Как подключить симистор вместо реле
Симисторы: принцип работы, проверка и включение, схемы
Существенный недостаток тиристоров заключается в том, что это однополупериодные элементы, соответственно, в цепях переменного тока они работают с половинной мощностью. Избавиться от этого недостатка можно используя схему встречно-параллельного включения двух однотипных устройств или установив симистор. Давайте разберемся, что представляет собой этот полупроводниковый элемент, принцип его функционирования, особенности, а также сферу применения и способы проверки.
Что такое симистор?
Это один из видов тиристоров, отличающийся от базового типа большим числом p-n переходов, и как следствие этого, принципом работы (он будет описан ниже). Характерно, что в элементной базе некоторых стран данный тип считается самостоятельным полупроводниковым устройством. Эта незначительная путаница возникла вследствие регистрации двух патентов, на одно и то же изобретение.
Описание принципа работы и устройства
Рис. 1. Схема на двух тиристорах, как эквивалент симистора, и его условно графическое обозначение
Это и дало название полупроводниковому прибору, как производную от словосочетания «симметричные тиристоры» и отразилось на его УГО. Обратим внимание на обозначения выводов, поскольку ток может проводиться в оба направления, обозначение силовых выводов как Анод и Катод не имеет смысла, потому их принято обозначать, как «Т1» и «Т2» (возможны варианты ТЕ1 и ТЕ2 или А1 и А2). Управляющий электрод, как правило, обозначается «G» (от английского gate).
Теперь рассмотрим структуру полупроводника (см. рис. 2.) Как видно из схемы, в устройстве имеется пять переходов, что позволяет организовать две структуры: р1-n2-p2-n3 и р2-n2-p1-n1, которые, по сути, являются двумя встречными тринисторами, подключенными параллельно.
Рис. 2. Структурная схема симистора
Когда на силовом выводе Т1 образуется отрицательная полярность, начинается проявление тринисторного эффекта в р2-n2-p1-n1, а при ее смене — р1-n2-p2-n3.
Заканчивая раздел о принципе работы приведем ВАХ и основные характеристики прибора.
Обозначение:
Особенности
Чтобы иметь полное представление о симметричных тринисторах, необходимо рассказать про их сильные и слабые стороны. К первым можно отнести следующие факторы:
В число недостатков приборов входят следующие особенности:
По последним двум пунктам необходимо дать небольшое пояснение. В случае высокой скорости коммутации велика вероятность самопроизвольной активации устройства. Помеха в виде броска напряжения также может привести к этому результату. В качестве защиты от помех рекомендуется шунтировать прибор RC цепью.
RC-цепочка для защиты симистора от помех
Помимо этого рекомендуется минимизировать длину проводов ведущих к управляемому выводу, или в качестве альтернативы использовать экранированные проводники. Также практикуется установка шунтирующего резистора между выводом T1 (TE1 или A1) и управляющим электродом.
Применение
Этот тип полупроводниковых элементов первоначально предназначался для применения в производственной сфере, например, для управления электродвигателями станков или других устройств, где требуется плавная регулировка тока. Впоследствии, когда техническая база позволила существенно уменьшить размеры полупроводников, сфера применения симметричных тринисторов существенно расширилась. Сегодня эти устройства используются не только в промышленном оборудовании, а и во многих бытовых приборах, например:
И это далеко не полный перечень.
Одно время были популярны простые электронные устройства, позволяющие плавно регулировать уровень освещения. К сожалению, диммеры на симметричных тринисторах не могут управлять энергосберегающими и светодиодными лампами, поэтому эти приборы сейчас не актуальны.
Как проверить работоспособность симистора?
В сети можно найти несколько способ, где описан процесс проверки при помощи мультиметра, те, кто описывал их, судя по всему, сами не пробовали ни один из вариантов. Чтобы не вводить в заблуждение, следует сразу заметить, что выполнить тестирование мультиметром не удастся, поскольку не хватит тока для открытия симметричного тринистора. Поэтому, у нас остается два варианта:
Алгоритм проверки омметром:
Если в ходе проверки результат будет таким же, как описано в алгоритме, то с большой вероятностью можно констатировать, что устройство работоспособное.
Заметим, что проверяемую деталь не обязательно демонтировать, достаточно только отключить управляющий вывод (естественно, обесточив предварительно оборудование, где установлена деталь, вызывающая сомнение).
Необходимо заметить, что данным способом не всегда удается достоверно проверку, за исключением тестирования на «пробой», поэтому перейдем ко второму варианту и предложим две схемы для тестирования симметричных тринисторов.
Схему с лампочкой и батарейкой мы приводить не будем в виду того, что таких схем достаточно в сети, если вам интересен этот вариант, можете посмотреть его в публикации о тестировании тринисторов. Приведем пример более действенного устройства.
Схема простого тестера для симисторов
Обозначения:
Можно использовать любой трансформатор с двумя независимыми вторичными обмотками на 12 Вольт.
Алгоритм проверки:
Теперь рассмотрим еще одну схему, только универсальную, но также не особо сложную.
Схема для проверки тиристоров и симисторов
Обозначения:
В качестве источника питания используется батарейка на 9V, по типу Кроны.
Тестирование тринисторов производится следующим образом:
Если результат будет соответствовать вышеописанному, значит с тестируемым элементом все в порядке.
Теперь рассмотрим, как проверить с помощью собранной схемы симметричные тринисторы:
То есть, при нажатии кнопок S1 или S2 будут загораться светодиоды VD1 или VD4, в зависимости от установленной полярности (положения переключателя S3).
Схема управления мощностью паяльника
В завершении приведем простую схему, позволяющую управлять мощностью паяльника.
Простой регулятор мощности для паяльника
Обозначения:
Приведенная схема настолько простая, что не требует настройки.
Теперь рассмотрим более изящный вариант управления мощностью паяльника.
Схема управления мощностью на базе фазового регулятора
Обозначения:
Настройка схемы сводится к подбору следующих сопротивлений:
Замена э/м реле на симисторный ключ в выключателе Livolo
Наткнулся на эти выключатели у российских магазинов, где они достаточно дороги. На Али они же оказались несколько дешевле. Вот только неоднозначно было, то ли они на реле, то ли на ключах. В обзорах встречаются и те и те, причем выключатели с ключами помаргивают лампочками, судя по отзывам. Может в силу схемотехники, или использования простых дешевых компонентов.
Заказал один на пробу. Пробу он прошел на ура, но подло щелкал релюшкой как дешевый кнопочный выключатель.
Поэтому решил заменить реле на ключ. Задача осложнялась двумя неудобствами: оптопара работает по управлению на 5в, а выключатель на 12, и, как выяснилось в последствии, реле импульсное (первый раз с такими столкнулся).
Пришлось думать, откуда взять постоянный сигнал на управление и куда впихнуть делитель, чтобы делать из 12в 5.
Сам ключ получился по габаритам недалеким от родного реле
В данном случае собрать на плату не получалось и в угоду компактности пришлось лепить навесным монтажом. Да и то на двойной выключатель такая конструкция не встанет, надо искать двойную оптопару, для уменьшения занимаемой площади.
Точка снятия управляющего сигнала. (+3в)
Точка снятия управляющего сигнала (-3в). Вторая нога разъема справа, в нижнем ряду по фото.
Общий вид того, что получилось.
Проводок, опоясывающий сенсор добавлен для увеличения активной площади сенсора, чтобы не надо было пальцем тыкать в центр, а достаточно было махнуть рукой около выключателя.
оптопара MOC3023 и симистор Q8025L6 (все снято с плат от дохлых ИБП)
Схема включения симистора вместо реле
Симметричный тиристор
Если проанализировать путь развития полупроводниковой электроники, то почти сразу становится понятно, что все полупроводниковые приборы созданы на переходах или слоях (n-p, p-n).
Простейший полупроводниковый диод имеет один переход (p-n) и два слоя.
У биполярного транзистора два перехода и три слоя (n-p-n, p-n-p). А что будет, если добавить ещё один слой?
Тогда мы получим четырёхслойный полупроводниковый прибор, который называется тиристор. Два тиристора включенные встречно-параллельно и есть симистор, то есть симметричный тиристор.
В англоязычной технической литературе можно встретить название ТРИАК (TRIAC – triode for alternating current).
Вот таким образом симистор изображается на принципиальных схемах.
У симистора три электрода (вывода). Один из них управляющий. Обозначается он буквой G (от англ. слова gate – «затвор»). Два остальных – это силовые электроды (T1 и T2). На схемах они могут обозначаться и буквой A (A1 и A2).
А это эквивалентная схема симистора выполненного на двух тиристорах.
Следует отметить, что симистор управляется несколько по-другому, нежели эквивалентная тиристорная схема.
Симистор достаточно редкое явление в семье полупроводниковых приборов. По той простой причине, что изобретён и запатентован он был в СССР, а не в США или Европе. К сожалению, чаще бывает наоборот.
Как работает симистор?
Если у тиристора есть конкретные анод и катод, то электроды симистора так охарактеризовать нельзя, поскольку каждый электрод является и анодом, и катодом одновременно. Поэтому в отличие от тиристора, который проводит ток только в одном направлении, симистор способен проводить ток в двух направлениях. Именно поэтому симистор прекрасно работает в сетях переменного тока.
Очень простой схемой, характеризующей принцип работы и область применения симистора, может служить электронный регулятор мощности. В качестве нагрузки можно использовать что угодно: лампу накаливания, паяльник или электровентилятор.
Симисторный регулятор мощности
После подключения устройства к сети на один из электродов симистора подаётся переменное напряжение. На электрод, который является управляющим, с диодного моста подаётся отрицательное управляющее напряжение. При превышении порога включения симистор откроется, и ток пойдёт в нагрузку. В тот момент, когда напряжение на входе симистора поменяет полярность, он закроется. Потом процесс повторяется.
Чем больше уровень управляющего напряжения, тем быстрее включится симистор и длительность импульса на нагрузке будет больше. При уменьшении управляющего напряжения длительность импульсов на нагрузке будет меньше. После симистора напряжение имеет пилообразную форму с регулируемой длительностью импульса. В данном случае, изменяя управляющее напряжение, мы можем регулировать яркость электрической лампочки или температуру жала паяльника.
Симистор управляется как отрицательным, так и положительным током. В зависимости от полярности управляющего напряжения рассматривают четыре, так называемых, сектора или режима работы. Но этот материал достаточно сложен для одной статьи.
Если рассматривать симистор, как электронный выключатель или реле, то его достоинства неоспоримы:
По сравнению с электромеханическими приборами (электромагнитными и герконовыми реле) большой срок службы.
Отсутствие контактов и, как следствие, нет искрения и дребезга.
К недостаткам можно отнести:
Симистор весьма чувствителен к перегреву и монтируется на радиаторе.
Не работает на высоких частотах, так как просто не успевает перейти из открытого состояния в закрытое.
Реагирует на внешние электромагнитные помехи, что вызывает ложное срабатывание.
Для защиты от ложных срабатываний между силовыми выводами симистора подключается RC-цепочка. Величина резистора R1 от 50 до 470 ом, величина конденсатора C1 от 0,01 до 0,1 мкф. В некоторых случаях эти величины подбираются экспериментально.
Основные параметры симистора.
Основные параметры удобно рассмотреть на примере популярного отечественного симистора КУ208Г. Будучи разработан и выпущен достаточно давно, он продолжает оставаться востребованным у любителей сделать что-то своими руками. Вот его основные параметры.
Максимальное обратное напряжение – 400V. Это означает, что он прекрасно может управлять нагрузкой в сети 220V и ещё с запасом.
В импульсном режиме напряжение точно такое же.
Максимальный ток в открытом состоянии – 5А.
Максимальный ток в импульсном режиме – 10А.
Наименьший постоянный ток, необходимый для открытия симистора – 300 мА.
Наименьший импульсный ток – 160 мА.
Открывающее напряжение при токе 300 мА – 2,5 V.
Открывающее напряжение при токе 160 мА – 5 V.
Время включения – 10 мкс.
Время выключения – 150 мкс.
Как видим, для открывания симистора необходимым условием является совокупность тока и напряжения. Больше ток, меньше напряжение и наоборот. Следует обратить внимание на большую разницу между временем включения и выключения (10 мкс. против 150 мкс.).
Оптосимистор.
Современная и перспективная разновидность симистора – это оптосимистор. Название говорит само за себя. Вместо управляющего электрода в корпусе симистора находится светодиод, и управление осуществляется изменением напряжения на светодиоде. На изображении показан внешний вид оптосимистора MOC3023 и его внутреннее устройство.
Оптосимистор MOC3023
Устройство оптосимистора
Как видим, внутри корпуса смонтирован светодиод и симистор, который управляется за счёт излучения светодиода. Выводы, отмеченные как N/C и NC, не используются, и не подключаются к элементам схемы. NC – это сокращение от Not Connect, которое переводится с английского как «не подключается».
Самое ценное в оптосимисторе это то, что между цепью управления и силовой цепью осуществлена полная гальваническая развязка. Это повышает уровень электробезопасности и надёжности всей схемы.
Бывает, нужно подключить какое-то достаточно мощное устройство через контакты реле или даже просто обычного выключателя. Контакты, как правило, не очень мощные и рассчитаны на малые токи, поэтому они впоследствии просто выгорают. Если же их разгрузить, то служат они гораздо дольше и надежнее. А разгрузить можно, например, следующим образом.
 Существует такой электронный прибор, который называется симистор. Еще его называют симметричным тиристором. Имеет он три электрода: анод, катод и управляющий электрод. В открытом состоянии симистор проводит ток от анода к катоду и обратно, в закрытом – не проводит. То есть, действует, как обычный выключатель. То обстоятельство, что симистор проводит ток в обоих направлениях, позволяет включить его в схему переменного тока для управления нагрузкой. |
На фото электроды тиристора обозначены так: А – анод, К – катод, У – управляющий электрод. Для нашего случая подойдет симистор с маркировкой КУ208Г.
А управлять симистором тоже просто. Если соединить его управляющий электрод через резистор 100 ом с анодом, то симистор открывается. И наоборот, если это соединение разорвано, симистор закрыт. В цепи управления течет очень небольшой ток, благодаря которому симистор и открывается, пропуская по основной цепи анод-катод гораздо больший ток, до 10 ампер. А это уже достаточная нагрузка, более 2 киловатт.
Таким образом, если включить в управляющую цепь наши слабые контакты, мы можем через симистор управлять и мощной нагрузкой. Схема подключения достаточно проста, и объяснять здесь, в общем-то, и нечего.
Единственное, что еще следует добавить, это о температурном режиме симистора. Как и любой подобный прибор, при значительных нагрузках он тоже прогревается, хоть и работает в так называемом ключевом режиме. Электронщики знают, что это такое. Поэтому в некоторых случаях бывает необходимо разместить симистор на охлаждающем радиаторе. Им может послужить даже просто алюминиевая или медная пластина достаточных размеров. На фото показан такой симистор, укрепленный на алюминиевом радиаторе.Если симистор чуть теплый после того, как проработал под нагрузкой, скажем, минут 10-15, ничего страшного. А если горячий – надо ставить на радиатор.
Применить такую схемку можно в самых разных ситуациях. Можно, например, разгрузить контакты механического терморегулятора, описанного в статье Масляный радиатор? Да, но правильный., или, скажем, включать мощную сирену контактами оптоэлектронного выключателя. Такие продаются рублей за 300, с ними можно простейшую охранную сигнализацию соорудить. Этот выключатель реагирует на движение в зоне видимости. Даже просто от движения руки на расстоянии 5-6 метров от него срабатывает.Правда, у меня такой выключатель установлен на освещение в прихожей. Настроен так: зашел – свет включился. Вышел – свет погас через 20 секунд. Но я все равно под ним симистор пристроил, уж больно хилые там контактики. А случилось раз, лапочка замкнула накоротко, и контакты в этом выключателе подгорели. Отремонтировал, конечно, и воткнул симистор. Теперь, если подобное случится еще раз, контактики целыми останутся, а просто автоматы после счетчика сработают. Симистор с кратковременными перегрузками справляется вполне успешно, выдержит.
Хотите что-то сказать? Приходите на мой видеоканал, где можно общаться в комментариях к видеороликам.
Вывод, который через R1 подключается к первой ножке оптосимистора, подключаем к любому цифровому пину Андуино. В моём примере это будет 7 пин.
Вывод от 2-й ножки оптосимистора (у меня подключено через индикаторный светодиод) подключаем к пину GND Ардуино.
Для работы с данным модулем подойдут те же скетчи, что использовались в статье про электромеханическое реле.
Скетч мигалка
Подключение тактовой кнопки.
Тактовая кнопка подключается с подтягивающим резистором 10к. Один контакт кнопки подключается к пину 5V, второй к любому цифровому пину Arduino, у меня это 14 пин, который может быть как аналоговым (А0), так и цифровым.
Скетч с тактовой кнопкой, при нажатии на неё лампочка загорится, при отпускании – погаснет.
Тактовая кнопка в качестве выключателя.
Данный скетч позволяет при нажатии на кнопку, зажечь лампочку, при отпускании кнопки, лампочка будет продолжать гореть. Для того что бы её погасить, нужно ещё раз нажать на кнопку.
Подключение тактовой кнопки.
Тактовая кнопка подключается с подтягивающим резистором 10к. Один контакт кнопки подключается к пину 5V, второй к любому цифровому пину Arduino, у меня это 14 пин, который может быть как аналоговым (А0), так и цифровым.
void setup() <
pinMode(relayPin, OUTPUT);
>
<
if(digitalRead(14)==HIGH)
<
digitalWrite(relayPin, HIGH);
delay(300);
>
else
<
digitalWrite(relayPin, LOW);
delay(300);
>
>
Тактовая кнопка в качестве выключателя.
Данный скетч позволяет при нажатии на кнопку, зажечь лампочку, при отпускании кнопки, лампочка будет продолжать гореть. Для того что бы её погасить, нужно ещё раз нажать на кнопку.