Симисторы (симметричные или двунаправленные тиристоры – триаки или triac) – полупроводниковые ключи, предназначенные для работы в сетях переменного напряжения, проводящие ток в обоих направлениях и имеющие симметричную вольт-амперную характеристику. В большинстве случаев симисторы используются в качестве ключевого регулятора переменного тока, вытеснив применяемые ранее для этого устройства, состоящие из двух встречно-параллельно включенных тиристоров.

На рисунке 1 приведены полупроводниковая структура симистора и квадранты с указанием напряжений на электродах для каждого режима работы.

 

 

Рис. 1. Полупроводниковая структура симистора и напряжения на электродах при работе
в четырех квадрантах

Триак может управляться как положительным, так и отрицательным напряжением между управляющим электродом (затвором) и МТ1 (Main Terminal 1 – основной электрод 1 симистора). Эта особенность позволяет симистору работать во всех четырех секторах. При работе симистора на нагрузку в сети переменного тока 220 В (регуляторы скорости вращения двигателя, регуляторы яркости лампы или диммеры) полярности затвора и основного электрода МТ1 всегда совпадают. Из этого следует, что в таких случаях симисторы работают в первом и третьем квадрантах. При этом параметры коммутации триаков практически одинаковы, а затвор обладает максимальной чувствительностью. Вольт-амперная характеристика переключения для этого случая и основные параметры симистора приведены на рисунке 2.

 

 

Рис. 2. Вольт-амперная характеристика и основные параметры симисторов

Ток удержания характеризует минимальное значение тока через симистор, при котором он еще находится в открытом состоянии. Если посмотреть на полупроводниковую структуру симистора, то можно убедиться, что этот прибор не может иметь идеальную симметрию характеристики и параметров, поэтому производители не выпускают триаки на очень большие токи, какие достижимы у тиристоров. Кроме того, у симисторов могут отличаться значения токов управления для разных квадрантов (эти параметры приводятся в документации производителя). Основные параметры наиболее популярных симисторов фирмы ON Semiconductor отражены в таблицах 1 и 2. Наименования для бессвинцовых компонентов производитель приводит с окончанием «G» (от слова Green – зеленый или экологически чистый, в данном случае – не содержащий свинца и других вредных веществ).

Таблица 1. Основные параметры симисторов ON Semiconductor малой и средней мощности

Наименование	Корпус	Iмакс. (А)	Uмакс. (В)	Iперегруз. (А)	IGT (ток затвора), мА (макс.)
					Q1	Q2	Q3	Q4
MAC97A6	TO-92 (TO-226AA)	0,6	400	8,0	5,0	5,0	5,0	7,0
MAC97A8			600
Z0103MA		1,0	600		3,0	3,0	3,0	5,0
Z0107MA					5,0	5,0	5,0	7,0
Z0109MA					10	10	10	10
Z0103MN	SOT-223				3,0	3,0	3,0	5,0
Z0107MN					5,0	5,0	5,0	7,0
Z0109MN					10	10	10	10
T2322B	TO-225AA (TO-126)	2,5	200	25	10	10	10	10
2N6073A		4,0	400	30	5,0	5,0	5,0	10
2N6075A			600
MAC4DHM	D-PAK (Case 369C)			40	5,0	5,0	5,0	10
MAC4DSM					10	10	10	–
MAC4DSN			800
MAC4DCN					35	35	35	–

Таблица 2. Основные параметры симисторов ON Semiconductor в корпусах TO-220 

Наименование	Корпус	Iмакс. (А)	Uмакс. (В)	Iперегруз. (А)	IGT (ток затвора), мА (макс.)
					Q1	Q2	Q3	Q4
T2500D	TO-220AB	6	400	60	25	60	25	60
MAC8N	TO-220AB	8	800	80	35	35	35	–
MAC9M	TO-220AB		600		50	50	50	–
MAC9N	TO-220AB		800
MAC228A8	TO-220AB		600		5	5	5	10
MAC228A10	TO-220AB		800
BTA08-600CW3G	TO-220AB Isolated*		600	90	50	50	50	–
BTA08-800CW3G	TO-220AB Isolated		800
BTB08-600CW3G	TO-220AB		600
BTB08-800CW3G	TO-220AB		800
BTA08-600BW3G	TO-220AB Isolated		600		90	50	50	–
BTA08-800BW3G	TO-220AB Isolated		800
BTB08-600BW3G	TO-220AB		600
BTB08-800BW3G	TO-220AB		800
MAC12SM	TO-220AB	12	600		5	5	5	–
MAC12SN	TO-220AB		800
MAC12M	TO-220AB		600	100	35	35	35	–
MAC12N	TO-220AB		800
MAC212A8	TO-220AB		600		50	50	50	75
MAC212A10	TO-220AB		800
BTA12-600CW3G	TO-220AB Isolated		600	105	35	35	35	–
BTA12-800CW3G	TO-220AB Isolated		800
BTB12-600CW3G	TO-220AB		600
BTB12-800CW3G	TO-220AB		800
BTA12-600BW3G	TO-220AB Isolated		600	120	50	50	50	–
BTA12-800BW3G	TO-220AB Isolated		800
BTB12-600BW3G	TO-220AB		600
BTB12-800BW3G	TO-220AB		800
MAC15SM	TO-220AB	15	600		5,0	5,0	5,0	–
MAC15SN	TO-220AB		800
MAC15M	TO-220AB		600	150	35	35	35	–
MAC15N	TO-220AB		800
MAC15A6	TO-220AB		400		50	50	50	75
MAC15A8	TO-220AB		600
MAC15A10	TO-220AB		800
MAC16M	TO-220AB		600		50	50	50	–
MAC16N	TO-220AB		800
MAC16CM	TO-220AB	16	600		35	35	35	–
MAC16CN	TO-220AB		800
BTA16-600CW3G	TO-220AB Isolated		600	170	35	35	35	–
BTA16-600CW3G	TO-220AB Isolated		800
BTB16-600CW3G	TO-220AB		600
BTB16-800CW3G	TO-220AB		800
BTA16-600BW3G	TO-220AB Isolated		600		50	50	50	–
BTA16-800BW3G	TO-220AB Isolated		800
BTB16-600BW3G	TO-220AB		600
BTB16-800BW3G	TO-220AB		800
*Isolated – изолированный корпус ТО-220 с внутренней изоляцией кристалла.

Максимально допустимые токи симисторов ON Semiconductor находятся в диапазоне от 0,6 до 16 А. Симисторы одной серии чаще всего отличаются чувствительностью затвора. Для применений с небольшими помехами по цепям питания обычно выбирают приборы с низким током управления. Для работы при больших импульсных помехах предпочтение отдается триакам с высоким значением тока управления (см. значения тока затвора в таблицах 1 и 2). Симисторы характеризуются высоким допустимым током перегрузки, который выше максимально допустимого среднего тока примерно в 10 раз.

Триаками удобно управлять от низковольтных логических выходов. На рисунках 3 и 4 проиллюстрировано управление симистором от логических уровней с обеспечением оптической развязки.

 

 

Рис. 3. Включение (открывание) симистора уровнем логического нуля с обеспечением гальванической развязки

 

 

Рис. 4. Включение (открывание) симистора уровнем логической единицы с обеспечением гальванической развязки 

Минимально допустимое напряжение питания для схем, приведенных на рисунках 3 и 4, ограничено падением напряжения на открытом транзисторе и светодиоде оптрона. Падение напряжения на открытом транзисторе составляет около 0,1 В; падение на открытом светодиоде находится в пределах от 1 до 1,5 В в зависимости от типа оптрона. Падение напряжения на ограничительном резисторе R3 – это разность между напряжением питания логической части схемы (или микроконтроллера) и суммой падений напряжений на открытом транзисторе и светодиоде. Из этих соотношений читатель может легко рассчитать минимально допустимое напряжение питания логической части схемы для надежного открывания симистора. Ток управления симистором будет определяться выходным каскадом оптопары и коэффициентом передачи тока между входом и выходом оптрона (Current Transfer Ratio или CTR).

 

Эффект dv/dt и способы борьбы с ним

Управляющий сигнал для симистора необходим только для его включения (выключение происходит при снижении коммутируемого тока ниже тока удержания), но при высокой скорости изменения коммутируемого напряжения dv/dt есть вероятность самопроизвольного включения триака даже при отсутствии управляющего сигнала. По этой причине производители симисторов указывают максимально допустимую величину dv/dt, при которой неуправляемое включение триака не происходит. Превышение скорости нарастания выше указанных значений в документации может привести к выходу симисторных структур из строя. Причинами нежелательных включений могут стать импульсные помехи по цепям питания нагрузки или выбросы напряжения при срабатывании ключа, работающего на индуктивную нагрузку. Эффективный способ решения этой проблемы – включение снабберной (демпфирующей) RC-цепи параллельно выходу ключевого каскада, как показано на рисунке 5.

 

 

Рис. 5. Управление симистором с переключением по нулевому уровню и защитой снабберной
RC-цепью

В снабберной цепи желательно использовать металлопленочный полиэстерный конденсатор. Его номинал выбирается в пределах 0,01...0,1 мкФ, сопротивление резистора – от 20 до 500 Ом. Эти значения следует рассматривать только в качестве ориентировочных величин. Подробный расчет снабберных цепей можно найти в руководстве по применению AN1048/D компании On Semiconductor («RC Snabber Networks for Thyristor Power Control and Transient Supression»).

Особенно важно обратить внимание на обеспечение допустимых режимов работы симисторов при их работе на индуктивную нагрузку. На рисунке 6 приведены диаграммы напряжений при работе симистора на резистивную и индуктивную нагрузки. На активной нагрузке ток через симистор совпадает по фазе с выходным напряжением. При работе на индуктивную нагрузку ток через симистор имеет фазовый сдвиг q (задержку). Из-за этого в моменты переключения по нулевому уровню тока напряжение на симисторе не равно нулю (появляются выбросы напряжения). Наиболее неприятный момент происходит при выключении триака, работающего на индуктивную нагрузку. В эти моменты скорость нарастания напряжения на симисторе dv/dt может достичь недопустимо больших значений и вывести прибор из строя, если не принять никаких мер защиты (снабберная RC-цепь, варистор, защитные ограничительные диоды – супрессоры).

 

 

Рис. 6. Диаграммы напряжений при работе симистора на активную и индуктивную нагрузки

Для обеспечения переключения симистора по нулевому уровню тока можно использовать схему с оптической развязкой, приведенной на рисунке 5. Встроенная в оптроны схема управления обеспечивает надежное срабатывание по нулевому току.

 

Преимущества симисторов в сравнении с электромеханическими реле и контакторами

Механический ресурс электромеханических реле ограничен и определяется максимально возможным количеством переключений. Количество переключений полупроводниковых ключей при правильном расчете и допустимых условиях эксплуатации приборов практически не имеет ограничений. Симисторы позволяют коммутировать нагрузку в каждом полупериоде напряжения сети. Электромеханические реле не могут переключать нагрузку с частотой, допустимой для триаков. Кроме того, высокая частота переключений электромеханических реле резко снижает их ресурс даже при малой нагрузке. Переключение реле вызывает искрообразование, поэтому необходимо применять специальные меры для искрогашения. В некоторых случаях полностью устранить образование искр не удается, что ведет к созданию мощных электромагнитных помех. Высокочастотные помехи могут приводить к сбоям в работе прецизионной чувствительной техники, а симисторные коммутаторы при переключении по нулевому уровню создают существенно меньшие помехи этого типа.

Применение симисторов

Триаки надежно применяются во многих электробытовых приборах:

• блоки регулировки освещения или диммеры;
• строительный электроинструмент (дрели, перфораторы, шлифовальные машины и др.);
• электрические нагреватели с регулировкой температуры нагрева (плиты, печи);
• компрессоры холодильников и кондиционеров;
• пылесосы, фены, вентиляторы, швейные, стиральные и посудомоечные машины.

В промышленности применение симисторов аналогично бытовому использованию: это управление электродвигателями, осветительными и нагревательными приборами.

Объемы производства и применения симисторов постоянно увеличиваются. Широкая номенклатура этой продукции ON Semiconductor позволяет разработчику найти оптимальное решение для многих поставленных задач. Большинство рассмотренных в статье симисторов поддерживаются на складе компании КОМПЭЛ и практически всегда доступны для разработчиков.

Получение технической информации, заказ образцов, поставка - e-mail: standart.vesti@compel.ru