Включение симистора в цепь переменного тока: как проверить, принцип работы, характеристики

Симисторы — это полупроводниковые ключи, которые используют для коммутации цепей сетевого напряжения. Узнайте, как работает симистор и для чего он нужен в цепи.

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:

1. В стиральной машине.
2. В печи.
3. В духовках.
4. В электродвигателе.
5. В перфораторах и дрелях.
6. В посудомоечной машине.
7. В регуляторах освещения.
8. В пылесосе.

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:

1. Максимальное напряжение. Показатель, который будучи достигнут на силовых электродах не вызовет, в теории, выхода из строя. Фактически является максимально допустимым значением при условии соблюдения диапазона температур. Будьте осторожны – даже кратковременное превышение может обернуться уничтожением данного элемента цепи.
2. Максимальный кратковременный импульсный ток в открытом состоянии. Пиковое значение и допустимый для него период, указываемый в миллисекундах.
3. Рабочий диапазон температур.
4. Отпирающее напряжение управления (соответствует минимальному постоянному отпирающему току).
5. Время включения.
6. Минимальный постоянный ток управления, нужный для включения прибора.
7. Максимальное повторяющееся импульсное напряжение в закрытом состоянии. Этот параметр всегда указывают в сопроводительной документации. Обозначает критическую величину напряжения, предельную для данного прибора.
8. Максимальное падение уровня напряжения на симисторе в открытом состоянии. Указывает предельное напряжение, которое может устанавливаться между силовыми электродами в открытом состоянии.
9. Критическая скорость нарастания тока в открытом состоянии и напряжения в закрытом. Указываются соответственно в амперах и вольтах за секунду. Превышение рекомендованных значений может привести к пробою или ошибочному открытию не к месту. Следует обеспечивать рабочие условия для соблюдения рекомендованных норм и исключить помехи, у которых динамика превышает заданный параметр.
10. Корпус симистора. Важен для проведения тепловых расчетов и влияет на рассеиваемую мощность.

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!

Симистор — устройство и принцип работы прибора

Симистор — полупроводниковый прибор, используемый в качестве электронного ключа в схемах коммутации цепей переменного тока. Каждый из типов электрических ключей имеет свои достоинства, недостатки и область применения. Простейшими механическими ключами являются выключатели и рубильники. Применяются там, где необходима ручная коммутация одной или нескольких групп контактов.

Вконтакте

Facebook

Twitter

Google+

Мой мир

Электромеханические ключи

Для коммутации в электрических схемах используются ключи различного типа:

• механические;
• электромеханические;
• электронные.

К электромеханической группе относятся реле или контакторы. Замыканием и размыканием контактов управляет электромагнит. На катушку электромагнита подается управляющее напряжение, которое может быть как постоянным, так и переменным. Механические контакты реле могут коммутировать практически любые токи. Сопротивление контактной пары ничтожно, падение напряжения на контактах практически отсутствует. Нет потерь мощности при коммутации нагрузок, хотя есть потери на питание управляющей катушки.

Огромным преимуществом контакторов является то, что цепи нагрузки и управления электрически изолированы.

Недостатков тоже немало:

• Ограниченно число переключений. Контакты изнашиваются;
• Возникновение электрической дуги при размыкании — искрение контактов. Приводит к электроэрозии и недопустимо во взрывоопасных средах;
• Низкое быстродействие.

Там, где применение контакторов невозможно или нецелесообразно, применяют электронные ключи.

Электронные ключи

В настоящее время применяются следующие типы:

• Ключи на биполярных транзисторах;
• Ключи на полевых транзисторах;
• Ключи на управляемых диодах — тиристорах;
• Ключи на симметричных управляемых диодах — симисторах.

Рассмотрим подробно каждый из типов:

На транзисторах

Простейшим электронным ключом является биполярный транзистор. Как известно, биполярный транзистор имеет структуру n-p-n или р-n-p с двумя p-n переходами и тремя выводами: эмиттер, база и коллектор.

Если ток базы отсутствует, ток коллектора равен нулю. Транзистор находится в состоянии отсечки. Это соответствует разомкнутому состоянию.

Если в базу подать ток достаточной величины, транзистор войдет в насыщение, и напряжение на коллекторе будет близко к нулю, независимо от тока коллектора. Это соответствует замкнутому состоянию.

До появления полевых транзисторов ключи на биполярных транзисторах были основой всей полупроводниковой схемотехники.

В полевых транзисторах между выводами стока и истока существует проводящий канал n или р типа. К этому каналу через диэлектрический слой окисла подключен управляющий электрод — затвор. Меняя напряжение на затворе, можно воздействовать на ширину проводящего канала и тем самым менять его проводимость. Управляя затвором, можно переводить ключ в открытое и закрытое состояние.

Ключи на полевых транзисторах превосходят ключи на биполярных по быстродействию, поскольку биполярные транзисторы медленно выходят из режима насыщения.

Сегодня все компьютеры, смартфоны и прочие гаджеты собраны на комплиментарных (то есть разнополярных) МОП транзисторах. В быстродействующей силовой электронике также применяются мощные полевые транзисторы.

На тиристорах

Если добавить к структуре биполярного транзистора еще один p-n переход, можно получить прибор с очень интересными свойствами — управляемый диод, или тиристор.

Тиристор — это полупроводниковый прибор со структурой p-n-p-n или n-p-n-p. Он имеет три или реже четыре вывода. Вывод, подключенный к внешнему слою p, называется анод, к внешнему слою n — катод. Управляющий электрод, называемый базой, подключается к одному из внутренних слоев, обычно к тому, который примыкает к катоду. Тиристор может иметь и две базы, но это не принципиально.

Эта структура эквивалентна соединению двух, транзисторов с разным типом проводимости, показанному на рисунке.

Это два транзисторных ключа, включенных навстречу друг другу. База каждого из транзисторов подключена к коллектору другого. Эта схема напоминает триггер — элемент с памятью. Если подать в базу отпирающий ток, то тиристор откроется, но из-за эффекта памяти останется в этом состоянии до тех пор, пока ток через него не снизится практически до нуля.

У тиристора очень необычная вольт-амперная характеристика. Она имеет S — образную форму.

Характеристика показывает зависимость тока через тиристор от напряжения между анодом и катодом при различных значениях тока базы IG. Напряжение Vbo соответствует напряжению включения тиристора. Vbr соответствует напряжению пробоя.

При достаточно большом токе базы тиристор ведет себя как диод. Иногда тиристор называют управляемым диодом, что соответствует его графическому обозначению на схемах. Тиристор проводит ток в одном направлении.

Принцип работы симистора

Симистор — это прибор, структура которого соответствует двум тиристорам с разной проводимостью, соединенных встречно-параллельно. Это ясно видно из их условного графического обозначения.

Обозначение симистора.

Вольт-амперная характеристика, в отличие от тиристора, симметрична.

Симистор проводит ток в обоих направлениях, в отличие от тиристора. В остальном его поведение аналогично.

Как и тиристор, симистор является электронным ключом, управляемым током, так же, как и транзисторный ключ, но в отличие от транзисторного ключа, симисторный (и тиристорный) остается в открытом состоянии и после снятия управляющего сигнала, пока ток через него превышает некоторое минимальное значение, называемое током удержания.

Динисторы как разновидность симисторов

Если не использовать управляющий вход симистора, он превращается в динистор. Характеристика динистора соответствует характеристике симистора при Ig = 0.

Динистор ведет себя, подобно разряднику. Если напряжение на выводах разрядника превышает напряжение пробоя, он начинает пропускать ток, и остается в открытом состоянии, пока ток не станет ниже порога удержания, или полярность напряжения не сменится на обратную. Динисторы часто используются для управления симисторными ключами.

Графическое условное обозначение динистора на электрических схемах может быть различным.

Принцип фазного регулирования мощности

Основное применение симисторов — регулирование мощности в цепях переменного тока. В таких регуляторах используется принцип фазного регулирования. Принцип состоит в том, что ключ отключает нагрузку на определенную долю полупериода синусоидального тока сети.

В результате на нагрузку передается обрезанная синусоида тока. Меняя длительность открытого состояния ключа, можно управлять величиной мощности и действующим значением напряжения на нагрузке.

Такие схемы используются в регуляторах яркости ламп накаливания — диммерах, регуляторах мощности нагревательных приборов, схемах плавного пуска электродвигателей.

Схема регуляторов мощности на симисторе

Простейшая схема симисторного регулятора приведена ниже. Емкость C1 заряжается через резисторы R1 и R2.

Когда напряжение на емкости достигнет величины напряжения открытия динистора, через открытый динистор на управляющий вход симистора подается отпирающий ток, симистор открывается и остается в открытом состоянии до конца полупериода. Емкость тем временем разряжается через открытый динистор и базу симистора. Напряжение на емкости падает, и динистор закрывается.

На втором полупериоде все повторяется. Меняя сопротивление R1, можно изменять скорость заряда емкости и, соответственно, момент срабатывания динистора и открытия ключа.

В интернете достаточно советов по тому, как проверить исправность симистора мультиметром. Мы же считаем, что нормально проверить симистор мультиметром невозможно.

Тока мультиметра в режиме прозвонки или измерения сопротивления, скорее всего, недостаточно ни для тока управления, ни для тока удержания. Тестером можно лишь проверить пробой p-n переходов. Исправный переход работает как диод и показывает высокое сопротивление в одном направлении и низкое — в другом.

Для полноценной проверки симистора надо собрать хотя бы простейшую испытательную схему. Хотя бы на батарейках и лампочках. Если вы внимательно прочли данную статью, информации будет достаточно для подключения симистора по такой схеме для проверки его работоспособности.

Вконтакте

Facebook

Twitter

Google+

Мой мир

принцип работы, применение, устройство и управление ими

Из статьи вы узнаете о том, что такое симистор, принцип работы этого прибора, а также особенности его применения. Но для начала стоит упомянуть о том, что симистор – это то же, что и тиристор (только симметричный). Следовательно, не обойтись в статье без описания принципа функционирования тиристоров и их особенностей. Без знания основ не получится спроектировать и построить даже простейшую схему управления.

Тиристоры

Тиристор является переключающим полупроводниковым прибором, который способен пропускать ток только в одном направлении. Его нередко называют вентилем и проводят аналогии между ним и управляемым диодом. У тиристоров имеется три вывода, причем один – это электрод управления. Это, если выразиться грубо, кнопка, при помощи которой происходит переключение элемента в проводящий режим. В статье будет рассмотрен частный случай тиристора – симистор — устройство и работа его в различных цепях.

Тиристор – это еще выпрямитель, выключатель и даже усилитель сигнала. Нередко его используют в качестве регулятора (но только в том случае, когда вся электросхема запитывается от источника переменного напряжения). У всех тиристоров имеются некоторые особенности, о которых нужно поговорить более подробно.

Свойства тиристоров

Среди огромного множества характеристик этого полупроводникового элемента можно выделить самые существенные:

1. Тиристоры, подобно диодам, способны проводить электрический ток только в одном направлении. В этом случае они работают в схеме, как выпрямительный диод.
2. Из отключенного во включенное состояние тиристор можно перевести, подав на управляющий электрод сигнал с определенной формой. Отсюда вывод – у тиристора как у выключателя имеется два состояния (причем оба устойчивые). Таким же образом может функционировать и симистор. Принцип работы ключа электронного типа на его основе достаточно прост. Но для того чтобы произвести возврат в исходное разомкнутое состояние, необходимо, чтобы выполнялись определенные условия.
3. Ток сигнала управления, который необходим для перехода кристалла тиристора из запертого режима в открытый, намного меньше, нежели рабочий (буквально измеряется в миллиамперах). Это значит, что у тиристора есть свойства усилителя тока.
4. Существует возможность точной регулировки среднего тока, протекающего через подключенную нагрузку, при условии, что нагрузка включена с тиристором последовательно. Точность регулировки напрямую зависит от того, какая длительность сигнала на электроде управления. В этом случае тиристор выступает в качестве регулятора мощности.

Тиристор и его структура

Тиристор – это полупроводниковый элемент, который имеет функции управления. Кристалл состоит из четырех слоев р и п типа, которые чередуются. Так же точно построен и симистор. Принцип работы, применение, структура этого элемента и ограничения в использовании рассмотрены детально в статье.

Описанную структуру еще называют четырехслойной. Крайнюю область р-структуры с подключенным к ней положительной полярности выводом источника питания, называют анодом. Следовательно, вторая область п (тоже крайняя) – это катод. К ней приложено отрицательное напряжение источника питания.

Какими свойствами обладает тиристор

Если провести полный анализ структуры тиристора, то можно найти в ней три перехода (электронно-дырочных). Следовательно, можно составить эквивалентную схему на полупроводниковых транзисторах (полярных, биполярных, полевых) и диодах, которая позволит понять, как ведет себя тиристор при отключении питания электрода управления.

В том случае, когда относительно катода анод положительный, диод закрывается, и, следовательно, тиристор тоже ведет себя аналогично. В случае смены полярности оба диода смещаются, тиристор также запирается. Аналогичным образом функционирует и симистор.

Принцип работы на пальцах, конечно, объяснить не очень просто, но мы попробуем сделать это далее.

Как работает отпирание тиристора

Для понимания принципа работы тиристора нужно обратить внимание на эквивалентную схему. Она может быть составлена из двух полупроводниковых триодов (транзисторов). Вот на ней и удобно рассмотреть процесс отпирания тиристоров. Задается некоторый ток, который протекает через электрод управления тиристора. При этом ток имеет смещение прямой направленности. Этот ток считается базовым для транзистора со структурой п-р-п.

Поэтому в коллекторе ток у него будет больше в несколько раз (необходимо значение тока управления умножить на коэффициент усиления транзистора). Далее можно видеть, что это значение тока базовое для второго транзистора со структурой проводимости р-п-р, и он отпирается. При этом коллекторный ток второго транзистора будет равен произведению коэффициентов усиления обоих транзисторов и первоначально заданного тока управления. Симисторы (принцип работы и управление ими рассмотрены в статье) обладают аналогичными свойствами.

Далее этот ток необходимо суммировать с ранее заданным током цепи управления. И получится именно то значение, которое необходимо, чтобы поддерживать первый транзистор в отпертом состоянии. В том случае, когда ток управления очень большой, два транзистора одновременно насыщаются. Внутренняя ОС продолжает сохранять свою проводимость даже тогда, когда исчезает первоначальный ток на управляющем электроде. Одновременно с этим на аноде тиристора обнаруживается довольно высокое значение тока.

Как отключить тиристор

Переход в запертое состояние тиристора возможен в том случае, если к электроду управления открытого элемента не прикладывается сигнал. При этом ток спадает до определенной величины, которая называется гипостатическим током (или током удержания).

Тиристор отключится и в том случае, если произойдет размыкание в цепи нагрузки. Либо когда напряжение, которое прикладывается к цепи (внешней), меняет свою полярность. Это происходит под конец каждого полупериода в случае, когда питается схема от источника переменного тока.

Когда тиристор работает в цепи постоянного тока, запирание можно осуществить при помощи простого выключателя или кнопки механического типа. Он соединяется с нагрузкой последовательно и применяется для обесточивания цепи. Аналогичен и принцип работы регулятора мощности на симисторе, правда, имеются в схеме некоторые особенности.

Способы отключения тиристоров

Но можно выключатель соединить параллельно, тогда с его помощью происходит шунтирование тока анода, и тиристор переводится в запертое состояние. Некоторые виды тиристоров могут включаться повторно, если разомкнуть контакты выключателя. Объяснить это можно тем, что во время размыкания контактов паразитные емкости переходов тиристора накапливают заряд, создавая тем самым помехи.

Поэтому желательно располагать выключатель так, чтобы он находился между катодом и электродом управления. Это позволит гарантировать, что тиристор отключится нормально, а удерживающий ток отсечется. Иногда для удобства и повышения быстродействия и надежности применяют вместо механического ключа вспомогательный тиристор. Стоит отметить, что работа симистора во многом схожа с функционированием тиристоров.

Симисторы

А теперь ближе к теме статьи – нужно рассмотреть частный случай тиристора – симистор. Принцип работы его схож с тем, что был рассмотрен ранее. Но имеются некоторые отличия и характерные особенности. Поэтому нужно поговорить о нем более подробно. Симистор представляет собой прибор, в основе которого находится кристалл полупроводника. Очень часто используется в системах, которые работают на переменном токе.

Самое простое определение этого прибора – выключатель, но управляемый. В запертом состоянии он работает точно так же, как и выключатель с разомкнутыми контактами. При подаче сигнала на электрод управления симистора происходит переход прибора в открытое состояние (режим проводимости). При работе в таком режиме можно провести параллель с выключателем, у которого контакты замкнуты.

Когда сигнал в цепи управления отсутствует, в любой из полупериодов (при работе в цепях переменного тока) происходит переход симистора из режима открытого в закрытый. Симисторы широко используются в режиме релейном (например, в конструкциях светочувствительных выключателей или термостатов). Но они же нередко применяются и в системах регулирования, которые функционируют по принципам фазового управления напряжения на нагрузке (являются плавными регуляторами).

Структура и принцип работы симистора

Симистор – это не что иное, как симметричный тиристор. Следовательно, исходя из названия, можно сделать вывод – его легко заменить двумя тиристорами, которые включаются встречно-параллельно. В любом направлении он способен пропустить ток. У симистора имеется три основных вывода – управляющий, для подачи сигналов, и основные (анод, катод), чтобы он мог пропускать рабочие токи.

Симистор (принцип работы для «чайников» этого полупроводникового элемента предоставлен вашему вниманию) открывается, когда на управляющий вывод подается минимальное необходимое значение тока. Или в том случае, когда между двумя другими электродами разность потенциалов выше предельно допустимого значения.

В большинстве случаев превышение напряжения приводит к тому, что симистор самопроизвольно срабатывает при максимальной амплитуде питающего напряжения. Переход в запертое состояние происходит в случае смены полярности или при уменьшении рабочего тока до уровня ниже, чем ток удержания.

Как отпирается симистор

При питании от сети переменного тока происходит смена режимов работы за счет изменения полярности у напряжения на рабочих электродах. По этой причине в зависимости от того, какая полярность у тока управления, можно выделить 4 типа проведения этой процедуры.

Допустим, между рабочими электродами приложено напряжение. А на электроде управления напряжение по знаку противоположно тому, которое приложено к цепи анода. В этом случае сместится по квадранту симистор — принцип работы, как можно увидеть, довольно простой.

Существует 4 квадранта, и для каждого из них определен ток отпирания, удерживающий, включения. Отпирающий ток необходимо сохранять до той поры, покуда не превысит в несколько раз (в 2-3) он значение удерживающего тока. Именно это и есть ток включения симистора – минимально необходимый ток отпирания. Если же избавиться от тока в цепи управления, симистор будет находиться в проводящем состоянии. Причем он в таком режиме будет работать до той поры, покуда ток в цепи анода будет больше тока удержания.

Какие накладываются ограничения при использовании симисторов

Его сложно использовать, когда нагрузка индуктивного типа. Скорость изменения напряжения и тока ограничивается. Когда симистор переходит из запертого режима в открытый, во внешней цепи возникает значительный ток. Напряжение не падает мгновенно на силовых выводах симистора. А мощность будет мгновенно развиваться и достигает довольно больших величин. Та энергия, которая рассеивается, за счет малого пространства резко повышает температуру полупроводника.

В случае превышения критического значения происходит разрушение кристалла, ввиду чрезмерно быстрого нарастания силы тока. Если к симистору, который находится в запертом состоянии, приложить некоторое напряжение и резко его увеличить, то произойдет открытие канала (при отсутствии сигнала в цепи управления). Такое явление можно наблюдать по причине того, что происходит накапливание заряда внутренней паразитной емкостью полупроводника. Причем ток заряда имеет достаточное значение, чтобы отпереть симистор.

Симистор (триак) — описание, принцип работы, свойства и характеристики

Справочные данные популярных отечественные симисторов и зарубежных
триаков. Простейшие схемы симисторных регуляторов мощности.

Ну что ж! На предыдущей странице мы достаточно плотно обсудили свойства и характеристики полупроводникового прибора под названием тиристор, неуважительно обозвали его «довольно архаичным», пришло время выдвигать внятную альтернативу.
Симистор пришёл на смену рабочей лошадке-тиристору и практически полностью заменил его в электроцепях переменного тока.
История создания симистора также не нова и приходится на 1960-е годы, причём изобретён и запатентован он был в СССР группой товарищей из Мордовского радиотехнического института.

Итак:
Симистор, он же триак, он же симметричный триодный тиристор — это полупроводниковый прибор, являющийся разновидностью тиристора, но, в отличие от него, способный пропускать ток в двух направлениях и используемый для коммутации нагрузки в цепях переменного тока.

Рис.1

На Рис.1 слева направо приведены: топологическая структура симистора, далее расхожая, но весьма условная, эквивалентная схема, выполненная на двух тиристорах и, наконец, изображение симистора на принципиальных схемах.
МТ1 и МТ2 — это силовые выводы, которые могут обозначаться, как Т1&Т2; ТЕ1&ТЕ2; А1&А2; катод&анод. Управляющий электрод, как правило, обозначается латинской G либо русской У.

Глядя на эквивалентную схему, может возникнуть иллюзия, что симистор относительно горизонтальной оси является элементом абсолютно симметричным, что даёт возможность как угодно крутить его вокруг управляющего электрода. Это не верно!!!
Точно так же, как у тиристора, напряжение на управляющий электрод симистора должно подаваться относительно условного катода (МТ1, Т1, ТЕ1, А1).
Иногда производитель может обозначать цифрой 1 «анодный» вывод, цифрой 2 — «катодный», поэтому всегда важно придерживаться обозначений, приведённых в паспортных характеристиках на прибор.

Полярность открывающего напряжения должна быть либо отрицательной для обеих полярностей напряжения на условном аноде, либо совпадать с полярностью «анодного» напряжения (т.е. быть плюсовой в момент прохождения положительной полуволны и минусовой — в момент прохождения отрицательной).

Приведём вольт-амперную характеристику тиристора и схему, реализующую самый простой способ управления симисторами — подачу на управляющий электрод прибора постоянного тока с величиной, необходимой для его включения (Рис.2).

Рис.2

Огромным плюсом симистора перед тиристором является возможность в штатном режиме работать с разнополярными полупериодами сетевого напряжения. Вольт-амперная характеристика является симметричной, надобности в выпрямительном мосте — никакой, схема получается проще, но главное — исключается элемент (выпрямитель), на котором вхолостую рассеивается около 50% мощности.

Давайте рассмотрим работу симистора при подаче на его управляющий вход постоянного тока отрицательной полярности (Рис.2 справа), ведь мы помним, что именно такая полярность открывающего напряжения является универсальной и для положительных, и для отрицательных полупериодов напряжения сети. На самом деле, всё происходит абсолютно аналогично описанной на предыдущей странице работе тиристора.
Повторим пройденный материал.

1. Для начала рассмотрим случай, когда управляющий электрод симистора отключен (S1 на схеме разомкнут, Iу на ВАХ равен 0). Тока через нагрузку нет (участки III на ВАХ), симистор закрыт, и для того, чтобы его открыть, необходимо поднять напряжение на «аноде» симистора настолько, чтобы возник лавинный пробой p-n-переходов полупроводника.
Оговоримся — зафиксировать нам этот процесс не удастся, потому что величина этого напряжения составляет несколько сотен вольт и, как правило, превышает амплитудное значение напряжения сети.
Тем не менее — при достижении этого уровня напряжения (точки II на ВАХ) симистор отпирается, падение напряжения между силовыми выводами падает до единиц вольт, нагрузка подключается к сети — наступает рабочий режим открытого симистора (участки I на ВАХ).
Чтобы закрыть симистор, нужно снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на «аноде») ниже тока удержания.

2. Для того чтобы снизить величину напряжения включения симистора, следует замкнуть S1 и, тем самым, подать на управляющий электрод ток, задаваемый значением переменного резистора R1. Чем больше ток Iу, тем при меньшем анодном напряжении происходит переключение симистора в проводящее состояние.
А при какой-то величине тока управляющего электрода, называемой током спрямления (на ВАХ не показано), горба на характеристике вообще не будет, и напряжение открывания симистора составит незначительную величину, исчисляемую единицами вольт.
Абсолютно так же, как и в прошлом пункте, чтобы закрыть симистор, необходимо снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на «аноде») ниже значения тока удержания.

То бишь — всё полностью аналогично тиристору. Для открывания симистора следует подать на управляющий электрод прибора постоянный ток с величиной, необходимой для его включения, для закрывания — снизить протекающий через нагрузку ток (или напряжение на «аноде») ниже значения тока удержания.
Т.е. в нашем случае, представленном на Рис.2 — симистор будет открываться при замыкании S1 в каждый момент превышения «анодным» напряжением некоторого значения, зависящего от номинала R1, а закрываться с каждым полупериодом сетевого напряжения в момент приближения его уровня к нулевому значению.

Описанный выше способ управления симистором посредством подачи на управляющий электрод постоянного напряжения обладает существенным недостатком — требуется довольно большой ток (а соответственно и мощность) управляющего сигнала (по паспорту — до 250мА для КУ208). Поэтому в большинстве случаев для управления симисторами используется импульсный метод, либо метод, при котором открытый симистор шунтирует цепь управления, не допуская бесполезного рассеивания мощности на её элементах.

В качестве примера рассмотрим простейшую, но вполне себе работоспособную схему симисторного регулятора мощности, позволяющего работать с нагрузками вплоть до 2000 Вт.

Рис.3

Как можно увидеть, на схеме помимо симистора VS2 присутствует малопонятный элемент VS1 — динистор. Для интересующихся отмечу — на странице ссылка на страницу мы подробно обсудили принцип работы, свойства и характеристики приборов данного типа.

А теперь — как это всё работает?
В начале действия положительного полупериода симистор закрыт. По мере увеличения сетевого напряжения конденсатор С1 заряжается через последовательно соединённые резисторы R1 и R2. Причём увеличение напряжения на конденсаторе С1 отстаёт (сдвигается по фазе) от сетевого на величину, зависящую от суммарного сопротивления резисторов и номинала ёмкости С1. Чем выше значения резисторов и конденсатора — тем больше сдвиг по фазе.
Заряд конденсатора продолжается до тех пор, пока напряжение на нём не достигнет порога пробоя динистора (около 35 В). Как только динистор откроется (следовательно, откроется и симистор), через нагрузку потечёт ток, определяемый суммарным сопротивлением открытого симистора и нагрузки.
При этом симистор остаётся открытым до конца полупериода, т.е. момента, когда полуволна сетевого напряжения приблизится к нулевому уровню.
Переменным резистором R2 устанавливают момент открывания динистора и симистора, производя тем самым регулировку мощности, подводимой к нагрузке.

При действии отрицательной полуволны принцип работы устройства аналогичен.

Диаграммы напряжения на нагрузке при различных значениях переменного резистора приведены на Рис.3 справа.

Для предотвращения ложных срабатываний триаков, вызванных переходными процессами в индуктивных нагрузках (например, в электродвигателях), симисторы должны иметь дополнительные компоненты защиты. Это, как правило, демпферная RC-цепочка (снабберная цепь) между силовыми электродами триака, которая используется для ограничения скорости изменения напряжения (на схеме Рис.3 показана синим цветом).
В некоторых случаях, когда нагрузка имеет ярко выраженный ёмкостной характер, между силовыми электродами необходима индуктивность для ограничения скорости изменения тока при коммутации.

А под занавес приведём основные характеристики отечественных симисторов и зарубежных триаков.

Тип	U макс, В	I max, А	Iу отп, мА
КУ208Г	400	5
BT 131-600	600	1
BT 134-500	500	4
BT 134-600	600	4
BT 134-600D	600	4
BT 136-500Е	500	4
BT 136-600Е	600	4
BT 137-600Е	600	8
BT 138-600	600	12
BT 138-800	800	12
BT 139-500	500	16
BT 139-600	600	16
BT 139-800	800	16
BTA 140-600	600	25
BTF 140-800	800	25
BT 151-650R	650	12
BT 151-800R	800	12
BT 169D	400	12
BTA/BTB 04-600S	600	4
BTA/BTB 06-600C	600	6
BTA/BTB 08-600B	600	8
BTA/BTB 08-600C	600	8
BTA/BTB 10-600B	600	10
BTA/BTB 12-600B	600	12
BTA/BTB 12-600C	600	12
BTA/BTB 12-800B	800	12
BTA/BTB 12-800C	800	12
BTA/BTB 16-600B	600	16
BTA/BTB 16-600C	600	16
BTA/BTB 16-600S	600	16
BTA/BTB 16-800B	800	16
BTA/BTB 16-800S	800	16
BTA/BTB 24-600B	600	25
BTA/BTB 24-600C	600	25
BTA/BTB 24-800B	800	25
BTA/BTB 25-600В	600	25
BTA/BTB 26-600A	600	25
BTA/BTB 26-600B	600	25
BTA/BTB 26-700B	700	25
BTA/BTB 26-800B	800	25
BTA/BTB 40-600B	600	40
BTA/BTB 40-800B	800	40
BTA/BTB 41-600B	600	41
BTA/BTB 41-800B	800	41
MAC8M	600	8
MAC8N	800	8
MAC9M	600	9
MAC9N	800	9
MAC12M	600	12
MAC12N	800	12
MAC15M	600	15
MAC12N	800	15

Симисторы с обозначение BTA отличаются от других наличием изолированного корпуса.
Падение напряжения на открытом симисторе составляет примерно 1-2 В и мало зависит от протекающего тока.

 

Что такое триак — симистор »Электроника Примечания

Триаки — это полупроводниковые устройства, которые широко используются для переключения переменного тока средней мощности — их преимущество в том, что они могут переключать обе половины переменного цикла.

---

Triac, Diac, SCR Учебное пособие включает в себя:
Основы тиристора Структура тиристорного устройства Тиристорная операция Ворота выключить тиристор, гто Тиристорные характеристики Что такое триак Triac технические характеристики Обзор Diac

---

Триаки — это электронные компоненты, которые широко используются в приложениях управления питанием переменного тока.Они способны переключать высокое напряжение и высокий уровень тока, а также по обеим частям сигнала переменного тока. Это делает симисторные схемы идеальными для использования в различных приложениях, где необходимо переключение питания.

Одно из конкретных применений цепей симистора — диммеры для внутреннего освещения, и они также используются во многих других ситуациях управления питанием, включая управление двигателем и электронные переключатели.

Благодаря своим характеристикам симисторы, как правило, используются для электронных и коммутационных систем малой и средней мощности, в результате чего тиристоры используются для применения в системах переменного тока с очень высокой нагрузкой.

Средний ток триак

Triac основы

Триак — это развитие тиристора. В то время как тиристор может управлять током только в течение половины цикла, триак управляет им в течение двух половин сигнала переменного тока.

В качестве такового триак можно рассматривать как пару параллельных, но противоположных тиристоров с двумя вентилями, соединенными вместе, и анодом одного устройства, соединенным с катодом другого и т. Д.

Форма сигнала переключения симистора

Тот факт, что действие переключения симистора происходит на обеих половинах формы сигнала переменного тока, означает, что для электронных приложений переключения переменного тока может использоваться полный цикл.Для базовых схем тиристоров используется только половина формы волны, и это означает, что базовые схемы, использующие тиристоры, не будут использовать обе половины цикла. Для использования обеих полов требуется два устройства. Однако для управления симистором требуется только одно устройство, которое контролирует обе половины формы сигнала переменного тока, и во многих отношениях это идеальное решение для электронного переключателя переменного тока.

Триак символ

Как и другие электронные компоненты, триак имеет свой собственный символ цепи для использования на принципиальных схемах, и это указывает на его двунаправленные свойства.Символ симистора можно рассматривать как пару символов тиристора в противоположных смыслах, объединенных вместе.

Символ цепи симистора

Как и тиристор, триак имеет три контакта. Однако их названия немного сложнее назначить, потому что главные токонесущие клеммы подключены к тому, что фактически является катодом одного тиристора и анодом другого внутри всего устройства.

Есть ворота, которые действуют как триггер для включения устройства.В дополнение к этому другие терминалы называются анодами или основными терминалами. Обычно они обозначаются как анод 1 и анод 2 или основной терминал 1 и главный терминал 2 (MT1 и MT2). При использовании триаков это как MT1, так и MT2 имеют очень похожие свойства.

Как работает триак?

Прежде чем посмотреть, как работает триак, необходимо понять, как работает тиристор. Таким образом, основные понятия могут быть поняты для более простого полупроводникового устройства и затем применены к триаку, который является более сложным.

Для работы симистора по условному обозначению схемы можно представить, что симистор состоит из двух тиристоров, расположенных параллельно, но по-разному. Работу симистора можно рассматривать таким образом, хотя фактическая работа на полупроводниковом уровне довольно сложна.

Симисторная схема

Структура симистора показана ниже, и можно видеть, что есть несколько областей материала N-типа и P-типа, которые образуют то, что фактически является парой спина к спине тиристоров.

Triac базовая структура

Триак способен проводить разными способами — больше, чем тиристор. Он может проводить ток независимо от полярности напряжения на клеммах MT1 и MT2. Он также может быть вызван положительным или отрицательным током затвора, независимо от полярности тока MT2. Это означает, что существует четыре режима запуска или квадранта:

• I + Mode MT2 ток + ve, ток затвора + ve
• I- Режим Ток MT2 + ve, ток затвора -ve
• III + Mode: MT2 ток -ve, ток затвора + ve
• III- Режим: Ток MT2 равен -ve, ток затвора -ve

Обнаружено, что чувствительность тока триака триггера является наибольшей, когда токи MT2 и затвора имеют одинаковую полярность, т.е.е. оба положительные или оба отрицательные. Если токи затвора и MT2 имеют противоположную полярность, то чувствительность обычно составляет примерно половину значения, когда они одинаковы.

Типичная IV характеристика триака может быть видна на диаграмме ниже с четырьмя различными квадрантами, помеченными.

Triac IV характеристика

Триак приложений

Триаки используются во многих приложениях. Эти электронные компоненты часто используются в условиях переключения переменного тока низкой и средней мощности.Там, где необходимо переключать большие уровни мощности, обычно используют два тиристора / SCR, так как ими легче управлять.

Тем не менее триаки широко используются во многих приложениях:

• Управление освещением — особенно бытовые диммеры.
• Управление вентиляторами и маленькими моторами.
• Электронные выключатели для общего переключения и управления переменным током

Есть, конечно, много других триаковых приложений, но это одни из самых распространенных.

В одном конкретном приложении триаки могут быть включены в модули, называемые твердотельными реле. Здесь оптическая версия этого полупроводникового устройства активируется светодиодным источником света, включающим твердотельное реле в соответствии с входным сигналом.

Как правило, в твердотельных реле светодиодный или инфракрасный источник света и оптический триак содержатся в одной и той же упаковке, при этом обеспечивается достаточная изоляция, чтобы выдерживать высокие напряжения, которые могут доходить до сотен вольт или, возможно, даже больше.

Твердотельные реле бывают разных форм, но для переключения переменного тока может использоваться триак.

Использование триаков

Есть несколько моментов, которые следует учитывать при использовании триаков. Хотя эти полупроводниковые устройства работают очень хорошо, для получения максимальной производительности от них необходимо понимать несколько советов по использованию триаков.

Установлено, что из-за своей внутренней конструкции и небольших различий между двумя половинами эти электронные компоненты не работают симметрично.Это приводит к генерации гармоник: чем менее симметричны триаки, тем выше уровень создаваемых гармоник. Обычно нежелательно иметь высокие уровни гармоник в энергосистеме, и в результате триаки не предпочтительны для систем большой мощности. Вместо этих систем можно использовать два тиристора, так как легче контролировать их срабатывание.

Чтобы помочь в преодолении проблемы несимметричного возбуждения симистора и возникающих в результате гармоник, другое полупроводниковое устройство, известное как диак (диодный выключатель переменного тока), часто устанавливается последовательно с затвором симистора.Включение этого полупроводникового устройства помогает сделать переключение более равномерным для обеих половин цикла и тем самым создать более эффективный электронный переключатель.

Это происходит из-за того, что характеристика переключения диам. Намного более ровная, чем у симистора. Поскольку диак предотвращает протекание тока затвора до тех пор, пока напряжение триггера не достигнет определенного напряжения в любом направлении, это делает точку срабатывания симистора более равномерной в обоих направлениях.

Внутренняя схема симисторного диммера

Примеры схем симистора

Существует много способов использования триаков.Два приведенных ниже примера дают представление о том, что можно сделать с помощью этих полупроводниковых устройств.

• Простая схема электронного переключателя симистора: Триак может функционировать в качестве электронного переключателя — он может разрешить импульс триггера переключателя малой мощности для включения симистора для управления гораздо более высокими уровнями мощности, которые могут быть возможны с помощью простого переключатель. Простая схема симистора
• Цепь переменного тока с регулируемой мощностью или диммер: Одна из самых популярных цепей симистора изменяет фазу на входе симистора для управления мощностью, которая может рассеиваться в нагрузке.
  Основная схема симистора, использующая фазу входного сигнала для управления рассеиваемой мощностью в нагрузке

Существует много других цепей симистора, которые можно использовать. Устройство очень универсально и может использоваться в различных цепях, как правило, для обеспечения различных форм коммутации переменного тока.

Примечание по схемам симистора и конструкции:

Схемы симистора

способны переключать обе половины переменного сигнала с помощью одного устройства, что делает их очень привлекательными для использования во многих цепях переключения переменного тока малой и средней мощности.

Узнайте больше о Triac Circuits & Design

Triac технические характеристики

Триаки серии

имеют множество характеристик, которые очень похожи на характеристики тиристоров, хотя, очевидно, они предназначены для работы с триаком на обеих половинах цикла и должны интерпретироваться как таковые.

Однако, поскольку их работа очень похожа, то же самое относится и к базовым типам спецификаций. Такие параметры, как ток запуска затвора, повторяющееся пиковое напряжение в выключенном состоянии и т. П., Требуются при разработке схемы симистора, обеспечивая достаточный запас для надежной работы схемы.

Триаки являются идеальными устройствами для использования во многих приложениях переменного тока малой мощности. Схемы симистора для использования в качестве диммеров и небольших электронных переключателей широко распространены, и их легко и просто реализовать. При использовании симисторов в схему часто включаются диаки, как указано выше, чтобы помочь снизить уровень производимых гармоник.

Больше электронных компонентов:
Резисторы Конденсаторы Индукторы Кристаллы кварца Диоды транзистор Фототранзистор FET Типы памяти тиристор Соединители РЧ разъемы Клапаны / Трубы батареи Выключатели Реле
Вернуться в меню компонентов., ,

.

Конструкция, работа и применение при запуске TRIAC

DIAC — это полупроводниковое устройство, которое имеет три слоя и два соединения. Слово DIAC состоит из двух частей, DI и AC. DI обозначает диод (или два. Как Di, Tri, Quad, Penta и т. Д.), А AC обозначает переменный ток. DIAC является аббревиатурой от для переменного тока .

На изображении ниже показан символ DIAC .

DIAC представляет собой комбинацию двух параллельно подключенных диодов, один из которых находится в прямом смещении, а другой в состоянии обратного смещения относительно обеих сторон. DIAC — это специально сконструированный диод, который позволяет току проходить в обоих направлениях при соблюдении определенных условий .

Еще одна интересная вещь, касающаяся DIAC, заключается в том, что из-за отсутствия указанного направления протекания тока он считается двунаправленным устройством . DIAC имеет только два анодных контакта, и катодных контактов нет. Эти две анодные клеммы часто относятся к главному терминалу 1 (MT1), и главному терминалу 2 (MT2).

Строительство DIAC

Конструкция

DIAC следует тому же правилу, что и типичная конструкция транзистора без базовой клеммы.Как обсуждалось выше, конструкция DIAC имеет два основных терминала, MT1 и MT2. Конструкция DIAC использует два материала P-типа и три материала N-типа без клемм ворот.

На изображении выше показаны три области N-типа с именами NA, NB и NC.
областей P-типа показаны как PA и PB. Если клемма MT1 стала более положительной, чем MT2, ток будет течь в направлении PA -> NB -> PB -> NC. Когда происходит обратная ситуация, клемма MT2 становится более положительной, чем MT1, и ток будет течь в направлении PB -> NB -> PA -> NA.

DIAC начинает проводить ток только при достижении напряжения пробоя .

Во время аварийных ситуаций происходит внезапное снижение падения напряжения на DIAC, и через него увеличивается ток. Это состояние называется с отрицательным динамическим сопротивлением региона. Проводимость продолжается до тех пор, пока ток не уменьшится до определенного значения, называемого удерживающим током. Ниже этого удерживающего тока сопротивление DIAC становится высоким, и оно переходит в непроводящее состояние .

Поскольку DIAC является двунаправленным устройством, это будет происходить в обоих направлениях тока.

DIAC Характеристика Кривая

На изображении выше показана фактическая ВАХ DIAC. Кривая выглядит как английское слово Z. DIAC остается в непроводящем состоянии, пока не будет достигнуто напряжение пробоя. Медленная кривая перед переходом на прямую линию обусловлена ​​током утечки.После достижения напряжения пробоя DIAC переходит в состояние с низким сопротивлением, и ток, протекающий через диод, быстро увеличивается, что показано прямой линией. Но в текущем состоянии проводимости падение напряжения на диоде уменьшается, следовательно, линия не идеальна на 90 градусов.

DIAC Applications

DIAC разработан специально для запуска TRIAC или SCR . Как обсуждалось выше, DIAC переходит в лавинную проводимость при напряжении отключения.Из-за этого устройство проявляет отрицательные характеристики сопротивления, и падение напряжения на нем резко уменьшается, как правило, примерно до 5 Вольт. Это создает ток отключения, достаточный для включения или запуска TRIAC или SCR.

DIAC также применим для приложений симметричного запуска , поскольку DIAC работает в обоих направлениях.

Теперь самый важный вопрос, , зачем нам нужен DIAC для запуска TRIAC?

TRIAC не срабатывает симметрично, и из-за этого TRIAC не запускается при том же уровне напряжения на затворе для одной полярности, что и для другой.Это приводит к нежелательному результату. Несимметричное срабатывание приводит к появлению формы волны тока, которая имеет большее разнообразие частот гармоник, что приводит к неопределенным возможностям внутри силовой цепи. Для выхода из этой ситуации и уменьшения содержания гармоник в энергосистеме DIAC устанавливается последовательно с затвором TRIAC.

Базовое приложение DIAC

показано на рисунке ниже, где DIAC используется в качестве запускающего устройства TRIAC.

DIAC соединен последовательно с затвором TRIAC. DIAC не допускает ток затвора до тех пор, пока напряжение запуска не достигнет определенного воспроизводимого уровня в обоих направлениях. В этом случае точка срабатывания TRIAC от полупериода до следующего полупериода имеет тенденцию быть более последовательной, и это уменьшает общее содержание гармоник в системе.

Практический пример DIAC

Давайте посмотрим на практическую схему с использованием DIAC.В приведенной ниже схеме DIAC используется для мигания светодиода .

Конструкция довольно проста, она состоит из двух диодов 1N4007, которые представляют собой выпрямительный диод на 1000 В на 1 А и конденсатор на 47 мкФ с номинальным напряжением не менее 300 В. Для DIAC можно использовать DB3, DB4 или NTE6408. Используются два резистора 20 кОм и 100 Ом (½ Вт) вместе со стандартным светодиодом синего цвета, (3 В)

Здесь в целях безопасности используются два диода, которые преобразуют переменный ток в постоянный.Конденсатор быстро заряжается диодами, и как только заряженное напряжение достигает напряжения пробоя DIAC, он начинает проводить и включать светодиод. После включения светодиода и в то время, когда ток проходит через DIAC, падение напряжения уменьшается, и конденсаторная звезда разряжается через резистор 20k.

Время включения и выключения светодиода можно контролировать, изменяя значение конденсатора.

Ниже, симуляция показана в Proteus.

Quadrac строительная

Quadrac — это специальный тип тиристора, который использует DIAC и TRIAC в одной упаковке. В этом устройстве DIAC используется для внутреннего запуска TRIAC. Quadrac имеет широкий спектр применений, таких как переключение, управление температурной модуляцией, управление скоростью или различные приложения, связанные с диммером.

,

электричество | Определение, факты и типы

Электростатика — это изучение электромагнитных явлений, которые возникают, когда нет движущихся зарядов, то есть после установления статического равновесия. Заряды быстро достигают своих положений равновесия, потому что электрическая сила чрезвычайно велика. Математические методы электростатики позволяют рассчитывать распределения электрического поля и электрического потенциала по известной конфигурации зарядов, проводников и изоляторов.И наоборот, при наличии набора проводников с известными потенциалами можно рассчитать электрические поля в областях между проводниками и определить распределение заряда на поверхности проводников. Электрическая энергия набора зарядов в состоянии покоя может рассматриваться с точки зрения работы, необходимой для сборки зарядов; альтернативно, можно также считать, что энергия находится в электрическом поле, создаваемом этой сборкой зарядов. Наконец, энергия может храниться в конденсаторе; энергия, необходимая для зарядки такого устройства, накапливается в нем как электростатическая энергия электрического поля.

Изучите, что происходит с электронами двух нейтральных объектов, соприкасающихся в сухой среде. Объяснение статического электричества и его проявлений в повседневной жизни. Encyclopædia Britannica, Inc. Просмотреть все видео этой статьи

Статическое электричество — это знакомое электрическое явление, при котором заряженные частицы переносятся из одного тела в другое. Например, если два объекта притираются друг к другу, особенно если объекты являются изоляторами, а окружающий воздух сухой, объекты приобретают равные и противоположные заряды, и между ними развивается сила притяжения.Объект, который теряет электроны, становится положительно заряженным, а другой — отрицательно заряженным. Сила — это просто притяжение между зарядами противоположного знака. Свойства этой силы были описаны выше; они включены в математические отношения, известные как закон Кулона. Электрическая сила на заряде Q ₁ в этих условиях из-за заряда Q ₂ на расстоянии r задается законом Кулона,

Жирные символы в уравнении указывают вектор Характер силы и единичный вектор r — это вектор, размер которого равен единице и который указывает от заряда Q ₂ до заряда Q ₁ .Константа пропорциональности k равна 10 ⁻⁷ c ² , где c — скорость света в вакууме; k имеет числовое значение 8,99 × 10 ⁹ квадратных метров на квадратный кулон (Нм ² / C ² ). На рисунке 1 показано усилие на Q ₁ из-за Q ₂ . Численный пример поможет проиллюстрировать эту силу. И Q ₁ , и Q ₂ выбраны произвольно в качестве положительных зарядов, каждый из которых имеет величину 10 ^{-60036 кулонов.Заряд Q ₁ расположен в координатах x , y , z со значениями 0,03, 0, 0 соответственно, а Q ₂ имеет координаты 0, 0,04, 0. Все координаты даны в метрах. Таким образом, расстояние между Q ₁ и Q ₂ составляет 0,05 метра.}

электрическая сила между двумя зарядами Рисунок 1: электрическая сила между двумя зарядами. Предоставлено факультетом физики и астрономии Мичиганского государственного университета. Получите эксклюзивный доступ к контенту из нашего первого издания 1768 года с вашей подпиской.Подпишитесь сегодня

Величина силы F на заряде Q ₁ , рассчитанная по уравнению (1), составляет 3,6 ньютона; его направление показано на рисунке 1. Сила на Q ₂ из-за Q ₁ составляет — F , которая также имеет величину 3,6 ньютона; однако его направление противоположно направлению F . Сила F может быть выражена через ее компоненты вдоль осей x и y , поскольку вектор силы лежит в плоскости x y .Это делается с помощью элементарной тригонометрии из геометрии на рисунке 1, а результаты показаны на рисунке 2. Таким образом, в ньютонах. Закон Кулона математически описывает свойства электрической силы между зарядами в покое. Если обвинения имеют противоположные знаки, сила будет привлекательной; притяжение будет указано в уравнении (1) отрицательным коэффициентом единичного вектора r̂. Таким образом, электрическая сила на Q ₁ будет иметь направление, противоположное единичному вектору r и будет указывать от Q ₁ до Q ₂ .В декартовых координатах это привело бы к изменению знаков как x , так и y компонентов силы в уравнении (2).

составляющих кулоновской силы Рисунок 2: x и y составляющих силы F на рисунке 4 (см. Текст). Предоставлено факультетом физики и астрономии Мичиганского государственного университета.

Как можно понять эту электрическую силу на Q ₁ ? По сути, сила обусловлена ​​наличием электрического поля в позиции Q ₁ .Поле вызвано вторым зарядом Q ₂ и имеет величину, пропорциональную величине Q ₂ . При взаимодействии с этим полем первый заряд на некотором расстоянии либо притягивается, либо отталкивается от второго заряда, в зависимости от знака первого заряда.

,

Схемы переменного тока

На рисунке 1 показан график зависимости переменного напряжения и переменного тока от времени в цепи, в которой есть только резистор и источник переменного тока — генератор переменного тока.

Поскольку напряжение и ток достигают своих максимальных значений одновременно, они равны в фазе . Закон Ома и предыдущие выражения для мощности действительны для этой схемы, если используются среднеквадратичное значение (среднеквадратичное значение) напряжения и среднеквадратичное значение тока, иногда называемое действующим значением .Эти соотношения

,

, закон Ома выражается следующим образом: В _R = IR , где В _R — действующее напряжение на резисторе, а I — действующее значение в цепи.

Резисторно-конденсаторные схемы

Схема с резистором, конденсатором и генератором переменного тока называется RC-схемой . Конденсатор представляет собой набор проводящих пластин, разделенных изолятором; таким образом, постоянный ток не может проходить через конденсатор.Изменяющийся во времени ток может добавлять или удалять заряды с пластин конденсатора. Простая схема зарядки конденсатора показана на рисунке 2.

Рисунок 2 RC-цепь для зарядки конденсатора.

Первоначально, во время t = 0, переключатель (S) разомкнут, и на конденсаторе нет заряда.Когда переключатель замкнут, ток пройдет через резистор и зарядит конденсатор. Ток прекратится, когда падение напряжения на конденсаторе станет равным потенциалу батареи (В) . Как только конденсатор достигнет максимального заряда, ток уменьшится до нуля. Ток максимален сразу после замыкания переключателя и экспоненциально уменьшается со временем. Емкостная постоянная времени (τ), греческая буква тау) — это время затухания заряда до 1/ e от его начального значения, где e — натуральный логарифм.Конденсатор с большой постоянной времени будет меняться медленно. Емкостная постоянная времени равна τ = RC .

Из правил Кирхгофа получены следующие выражения для разности потенциалов на конденсаторе (В _С ) и токе (I) в цепи:

, где В — это потенциал батареи.

Резисторно-индуктивные цепи

Схема с резистором, индуктором и генератором переменного тока представляет собой схему RL .Когда переключатель замкнут в цепи RL, в катушке индуктивности индуцируется обратная эдс. Следовательно, току требуется время для достижения своего максимального значения, а постоянная времени, называемая индуктивной постоянной времени , задается как

Уравнения для тока как функции времени и для потенциала через индуктор:

Переключатель использовался в вышеупомянутых обсуждениях цепей RC и RL для простоты. Размыкание и закрытие переключателя дает ответ, аналогичный ответу переменного тока.Цепи RC и RL похожи друг на друга, потому что увеличение напряжения дает ток, который экспоненциально изменяется в каждой цепи, но отклики отличаются другими способами. Это различное поведение, описанное ниже, приводит к различным реакциям в цепях переменного тока.

Реактанс

Теперь рассмотрим схему переменного тока, состоящую только из конденсатора и генератора переменного тока. Графики тока и напряжения на конденсаторе в зависимости от времени показаны на рисунке.Кривые , а не по фазе, как для цепи резистора и генератора переменного тока. (См. Рисунок.) Кривые показывают, что для конденсатора напряжение достигает своего максимального значения через четверть цикла после того, как ток достигает своего максимального значения. Таким образом, напряжение отстает от тока через конденсатор на 90 градусов.

Емкостное реактивное сопротивление (X _c ) выражает препятствующее влияние конденсатора на ток и определяется как

.

Рисунок 3

Ток и напряжение от источника переменного тока через конденсатор.

, где C в фарадах, а частота (f) в единицах герц. Закон Ома дает В _с = IX _с , где В _с — это действующее напряжение на конденсаторе, а I — это действующее значение тока в цепи.

Рассмотрим схему с только индуктором и генератором переменного тока.На рисунке показаны графики зависимости тока и напряжения от времени для индуктора. Обратите внимание, что напряжение и ток не в фазе. Напряжение для этой цепи достигает своего максимального значения за четверть цикла, прежде чем ток достигнет своего максимума; таким образом, напряжение приводит к току на 90 градусов.

Рисунок 4 Ток и напряжение от источника переменного тока через индуктор.

Ток в цепи ограничен обратной ЭДС катушки индуктивности. Эффективное сопротивление называется индуктивным сопротивлением (X _L ) , определяемым как (X _L ) = 2π fL , где L измеряется в генри, а f — в герцах.Закон Ома дает (В _L ) = IX _L , где (В _L ) — действующее напряжение на индуктивности, а I — действующее значение в индуктивности.

Резистор-индуктор-конденсаторная цепь

Схема с резистором, индуктором, конденсатором и генератором переменного тока называется RLC-схемой . Фазовые отношения этих элементов можно суммировать следующим образом:

• Мгновенное напряжение на резисторе В _R находится в фазе с мгновенным током.

• Мгновенное напряжение на индукторе В _L опережает мгновенный ток на 90 градусов.

• Мгновенное напряжение на конденсаторе В _c отстает от мгновенного тока.

Поскольку напряжения на разных элементах не совпадают по фазе, отдельные напряжения нельзя просто добавить в цепи переменного тока. Уравнения для общего напряжения и фазового угла составляют

, где все напряжения являются действующими значениями.Закон Ома для общего случая цепей переменного тока теперь выражается В = ИЗ , где R заменяется импедансом ( Z ), измеренным в омах. Сопротивление определяется как

,