Issuu on Google+

SILICON-CONTROLLED RECTIFIER (SCR)

10.1 Pendahuluan

(a)

(b)

(c)

Gambar 10.1. (a), (b) dan (c). Berbagai macam silicon-controlled rectifier (SCR).

Pada prinsipnya silicon-controled rectifier atau yang disebut juga SCR seperti yang terlihat pada gambar 10.1 di atas merupakan penyearah yang dapat dikendalikan (controlled). SCR tersebut tersusun atas 4 (empat) lapisan PNPN dan memiliki 3 (tiga) buah terminal. Terminal-terminal pada SCR tersebut adalah terminal anoda (anode), katoda (chatode) dan gate. Terminal anoda (anode) pada SCR tersebut merupakan terminal yang dihubungkan ke luar daerah P, sedangkan terminal katoda (cathode) merupakan terminal yang dihubungkan ke luar daerah N serta terminal gate merupakan terminal yang dihubungkan ke bagian dalam daerah P. SCR (silicon-controlled rectifier) tersebut memiliki karakteristik pensaklaran (switching characteristics) yang sangat unik. Anoda pada SCR tersebut harus bernilai positif terhadap katoda untuk membuat SCR berkondisi prategangan (biased). SCR yang berkondisi prategangan (biased) tersebut akan menghantarkan arus listrik bila diberikan sebuah arus pemicu (trigger current). Pada kondisi menghantar (conduct) tersebut SCR beroperasi layaknya sebuah dioda penyearah (rectifier diode) dan kondisi menghantar (conduct) tersebut akan terus terjadi walaupun arus pemicu (trigger current) dilepaskan dari gate. Kondisi menghantar (conducting state) pada SCR tersebut akan berakhir bila arus yang mengalir di antara anoda dan katoda diurunkan hingga ke tingkat yang kurang dari nilai arus kritis, umumnya disebut sebagai arus kancing (holding current). Pada

219


keadaan putus (off state) tersebut SCR beroperasi seperti rangkaian terbuka di antara anoda dan katoda, namun keadaan terbuka tersebut memberikan tahanan yang nilainya cukup besar sehingga SCR pada kondisi terbuka (off state) tersebut tidak sepenuhnya terbuka. Pada kondisi hubung (on state) tersebut SCR beroperasi seperti sebuah tahanan kecil yang dihubungkan antara anoda dan katoda. Karakteristik pensaklaran (switching characteristics) SCR yang unik tersebut menyebabkan SCR banyak digunakan pada berbagai aplikasi seperti pengendali-pengendali motor (motor control), rangkaian-rangkaian penunda (time-delay circuit), pengendali-pengendali alat pemanas (heater control), pengendali fase (phase control), dan pengendali relay (relay control).

10.1.1 Simbol Pada umumnya silicon-controlled rectifier (SCR) disimbolkan seperti yang terlihat pada gambar 10.2 di samping ini.

Gambar 10.2. Simbol dari siliconcontrolled rectifier (SCR).

10.1.2 Konstruksi Pada controlled

prinsipnya rectifier)

SCR

(silicon-

merupakan

sebuah

komponen 4 (empat) lapisan PNPN seperti yang terlihat pada gambar 10.3 (a) dan (b) tersebut. SCR tersebut memiliki 3 (tiga) terminal,

yaitu

anoda

(anode),

katoda

(cathode) dan gate. Struktur dasar dari sebuah SCR merupakan gabungan 2 (dua) (a)

buah transistor NPN dan PNP seperti yang

220


terlihat pada gambar 10.3c.

(c)

(b) Gambar 10.3. (a) dan (b). Konstruksi SCR (silicon-controlled rectifier). (c). Struktur dasar SCR (silicon-controlled rectifier).

10.2 Pengoperasian Silicon-Controled Rectifier Pada prinsipnya sebuah SCR dapat diilustrasikan sebagai 2 (dua) buah transistor NPN dan PNP yang saling dihubungkan seperti yang terlihat pada gambar 10.3(c) di atas. SCR tersebut menjadi berkondisi prategangan (bias) ketika terminal anoda (anode) pada SCR memiliki nilai yang lebih positif daripada nilai pada terminal katoda (cathode), walaupun SCR tersebut sudah berkondisi prategangan (biased), tetapi kedua transistor PNP dan NPN pada SCR tersebut tidak akan terhubung (conduct state) bila tidak ada sebuah pemicu tegangan positif yang melintasi basis pada Q2 atau transistor NPN. Sebuah pemicu tegangan positif (small positive trigger) yang melintasi basis pada

Q2 (terminal gate) tersebut akan membuat transistor NPN mulai menghantarkan arus listrik (conduct state) sehingga arus kolektor (colletor current) pada transistor NPN Q2  adalah sama degan arus yang mengalir ke arah basis pada

221


transistor PNP Q1  , yaitu I B1  I C 2 , dan akhirnya transistor PNP Q1  mulai menghantarkan arus listrik (conduct state).

10.3

Karakteristik

Gambar 10.4. Karakteristik volt-ampere dari sebuah SCR (silicon controlled rectifier).

Perhatikan kurva karakteristik volt-ampere dari sebuah SCR (silicon controlled rectifier) seperti yang terlihat pada gambar 10.4 di atas. Pada kurva tersebut terlihat sebuah sumbu vertikal berupa arus anoda (anode current) dan sebuah sumbu horizontal berupa tegangan anoda-katoda (anode-cathode voltage) V AC . SCR tersebut akan berkondisi prategangan maju (forward bias) bila nilai V AC adalah bernilai positif. SCR yang berkondisi prategangan maju (forward bias) tersebut akan dapat menghantarkan arus listrik (conduct state) bila diberikan sebuah arus gate I G  pada tegangan breakdown maju Vbr F  . SCR tersebut akan kembali pada daerah penahan majunya (forward blocking region) saat arus anoda bernilai kurang daripada arus kancing (holding current).

222


10.4 Parameter Silicon-Controlled Rectifier Pada dasarnya sebuah SCR (silicon controlled rectifier) memiliki beberapa parameter yang sebaiknya diketahui untuk mengoperasikan SCR tersebut, yaitu: 1.

Tegangan breakdown maju (forward breakdown voltage).

2.

Tegangan breakdown balik (reverse breakdown voltage).

3.

Tegangan terhubung (on-state voltage).

4.

Arus terhubung (on-state current).

5.

Batas arus (holding current).

6.

Arus penyangga (latching current).

7.

Arus pemicu gerbang (gate trigger current).

8.

Tegangan pemicu gerbang (gate trigger voltage).

9.

Waktu pengaktifan gerbang (gate turn-on time).

10. Waktu transisi non-aktif (commutated turn-off time).

10.4.1 Tegangan Breakdown Maju (Forward Breakdown Voltage) Pada prinsipnya tegangan breakdown maju atau yang disebut juga dengan forward breakdown voltage merupakan tegangan maju (forward voltage) yang menyalakan SCR. Secara matematis tegangan breakdown maju (forward breakdown voltage) disimbolkan dengan Vbr F .

10.4.2 Tegangan Breakdown Balik (Reverse Breakdown Voltage) Pada prinsipnya tegangan breakdown balik atau yang disebut juga dengan reverse breakdown voltage merupakan tegangan balik maksimum yang menyebabkan SCR menjadi terjal (avalanche). Secara matematis tegangan breakdown balik (reverse breakdown voltage) disimbolkan dengan Vbr R .

10.4.3 Tegangan Terhubung (On-State Voltage) Pada prinsipnya tegangan terhubung atau yang disebut juga dengan on-state voltage merupakan tegangan yang melintasi SCR ketika SCR tersebut sedang dalam kondisi terhubung (on-state). Secara matematis tegangan terhubung (on-

223


state voltage) tersebut disimbolkan dengan VT .

10.4.4 Arus Terhubung (On-State Current) Pada prinsipnya arus terhubung atau yang disebut juga dengan on-state current merupakan arus listrik yang mengalir di antara anoda (anode) dan katoda (cathode) pada saat SCR dalam kondisi terhubung (on-state). Secara matematis arus terhubung (on-state current) tersebut disimbolkan dengan I T .

10.4.5 Batas Arus (Holding Current) Pada prinsipnya batas arus atau yang disebut juga dengan holding current merupakan arus minimum yang dibutuhkan untuk membuat SCR menjadi berkondisi terhubung (on-state). Secara matematis batas arus (holding current) disimbolkan dengan I H .

10.4.6 Arus Penyangga (Latching Current) Pada prinsipnya arus penyangga atau yang disebut juga dengan latching current merupakan arus minimum yang dibutuhkan oleh SCR untuk menjaga kondisi terhubungnya (on-state) setelah terjadi pensaklaran dari keadaan putus (off-state) ke keadaan hubung (on-state) dengan pemicu (trigger) yang terlepas. Secara matematis arus penyangga (latching current) tersebut disimbolkan dengan

IL .

10.4.7 Arus Pemicu Gate (Gate Trigger Current) Pada prinsipnya arus pemicu gate atau yang disebut juga dengan gate trigger current merupakan arus gate minimum yang dibutuhkan oleh SCR untuk merubah kondisi SCR tersebut dari kondisi putus (off-state) menjadi kondisi hubung (onstate). Secara matematis arus pemicu gate (gate trigger current) disimbolkan dengan I GT .

224


10.4.8 Tegangan Pemicu Gerbang (Gate Trigger Voltage) Pada prinsipnya tegangan pemicu gerbang atau yang disebut juga dengan gate trigger voltage merupakan tegangan gate yang dibutuhkan untuk menhasilkan arus gate yang dibutuhkan. Secara matematis tegangan pemicu gerbang (gate trigger voltage) tersebut disimbolkan dengan VGT .

10.4.9 Waktu Pengaktifan Gerbang (Gate Turn-On Time) Pada prinsipnya waktu pengaktifan gerbang atau yang disebut juga dengan gate turn-on time merupakan waktu yang dibutuhkan oleh SCR untuk terhubung (turn on). Secara matematis waktu pengaktifan gerbang (gate turn-on time) tersebut disimbolkan dengan t on .

10.4.10

Waktu Transisi Non-Aktif (Commutated Turn-Off Time)

Pada prinsipnya waktu transisi non-aktif atau yang disebut juga dengan commutated turn-off time merupakan waktu yang dibutuhkan oleh SCR untuk terputus (turn off). Secara matematis waktu transis non-aktif (commutated turn-off time) tersebut disimbolkan dengan t off

10.5 Rangkaian Silicon-Controlled Rectifier Pada prinsipnya SCR (silicon controlled rectifier) umum digunakan pada aplikasi rangkaian-rangkaian pensaklaran (switching) maupun rangkaianrangkaian kendali (controlling). Berikut ini adalah beberapa analisa dari rangkaian-rangkaian tersebut.

10.5.1 Mengaktifkan Silicon-Controlled Rectifier Pada prinsipnya ketika gate pada sebuah SCR memiliki arus yang bernilai 0

I G

 0  , maka SCR tersebut akan beroperasi layaknya sebagai sebuah dioda 4

(empat) lapis (4-layer diode) yang sedang berkondisi putus (off-state). SCR yang tidak memiliki arus gate I G  0  tersebut memiliki nilai tahanan yang sangat tinggi di antara anoda (anode) dan katoda (cathode) sehingga menyebabkan SCR

225


tersebut dapat dianggap sebagai sebuah saklar terbuka (opened switch). Kedua transistor Q1 dan Q2  pada SCR tersebut akan berkondisi terhubung (turn on) bila gate pada SCR mendapatkan sebuah pulsa arus yang positif (trigger current) dan kondisi anoda (anode) harus lebih postif daripada katoda (cathode). Q2 pada SCR tersebut akan diaktifkan oleh IB2 hingga menyediakan jalur untuk IB1 masuk ke dalam kolektor Q1. Arus IB1 pada Q1 tersebut akan menjadi arus basis pada Q2 sehingga Q2 berkondisi menghantar setelah pulsa pemicu (trigger pulse) dilepaskan dari gate. Peristiwa tersebut akan terjadi secara periodik sehingga menyebabkan Q2 dapat menahan induksi dari Q1 melalui arus IB1, oleh sebab itu SCR dapat mempertahankan kondisi terhubung walau hanya dipicu satu kali.

10.5.2 Menon-aktifkan Silicon-Controlled Rectifier Pada prinsipnya sebuah SCR yang sudah berkondisi terhubung dapat dibuat menjadi berkondisi terputus dengan cara mengurangi nilai arus hingga bernilai di bawah arus kancing atau memberikan tegangan dengan arah polaritas terbalik kepada tiristor dan dengan menggunakan tiristor pada sumber tegangan ac (alternating current).

226


SCR