THYRISTOR DAN APLIKASI SCR Disusun Oleh : Solikhun TE-5 Politeknik Gunakarya Indonesia Kampus A : Jalan Cutmutiah N0.99 Bekasi Telp. (021)8811250 Kampus B : Jalan Cibarusaah Gedung Centra kuning Blok C. 20-21 Telp. (021)89901853 Makalah elektronika daya Page 1
THYRISTOR Thyristor berasal dari bahasa Yunani yang berarti pintu. Sifat dan cara kerja komponen ini memang mirip dengan pintu yang dapat dibuka dan ditutup untuk melewatkan arus listrik. Thyristor merupakan salah satu tipe devais semikonduktor daya yang paling penting dan telah banyak digunakan secara ekstensif pada rangkaian daya. Thyristor biasanya digunakan sebagai saklar/bistabil, beroperasi antara keadaan non konduksi ke konduksi. Pada banyak aplikasi, thyristor dapat diasumsikan sebagai saklar ideal, akan tetapi dalam prakteknya thyristor memiliki batasan karakteristik tertentu.beberapa komponen yang termasuk thyristor antara lain PUT (Programmable UnijunctionTransistor), UJT (Uni-Junction Transistor ), GTO (Gate Turn Off Thyristor),SCR (Silicon Controlled Rectifier), LASCR (Light Activated Silicon Controlled Rectifier), RCT (Reverse Conduction Thyristor), SITH (Static Induction Thyristor),MOS- Controlled Thyristor (MCT). Gambar 1. Thyristor Struktur dan Simbol Thyristor Thyristor adalah suatu bahan semikonduktor yang tersusun atas 4 lapisan (layer) yang berupa susunan P-N-P-N junction, sehingga thyristor ini disebut juga sebagai PNPN diode. Struktur Thyristor dan simbolnya dapat dilihat pada Gambar 1. Makalah elektronika daya Page 2
Gambar 1 Struktur thyristor dan simbolnya Struktur dasar thyristor adalah struktur 4 layer PNPN seperti yang ditunjukkan pada Gambar 1. Sebuah thyristor dapat bekerja dan dapat disimulasikan terdiri dari sebuah resistor R on, Sebuah induktor Lon, sebuah sumber tegangan DC V yang terhubung seri dengan Switch (SW). SW dikontrol oleh signal Logic yang yang bergantung pada tegangan Vak, arus Iak dan signal Gate (G). Simulasi ini dapat dilihat pada Gambar 2. Gambar 2.Simulasi Operasi Thyristor Makalah elektronika daya Page 3
Makalah elektronika daya Page 4
Makalah elektronika daya Page 5
Thyristor dapat bertingkah seperti dua transistor dengan penurunan rumus sebagai berikut : IB1 = IC2 + IGn IB2 = IC1 + IGp Gambar 4. Karakteristik Thyristor Makalah elektronika daya Page 6
Thyristor mempunyai 3 keadaan atau daerah, yaitu : 1. Keadaan pada saat tegangan balik (daerah I) 2. Keadaan pada saat tegangan maju (daerah II) 3. Keadaan pada saat thyristor konduksi (daerah III) Pada daerah I, thyristor sama seperti diode, dimana pada keadaan ini tidak ada arus yang mengalir sampai dicapainya batas tegangan tembus (Vr). Pada daerah II terlihat bahwa arus tetap tidak akan mengalir sampai dicapainya batas tegangan penyalaan (Vbo).Apabila tegangan mencapai tegangan penyalaan, maka tiba tiba tegangan akan jatuh menjadi kecil dan ada arus mengalir. Pada saat ini thyristor mulai konduksi dan ini adalah merupakan daerah III. Arus yang terjadi pada saat thyristor konduksi, dapat disebut sebagai arus genggam (IH = Holding Current). Arus IH ini cukup kecil yaitu dalam orde miliampere. Untuk membuat thyristor kembali off, dapat dilakukan dengan menurunkan arus thyristor tersebut dibawah arus genggamnya (IH) dan selanjutnya diberikan tegangan penyalaan. OPERASI DAN APLIKASI SCR Silicon-controlled rectifier merupakan alat semikonduktor empat lapis (PNPN) yangmenggunakan tiga kaki yaitu anoda (anode), katoda (cathode), dan gerbang (gate) dalam Makalah elektronika daya Page 7
operasinya. SCR adalah salah satu thyristor yang paling sering digunakan dan dapatmelakukan penyaklaran untuk arus yang besar. Gambar 1 Bentuk fisik SCR SCR dapat dikategorikan menurut jumlah arus yang dapat beroperasi, yaitu SCR arus rendah dan SCR arus tinggi. SCR arus rendah dapat bekerja dengan arus anoda kurang dari 1 A sedangkan SCR arus tinggi dapat menangani arus beban sampai ribuan ampere. Gambar 2 Konstruksi dan simbol SCR Simbol skematis untuk SCR mirip dengan simbol penyearah dioda dan diperlihatkan pada Gambar 2. Pada kenyataannya, SCR mirip dengan dioda karena SCR menghantarkan hanya pada satu arah. SCR harus diberi bias maju dari anoda ke katoda untuk konduksi arus. Tidak seperti pada dioda, ujung gerbang yang digunakan berfungsi untuk menghidupkan alat. Makalah elektronika daya Page 8
Operasi SCR Operasi SCR sama dengan operasi dioda standar kecuali bahwa SCR memerlukan teganganpositif pada gerbang untuk menghidupkan saklar. Gerbang SCR dihubungkan dengan basis transistor internal, dan untuk itu diperlukan setidaknya 0,7 V untuk memicu SCR. Tegangan ini disebut sebagai tegangan pemicu gerbang (gate trigger voltage). Biasanya pabrik pembuat SCR memberikan data arus masukan minimum yang dibutuhkan untuk menghidupkan SCR.Lembar data menyebutkan arus ini sebagai arus pemicu gerbang (gate trigger current). Sebagai contoh lembar data 2N4441 memberikan tegangan dan arus pemicu : VGT = 0,75 V I GT = 10 ma Hal ini berarti sumber yang menggerakkan gerbang 2N4441 harus mencatu 10 ma pada tegangan 0,75 V untuk mengunci SCR. Gambar 3 SCR yang dioperasikan dari sumber DC Skema rangkaian penghubungan SCR yang dioperasikan dari sumber DC diperlihatkan pada Gambar 3. Anoda terhubung sehingga positif terhadap katoda (bias maju). Penutupan sebentar tombol tekan (push button) PB1 memberikan pengaruh positif tegangan terbatas pada gerbang SCR, yang men-switch ON rangkaian anoda-katoda, atau pada konduksi,kemudian menghidupkan lampu.rangkaian anoda-katoda akan terhubung ON hanya satu arah. Hal ini Makalah elektronika daya Page 9
terjadi hanya apabila anoda positif terhadap katoda dan tegangan positif diberikan kepada gerbang Ketika SCR ON, SCR akan tetap ON, bahkan sesudah tegangan gerbang dilepas. Satusatunya cara mematikan SCR adalah penekanan tombol tekan PB2 sebentar, yang akan mengurangi arus anoda-katoda sampai nol atau dengan melepaskan tegangan sumber dari rangkaian anoda-katoda. SCR dapat digunakan untuk penghubungan arus pada beban yang dihubungkan pada sumber AC. Karena SCR adalah penyearah, maka hanya dapat menghantarkan setengah dari gelombang input AC. Oleh karena itu, output maksimum yang diberikan adalah 50%; bentuknya adalah bentuk gelombang DC yang berdenyut setengah gelombang. Gambar 4 SCR yang dioperasikan dari sumber AC Skema penghubungan rangkaian SCR yang dioperasikan dari sumber AC diperlihatkan oleh Gambar 4. Rangkaian anoda-katoda hanya dapat di switch ON selama setengah siklus dan jika anoda adalah positif (diberi bias maju). Dengan tombol tekan PB1 terbuka, arus gerbang tidak mengalir sehingga rangkaian anoda-katoda bertahan OFF. Dengan menekan tombol tekan PB1 dan terus-menerus tertutup, menyebabkan rangkaian gerbang-katoda dan anodakatoda diberi bias maju pada waktu yang sama. Prosedur arus searah berdenyut setengah gelombang melewati depan lampu. Ketika tombol tekan PB1 dilepaskan, arus anoda-katoda secara otomatis menutup OFF ketika tegangan AC turun ke nol pada gelombang sinus. Gambar 5 Aplikasi SCR sebagai kontrol output suplai daya pada motor DC Makalah elektronika daya Page 10
Ketika SCR dihubungkan pada sumber tegangan AC, SCR dapat juga digunakan untuk merubah atau mengatur jumlah daya yang diberikan pada beban. Pada dasarnya SCRmelakukan fungsi yang sama seperti rheostat, tetapi SCR jauh lebih efisien. Gambar 5 menggambarkan penggunaan SCR untuk mengatur dan menyearahkan suplai daya pada motor DC dari sumber AC. Gambar 6 Aplikasi SCR untuk start lunak motor AC induksi 3 fase Rangkaian SCR dari Gambar 6 dapat digunakan untuk "start lunak" dari motor induksi 3 fase.dua SCR dihubungkan secara terbalik paralel untuk memperoleh kontrol gelombang Makalah elektronika daya Page 11
penuh.dalam tema hubungan ini, SCR pertama mengontrol tegangan apabila tegangan positifdengan bentuk gelombang sinus dan SCR yang lain mengontrol tegangan apabila tegangan negatif. Kontrol arus dan percepatan dicapai dengan pemberian trigger dan penyelaan SCR pada waktu yang berbeda selama setengah siklus. Jika pulsa gerbang diberikan awal pada setengah siklus, maka outputnya tinggi. Jika pulsa gerbang diberikan terlambat pada setengah siklus, hanya sebagian kecil dari bentuk gelombang dilewatkan dan mengakibatkan outputnya rendah. Aplikasi SCR Pada aplikasinya, SCR tepat digunakan sebagai saklar solid-state, namun tidak dapat memperkuat sinyal seperti halnya transistor. SCR juga banyak digunakan untuk mengatur dan menyearahkan suplai daya pada motor DC dari sumber AC, pemanas, AC, melindungi beban yang mahal (diproteksi) terhadap kelebihan tegangan yang berasal dari catu daya, digunakan untuk start lunak" dari motor induksi 3 fase dan pemanas induksi. Sebagian besar SCR mempunyai perlengkapan untuk penyerapan berbagai jenis panas untuk mendisipasi panas internal dalam pengoperasiannya. Makalah elektronika daya Page 12