

Чтобы установить минимальный ток в цепи управляющего электрода симистора, необходимо к этому электроду приложить определенное напряжение. Оно зависит от напряжения, приложенного в данный момент в силовой цепи симистора, а еще от температуры симистора.

Так, для нашего примера, при напряжении 12 вольт в силовой цепи, для гарантированной установки тока управления в 100 мА, необходимо приложить минимум 1,5 вольт. А при температуре кристалла в 100 °C, при напряжении в рабочей цепи 400 вольт, требуемое для цепи управления напряжение составит 0,4 вольта.

Критическая скорость нарастания напряжения в закрытом состоянии

Данный параметр измеряется в вольтах за микросекунду. Для нашего примера критическая скорость нарастания напряжения на силовых электродах составляет 250 вольт за микросекунду. Если эту скорость превысить, то симистор может ошибочно открыться невпопад даже без подачи на его управляющий электрод какого-либо управляющего напряжения.

Чтобы этого не случилось, необходимо обеспечить такие рабочие условия, чтобы напряжение на аноде (катоде) изменялось медленнее, а также исключить любые помехи, динамика которых превышает данный параметр (всякие импульсные помехи и т.д).

Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии

Измеряется в амперах за микросекунду. Если превысить эту скорость, то симистор будет пробит. Для нашего примера максимальная скорость нарастания тока в открытом состоянии составляет 50 ампер за микросекунду.

Для нашего примера это время составляет 2 микросекунды. Это то время, которое проходит от момента достижения током затвора 10% его пикового значения до момента, когда напряжение между анодом и катодом симистора упало до 10% его первоначального значения.

Рабочий диапазон температур

Обычно этот диапазон таков — от -40°C до +125°C. Для данного диапазона температур в документации приводятся динамические характеристики симистора.

В нашем примере корпус to220ab, он удобен тем, что допускает крепление симистора к небольшому радиатору. Для тепловых расчетов в документации на симистор приводится таблица зависимости рассеиваемой мощности от среднего тока симистора.

Полупроводниковый прибор, имеющий 5 p-n переходов и способный пропускать ток в прямом и обратном направлениях, называется симистором. Из-за неспособности работы на высоких частотах переменного тока, высокой чувствительности к электромагнитным помехам и значительного тепловыделения при коммутации больших нагрузок, в настоящее время широкого применения в мощных промышленных установках они не имеют.

Сегодня схемы на симисторах можно найти во многих бытовых приборах от фена до пылесоса, ручном электроинструменте и электронагревательных устройствах – там, где требуется плавная регулировка мощности.

Принцип работы

Регулятор мощности на симисторе работает подобно электронному ключу, периодически открываясь и закрываясь, с частотой, заданной схемой управления. При отпирании симистор пропускает часть полуволны сетевого напряжения, а значит потребитель получает только часть номинальной мощности.

Делаем своими руками

На сегодняшний день ассортимент симисторных регуляторов в продаже не слишком велик. И, хотя цены на такие устройства невелики, зачастую они не отвечают требованиям потребителя. По этой причине рассмотрим несколько основных схем регуляторов, их назначение и используемую элементную базу.

Схема прибора

Простейший вариант схемы, рассчитанный для работы на любую нагрузку. Используются традиционные электронные компоненты, принцип управления фазово-импульсный.

Основные компоненты:

симистор VD4, 10 А, 400 В;
динистор VD3, порог открывания 32 В;
потенциометр R2.

Ток, протекающий через потенциометр R2 и сопротивление R3, каждой полуволной заряжает конденсатор С1. Когда на обкладках конденсатора напряжение достигнет 32 В, произойдёт открытие динистора VD3 и С1 начнёт разряжаться через R4 и VD3 на управляющий вывод симистора VD4, который откроется для прохождения тока на нагрузку.

Длительность открытия регулируется подбором порогового напряжения VD3 (величина постоянная) и сопротивлением R2. Мощность в нагрузке прямо пропорциональна величине сопротивления потенциометра R2.

Дополнительная цепь из диодов VD1 и VD2 и сопротивления R1 является необязательной и служит для обеспечения плавности и точности регулировки выходной мощности. Ограничение тока, протекающего через VD3, выполняет резистор R4. Этим достигается необходимая для открытия VD4 длительность импульса. Предохранитель Пр.1 защищает схему от токов короткого замыкания.

Подбирать симисторы следует по величине нагрузке, исходя из расчёта 1 А = 200 Вт.

Используемые элементы:

Динистор DB3;
Симистор ТС106-10-4, ВТ136-600 или другие, требуемого номинала по току 4-12А.
Диоды VD1, VD2 типа 1N4007;
Сопротивления R1100 кОм, R3 1 кОм, R4 270 Ом, R5 1,6 кОм, потенциометр R2 100 кОм;
Конденсатор С1 0,47 мкФ (рабочее напряжение от 250 В).

Отметим, что схема является наиболее распространённой, с небольшими вариациями. Например, динистор может быть заменён на диодный мост или может быть установлена помехоподавляющая RC цепочка параллельно симистору.

Более современной является схема с управлением симистора от микроконтроллера – PIC, AVR или другие. Такая схема обеспечивает более точную регулировку напряжения и тока в цепи нагрузки, но является и более сложной в реализации.

Схема симисторного регулятора мощности

Сборка

Сборку регулятора мощности необходимо производить в следующей последовательности:

Определить параметры прибора, на который будет работать разрабатываемое устройство. К параметрам относятся: количество фаз (1 или 3), необходимость точной регулировки выходной мощности, входное напряжение в вольтах и номинальный ток в амперах.
Выбрать тип устройства (аналоговый или цифровой), произвести подбор элементов по мощности нагрузки. Можно проверить своё решение в одной из программ для моделирования электрических цепей – Electronics Workbench, CircuitMaker или их онлайн аналогах EasyEDA, CircuitSims или любой другой на ваш выбор.
Рассчитать тепловыделение по следующей формуле: падение напряжения на симисторе (около 2 В) умножить на номинальный ток в амперах. Точные значения падения напряжения в открытом состоянии и номинальный пропускаемый ток указаны в характеристиках симистора. Получаем рассеиваемую мощность в ваттах. Подобрать по рассчитанной мощности радиатор.
Закупить необходимые электронные компоненты, радиатор и печатную плату.
Произвести разводку контактных дорожек на плате и подготовить площадки для установки элементов. Предусмотреть крепление на плате для симистора и радиатора.
Установить элементы на плату при помощи пайки. Если нет возможности подготовить печатную плату, то можно использовать для соединения компонентов навесной монтаж, используя короткие провода. При сборке особое внимание уделить полярности подключения диодов и симистора. Если на них нет маркировки выводов, то прозвонить их при помощи цифрового мультиметра или «аркашки».
Проверить собранную схему мультиметром в режиме сопротивления. Полученное изделие должно соответствовать изначальному проекту.
Надёжно закрепить симистор на радиатор. Между симистором и радиатором не забыть проложить изолирующую теплопередающую прокладку. Скрепляющий винт надёжно заизолировать.
Поместить собранную схему в пластиковый корпус.
Вспомнить о том, что на выводах элементов присутствует опасное напряжение.
Выкрутить потенциометр на минимум и произвести пробное включение. Измерить напряжение мультиметром на выходе регулятора. Плавно поворачивая ручку потенциометра следить за изменением напряжения на выходе.
Если результат устраивает, то можно подключать нагрузку к выходу регулятора. В противном случае необходимо произвести регулировки мощности.

Симисторный радиатор мощности

Регулировка мощности

За регулировку мощности отвечает потенциометр, через который заряжается конденсатор и разрядная цепь конденсатора. При неудовлетворительных параметрах выходной мощности следует подбирать номинал сопротивления в разрядной цепи и, при малом диапазоне регулировки мощности, номинал потенциометра.

Принцип работы