В чем разница между тиристором и симистором

Тиристорами и симисторами называют твердотельные полупроводниковые устройства, способные регулировать включение/выключение электротока в полезной нагрузке, поэтому их используют в качестве электронных ключей (коммутаторов). Оба элемента являются альтернативой классическим контактным коммутаторам (контакторам, пускателям, электромеханическим реле). Разница между симистором и тиристором обусловлена разным количеством p-n-переходов и их структурной конфигурацией.

Особенности p-n-перехода

Ключевым структурным «кирпичиком» большинства полупроводниковых элементов, используемых для проектирования электросхем, является p-n-переход.

Базовым полупроводником чаще всего служит монокристаллический кремний — Si. Области с электронной и дырочной проводимостью формируются с помощью дополнительного внедрения примесей (легирования). Пограничный слой между p- и n-областями называется p-n-переходом. Его сопротивление ничтожно мало, когда к n-слою приложено напряжение отрицательной полярности («минус»), а к p-слою — «плюс». При смене полярности сопротивление перехода резко возрастает, проводимость падает, ток в цепи отсутствует.

Как устроен тиристор

У полупроводникового тиристора, состоящего из трёх p-n-переходов, имеется три контактных электрода: анод (А), катод (К) и управляющий электрод (У) — затвор. Четырёхслойный «сэндвич» состоит из чередующихся дырочных (p) и электронных (n) прослоек.

Тиристор работает подобно вентилю, пропускающему через себя ток исключительно в одном направлении от анода к катоду (фаза «открыто»). В этом случае анод подключается к плюсу, а катод — к минусу.

Ток через тиристор прекращает идти («фаза закрыто») когда:

• Происходит отключение полезной нагрузки.
• Величина рабочего тока становится меньше тока удержания I_У (минимальное значение тока, регистрируемое в фазе «открыто»).

Тиристор включается подачей на управляющий электрод импульсного сигнала небольшой величины. Таким образом, в состояние «открыто» устройство переходит с помощью активации напряжения на затворе, а в состояние «закрыто» при уменьшении рабочего тока ниже величины I_У.

Итак, тиристор представляет собой устройство, имеющее только два состояния: либо «открыто», либо «закрыто». Главная функция данного элемента — включение/выключение участков электроцепей, то есть, выполнение роли электронного ключа.

С помощью двух биполярных транзисторов можно реализовать аналогичное регулирующее устройство, но это более трудоёмкий и громоздкий вариант.

Устройство симистора

Симистор — сокращенное название полупроводникового элемента. Его полное название — симметричный триодный тиристор или на английском — symmetrical triod thyristor. Используется ещё одна аббревиатура на латинице — TRIAC (triod for alternating current), которая переводится как триод для переменного тока. По сути симистор является развитием идеи тиристора и используется также в качестве электронного ключа в цепях переменного напряжения. TRIAC способен пропускать электроток как в прямом, так и в обратном направлении.

На рисунке показана структура p-n-переходов, из которой следует, что благодаря наличию дополнительных p- и n-слоёв (не менее четырёх) в одном монокристалле сформировано два встречно-параллельных тиристора. Для основных, силовых электродов (МТ1 и МТ2, иногда обозначаются А1, А2) в данном случае названия анод-катод не подходят, так как и тот, и другой могут выступать в этой роли. Поэтому у симистора их называют «Вывод 1» и «Вывод 2». Есть также управляющий электрод G — затвор.

Симистор подключается последовательно с полезной нагрузкой. В состоянии «закрыто» ток отсутствует, нагрузка отключена. При подаче на затвор отпирающего электронапряжения (фаза «открыто») начинает течь электроток, нагрузка подключается. В состоянии «открыто» симистор пропускает ток в обоих направлениях. Он способен оставаться в таком состоянии до тех пор, пока рабочий электроток, проходящий через МТ1 и МТ2, не станет меньше тока удержания. Данным свойством обладает и тиристор, и симистор. В этом их схожесть. То есть, отключение нагрузки в цепи переменного электронапряжения будет происходить в том случае, когда электроток, протекающий через электроды, изменит своё направление (в моменты смены полярности электронапряжения).

Любой симистор можно заменить двумя тиристорами, установленными по схеме встречно-параллельного включения. Такой способ включения позволяет электротоку проходить в двух направлениях. Следовательно, нивелируется недостаток тиристоров, заключающийся в их способности работать лишь с половиной мощности, присутствующей в электроцепи.

Похожи, но не близнецы

Симисторы отличаются от тиристоров, несмотря на внешнюю схожесть, одинаковое количество выводов (три) и наличие в структуре некоторого количества p-n-переходов. Основные отличия этих устройств:

• Тиристоры состоят из четырёх полупроводниковых слоёв, образующих три p-n-перехода. Для создания симистора необходимо, как минимум, пять p- и n-слоёв, с помощью которых получается четыре p-n-перехода.
• Контакты тиристора — катод, анод и управляющий электрод. У симистора также есть управляющий электрод — затвор. А вот электроды МТ1 и МТ2 могут быть и анодом и катодом, что даёт возможность симистору пропускать ток в обоих направлениях.
• Вольт-амперная характеристика (ВАХ) симистора отличается от ВАХ тиристора.
• Тиристор является преобразователем однонаправленного действия.

Плюсы и минусы симисторов

К достоинствам следует отнести:

• Небольшую стоимость.
• Значительный эксплуатационный ресурс.
• Отсутствие механических контактов, которые приводят к «дребезгу», генерирующему помехи.

Недостатки:

• Невысокая помехоустойчивость по отношению к шумам, сторонним помехам, переходным процессам.
• Ограниченный (низкий) диапазон частот переключения.
• Необходимость применения дополнительных радиаторов для отвода джоулева тепла. Зачастую один из выводов сделан в виде винта с резьбой для крепления к радиатору с помощью гайки.
• Для регулирования мощности на нагрузке требуется блок управления тиристорами и симисторами, выходные параметры которого определяются разницей в работе этих полупроводниковых устройств.

Области применения

Поскольку симисторы способны пропускать электроток в обоих направлениях, их применяют в цепях переменного электротока, где тиристор не «додаёт» мощности ввиду однонаправленности. Чаще всего этот полупроводниковый прибор применяется в следующих устройствах:

• Приборы, регулирующие яркость источников света (диммерах).
• Регуляторы скорости оборотов электроинструментов (шуруповёрты, дрели, лобзики и т. п.).
• Электронные регуляторы температуры индукционных плит.
• Холодильная аппаратура для плавного пуска.
• Бытовая техника (швейные и стиральные машины, пылесосы).
• Реверсивные выпрямители.

Историческая справка

Интересно, что симистор был изобретен в СССР в далёком 1963 г. Официальную заявку на изобретение авторы из Мордовского электротехнического института подали всего на полгода раньше заявки инженеров из знаменитой американской фирмы «Дженерал электрик». Название симистор, предложенное нашими изобретателями, на западе не прижилось. Там предпочитают называть его TRIAC.

Заключение

Отличие структурных особенностей симистора от тиристора связано с разным количеством p-n-переходов в составе этих радиоэлементов. Оба они могут служить электронными ключами, используемыми для регулирования мощности, подаваемой на полезную нагрузку.

Видео по теме