Kegiatan Belajar 1 : Sistem Kendali Elektronik Capaian Pembelajaran : Memahami Sistem Kendali Elektronik Sub Capaian Pembelajaran : Memilih Jenis Transistor Bipolar yang Tepat untuk Switching atau Driver Tujuan Pembelajaran : 1. Peserta dapat membuat operasional relai elektronik 2. Peserta dapat menentukan karakteristik transistor bipolar untuk switching atau driver 3. Peserta dapat menggunakan SCR untuk mengatur arus DC 4. Peserta dapat menggunakan TRIAC untuk mengatur arus AC 5. Peserta dapat membuat dan menganalisis rangkaian kendali elektronik Pokok-Pokok Materi : 1. Relai Elektronik 2. Transistor Bipolar sebagai Switching atau Driver 3. SCR sebagai Pengatur Arus DC 4. TRIAC sebagai Pengatur Arus AC 5. Aplikasi Sistem Pengendali Elektronik Uraian Materi 1. Relai Elektronik Relai elektronik adalah saklar (switch) yang digerakkan oleh listrik, dan merupakan perangkat elektromekanis yang menggunakan prinsip elektromagnetik untuk mengoperasikan sepasang kontak yang dapat bergerak dari posisi terbuka ke posisi tertutup. Komponen elektromekanik ini terdiri dari dua bagian utama yakni elektromagnet (koil) dan mekanik (seperangkat kontak saklar/switch). Jadi, relai terdiri dari koil dan kontak. Koil adalah gukungan kawat yang mendapat arus listrik, sedangkan kontak adalah sejenis saklar yang pergerakkannya tergantung ada tidaknya arus listrik di koil. Keuntungan dari relai adalah bahwa dibutuhkan jumlah daya yang relatif kecil untuk mengoperasikan koil relai, namun relai itu sendiri dapat digunakan untuk mengendalikan motor, pemanas, lampu atau rangkaian AC yang bisa menarik lebih banyak tenaga listrik. Contoh, relai yang menggunakan
elektomagnet 5 V dan 50 ma mampu menggerakkan armature relai (yang berfungsi sebagai saklarnya) untuk menghantarkan listrik 220 V/2 A. Desain dan jenis rangkaian peralihan (switching) relai sangat banyak, namun sebagian besar proyek elektronik kecil menggunakan transistor sebagai perangkat peralihan utama, karena transistor dapat menyediakan kontrol DC peralihan (ON-OFF) yang cepat dari koil relai dari berbagai sumber masukan. a. Relai Elektromekanik Relai umumnya mengacu pada perangkat yang menyediakan sambungan listrik antara dua atau lebih titik sebagai respon terhadap penerapan sinyal kontrol. Jenis relai listrik yang paling umum dan banyak digunakan adalah relai elektromekanik atau EMR. Kontrol paling mendasar dari peralatan apapun adalah kemampuan untuk mengubahnya ON dan OFF. Cara termudah untuk melakukannya adalah dengan menggunakan saklar untuk mengendalikan supply listrik. Meski saklar dapat digunakan untuk mengendalikan sesuatu, saklar memiliki kelemahan, yakni saklar harus secara manual (secara fisik) berganti ON atau OFF. Selain itu, ukurannya yang relatif besar, lamban dan hanya beralih arus listrik kecil. Gambar 1. Relai Elektromekanik Relai Listrik pada dasarnya adalah saklar yang dioperasikan secara elektrik yang memiliki berbagai bentuk, ukuran dan tingkat daya yang sesuai untuk semua jenis aplikasi. Relai juga dapat memiliki satu atau beberapa kontak dalam satu paket dengan relai daya yang lebih besar yang digunakan untuk tegangan utama atau aplikasi peralihan arus tinggi yang disebut kontaktor.
Sesuai dengan namanya, relai elektromekanik adalah perangkat elektromagnetik yang mengubah fluks magnetik yang dihasilkan oleh penerapan sinyal kontrol listrik tegangan rendah baik AC ataupun DC yang melintasi terminal relai, ke dalam gaya mekanik yang menarik yang mengoperasikan kontak listrik di dalam relai. Bentuk yang paling umum dari relai elektromekanis terdiri dari sebuah kumparan energi yang disebut rangkaian primer yang melilit di sekitar inti besi. Inti besi ini memiliki kedua bagian tetap yang disebut yoke, dan bagian pegas yang dapat dipindahkan yang disebut armatur, yang melengkapi rangkaian medan magnet dengan menutup celah udara antara kumparan listrik tetap dan armatur bergerak. Armatur berengsel atau berputar sehingga membiarkannya bergerak bebas di dalam medan magnet yang dihasilkan yang menutup kontak listrik yang menyertainya. Hubungan antara yoke dan armatur biasanya berupa pegas (atau springs) untuk pukulan balik untuk mengatur ulang kontak kembali ke posisi istirahat awal saat koil relai berada dalam kondisi tidak berenergi (tidak mendapatkan energi listrik), yaitu berubah menjadi OFF. Gambar 2. Konstruksi dan Rangkaian Relai Elektromekanik Rangkaian relai elektromekanik terdiri dari dua pasang kontak elektrik konduktif. Relai Normally Open yakni kondisi awal relai sebelum diaktifkan adalah terbuka, sedangkan relai Normally Closed adalah kondisi awal relai sebelum diaktifkan tertutup. Istilah ini Normally Open, Normally Close atau
sambung dan putus Kontak mengacu pada keadaan kontak listrik saat koil relai tidak berenergi, yaitu tidak ada pasokan tegangan yang terhubung ke kumparan relai. Secara sederhana, koil mendapat energi listrik (energized) maka akan timbul gaya elektromagnet yang akan menarik armatur berpegas, dan kontak akan menutup (ON). Elemen kontak mungkin berupa desain sambung dan putus tunggal atau ganda. Contoh pengaturan ini diperlihatkan pada Gambar 3. Dengan relai baru dan kontak ON-resistansi ini akan sangat kecil, umumnya kurang dari 0.2 Ω, karena ujung kontaknya baru dan bersih. Namun seiring waktu resistansi ujung akan meningkat. Kontak relai adalah potongan logam konduktif elektrik yang disentuh bersamaan dengan mengisi rangkaian dan memungkinkan arus rangkaian mengalir, seperti saklar. Bila kontak terbuka maka resistansi antara kontak sangat tinggi berkisar Mega-Ohm, menghasilkan kondisi rangkaian terbuka. Bila kontak ditutup maka resistansi kontak harus nol, korsleting, tapi ini tidak selalu terjadi. Semua kontak relai memiliki sejumlah resistansi kontak saat ditutup dan ini disebut ON-Resistansi. Gambar 3. Penyambungan Kontak Relai Sebagai contoh, jika kontak melewatkan arus beban sebesar 10 A, maka turun tegangan pada kontak berdasarkan Hukum Ohm adalah 0,2 x 10 = 2 Volt, yang jika supply tegangan katakan 12 Volt maka tegangan bebannya hanya 10 volt, diperoleh dari 12 V 2 V. Saat ujung kontak mulai dipakai, dan jika tidak terlindungi dari beban induktif atau kapasitif yang tinggi, ujung kontak akan mulai menunjukkan tanda-tanda kerusakan saat arus rangkaian masih mengalir saat kontak mulai terbuka (saat kumparan relai tidak berenergi).
Jenis jenis Relay. Seperti saklar, relay juga dibedakan berdasar pole dan throw yang dimilikinya. Berikut definisi pole dan throw: Pole : banyaknya contact yang dimiliki oleh relay Throw : banyaknya kondisi (state) yang mungkin dimiliki contact Berikut ini penggolongan relay berdasar jumlah pole dan throw : SPST (Single Pole Single Throw) DPST (Double Pole Single Throw) SPDT (Single Pole Double Throw) DPDT (Double Pole Double Throw) 3PDT (Three Pole Double Throw) 4PDT (Four Pole Double Throw) (a) Rangkaian (b). Simbol Gambar 4. Relai jenis Single Pole Double Throw (SPDT) (a) Rangkaian (b). Simbol Gambar 5. Relai jenis DPST (Double Pole Single Throw)
(a) Rangkaian (b). Simbol Gambar 6. Relai Jenis 3PDT (Three Pole Double Throw) Secara umum, relai digunakan untuk memenuhi fungsi fungsi berikut : Remote control: dapat menyalakan atau mematikan alat dari jarak jauh Penguatan daya: menguatkan arus atau tegangan, seperti : starting relay pada mesin mobil Pengatur logika kontrol suatu sistem Relai sebagai pengendali. Salah satu kegunaan utama relay dalam dunia industri ialah untuk implementasi logika kontrol dalam suatu sistem. Sebagai bahasa pemrograman digunakan konfigurasi yang disebut ladder diagram atau relay ladder logic. Diagram wiring yang khusus digunakan sebagai bahasa pemrograman untuk rangkaian kontrol relay dan switching. Sebagai pengendali, relay dapat mengatur komponen komponen lain yang membentuk suatu sistem kendali di industri, di antaranya : switch, timer, counter, sequencer, dan lain lain. Semuanya adalah komponen komponen dalam bentuk hardware. 2. Transistor sebagai Switching atau Driver Transistor bipolar memiliki karakteristik kendali untuk menyala (ON) dan mati (OFF). Karakteristik kendali ON dan OFF bisa digunakan sebagai pensaklaran (switching) atau driver. Pada kondisi OFF, arus tidak bisa mengalir karena terputus aliran arusnya, sedangkan pada kondisi ON tentunya tidak ada hambatan yang menghalangi sehingga arus dapat mengalir dengan bebas. Transistor digunakan sebagai elemen saklar, dioperasikan dalam wilayah saturasi, menghasilkan dalam drop tegangan kondisi-on yang rendah. Karakteristik transistor sebgai saklar dijelaskan pada bagian sebelumnya, silahkan dibaca Modul 2.
Dasar Rangkaian Saklar Transistor NPN. Contoh Transistor NPN sebagai saklar yang digunakan untuk mengoperasikan relai diberikan di bawah ini. Dengan beban induktif seperti relai atau solenoida, sebuah dioda flywheel ditempatkan di seluruh beban untuk menghilangkan GGL belakang yang dihasilkan oleh beban induktif saat transistor beralih "OFF" dan dengan demikian melindungi transistor dari kerusakan. Jika beban adalah arus yang sangat tinggi atau sifat voltase, seperti motor, pemanas dll, maka arus beban dapat dikontrol melalui relai yang sesuai seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7. Rangkaian menyerupai rangkaian Common Emitter yang kami bahas di tutorial sebelumnya. Perbedaan kali ini adalah bahwa untuk mengoperasikan transistor sebagai saklar, transistor perlu diputar sepenuhnya "OFF" (cut-off) atau sepenuhnya "ON" (saturasi). Saklar transistor yang ideal akan memiliki resistansi rangkaian tak terbatas antara Collector dan Emitter saat diputar "sepenuhnya-off" sehingga arus nol mengalir melewatinya dan resistansi nol antara Collector dan Emitter saat dinyalakan "sepenuhnya-on", menghasilkan arus maksimum. Gambar 7. Dasar Rangkaian Saklar Transistor NPN Dalam prakteknya ketika transistor dinyalakan "OFF", arus bocor kecil mengalir melalui transistor dan ketika sepenuhnya "ON" perangkat memiliki nilai resistansi rendah yang menyebabkan tegangan saturasi kecil (VCE ) melewatinya. Meskipun transistor bukan saklar yang sempurna, baik di daerah cut-off maupun saturasi, daya yang dihamburkan oleh transistor minimal.
Agar arus base mengalir, terminal input Base harus dibuat lebih positif daripada Emitter dengan menaikkannya di atas 0,7 volt yang dibutuhkan untuk perangkat silikon. Dengan memvariasikan tegangan Base-Emitter VBE ini, arus Base juga diubah dan yang pada gilirannya mengendalikan jumlah arus Collector yang mengalir melalui transistor seperti yang telah dibahas sebelumnya. Bila arus Collector maksimal arus transistor dikatakan Saturasi. Nilai resistor Base menentukan berapa banyak tegangan input yang diperlukan dan sesuai arus Base untuk mengalihkan transistor sepenuhnya "ON". Contoh Transistor sebagai Saklar No.1. Dengan menggunakan nilai transistor yakni, β = 200, Ic = 4 ma dan Ib = 20 ua, cari nilai Resistor Base (Rb) yang diperlukan untuk mengganti muatan sepenuhnya "ON" bila voltase terminal input melebihi 2,5 V. Penyelesaian: Nilai terendah yang paling rendah berikutnya adalah: 82kΩ, ini menjamin saklar transistor selalu saturasi. Contoh Transistor sebagai Saklar No.2. Sekali lagi menggunakan nilai yang sama, cari arus Base minimum yang diperlukan untuk mengubah transistor "sepenuhnya-on" (saturasi) untuk muatan yang membutuhkan arus 200 ma saat voltase input dinaikkan sampai 5 V. Juga hitung nilai baru dari Rb. Penyelesaian: Arus Base Transistor: Resistansi Base Transistor: Transistor saklar digunakan untuk berbagai macam aplikasi seperti antarmuka (interfacing) arus besar atau perangkat tegangan tinggi seperti motor, relai atau lampu ke logika digital tegangan rendah IC atau gerbang seperti gerbang AND atau gerbang OR. Di sini, output dari gerbang logika digital hanya +5v namun perangkat yang akan dikontrol mungkin memerlukan supply 12 atau
bahkan 24 volt.atau beban seperti Motor DC mungkin perlu dikontrol kecepatannya dengan menggunakan serangkaian pulsa (Modulasi Lebar Pulse). saklar transistor akan memungkinkan kita untuk melakukan ini lebih cepat dan lebih mudah daripada dengan saklar mekanis konvensional. Switch (saklar) Relay NPN Darlington. Rangkaian saklar relay transistor NPN sebelumnya sangat ideal untuk mengganti beban kecil seperti relay LED dan miniatur. Tapi kadang-kadang diperlukan untuk mengganti kumparan relay yang lebih besar atau arus di luar jangkauan transistor tujuan umum BC109 dan ini dapat dicapai dengan menggunakan Transistor Darlington. Sensitivitas dan arus gain rangkaian saklar relay dapat sangat meningkat dengan menggunakan sepasang transistor Darlington sebagai pengganti satu transistor switching. Pasangan Transistor Darlington dapat dibuat dari dua transistor Bipolar yang terhubung secara terpisah seperti yang ditunjukkan atau tersedia sebagai satu perangkat dengan standar: Dasar, Emitor dan Kolektor membawa sambungan. Kedua transistor NPN dihubungkan seperti yang ditunjukkan sehingga arus Kolektor transistor pertama, TR1 menjadi arus Dasar dari transistor TR2 kedua. Penerapan arus Dasar positif ke TR1 secara otomatis mengubah "ON" transistor switching, TR2. Rangkaian Switch Relay NPN Darlington Gambar 8. Rangkaian Switch Relay NPN Darlington
Jika dua transistor individu dikonfigurasikan sebagai pasangan Switching Darlington, maka resistor nilai kecil (100 sampai 1.000Ω) biasanya ditempatkan di antara Dasar dan Emitor dari transistor saklar utama, TR2 untuk memastikannya menyala sepenuhnya. Sekali lagi dioda flywheel digunakan untuk melindungi TR2 dari ggl balik yang dihasilkan saat coil relay tidak berenergi. Switch (saklar) Relay Pengikut Emitor. Serta konfigurasi common emitter standar untuk rangkaian saklar relay, coil relay juga dapat dihubungkan ke terminal emitor transistor untuk membentuk Rangkaian pengikut Emitor. Sinyal input dihubungkan langsung ke Dasar, sedangkan outputnya diambil dari beban Emitor seperti yang ditunjukkan. Gambar 9. Rangkaian Switch Relay Pengikut Emitor Konfigurasi common collector, atau Pengikut Emitor (Emitter Follower) sangat berguna untuk aplikasi pencocokan impedansi karena impedansi masukan yang sangat tinggi, di wilayah ratusan ribu Ohm sementara memiliki impedansi keluaran yang relatif rendah untuk mengganti coil relay. Seperti halnya rangkaian saklar relay NPN sebelumnya, switching/peralihan terjadi dengan menerapkan arus positif ke dasar transistor. Switch (saklar) Relay Emitor Darlington. Ini adalah versi transistor Darlington dari rangkaian Pengikut Emitter sebelumnya. Arus Dasar positif kecil yang sangat kecil yang diterapkan pada TR1 menyebabkan arus Kolektor jauh lebih besar mengalir melalui TR2 karena multiplikasi dari dua nilai Beta.
Gambar 10. Rangkaian Switch Relay Emitor Darlington Rangkaian saklar relay Common Emitter Darlington berguna untuk memberi keuntungan dan penguatan arus dengan tegangan kira-kira sama dengan satu kesatuan. Karakteristik penting lainnya dari rangkaian pemancar Emitter Follower ini adalah bahwa ia memiliki impedansi masukan yang tinggi dan impedansi keluaran yang rendah, yang membuatnya ideal untuk pencocokan impedansi dengan kumparan relay besar. Switch (saklar) Relay PNPSerta mengganti kumparan/coil relay dan beban lainnya dengan transistor NPN Bipolar, kita juga bisa mengalihkannya menggunakan Transistor PNP Bipolar. Rangkaian saklar relay PNP tidak berbeda dengan rangkaian switching relay NPN dalam hal kemampuannya untuk mengendalikan coil relay. Namun, hal itu membutuhkan polaritas tegangan operasi yang berbeda. Misalnya, tegangan Kolektor-Emitor, VCE, harus negatif untuk tipe PNP yang membuat aliran arus dari Emitor ke Kolektor.
Gambar 11. Rangkaian Switch Relay PNP Rangkaian transistor PNP bekerja berlawanan dengan rangkaian switching relay NPN. Beban arus mengalir dari Emitter ke Collector saat Dasar bias maju dengan tegangan yang lebih negatif dari pada pada Emitter. Untuk beban relay arus yang mengalir melalui Emitter ke Collector, maka Dasar dan Kolektor harus negatif berkenaan dengan Emitor. Dengan kata lain, ketika Vin adalah TINGGI, transistor PNP dinyalakan "OFF" dan juga adalah coil relay. Ketika Vin RENDAH, tegangan Dasar kurang dari tegangan Emitor, (lebih negatif) dan transistor PNP menyala "ON". Nilai resistor Dasar menetapkan arus dasar, yang menentukan arus Kolektor yang menggerakkan coil relai. Saklar transistor PNP dapat digunakan saat sinyal peralihan terbalik untuk transistor NPN, misalnya output dari gerbang NAND CMOS atau perangkat logika lainnya. Output logika CMOS memiliki kekuatan drive pada logika 0 untuk menciutkan arus yang cukup untuk mengubah transistor PNP "ON". Kemudian sink arus dapat diubah menjadi sumber arus dengan menggunakan transistor PNP dan catu daya polaritas yang berlawanan. Switch (saklar) Relay Collector PNP. Operasi rangkaian ini sama dengan rangkaian switching relay sebelumnya. Di rangkaian saklar relay ini, beban relay telah terhubung ke transistor transistor PNP. Tindakan switching ON-OFF dari transistor dan koil terjadi saat Vin RENDAH, transistor "ON" dan saat Vin HIGH, transistor "OFF".
Gambar 12. Rangkaian Switch Relay Kolektor PNP Kita telah melihat bahwa baik transistor bipolar NPN atau transistor bipolar PNP dapat beroperasi sebagai saklar untuk peralihan relay, atau beban lainnya untuk masalah ini. Tapi ada dua kondisi berbeda yang perlu dipahami saat arus mengalir dalam dua arah yang berbeda. Jadi di transistor NPN, tegangan TINGGI sehubungan dengan Emitor diterapkan pada Dasar, arus mengalir dari Kolektor ke Emitor dan saklar transistor NPN "ON". Untuk transistor PNP, tegangan RENDAH sehubungan dengan Emitor diterapkan pada Dasar, arus mengalir dari Emitor ke Kolektor dan transistor PNP saklar "ON". 3. SCR sebagai Pengatur Arus DC Pada bagian awal sub-bab ini akan dipaparkan tentang DIAC. Saklar DIoda AC, atau DIAC, adalah perangkat solid state, tiga-lapis, dua-junction perangkat semikonduktor lain tapi tidak seperti transistor, DIAC tidak memiliki koneksi basis membuatnya menjadi dua perangkat terminal, berlabel A1 dan A2. Gambar 13
Diac adalah komponen elektronik yang tidak memberikan kontrol atau penguatan tetapi bertindak seperti dioda dua arah bidirectional karena dapat melakukan arus dari polaritas supply tegangan AC yang sesuai. Saat saklar, S1 terbuka tidak ada arus gerbang dan lampunya "OFF". Saat saklar S1 ditutup, arus mengalir dan SCR berjalan pada siklus setengah positif hanya karena beroperasi di kuadran Ι. I G Gambar 14. Kita ingat juga bahwa sekali gerbang ON, SCR hanya akan beralih OFF lagi ketika tegangan supply turun ke sebuah nilai sedemikian rupa sehingga arus anoda-nya, IA kurang dari nilai arus holding, IH. Jika kita ingin mengendalikan nilai rata-rata arus lampu, bukan hanya menyalakannya "ON" atau "OFF", kita bisa menerapkan pulsa pendek arus gerbang pada titik pemicu pre-set untuk memungkinkan konduksi SCR terjadi. lebih dari setengah siklus saja. Maka nilai rata-rata arus lampu akan bervariasi dengan mengubah waktu tunda, T antara dimulainya siklus dan titik pemicu. Metode ini dikenal umum sebagai "kontrol fase". Tapi untuk mencapai kontrol fase, diperlukan dua hal. Salah satunya adalah rangkaian pergeseran fasa variabel (biasanya rangkaian pasif RC), dan kedua, beberapa bentuk rangkaian pemicu atau perangkat yang dapat menghasilkan pulsa gerbang yang dibutuhkan saat bentuk gelombang tertunda mencapai tingkat tertentu. Salah satu perangkat semikonduktor solid state yang dirancang untuk menghasilkan pulsa gerbang ini adalah Diac.
Diac dibangun seperti transistor namun tidak memiliki koneksi dasar sehingga bisa dihubungkan ke rangkaian dengan polaritas baik. Diac terutama digunakan sebagai alat pemicu dalam pemicu fase dan aplikasi kontrol daya bervariasi karena diac membantu memberikan pulse pemicu yang lebih tajam dan lebih instan (berlawanan dengan tegangan jalan yang terus meningkat) yang digunakan untuk menghidupkan "ON" perangkat peralihan utama. Simbol diac dan kurva karakteristik arus-tegangan dari diac diberikan di bawah ini. Gambar 15. Simbol Diac dan Karakteristik I-V Kita dapat melihat dari kurva karakteristik diac I-V di atas yang menghalangi diac aliran arus di kedua arah sampai tegangan yang diberikan lebih besar dari VBR, pada saat mana kerusakan perangkat terjadi dan diac melakukan banyak cara serupa dengan Dioda zener yang melewati pulsa tegangan tiba-tiba. titik VBR ini disebut tegangan breakdown atau tegangan breakover Diac. Dalam dioda zener biasa tegangan di atasnya akan tetap konstan seiring arus meningkat. Namun, dalam aksi diac transistor menyebabkan tegangan berkurang saat arus meningkat. Begitu dalam keadaan berjalan, hambatan diac turun ke nilai yang sangat rendah sehingga memungkinkan aliran arus yang relatif besar.
Untuk diac yang paling umum tersedia seperti ST2 atau DB3, tegangan rusaknya berkisar antara ± 25 sampai 35 volt. Tingkat tegangan pemutus yang lebih tinggi tersedia, misalnya 40 volt untuk diac DB4. Tindakan ini memberi diac karakteristik resistensi negatif seperti yang ditunjukkan di atas. Karena diac adalah perangkat simetris, oleh karena itu memiliki karakteristik yang sama untuk tegangan positif dan negatif dan tindakan resistansi negatif inilah yang membuat Diac cocok sebagai alat pemicu untuk SCR atau triac. Penerapan / Aplikasi Diac. Seperti yang dinyatakan di atas, diac umumnya digunakan sebagai perangkat pemicu solid state untuk perangkat peralihan/switching semikonduktor lainnya, terutama SCR dan triac. Triac banyak digunakan pada aplikasi seperti dimmer lampu dan pengendali kecepatan motor dan karena diac digunakan bersamaan dengan triac untuk memberikan kontrol gelombang penuh dari spply AC seperti yang ditunjukkan. Kontrol Fase Diac AC. Karena tegangan supply AC meningkat pada awal siklus, kapasitor, C diisi melalui kombinasi seri resistor tetap, R1 dan potensiometer, VR1 dan tegangan di pelatnya meningkat. Bila tegangan pengisian mencapai tegangan breakover diac (sekitar 30 V untuk ST2), diac rusak dan kapasitor dilepaskan melalui diac. Gambar 16. Kontrol Fase Diac AC Pelepasan menghasilkan pulse tiba-tiba, yang menyalakan triac menjadi konduksi. Sudut fasa dimana triac dipicu dapat bervariasi dengan menggunakan VR1, yang mengontrol laju pengisian kapasitor. Resistor, R1 membatasi arus gerbang ke nilai yang aman saat VR1 berada pada tingkat minimum.
Setelah triac dilepaskan menjadi konduksi, kondisinya dipertahankan pada keadaan "ON" oleh arus beban yang mengalir melewatinya, sementara tegangan pada kombinasi resistor-kapasitor dibatasi oleh tegangan "ON" dari triac dan dipertahankan sampai akhir dari setengah siklus arus supply AC. Pada akhir siklus setengah, tegangan supply turun menjadi nol, mengurangi arus melalui triac di bawah arus penahannya, IH mengubahnya "OFF" dan konduksi diac berhenti. Tegangan supply kemudian memasuki setengah siklus berikutnya, tegangan kapasitor kembali mulai naik (kali ini berlawanan arahnya) dan siklus penembakan triac berulang kembali. Gambar 17. Bentuk Gelombang Konduksi Triac Kemudian kita telah melihat bahwa Diac adalah perangkat yang sangat berguna yang dapat digunakan untuk memicu triac dan karena karakteristik resistansi negatifnya, hal ini memungkinkannya untuk beralih "ON" dengan cepat begitu level tegangan tertentu tercapai. Namun, ini berarti bahwa setiap kali kita ingin menggunakan triac untuk kontrol daya AC, kita memerlukan diac terpisah juga. Keuntungan bagi Kita, beberapa percikan terang di suatu tempat menggantikan diac dan triac individual dengan satu perangkat switching yang disebut Quadrac. Quadrac pada dasarnya adalah DIAC dan triac dibuat bersama-sama dalam satu paket dan dengan demikian juga dikenal sebagai internally triggered triacs. Ini semua dalam satu perangkat dua arah adalah gerbang yang dikendalikan dengan menggunakan polaritas tegangan terminal utama yang berarti dapat digunakan dalam aplikasi kontrol fase gelombang penuh seperti kontrol pemanas, lampu dimmer, dan kontrol kecepatan motor AC, dll.
Gambar 18. Seperti triac, kuadran adalah perangkat peralihan semikonduktor tiga terminal berlabel MT2 untuk main terminal satu (biasanya anoda), MT1 untuk main terminal dua (biasanya katoda) dan G untuk terminal gerbang. Quadrac tersedia dalam berbagai jenis paket tergantung pada kebutuhan tegangan dan arus perpindahannya dengan paket TO-220 menjadi yang paling umum karena dirancang untuk menjadi pengganti yang tepat untuk kebanyakan perangkat triac. SCR sebagai Pengatur Arus DC. Dalam banyak hal, Silicon Controlled Rectifier, SCR atau hanya Thyristor seperti yang lebih umum dikenal, serupa dalam konstruksi ke transistor. Ini adalah perangkat semikonduktor multi-layer, seperti bagian namanya "Silicon". Hal ini membutuhkan sinyal gerbang untuk mengubahnya "ON", "Controlled" dan sekali "ON" berperilaku seperti dioda penyearah, "Rectifier". Sebenarnya simbol rangkaian untuk thyristor menunjukkan bahwa perangkat ini berfungsi seperti dioda penyearah yang dikendalikan. Thyristor adalah perangkat tiga terminal berlabel: "Anoda", "Katoda" dan "Gerbang/Gate" dan terdiri dari tiga sambungan PN yang dapat diaktifkan "ON" dan "OFF" pada tingkat yang sangat cepat, atau dapat diaktifkan ON untuk panjang variabel waktu selama setengah siklus untuk memberikan jumlah daya yang dipilih ke sebuah beban. Untuk membuat Thyristor berubah- "ON" kita perlu menyuntikkan pulsa pemicu kecil arus (bukan arus kontinu) ke dalam terminal Gerbang, (G) ketika thyristor berada dalam arah ke depannya, bahwa adalah Anoda, (A) positif berkenaan dengan Katoda, (K), untuk pemasangan regeneratif terjadi.
Gambar 19. Rangkaian Thyristor atau SCR Switching Umumnya, pulsa pemicu ini hanya memerlukan beberapa detik mikro dalam durasi tapi semakin lama pulsa Gerbang diterapkan semakin cepat kerusakan internal terjadi dan semakin cepat waktu berubah-on thyristor, namun arus Gerbang maksimum tidak boleh dilampaui Setelah dipicu dan dilakukan sepenuhnya, turun tegangan pada thyristor, Anoda ke Katoda, cukup konstan sekitar 1.0V untuk semua nilai arus Anoda sampai nilai pengenalnya. Tapi ingat meski begitu sebuah thyristor mulai berjalan, ia terus berjalan bahkan tanpa sinyal Gerbang, sampai arus Anoda turun di bawah perangkat yang memegang arus, (IH ) dan di bawah nilai ini secara otomatis berubah- "OFF". Kemudian tidak seperti transistor bipolar dan FET, thyristor tidak dapat digunakan untuk amplifikasi atau switching terkontrol. Thyristor adalah perangkat semikonduktor yang dirancang khusus untuk digunakan dalam aplikasi switching berdaya tinggi. Para thyristor dapat beroperasi hanya dalam mode switching, di mana mereka bertindak seperti saklar terbuka atau tertutup dan sekali dipicu akan tetap melakukan. Oleh karena itu di rangkaian DC dan beberapa rangkaian AC induktif aliran arus harus dikurangi secara artifisial oleh saklar terpisah atau rangkaian off. Rangkaian SCR atau Thyristor DC Saat terhubung ke supply DC arus searah, thyristor dapat digunakan sebagai saklar DC untuk mengendalikan arus dan beban DC yang lebih besar. Bila menggunakan Thyristor sebagai saklar, ia berperilaku seperti kait elektronik karena sekali diaktifkan, tetap berada di status "ON" sampai disetel ulang secara manual. Perhatikan rangkaian thyristor DC pada Gambar 12.
Rangkaian thyristor "on-off" sederhana ini menggunakan thyristor sebagai saklar untuk mengendalikan lampu, namun bisa juga digunakan sebagai rangkaian kontrol on-off untuk motor, pemanas atau beberapa beban DC lainnya. Thyristor bias maju dan dipicu konduksi dengan menutup tombol push "ON" biasanya terbuka, S 1 yang menghubungkan terminal Gerbang ke supply DC melalui Gerbang resistor, RG sehingga memungkinkan arus mengalir ke Gerbang. Jika nilai RG disetel terlalu tinggi sehubungan dengan tegangan supply, thyristor mungkin tidak memicu. Gambar 20. Rangkaian Switching SCR atau Thyristor DC Begitu rangkaian telah dinyalakan- "ON", kabel itu terkunci sendiri dan tetap "ON" bahkan saat tombol push dilepaskan sehingga arus beban lebih banyak daripada arus pengikat thyristor. Operasi tambahan dari tombol tekan, S1 tidak akan berpengaruh pada keadaan rangkaian karena sekali "terkunci" Gerbang kehilangan semua kendali. Thyristor sekarang dinyalakan sepenuhnya "ON" (melakukan) yang memungkinkan arus rangkaian beban penuh mengalir melalui perangkat ke arah depan dan kembali ke spply baterai. Salah satu keuntungan utama menggunakan thyristor sebagai saklar di rangkaian DC adalah bahwa ia memiliki gain arus yang sangat tinggi. Thyristor adalah alat yang dioperasikan arus karena arus Gerbang kecil dapat mengendalikan arus Anoda yang jauh lebih besar. Resistor-Gerbang katoda RGK umumnya disertakan untuk mengurangi sensitivitas Gerbang dan meningkatkan kemampuan dv / dt sehingga mencegah pemicu perangkat yang salah.
Karena thyristor telah terkunci sendiri ke keadaan "ON", rangkaian hanya dapat diatur ulang dengan menginterupsi catu daya dan mengurangi arus anoda sampai di bawah nilai thyristor minimum arus holding IH ). Membuka tombol push "OFF" yang biasanya tertutup, S2 memutus rangkaian, mengurangi arus rangkaian yang mengalir melalui Thyristor ke nol, sehingga memaksa untuk mengubah "OFF" sampai penerapan lagi dari sinyal Gate yang lain. Namun, salah satu kelemahan rancangan rangkaian thyristor DC ini adalah saklar mekanis yang biasanya tertutup "OFF" S2 perlu cukup besar untuk menangani daya rangkaian yang mengalir melalui thyristor dan lampu saat kontak dibuka. Jika ini yang terjadi, kita bisa mengganti thyristor dengan sakelar mekanis yang besar. Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini dan mengurangi kebutuhan akan saklar "OFF" yang lebih besar dan lebih kuat adalah menghubungkan saklar secara paralel dengan thyristor seperti yang ditunjukkan. 4. TRIAC sebagai Pengatur Arus AC Triac, yang juga merupakan anggota keluarga thyristor atau SCR yang digunakan sebagai perangkat perpindahan daya solid state namun yang lebih penting adalah perangkat "bidirectional". Dengan kata lain, sebuah Triac dapat dipicu ke konduksi oleh tegangan positif dan negatif yang diaplikasikan ke Anoda dan dengan pulsa pemicu positif dan negatif yang diterapkan pada terminal Gerbang membuatnya menjadi alat pengontrol Ganda dua kuadran yang dikendalikan. Sebuah Triac berperilaku seperti dua thyristor konvensional terhubung bersama-sama secara paralel terbalik (back-to-back) dengan terhubung satu sama lain dan karena pengaturan ini dua thyristor berbagi terminal Gerbang umum semua dalam paket tiga terminal tunggal. Triac ini paling sering digunakan perangkat semikonduktor untuk switching dan kontrol daya sistem AC sebagai triac dapat diaktifkan ON oleh salah satu pulsa Gerbang positif atau negatif, terlepas dari polaritas pasokan AC pada waktu itu. Hal ini membuat triac ideal untuk mengendalikan lampu atau beban motor AC. Tapi kita juga bisa memicu triac menggunakan tegangan supply AC sebenarnya sendiri sebagai gerbang triggering tegangan. Perhatikan rangkaian pada Gambar 13 berikut.
Rangkaian ini menunjukkan triac yang digunakan sebagai saklar daya AC statis sederhana yang menyediakan fungsi "ON" - "OFF". Saat saklar SW1 terbuka, triac bertindak sebagai saklar terbuka dan lampu melewati arus nol. Bila SW1 ditutup, triac dilapisi "ON" melalui resistor R yang membatasi arus dan kait diri sesaat setelah dimulainya setiap setengah siklus, sehingga mengalihkan daya penuh ke beban lampu. Gambar 21. TRIAC sebagai Saklar Daya AC Statis Karena pasokannya adalah AC sinusoidal, triac secara otomatis terlepas pada akhir setiap setengah siklus AC sebagai tegangan supply seketika dan dengan demikian arus beban sebentar jatuh ke nol namun kait kembali lagi menggunakan thyristor berlawanan setengah pada setengah siklus berikutnya sebagai selama saklar tetap ditutup. Jenis kontrol switching ini umumnya disebut kontrol gelombang penuh karena fakta bahwa kedua bagian dari gelombang sinus dikendalikan. 5. Aplikasi Sistem Kendali Elektronik Beberapa aplikasi dari sistem kendali elektronik sebagai berikut. a. Rangkaian Thyristor DC Alternatif Di sini saklar thyristor menerima tegangan terminal yang diperlukan dan sinyal Gerbang pulsa seperti sebelumnya, tetapi saklar yang normal-tertutup secara normal dari rangkaian sebelumnya telah diganti dengan saklar normalterbuka yang lebih kecil secara paralel dengan thyristor. Aktivasi saklar S2 sesaat menggunakan hubungan pendek antara thyristor Anoda dan Katoda menghentikan perangkat dari melakukan dengan mengurangi arus penahan sampai di bawah nilai minimumnya.
Gambar 22. Rangkaian Thyristor DC Alternatif b. Rangkaian Thyristor AC Bila dihubungkan ke supply AC arus bolak-balik, thyristor berperilaku berbeda dari rangkaian terhubung DC sebelumnya. Ini karena daya AC membalikkan polaritas secara berkala dan oleh karena itu thyristor yang digunakan dalam rangkaian AC akan secara otomatis bias balik menyebabkannya berubah- "OFF" selama satu setengah dari setiap siklus. Perhatikan rangkaian thyristor AC di bawah ini. Gambar 23. Rangkaian Thyristor AC Rangkaian thyristor di atas serupa dengan desain pada rangkaian SCR DC kecuali untuk penghilangan saklar "OFF" tambahan dan penyertaan dioda D1 yang mencegah bias balik diterapkan ke Gerbang. Selama setengah lingkaran positif dari bentuk gelombang sinusoidal, perangkat bias maju namun dengan sakelar S1 terbuka, arus gerbang nol
diterapkan ke thyristor dan tetap "OFF". Pada setengah siklus negatif, perangkat bias balik dan akan tetap "OFF" terlepas dari kondisi saklar S1. Jika saklar S1 ditutup, pada awal masing-masing setengah siklus positif thyristor sepenuhnya OFF tapi tak lama setelah akan ada tegangan pemicu positif yang cukup dan hadir karena arus di Gerbang untuk mengubah thyristor dan lampu ON. Thyristor sekarang terkunci - "ON" selama setengah siklus positif dan secara otomatis akan "OFF" lagi saat separuh siklus positif berakhir dan arus anoda turun di bawah nilai arus holding. Selama setengah siklus negatif berikutnya, perangkat sepenuhnya "OFF" sampai siklus setengah positif berikut saat proses berulang dan thyristor bekerja lagi selama saklar ditutup. Kemudian dalam kondisi ini, lampu hanya akan menerima setengah dari daya yang tersedia dari sumber AC karena thyristor berfungsi seperti dioda penyearah, dan melakukan arus hanya selama siklus setengah positif saat bias maju. Thyristor terus memasok setengah daya ke lampu sampai sakelar dibuka. Jika hal itu memungkinkan untuk cepat mengubah saklar S1 ON dan OFF, sehingga thyristor menerima sinyal Gerbang nya di puncak (90 o ) titik masingmasing setengah siklus positif, perangkat ini hanya akan melakukan satu setengah dari positif setengah siklus. Dengan kata lain, konduksi hanya akan berlangsung selama satu setengah setengah gelombang sinus dan kondisi ini akan menyebabkan lampu menerima "seperempat" atau seperempat dari total daya yang tersedia dari sumber AC. Dengan secara akurat memvariasikan hubungan waktu antara pulsa Gerbang dan siklus setengah positif, thyristor dapat dibuat untuk memasok persentase daya yang diinginkan ke beban, antara 0% dan 50%. Jelas, dengan menggunakan konfigurasi rangkaian ini, ia tidak dapat memasok lebih dari 50% daya ke lampu, karena tidak dapat melakukan selama siklus setengah negatif saat bias terbalik. Perhatikan rangkaian di bawah ini. c. Kontrol Fase Setengah Gelombang Kontrol fase adalah bentuk kontrol daya AC thyristor yang paling umum dan rangkaian kontrol fasa AC dasar dapat dikonstruksi seperti ditunjukkan di atas. Disini tegangan Gerbang thyristor diturunkan dari rangkaian pengisian RC melalui dioda pemicu, D1.
Gambar 24. Kontrol Fase Setengah Gelombang Selama setengah siklus positif ketika thyristor bias maju, kapasitor, C mengisi resistor R1 mengikuti tegangan spply AC. Gerbang diaktifkan hanya jika tegangan pada titik A telah meningkat cukup untuk menyebabkan dioda pemicu D1, untuk melakukan dan kapasitor melepaskan ke Gerbang thyristor yang memutarnya "ON". Durasi waktu di setengah positif dari siklus di mana konduksi dimulai dikendalikan oleh konstanta waktu RC yang ditetapkan oleh resistor variabel, R 1. Meningkatnya nilai R1 memiliki efek menunda tegangan pemicu dan arus yang dipasok ke Gerbang thyristor yang pada gilirannya menyebabkan jeda pada waktu konduksi perangkat. Akibatnya, fraksi setengah siklus dimana perangkat melakukan dapat dikendalikan antara 0 dan 180 o, yang berarti bahwa daya ratarata yang dihamburkan oleh lampu dapat disesuaikan. Namun, thyristor adalah perangkat searah sehingga hanya daya maksimum 50% yang dapat diberikan selama setiap setengah siklus positif. Ada berbagai cara untuk mencapai kontrol AC 100% gelombag peuh menggunakan "thyristor". Salah satu cara adalah memasukkan thyristor tunggal ke dalam rangkaian penyearah jembatan dioda yang mengubah AC menjadi arus searah melalui thyristor sedangkan metode yang lebih umum adalah menggunakan dua thyristor yang terhubung dalam paralel terbalik. Pendekatan yang lebih praktis adalah menggunakan Triac tunggal karena perangkat ini dapat dipicu di kedua arah, sehingga membuatnya sesuai untuk aplikasi switching AC. d. Memodifikasi Rangkaian Switching Triac Seperti rangkaian Gambar 25, jika saklar SW1 terbuka pada posisi A, tidak ada arus gerbang dan lampunya adalah "OFF". Jika saklar dipindahkan ke posisi
gerbang B arus mengalir pada setiap setengah siklus sama seperti sebelumnya dan daya penuh ditarik oleh lampu saat triac beroperasi dalam mode Ι + dan ΙΙΙ-. Namun saat ini ketika saklar terhubung ke posisi C, dioda akan mencegah pemicu gerbang saat MT2 negatif karena dioda bias balik. Jadi triac hanya melakukan pada setengah siklus positif yang beroperasi pada mode I + saja dan lampu akan menyala setengahnya. Lalu tergantung posisi saklar yang di load Off, di Half Power atau Fully ON. Gambar 25 e. Rangkaian Kontrol Phase Triac Jenis rangkaian switching triac yang umum digunakan lainnya menggunakan kontrol fasa untuk memvariasikan jumlah tegangan, dan oleh karena itu daya diaplikasikan pada beban, dalam hal ini sebuah motor, baik untuk sisi positif maupun negatif dari bentuk gelombang input. Tipe kontrol kecepatan motor AC ini memberikan kontrol variabel dan linier sepenuhnya karena tegangan dapat disesuaikan dari nol ke tegangan terisi penuh (Gambar 14). Gambar 26
Pemicu fase dasar ini menggunakan triac secara seri dengan motor melintasi supply sinusoidal AC. Variabel resistor, VR1 digunakan untuk mengendalikan jumlah pergeseran fasa pada gerbang triac yang pada gilirannya mengendalikan jumlah tegangan yang diaplikasikan ke motor dengan memutarnya pada waktu yang berbeda selama siklus AC. Tegangan pemicu triac berasal dari kombinasi VR1 - C1 melalui Diac (diac adalah perangkat semikonduktor dua arah yang membantu memberikan pulsa arus pemicu yang tajam untuk sepenuhnya-on triac). Pada awal setiap siklus, beban C1 naik melalui resistor variabel, VR1. Ini berlanjut sampai tegangan di atas C1 cukup untuk memicu diac ke konduksi yang pada gilirannya memungkinkan kapasitor, C1 untuk melepaskan ke gerbang triac yang memutarnya "ON". Setelah triac dipicu menjadi konduksi dan saturasi, Ini secara efektif memperpendek gerbang pemicu rangkaian kontrol fasa yang terhubung secara paralel di atasnya dan triac mengambil kendali selama sisa setengah siklus. Seperti yang telah kita lihat di atas, triac berubah-off secara otomatis pada akhir siklus setengah dan proses pemicu VR1-C1 dimulai lagi pada siklus setengah berikutnya. Namun, karena triac memerlukan jumlah arus gerbang yang berbeda dalam setiap mode operasi switching, misalnya Ι + dan ΙΙΙ-, sebuah triac oleh karena itu sama artinya asimetris sehingga tidak memicu pada titik yang sama untuk setiap siklus setengah positif dan negatif. Rangkaian kontrol kecepatan triac sederhana ini cocok untuk tidak hanya kontrol kecepatan motor AC tapi juga untuk dimmer lampu dan kontrol pemanas listrik dan sebenarnya sangat mirip dengan lampu dimmer triac yang digunakan di banyak rumah. Namun, dimmer triac komersial tidak boleh digunakan sebagai pengendali kecepatan motor karena umumnya dimmer lampu triac dimaksudkan untuk digunakan dengan beban resistif hanya seperti lampu pijar. Rangkuman Relai dikenal sebagai komponen yang dapat mengimplementasikan logika switching. Relay yang paling sederhana ialah relay elektromekanis yang memberikan pergerakan mekanis saat mendapatkan energi listrik. Biasanya, relai digunakan untuk memenuhi fungsi fungsi: remote control (menyalakan atau
mematikan alat dari jarak jauh), penguatan daya (menguatkan arus atau tegangan, seperti : starting relay pada mesin mobil), pengatur logika kontrol suatu sistem. Transistor sebagai saklar dapat digunakan untuk menyalakan dan mengendalikan lampu, relai atau bahkan motor. Bila menggunakan transistor bipolar sebagai saklar, mereka harus "sepenuhnya-off" atau "sepenuhnya-on". Transistor yang sepenuhnya "ON" dikatakan berada di wilayah Saturasi. Transistor yang sepenuhnya "OFF" dikatakan berada di wilayah Cut-off. Bila menggunakan transistor sebagai saklar, arus Base kecil mengendalikan arus beban Collector yang jauh lebih besar. Diac seperti ST2 atau DB3 adalah perangkat penghambat tegangan dua terminal yang dapat dijalankan di kedua arah. Diac memiliki karakteristik resistansi negatif yang memungkinkan mereka untuk mengganti "ON" dengan cepat begitu level tegangan tertentu tercapai. Karena diac adalah perangkat dua arah, saat dipasangkan dengan rangkaian triac dari BTAxx-600A atau IRT80, ini membuatnya berguna sebagai perangkat pemicu dalam kontrol fasa dan rangkaian AC umum seperti dimmer ringan dan kontrol kecepatan motor. Quadrac sederhananya internal triac dengan diac terhubung. Seperti pada triac, Quadrac adalah switch AC dua arah yang dikendalikan gerbang untuk kedua polaritas tegangan terminal utama. Silicon Controlled Rectifier atau SCR yang umum dikenal sebagai Thyristor adalah perangkat semikonduktor PNPN tiga Junction yang dapat dianggap sebagai dua transistor yang saling terhubung yang dapat digunakan dalam switching beban listrik berat. Mereka dapat dilekatkan - "ON" oleh satu pulsa arus positif yang diterapkan ke terminal Gerbang mereka dan akan tetap "ON" tanpa batas waktu sampai arus anoda ke katoda turun di bawah tingkat minimum pemasangannya. Triac adalah perangkat thyristor 4-layer 3-terminal yang serupa dengan SCR. Triac dapat dipicu ke konduksi ke kedua arah. Kontrol daya listrik AC menggunakan Triac sangat efektif bila digunakan dengan benar untuk mengendalikan beban tipe resistif seperti lampu pijar, pemanas atau motor universal kecil yang biasa ditemukan pada perkakas listrik portabel dan peralatan kecil.
Daftar Pustaka Kilian, Christopher T, Modern Control Technology, West Publishing Co, 1996 Malvino, Albert P., Prinsip-Prinsip Eektronika Jilid 1, Penerbit Erlangga, 2000. Rashid, M.H., Power Electronics: Circuits, devices and applications. New Jersey : Prentice-Hall, Inc, 1988. Rashid, M.H., et.al., Power Electronics Handbook. California: Elsevier, Inc., 2007. www.tespenku.com Video Tutorial Relay 02.mp4 Elektronika Dasar 011 Transistor 03 Universitas Jember.mp4 Elektronika Dasar 014 SCR Universitas Jember.mp4