2.2. Симістор
Симіcтop (симетричний тріодний тиристор) або Тріак (від англ. TRIAC - triode for alternating current) - напівпровідниковий прилад, що є різновидом тиристорів і використовуваний для комутації в ланцюгах змінного струму. В електроніці часто розглядається як керований вимикач (ключ) (рис. 2.3.).
Рис. 2.3. Позначення в електроніці.
Чим же симістор відрізняється від своїх «побратимів» - триністорів (триністорів)? Згадайте про властивості цих приладів. Їх роботу часто порівнюють з дією звичайних дверей: прилад замкнений - струм в ланцюзі відсутній (двері закриті - проходу немає), прилад відкритий - в ланцюзі виникає електричний струм (двері відчинилися - ввійдіть). Але у них є спільний недолік. Тиристори пропускають струм тільки в прямому напрямку - так звичайні двері легко відкривається "від себе", але скільки не тягни її на себе - в протилежну сторону, всі зусилля виявляться марними.
Збільшивши число напівпровідникових шарів тиристора з чотирьох до п'яти і забезпечивши його керуючим електродом, вчені виявили, що прилад з такою структурою (названий згодом симістором) здатний пропускати електричний струм як у прямому, так і в зворотному напрямках.
На рис. 2.4., зображена будова напівпровідникових шарів симістора. Зовні вони нагадують транзисторну структуру р-n-р типу, але відрізняються тим, що мають три додаткові області з n-провідністю. І ось що цікаво: виявляється, дві з них, розташовані біля катода і анода, виконують функції тільки одного напівпровідникового шару - четвертого. П'ятий утворює область з n-провідністю, що лежить близько керуючого електрода.
Рис. 2.4. Будова напівпровідникових шарів.
Ясно, що робота такого приладу заснована на більш складних фізичних процесах, ніж у інших типів тиристорів. Щоб краще розібратися в принципі дії симістора, скористаємося його тиристорним аналогом. Чому саме тиристорним? Справа в тому, що поділ четвертого напівпровідникового шару симістора не випадково. Завдяки такій структурі при прямому напрямку струму, що протікає через прилад, анод і катод виконують свої основні функції, а при зворотному вони як би міняються місцями - анод стає катодом, а катод, навпаки, анодом, тобто симістор можна розглядати як два зустрічно-паралельно включених тиристора (рис. 2.5.).
Рис. 2.5. Еквівалентна схема симістора.
Уявімо, що на керуючий електрод поданий відмикаючий сигнал. Коли на аноді приладу напруга позитивної полярності, а на катоді - негативної, електричний струм потече через лівий за схемою триністор. Якщо полярність напруги на силових електродах поміняти на протилежну, включиться правий по схемі триністор. П'ятий напівпровідниковий шар, подібно регулювальника, рухом автомобілів на перехресті, направляє відмикаючий сигнал, залежно від фази струму на один з триністоров. При відсутності відмикаючого сигналу симістор закритий.
У цілому його дію можна порівняти, наприклад, з обертовими дверима на станції метро - в який бік не штовхни її, вона обов'язково відкриється. Дійсно, подамо відмикаючу напругу на керуючий електрод симістора - "підштовхнемо" його, і електрони, наче поспішають на посадку або вихід пасажири, потечуть через прилад в напрямку, диктуючої полярності включення анода і катода.
Завдяки симетричності вольт-амперної характеристики новий напівпровідниковий прилад був названий симетричним тиристором (скорочено - симістор). Іноді його називають Тріак (термін, що прийшов з англійської мови)[6].
При використанні симістора накладаються обмеження, зокрема при індуктивному навантаженні. Обмеження стосуються швидкості зміни електричної напруги (dU / dt) між основними електродами симістора і швидкості зміни робочого струму di / dt. Перевищення швидкості зміни напруги на симісторі (через наявність його внутрішньої ємності), а також величини цієї напруги, можуть призводити до небажаного відкривання симістора. Перевищення швидкості наростання струму між основними електродами, а також величини цього струму, може призвести до пошкодження симістора. Існують і інші параметри, на які накладаються обмеження відповідно до граничнодопустимого режиму експлуатації. До таких параметрів належать струм і напруга керуючого електрода, температура корпусу, що розсіюється приладом потужність та інше.
Небезпека перевищення по швидкості наростання струму полягає в наступному. Завдяки глибокому позитивному зворотному зв'язку, перехід симістора у відкритий стан відбувається лавино подібно, але, незважаючи на це, процес відмикання може тривати до декількох мікросекунд, протягом яких до симістора виявляються включені одночасно великі значення струму і напруги. Тому, навіть незважаючи на те, що падіння напруги на повністю відкритому симісторі невелика, миттєва потужність під час відкривання симістора може досягти великої величини. Це супроводжується виділенням теплової енергії, яка не встигає розсіятися і може призвести до перегріву і пошкодження кристала [7].
Одним із способів захисту симістора від викидів напруги при роботі з індуктивним навантаженням є включення варистора паралельно основних виводів симістора. Для захисту симістора від перевищення швидкості зміни напруги застосовують RC-ланку, що підключається аналогічно.