Симисторный регулятор что это такое
Что такое симистор, как он работает и для чего нужен
Симистор является полупроводниковым прибором. Его полное название – симметричный триодный тиристор. Его особенность – возможно проводить ток в обе стороны. Данный элемент цепи имеет три вывода: один является управляющим, а два других силовыми. В этой статье мы рассмотрим принцип работы, устройство и назначение симистора в различных схемах электроприборов.
Конструкция и принцип действия
Особенность симистора является двунаправленной проводимости идущего через прибор электрического тока. Конструкция устройства строится на использовании двух встречно-параллельных тиристоров с общим управлением. Такой принцип работы дал название от сокращенного «симметрические тиристоры». Поскольку электроток может протекать в обе стороны, нет смысла обозначать силовые выводы как анод и катод. Дополняет общую картину управляющий электрод.
Условное обозначение на схеме по ГОСТ:
Внешний вид следующий:
В симисторе есть пять переходов, позволяющих организовать две структуры. Какая из них будет использоваться зависит от места образования (конкретный силовой вывод) отрицательной полярности.
Как работает симистор? Исходно полупроводниковый прибор находится в запертом состоянии и ток по нему не проходит. При подаче тока на управляющий электрод, последний переходит в открытое состояние и симистор начинает пропускать через себя ток. При работе от сети переменного тока полярность на контактах постоянно меняется. Схема, где используется рассматриваемый элемент, при этом будет работать без проблем. Ведь ток пропускается в обоих направлениях. Чтобы симистор выполнял свои функции, на управляющий электрод подают импульс тока, после снятия импульса ток через условные анод и катод продолжает протекать до тех пор, пока цепь не будет разорвана или они не будут находится под напряжением обратной полярности.
При использовании в цепи переменного тока симистор закрывается на обратной полуволне синусоиды, тогда нужно подавать импульс противоположной полярности (той же, под которой находятся «силовые» электроды элемента).
Принцип действия системы управления может корректироваться в зависимости от конкретного случая и применения. После открытия и начала протекания подавать ток на управляющий электрод не нужно. Цепь питания разрываться не будет. При надобности отключить питание следует понизить ток в цепи ниже уровня величины удержания или кратковременно разорвать цепь питания.
Управляющие сигналы
Чтобы добиться желаемого результата с симистором используют не напряжение, а ток. Чтобы прибор открылся, он должен быть на определённом небольшом уровне. Для каждого симистора сила управляющего тока может быть разной, её можно узнать из даташита на конкретный элемент. Например, для симистора КУ208 этот ток должен быть больше 160 мА, а для КУ201 —не менее 70 мА.
Полярность управляющего сигнала должна совпадать с полярностью условного анода. Для управления симистором часто используют выключатель и токоограничительный резистор, если он управляется микроконтроллером – может понадобиться дополнительная установка транзистора, чтобы не сжечь выход МК, или использовать симисторный оптодрайвер, типа MOC3041 и подобных.
Четырёхквадрантные симисторы могут отпираться сигналом с любой полярностью. В этом преимуществе есть и недостаток – может потребоваться увеличенный управляющий ток.
При отсутствии прибор заменяется двумя тиристорами. При этом следует правильно подбирать их параметры и переделывать схему управления. Ведь сигнал будет подаваться на два управляющих вывода.
Достоинства и недостатки
Для чего нужен рассматриваемый полупроводниковый прибор? Самый популярный вариант использования – коммутация в цепях переменного тока. В этом плане симистор очень удобен – используя небольшой элемент можно обеспечить управление высоковольтного питания.
Популярны решения, когда им заменяют обычное электромеханическое реле. Плюс такого решения – отсутствует физический контакт, благодаря чему включение питания становится надежнее, переключение бесшумным, ресурс на порядки больше, быстродействие выше. Еще одно достоинство симистора – относительно невысокая цена, что вместе с высокой надёжностью схемы и временем наработки на отказ выглядит привлекательно.
Полностью избежать минусов разработчикам не удалось. Так, приборы сильно нагреваются под нагрузкой. Приходится обеспечивать отвод тепла. Мощные (или «силовые») симисторы устанавливают на радиаторы. Ещё один недостаток, влияющий на использование, это создание гармонических помех в электросети некоторыми схемами симисторных регуляторов (например, бытовой диммер для регулировки освещенности).
Отметим, что напряжение на нагрузки будет отличаться от синусоиды, что связано с минимальным напряжением и током, при которых возможно включение. Из-за этого подключать следует только нагрузку, не предъявляющую высоких требований к электропитанию. При постановке задачи добиться синусоиды такой способ коммутации не подойдёт. Симисторы сильно подвержены влиянию шумов, переходных процессов и помех. Также не поддерживаются высокие частоты переключения.
Область применения
Характеристики, небольшая стоимость и простота устройства позволяет успешно применять симисторы в промышленности и быту. Их можно найти:
На этом перечень, где используется этот полупроводниковый прибор, не ограничивается. Применение рассматриваемого проводникового прибора осуществляется практически во всех электроприборах, что только есть в доме. На него возложена функция управления вращением приводного двигателя в стиральных машинках, они используются на плате управления для запуска работы всевозможных устройств – легче сказать, где их нет.
Основные характеристики
Рассматриваемый полупроводниковый прибор предназначен для управления схемами. Независимо от того, где в схеме он применяется, важны следующие характеристики симисторов:
Вот мы и рассмотрели, что такое симистор, за что он отвечает, где применяется и какими характеристиками обладает. Рассмотренные простым языком теоретические азы позволят заложить основу для будущей результативной деятельности. Надеемся, предоставленная информация была для вас полезной и интересной!
Как сделать регулятор мощности на симисторе своими руками: варианты схем
Для управления некоторыми видами бытовых приборов (например, электроинструментом или пылесосом) применяют регулятор мощности на основе симистора. Подробно о принципе работы этого полупроводникового элемента можно узнать из материалов, размещенных на нашем сайте. В данной публикации мы рассмотрим ряд вопросов, связанных с симисторными схемами управления мощностью нагрузки. Как всегда, начнем с теории.
Принцип работы регулятора на симисторе
Напомним, что симистором принято называть модификацию тиристора, играющего роль полупроводникового ключа с нелинейной характеристикой. Его основное отличие от базового прибора заключается в двухсторонней проводимости при переходе в «открытый» режим работы, при подаче тока на управляющий электрод. Благодаря этому свойству симисторы не зависят от полярности напряжения, что позволяет их эффективно использовать в цепях с переменным напряжением.
Помимо приобретенной особенности, данные приборы обладают важным свойством базового элемента – возможностью сохранения проводимости при отключении управляющего электрода. При этом «закрытие» полупроводникового ключа происходит в момент отсутствия разности потенциалов между основными выводами прибора. То есть тогда, когда переменное напряжение переходит точку нуля.
Дополнительным бонусом от такого перехода в «закрытое» состояние является уменьшение числа помех на этой фазе работы. Обратим внимание, что не создающий помех регулятор может быть создан под управлением транзисторов.
Благодаря перечисленным выше свойствам, можно управлять мощностью нагрузки путем фазового управления. То есть, симистор открывается каждый полупериод и закрывается при переходе через ноль. Время задержки включения «открытого» режима как бы отрезает часть полупериода, в результате форма выходного сигнала будет пилообразной.
Форма сигнала на выходе регулятора мощности: А – 100%, В – 50%, С – 25%
При этом амплитуда сигнала будет оставаться прежней, именно поэтому такие устройства неправильно называть регуляторами напряжения.
Варианты схем регулятора
Приведем несколько примеров схем, позволяющих управлять мощностью нагрузки при помощи симистора, начнем с самой простой.
Рисунок 2. Схема простого регулятора мощности на симисторе с питанием от 220 В
Обозначения:
При помощи динистора DN1 происходит замыкание цепи D1-C1-DN1, что переводит DN2 в «открытое» положение, в котором он остается до точки нуля (завершение полупериода). Момент открытия определяется временем накопления на конденсаторе порогового заряда, необходимого для переключения DN1 и DN2. Управляет скоростью заряда С1 цепочка R1-R2, от суммарного сопротивления которой зависит момент «открытия» симистора. Соответственно, управление мощностью нагрузки происходит посредством переменного резистора R1.
Несмотря на простоту схемы, она довольно эффективна и может быть использована в качестве диммера для осветительных приборов с нитью накала или регулятора мощности паяльника.
К сожалению, приведенная схема не имеет обратной связи, следовательно, она не подходит в качестве стабилизированного регулятора оборотов коллекторного электродвигателя.
Схема регулятора с обратной связью
Обратная связь необходима для стабилизации оборотов электродвигателя, которые могут изменяться под воздействием нагрузки. Сделать это можно двумя способами:
Последний вариант значительно проще в реализации, но требует небольшой настройки под мощность используемой электромашины. Ниже приведена схема такого устройства.
Регулятор мощности с обратной связью
Обозначения:
Данная схема обеспечивает плавный запуск электрической установки и обеспечивает ее защиту от перегрузки. Допускается три режима работы (выставляются переключателем S1):
Для изготовления данного сопротивления лучше всего использовать нихромовую проволоку диаметром 0,80 или1,0 мм. Ниже представлена таблица, позволяющая подобрать сопротивление R6 и R11, в зависимости от мощности двигателя.
Таблица для подбора номиналов сопротивлений в зависимости от мощности двигателя
Приведенное устройство может эксплуатироваться в качестве регулятора оборотов двигателей электроинструментов, пылесосов и другого бытового оборудования.
Регулятор для индуктивной нагрузки
Тех, кто попытается управлять индуктивной нагрузкой (например, трансформатором сварочного аппарата) при помощи выше указанных схем, ждет разочарование. Устройства не будут работать, при этом вполне возможен выход из строя симисторов. Это связано с фазовым сдвигом, из-за чего за время короткого импульса полупроводниковый ключ не успевает перейти в «открытый» режим.
Существует два варианта решения проблемы:
Первый вариант наиболее оптимален. Приведем схему, где используется такое решение.
Схема регулятора мощности для индуктивной нагрузки
Как видно из следующего рисунка, где продемонстрированы осциллограммы основных сигналов регулятора мощности, для открытия симистора используется пакет импульсов.
Осциллограммы входного (А), управляющего (В) и выходного сигнала (С) регулятора мощности
Данное устройство делает возможным использование регуляторов на полупроводниковых ключах для управления индукционной нагрузкой.
Простой регулятор мощности на симисторе своими руками
В завершении статьи приведем пример простейшего регулятора мощности. В принципе, можно собрать любую из приведенных выше схем (наиболее упрощенный вариант был приведен на рисунке 2). Для этого прибора даже не обязательно делать печатную плату, устройство может быть собрано навесным монтажом. Пример такой реализации показан на рисунке ниже.
Самодельный регулятор мощности
Использовать данный регулятор можно в качестве диммера, а также управлять с его помощью мощными электронагревательными устройствами. Рекомендуем подобрать схему, в которой для управления используется полупроводниковый ключ с соответствующими току нагрузки характеристиками.
Регулятор мощности на симисторе своими руками
Простейший регулятор мощности на симисторе легко можно собрать своими руками, даже если вы не радиолюбитель. Описанный в статье прибор состоит из копеечных деталей, которые без проблем покупаются в радиомагазине или достаются из вышедшей из строя техники (не со всякой, но об этом позже). Принцип работы, отладка и сборка регулятора описаны таким образом, чтобы любой, кто мало-мальски умеет пользоваться паяльником, смог повторить схему самостоятельно. 
Применение симисторных регуляторов в быту
Подобные устройства применяются в быту везде, где есть необходимость плавно изменять мощность прибора или инструмента. В целом, работает такая схема по принципу снижения сетевого напряжения 230 В. А если напряжение питания электроприбора уменьшать, то пропорционально будет изменяться и его мощность.
Пример. Допустим у нас есть рассчитанный на сетевое напряжение 230 В паяльник мощностью 80 Вт. Для пайки обычных радиодеталей и нетолстых проводов этой мощности слишком много. Жало перегревается, канифоль горит и чернеет, припой не прилипает, а скатывается шариками. Это означает, что температура на кончике жала слишком большая.
А вот если уменьшить мощность такого паяльника, то перечисленные проблемы исчезнут. Сделать это можно путем снижения напряжения его питания с 230 В до, например, 80 В (почти в три раза). А поскольку мощность (а также температура нагрева жала) снижается пропорционально, то в итоге мы получим паяльник на 25-30 Вт.
Симисторные регуляторы применяются для плавного изменения мощности:
Касательно последнего пункта стоит отметить, что именно такая схема симисторного регулятора не очень подходит. Но и об этом подробнее сказано ниже.
Простейшая схема симисторного регулятора и принцип ее работы
На рисунке ниже изображена самая простая схема регулятора мощности на симисторе. Проще никак. Для начала рассмотрим компоненты, из которых состоит устройство, и зачем они там нужны.
Схема регулятора мощности на симисторе
В данной схеме присутствует всего 5 радиодеталей:
Симистор U1 – является основным компонентом схемы. Все остальные радиодетали «работают на него». У симистора бывает всего два рабочих состояния – он может быть либо открыт, либо закрыт. Когда он открыт, электрический ток беспрепятственно протекает через него от источника питания к нагрузке. Когда закрыт – ток не течет.
Чтобы «заставить» симистор открыться и пропускать ток, на его управляющий вывод (на схеме находится слева) необходимо подать небольшое напряжение. Закрывается же он «самостоятельно», как только ток перестает течь через основные выводы.
В целом, работает это следующим образом. Напряжение в наших розетках переменное, соответственно, ток тоже бежит то в одну сторону, то в другую с частотой 50 раз в секунду. Если в момент, когда он течет, например, от источника питания к нагрузке, «заставить» симистор открыться, наш прибор получит «дозу» питания и проработает немножко.
Затем ток меняет свое направление, так как напряжение у нас переменное. Это приводит к тому, что симистор закрывается.
Поскольку направление тока из розетки может изменяться по направлению 50 раз в секунду, то мы каждый этот раз можем «пропустить» через нагрузку столько тока, сколько нам надо для получения желаемой мощности.
Например, если пропустим только половину, то 80-ваттный паяльник будет потреблять только 40 Вт, и греться в два раза слабее. А для этого нам надо каждый раз открывать симистор ровно на половине полуволны переменного напряжения. Вторая полуволна будет как бы срезаться, и для питания прибора не использоваться.
Динистор D1 – как раз и «занимается» тем, что заставляет симистор открываться в нужный нам момент. У этого компонента тоже есть всего два состояния – открыт (пропускает ток) и закрыт (не пропускает). Чтобы динистор открылся, и подал на симистор управляющий сигнал, к нему необходимо приложить определенное напряжение (около 30 В). Если напряжение меньше этого значения – он закрыт.
Конденсатор C1 – нужен для того, чтобы открывать динистор D1. Происходит это следующим образом. Когда переменный ток течет в одном из направлений, конденсатор «постепенно» заряжается, и напряжение на его выводах увеличивается. Когда оно достигает значения, достаточного для открывания динистора, последний именно это и делает. А конденсатор возвращается в исходное состояние, то есть, разряжается. И так 50 раз в секунду.
Резисторы R1 и RV1 – ограничивают ток через наш конденсатор. Чем меньше их суммарное сопротивление, тем быстрее конденсатор заряжается и достигает нужного для открытия динистора напряжения. Когда сопротивление резисторов увеличивается, ток течет меньший, и заряд конденсатора происходит медленнее.
Теперь рассмотрим слаженную работу всех этих компонентов вместе. Симистор на каждой полуволне переменного напряжения (50 раз в секунду) открывается и закрывается на определенный промежуток времени, пропуская, или наоборот, не пропуская через себя ток. В зависимости от длительности этого промежутка времени нагрузка (паяльник, двигатель, лампа) получает то или иное напряжение.
Открывается симистор в тот момент, когда на динисторе появляется достаточное для его пробоя (открывания) напряжение. За то, на каком моменте полуволны это произойдет, отвечает конденсатор. А насколько быстро или медленно он будет заряжаться, зависит от сопротивления резисторов в данный момент.
В итоге, если мы будем вращать ручку переменного резистора, мы будем менять время заряда конденсатора, момент срабатывания динистора и открывания симистора. Когда сопротивление потенциометра минимальное (ручка выкручена до упора влево), ток через конденсатор максимально большой, заряжается он быстро, динистор открывается рано, и симистор на протяжение почти всей полуволны пропускает ток на нагрузку.
Когда мы выкручиваем ручку в сторону увеличения сопротивления потенциометра, процесс заряда конденсатора замедляется, динистор открывается позже, а симистор пропускает в результате меньше тока на нагрузку.
Сборка регулятора мощности на симисторе своими руками
От теории плавно переходим к практике. Соберем симисторный регулятор мощности, используя описанную выше схему. Все ее компоненты мы «запрячем» в корпус наружной розетки, превратив ее в источник регулируемого напряжения. Хотя делать это необязательно.
Компоненты для сборки регулятора
Все вышеописанные радиодетали можно без проблем купить в любом радиомагазине. Мы же для сборки нашего регулятора возьмем их из регулятора оборотов вышедшей из строя орбитальной шлифовальной машинки (как раз эта плата уцелела и все компоненты рабочие). Вот она. 
Отсюда мы заберем симистор, динистор, конденсатор и резистор. Потенциометр возьмем другой, так как имеющуюся «крутилку» вмонтировать в розетку будет невозможно. Вот что остается. 
На фото можно видеть не один резистор, а два. Изначально регулятор был собран с использованием и второго резистора, но после тестирования прибора он был убран. Почему – сказано ниже.
Итак, имеем:
Остановимся немного на резисторах, так как от них зависит регулировочный диапазон в данной схеме. Начнем с R1. Чем меньше его сопротивление, тем большее максимальное напряжение мы сможем получить на выходе регулятора. Однако при уменьшении его сопротивления возрастает ток, протекающий через него во время заряда конденсатора. Соответственно, резистор может нагреваться. А потому надо брать уже не на 1 Вт, а на 2 Вт.
Переменный резистор или потенциометр. От его номинала зависит минимальное напряжение, до которого будет снижаться сетевое при помощи регулятора. Так, если взять на 250 кОм, то напряжение удастся понизить примерно до 50-70 В (при R1 68 кОм). Если же взять на 500 кОм, то напряжение получится понизить еще.
Кроме радиодеталей для сборки регулятора понадобится розетка, отрезок кабеля и вилка. 
Розетку неплохо было бы закрепить на каком-либо основании, например, на деревянной колодке. Хотя при стационарном использовании ее можно пристроить и на стене, и на столе, и под ним.
Сборка регулятора и некоторые особенности устройства
Начинать сборку желательно с самого большого компонента. В данном случае им является переменный резистор. Как видно, даже штатная начинка розетки не позволяет использовать габаритный потенциометр. Кроме того, нам же внутрь еще парочку деталей запихнуть надо. В итоге, после нескольких примерок переменный резистор было решено закрепить следующим образом. 
Лучше, конечно, было бы устанавливать его в ту часть розетки, где будет вся остальная начинка. А так придется соединять схему проводами достаточной для сборки и разборки длины.
Далее идет вторая по размерам деталь – симистор. На фото он установлен на небольшой радиатор. Но это не для охлаждения, так как мощность, которую мы будем питать от регулятора, всего 80 Вт. Однако с радиатором симистор встал на свое место, как родной, и крепить его никак не пришлось.
Следующим шагом идет пайка динистора. Согласно схеме – он находится одним выводом на управляющем выводе симистора. В этом симисторе управляющим является крайний правый. При распайке обвязки симистора важно ничего не перепутать. Потому, если вы используете другие компоненты (аналоги), уточняйте назначение выводов.
Далее один из проводов с вилки напрямую вставляется в один из контактов розетки. Второй же мы будем «разрывать» нашей схемой. На фото выше показано, как красным проводом соединен регулируемый контакт розетки с одной из силовых ножек симистора. Таковых у него две. И обе они равнозначные. Потому неважно, на какой из этих двух ножек будет «сидеть» наша схема. 
Теперь свободный вывод динистора соединяем конденсатором с тем выводом симистора, который мы красным проводом подвели к контакту розетки. Сюда же (к динистору и конденсатору) паяем провод, который пойдет на один из выводов переменного резистора. Кстати, две из трех ножек переменного резистора необходимо предварительно соединить. Как на схеме.
Далее к проводу, который входит в регулируемый контакт розетки, паяется резистор (в нашем случае на 68 кОм 1 Вт). Остается только соединить свободный вывод переменного резистора с постоянным, соединив их, таким образом, последовательно.
Все. Регулятор готов. На фото, правда, есть еще маленький резистор. Он соединен параллельно с переменным резистором, как и было в оригинале на плате шлифовальной машинки. Однако после теста он был убран, так как из-за него напряжение удавалось понижать только до 120 В.
Проверка регулятора мощности
После сборки симисторного регулятора его необходимо протестировать. Это позволит:
Для проверки нужен мультиметр и нагрузка. Мультиметр необходимо подсоединить к контактам регулируемой розетки, предварительно включив на нем режим измерения переменного напряжения более 300 В (в дешевых приборах, как на фото, это 750 В). Нагрузку нужно подключать обязательно. Иначе ток через нашу схему не пойдет, и ее работы мы, соответственно, не увидим.
⚠ Внимание! Компоненты схемы и штатная начинка розетки находятся под опасным для жизни напряжением. Потому ни в коем случае нельзя прикасаться к радиодеталям, оголенным проводам и так далее. Браться руками можно только за пластиковый корпус розетки и ручку потенциометра.
Чтобы не рисковать, проверить прибор можно и в собранном состоянии. Для этого в нашу регулируемую розетку включаем тройник или удлинитель с двумя розетками. В одну из них включаем нагрузку (паяльник, например), а во второй измеряем щупами мультиметра напряжение.
Проверка на разобранном регуляторе выглядит следующим образом. 
Здесь потенциометр установлен на максимальное сопротивление. Напряжение на выходе регулятора из 230 В снизилось до 59 В. Справа от вольтметра другой мультиметр, включенный на измерение температуры. Его датчик (термопара) прикладывается к жалу паяльника. Как видно по фото, при подаче на 80-ваттный паяльник всего 59 В максимальная температура его жала составила примерно 200 °C. Этого вполне достаточно, чтобы паять при помощи припоя ПОС-60. Для пайки более тугоплавких привоев напряжение следует повысить, и жало разогреется до большей температуры.
Минимальный порог напряжения на выходе можно снизить еще больше. Для этого надо заменить резистор RV1, установив вместо 250-килоомного, например, на 500 кОм. В результате мы сможем еще больше ограничить ток через конденсатор, он будет заряжаться еще медленнее, динистор будет открываться еще позже, а симистор будет в открытом состоянии еще меньший промежуток времени. Однако это может привести к нестабильной работе регулятора, что потребует усложнения схемы путем добавки в нее еще одного конденсатора. 
А это уже максимальное напряжение, которое получается на выходе нашего регулятора. Температура на кончике жала паяльника более 300 градусов (грелся еще, но не стал мучить термопару). Когда этот паяльник включен в розетку 230 В напрямую – он раскаляется и до 400 градусов, что никуда не годится.
Максимальное напряжение на выходе регулятора можно повысить. Для этого надо уменьшить сопротивление резистора R1, заменив его на другой. При этом следует помнить, что через него потечет больший ток, и на нем будет выделяться больше тепла. Соответственно, если взять резистор R1 сопротивлением 5-10 кОм, то его рассеиваемая мощность должна быть уже не 1 Вт, а 2Вт.
В данном случае это не нужно, так как и при 185 вольтах жало перегревается очень сильно.
При подключении к такому регулятору паяльника, если прислушаться, то можно различить тихое жужжание. Это нормально, и паяльнику никак не навредит.
А вот если подключить к нашему регулятору лампу накаливания, то вместо жужжания мы увидим мерцание. Чем меньше будет напряжение и яркость лампы, тем мерцания станут более заметными. Для лампы это не вредно, а вот для нашего зрения – еще как. Потому использовать данную схему в качестве диммера для ламп не стоит. Для этого есть другие схемы, ненамного сложнее этой.