Modul 5 THYRISTOR [PDF]

Citation preview

KEGIATAN BELAJAR 5 I.



TUJUAN Setelah mempelajari modul ini, diharapkan peserta diklat akan mampu:



II.



1.



Menjelaskan UJT



2.



Menjelaskan SCR



3.



Menjelaskan DIAC



4.



Menjelaskan TRIAC URAIAN MATERI



THYRISTOR THYRISTOR berakar kata dari bahasa Yunani yang berarti ‘pintu'. Dinamakan demikian barangkali karena sifat dari komponen ini yang mirip dengan pintu yang dapat dibuka dan ditutup untuk melewatkan arus listrik. Ciri-ciri utama dari sebuah thyristor adalah komponen yang terbuat dari bahan semiconductor silicon. Walaupun bahannya sama, tetapi struktur P-N junction yang dimilikinya lebih kompleks dibanding transistor bipolar atau MOS. Komponen thyristor lebih digunakan sebagai saklar (switch) ketimbang sebagai penguat arus atau tegangan seperti halnya transistor. Ada beberapa komponen yang termasuk thyristor antara lain 1. UJT (Uni-Junction Transistor ) 2. SCR (Silicon Controlled Rectifier) 3. TRIAC 4. DIAC.



A. UJT 1. KONFIGURASI UJT UJT adalah singkatan dari Uni Junction Transistor atau disebut juga “transistor satu lapis”. Sifatnya berbeda dengan transistor bipolar dan unipolar. Elektroda UJT terdiri dari Emitor, Basis 1 dan Basis 2 (Double Basis), yang dikenal dengan nama “Dioda Dua Lapis”. Bahan dasarnya dari silicon. Piranti ini dibuat dari silicon berbentuk batang atau kubus tipe-n yang dikotori sedikit. Kontak ohm dibuat disetiap ujung dan disebut basis 1 dan basis 2. Resistansi diantara kedua sambungan ini lazimnya adalah 6 kΩ untuk T1S43. Di suatu tempat didekat pusat batang ini dibentuklah daerah tipe-p pada waktu manufaktur, dan sambungan dengan daerah itu disebut emitor. Rangkaian ekivalennya dapat digambarkan seperti yang mengandung dua resistor dan satu dioda. Dioda ini adalah pertemuan PN yang dibentuk diantara emitor dan batang. Sambungan katoda dari dioda ekivalen berada disebelah dalam UJT dan tidak dapat diraih. Halaman 61



Rangkaian Ekivalen



Simbol Tipe-N Tipe-P



Susunan Lapisan



Konstruksi 2N 2546 E



B 1



B 2 E B 2



B 1



Gambar 1. Konfigurasi UJT



Misalkan piranti ini disambungkan suatu catu DC dengan B 2 positif dan terhadap B1 dan VE sama dengan 0 V. Tegangan diantara B 1 dan B2 disebut VBB, yaitu tegangan antar basis. RB1 dan RB2 membentuk pembagi tegangan, sehingga tegangan membentangi RB1 (disebelah dalam UJT) adalah harga yang bergantung pada perbandingan resistansi-resiatansi ini. Dalam kenyataannya tegangan yang membentangi RB1 disebut ηVBB, η dikenal sebagai instrinsic stand-off ratio, bergantung pada geometri peranti dan ditentukan oleh posis fisik daerah-P relative terhadap B2 dan B1. η mempunyai harga di antara 0,55 dan 0,82 untuk piranti T1S43. η = di baca ETA 2. PRINSIP KERJA UJT Prinsip kerja UJT tak ubahnya sebagai sakelar. Input dari jenis transistor ini diambil dari emitor yang mempunyai tahanan dan tahan ini dengan cepat turun nilainya jika tegangan input naik sampai suatu level tertentu. Karena itu disebut karakteristik resistansi negatif dan menyebabkan UJT itu berguna sebagai rangkaian penentu waktu (timing), osilator ataupun sakelar.



Gambar 2. Rangkaian Prinsip Kerja UJT



Halaman 62



1). Perhatikan gambar! Antara terminal-terminal B1-B2 kita beri tegangan VB1B2 = 9 V. Maka terjadilah tegangan antara RB1 dan RB2, dioda tidak bekerja. 2). Mula-mula tegangan catu pada emitor sama dengan nol, maka dioda emitor berada dalam keadaan reverse bias. Bila tegangan ini diperbesar, maka V E pun akan ikut bertambah besar, tetapi emitor tetap tidak akan mengahantar sebelum VE >VRB1 + VK VK = knee voltage dari dioda tersebut. 3). Setelah VE >VRB1 + VK maka dioda berada dalam keadaan forward bias dan dia mulai mengahntar. Oleh karena daerah P mendapat doping yang berat sedang aderah N didoping ringan, maka pada saat forward bias banyak hole dari daerah P ini yang tidak dapar berkombinasi dnegan elektron bebas dari daerah N. 4). Hole-hole tersebut akan merupakan suatu pembawa muatan positif pada daerah basis 1. Hal ini menyebabkan tahana RB1 pada daerah basis turun hingga mencapai suatu harga yang kecil sekali, sehingga dapat dikatakan antara emitor dan basis 1 terjadi hubungan singkat. 5). Dari sini jelas bahwa dioda emitor pada ujt berfungsi sebagai sakelar, dan sakelar ini akan tetap tinggal tertutup selama arus emitor masih lebih besar dari suatu harga tertentu yang disebut ”Valley Current”. Contoh: Pada rangkaian berikut, jika diketahui bahwa



pada



saat



emitor



dioda



menghantar, UJT (2N4871) mempunyai nilai VE = 2,5 V. Tentukan besar arus emitor yang diperlukan untuk menutup saluran tersebut! Solusi: Karena pada saat sakelar S menutup antara emitor dan basis terdapat tegangan V E = 2,5 V, maka pada tahanan 400 Ω tersebut bekerja tegangan sebesar: (20 – 2,5) Volt = 17,5 V Jadi: IE = 17,5 = 43,8 mA 400



3. KARAKTERISTIK UJT Halaman 63



Gambar 3. Karakteristik UJT



a.



Perhatikan gambar, jika IE naik, maka tegangan antara emitor( -B1), turun.



b.



Di titik puncak VP dan titik lembah (Valley Point) V V, lengkung karakteristik mempunyai kelandaian (slope) = 0. artinya di titik-titik itu lengkung tidak naik, juga tidak turun.



c.



Dalam daerah kiri VP tidak mengalir arus emitor IE, sebab antara emitor dan basis 1 ada tegangan muka terbalik (reverse bias). Daerah dikiri V P itu dinamakan daerah sumbat.



d.



Dalam daerah dikanan VP ada arus emitor, sebab antara emitor dan basis 1 ada tegangan muka maju (forward bias).



e.



Di antara titik-titik VP dan VV, maka kenaikan arus IE menyebabkan turunnya tegangan VE. Ini berarti bahwa di dalam daerah ini terdapat perlawanan negatif (tahanan negatif).



f.



Setelah melampaui titik lembah VV, maka kenaikan IE dibarengi dengan kenaikan VE. Daerah ini dinamakan daerah jenuh (Saturation Region).



g.



Ternyata bahwa VP ditentukan oleh: 1). Tegangan antara B1 dan B2 (VB1B2) 2). Tegangan muka maju (forward bias) diantara emitor dan basis 1 atau tegangan pada dioda.



4. PENERAPAN UJT



Gambar 4. Rangkaian Penerapan UJT dan Bentuk Sinyal Outputnya



Halaman 64



a.



UJT tak ubahnya seperti sakelar. Sesuai sifatnya, UJT dapat diterapkan sebagai pembangkit tegangan gigi gergaji, lihat gambar!



b.



Tegangan yang terdapat pada kondensator C adalah seperti bentuk gigi gergaji. Hal ini disebabkan karena kondensator C mengisi dan mengeluarkan muatannya, bila bila mendapatkan tegangan sebesar VC.



c.



Bentuk tegangan yang terdapat pada tahanan R (V R) merupakan pulsa-pulsa dc dan tegangan pada R ini terjadi pada saat-saat kondensator C mengeluarkan muatannya.



d.



P1 berfungsi untuk mengatur tegangan yang diumpankan pada emitor, atau untuk mengatur tegangan yang diberikan pada kondensator C. Sedangakan P2 adalah potensiometer untuk mengatur tegangan yang jatuh pada R, dimana tegangannya merupakan denyut-denyut atau pulsa-pulsa.



e.



Jadi kerja rangkaian diatas dapat menghasilkan dua macam bentuk tegangan yaitu tegangan gigi gergaji dan pulsa-pulsa.



B. SCR 1.



KONFIGURASI SCR SCR adalah singkatan Silicon Controlled Rectifier, yang berarti penyearah terkemudi terbuat dari silikon. SCR terdiri dari empat lapis bahan semikonduktor PNPN bahan dasarnya silikon dan bertingkah seperti dua buah tarnsistor. Jika dipilah, struktur ini dapat dilihat sebagai dua buah struktur junction PNP dan NPN yang tersambung di tengah. Ini tidak lain adalah dua buah transistor PNP dan NPN yang tersambung pada masing-masing kolektor dan base. Elektroda-elektrodanya terdiri dari anoda, katoda dan gate.



Simbol



Struktur



Konstruksi KATOD A



GERBAN G N P N P



ANODA



Gambar 5. Konfigurasi SCR



Halaman 65



2.



PRINSIP KERJA SCR SCR dapat dipakai untuk mengatur daya yang besar-besar, misalnya pada mesin-mesin, sedangkan SCR itu sendiri memerlukan daya sangat kecil saja. Prinsip kerjanya tidak berbeda dengan sakelar. Arus hanya mengalir ke satu arah saja yaitu dari anoda ke katoda pada saat ada arus gate. Arus gate terjadi apabila kepada gate diberikan tegangan lebih positif daripada katoda. Boleh dikatakan SCR adalah thyristor yang uni-directional, karena ketika ON hanya bisa melewatkan arus satu arah saja yaitu dari anoda menuju katoda.



3.



CARA KERJA SCR



Gambar 6. Cara Kerja SCR



a.



Apabila anoda dihubungkan pada tegangan positif dan katoda pada tegangan



negatif,



maka



antara



anoda



dan



katoda



tetaplah



suatu



rangkaianterputus (I2 dan I3 masing-masing = 0), hanya ada arus bocoran. b.



Kalau kemudian gate dialiri arus I1, maka anoda-katoda merupakan hubung singkat (ada arus I1 dan I3). Karena merupakan hubung singkat, maka arus anoda yang mengalir perlu dibatasi dengan beban RL.



c.



Kalau gate dibuat lebih positif terhadap katoda, mengalirlah arus kecil antara basis-emitor dalam Q1



d.



Arus basis ini menyebabkan arus I2 yang besar) mengalir melewati kolektor Q1. Arus I2 ini pula arus basis Q2.



e.



Karena dalam Q2 ada arus basis, maka mengalirlah arus kolektor I3 yang lebih besar lagi.



f.



Arus kolektor Q2 (I3) mengalir masuk ke basis Q1. Jadi basis Q1 memperoleh arus basisi yang lebih besar. Kejadian ini menaikkan hantaran Q 1 dan Q2, sehingga terjadilah kejenuhan (terjadi umpan balik sesamanya).



g.



Kalau arus gate ditiadakan, maka SCR tetap menghantar terus dan arus akan berhenti, bila: 1) Tegangan anoda ditiadakan 2) Arus anoda dikecilkan.



Halaman 66



h.



SCR bekerja seperti dioda, ia akan menghantarkan arus hanya dari katoda ke anoda. Kalau diberi tegangan muka terbalik (reverse bias), ia pun bertingkah seperti dioda silikon biasa.



4.



KARAKTERISTIK SCR Perhatikan gambar!



Gambar 7. Karakteristik SCR



Keterangan:



VR = tegangan reverse



V



= tegangan



IR



I



= arus



VH = tegangan holding (teg.lipatan)



VF = tegangan maju IF a.



IH



= arus reverse



= arus holding (arus lipatan)



= arus maju Keadaan gate terbuka, bila SCR diberi bias maju (forward bias) yaitu



anoda bertegangan positif dan katoda bertegangan negatif, maka mengalirlah arus maju kecil saja. Pada saat mencapai tegangan tembus maju, arus pun naik dengan cepat, maka tahanan anoda-katoda menjadi sangat kecil dan merupakan hubung singkat atau sakelar ON. b.



Jika SCR diberi reverse bias, mengalirlah arus reverse yang kecil sampai mencapai tegangan tembus reverse. Dititik inilah mulai “daerah bandangan terbalik” sehingga arus reverse naik dengan pesat yang arahnya terbalik.



c.



Jika tegangan antara anoda dan katoda dibawah titik tembus, sakelar membuka (OFF), sebaliknya bila tegangan lebih tinggi maka sakelar (ON).



d.



Pada keadaan gate terbuka, bila gate dan katoda diberi bias maju, maka SCR dapat dihantarkan (di “ON’ kan) dengan tegangan anoda yang lebih kecil.



e.



Bila



sumber



tegangan



berupa



tegangan



AC,



maka



selama



berlangsungnya perioda negatif, anoda-katoda mendapat reverse bias dan SCR Halaman 67



menyumbat. Karena SCR terkendali oleh tegangan muka yang ada pada gate, maka SCR dapat beroperasi dibawah titik tembus majunya yang maksimum. f.



Bila SCR diberi reverse bias dan arus gate makin besar, maka arus reverse akan makin besar. Karena itu bila SCR sedang mendapat reverse bias, perlu diusahakan agar arus gate IG = 0. Dengan jalan ini SCR terhindar dari suhu yang terlalu panas.



g.



Persyaratan SCR ON: VG > VK, VA > VG, dan VA > VK Pabrik menyatakan daya yang dibolehkan didalam rangkaian gate. Juga besarnya bias maju maupun bias balik maksimum yang boleh diberikan pada gate. Sejauh ini yang dikemukakan adalah bagaimana membuat SCR menjadi ON.



Pada kenyataannya, sekali SCR mencapai keadaan ON maka selamanya akan ON, walaupun tegangan gate dilepas atau di short ke katoda. Satu-satunya cara untuk membuat SCR menjadi OFF adalah dengan membuat arus anoda-katoda turun dibawah arus Ih (holding current). Pada kurva I-V SCR, jika arus forward berada dibawah titik Ih, maka SCR kembali pada keadaan OFF. Berapa besar arus holding ini, umumnya ada di dalam datasheet SCR. Cara membuat SCR menjadi OFF tersebut adalah sama saja dengan menurunkan tegangan anoda-katoda ke titik nol. Karena inilah SCR atau thyristor pada umumnya tidak cocok digunakan untuk aplikasi DC. Komponen ini lebih banyak digunakan untuk aplikasi-aplikasi tegangan AC, dimana SCR bisa OFF pada saat gelombang tegangan AC berada di titik nol. 5.



PENERAPAN SCR. Sesuai dengan sifat yang dimiliki, SCR dapat digunakan pada alat-alat kontrol atau pengatur. Beberapa keuntungan bila SCR dipakai sebagai pengatur, adalah: a.



Tidak ada kontak-kontak yang aus karena terbakar.



b.



Memerlukan sedikit komponen-komponen tamabahan.



c.



Tidak menjangkitkan bunga api. Contoh rangkaian penerapan SCR yaitu SCR yang dikontrol cahaya.



Gambar 8. Rangkaian Penerapan SCR



Halaman 68



Alat ini dapat berfungsi sebagai “switch otomatis”, dan menyalakan lampulampu bila dilingkungannya meredup dibawah batas tertentu. Dalam keadaan normal, arus tidak dapat mengalir dari katoda ke anoda. Tetapi bila sedikit saja diberikan arus pada gerbang (G), maka SCR akan ter-trigger (terpicu) sehingga arus mendadak mengalir dari katoda ke anoda. Keadaan ini akan terus berlangsung walaupun kemudian arus gate dihilangkan. SCR dikembalikan ke keadaan tidak terhubung, baru setelah tegangan katoda dihilangkan yaitu dengan membuka S1. LDR (Light Dependent Resistor) gunaya untuk mengatur SCR. Bila cahaya jatuh pada LDR, amka tahanan antara gate dan katoda rendah sehingga bila S1 ditutup, arus tidak akan mengalit melalui lampu 6V 3 Watt. Bila cahaya berkurang, tahanan LDR akan bertambah. Kenaikan tahanan akan terus berlangsung sampai potensial pada gate cukup tinggi untuk membuat SCR menghantar, sehingga lampu menyala. Potensial VR1 untuk pengaturan tahanan antara positif baterai dnegan gate, sehingga batas level cahaya bagi awal bekerjanya rangkaian dapat diatur.



C. DIAC 1.



KONFIGURASI DIAC DIAC singkatan dari Diode Alternating Current yang mempunyai susunan material sama seperti halnya dioda 4 lapis (Four Layer Diode). Sebenarnya DIAC adalah dua lapisan four layer diode yang berlawanan arah yang dijajarkan secara anti paralel. Susunan Lapisan



Rangkaian Pengganti



Simbol



Gambar 9. Konfigurasi DIAC



2.



PRINSIP KERJA DIAC Prinsip kerja DIAC tak ubahnya seperti sakelar arus bolak-balik, yaitu bergantian forward dan reverse apabila diberi tegangan arus bolak-balik.



Gambar 10. Prinsip Kerja DIAC



Halaman 69



Apabila titik A pada keadaan forward bias, maka sakelar S1 ON, sedangkan sakelar S2 OFF atau sebaliknya jika titik B pada keadaan forward bias, maka sakelar S2 ON dan sakelar S1 OFF (terbuka). Demikian seterusnya kerja DIAC, seolah-olah merupakan sakelar arus bolak-balik. Dalam keadaan forward mengahantar (ON) dan dalam keadaan reverse juga menghantar.



3.



KARAKTERISTIK DIAC



Gambar 11. Karakteristik DIAC



Karena DIAC adalah salah satu komponen elektronika yang dapat menghantar dengan arah bolak-balik, maka karakteristiknya pun akan berbentuk kurva yang sama untuk forward maupun reverse. Sukar dilewati oleh arus dua arah, DIAC memang dimaksudkan untuk tujuan ini. Hanya dengan tegangan breakdown tertentu barulah DIAC dapat menghantarkan arus. Arus yang dihantarkan tentu saja bisa bolak-balik dari anoda menuju katoda dan sebaliknya. Kurva karakteristik DIAC sama seperti TRIAC, tetapi yang hanya perlu diketahui adalah berapa tegangan breakdown-nya. 4.



PENERAPAN DIAC DIAC umumnya dipakai sebagai pemicu TRIAC agar ON pada tegangan input tertentu yang relatif tinggi. Contohnya adalah aplikasi dimmer lampu seperti pada gambar berikut:



Gambar 12. Rangkaian Dimmer



Halaman 70



Jika diketahui IGT dari TRIAC pada rangkaian di atas 10 mA dan V GT = 0.7 volt. Lalu diketahui juga yang digunakan adalah sebuah DIAC dengan V bo = 20 V, maka dapat dihitung TRIAC akan ON pada tegangan : V = IGT(R)+Vbo+VGT = 120.7 V



Gambar 13. Gelombang Output Rangkaian Dimmer



Pada rangkaian dimmer, resistor R biasanya diganti dengan rangkaian seri resistor dan potensiometer. Di sini kapasitor C bersama rangkaian R digunakan untuk menggeser phasa tegangan VAC. Lampu dapat diatur menyala redup dan terang, tergantung pada saat kapan TRIAC di picu. D. TRIAC 1.



KONFIGURASI TRIAC TRIAC adalah singkatan dari Triode Alternating Current Switch. Artinya sakelar trioda untuk arus bolak-balik. TRIAC merupakan dua SCR yang dirangkaikan anti paralel dan diberi satu elektroda baru yang disebut gate (pintu/gerbang). Penggunaan TRIAC akan lebih menguntungkan dibandingkan SCR, karena dapat melewatkan arus dua arah. TRIAC biasa juga disebut thyristor bi-directional. Susunan Lapisan



Rangkaian Pengganti



Simbol



Konstruksi A



A G



K



PUT MEU 21



G



K



Gambar 14. Konfigurasi TRIAC



Halaman 71



2.



PRINSIP KERJA TRIAC



Skema Pengganti TRIAC



Forward Bias



Reverse Bias



Gambar 15. Prinsip Kerja TRIAC



a.



Jika ke anoda diberi forward bias, maka saklar S1 menutup (ON).



b.



Jika anoda diberi reverse bias, maka sakelar S2 menutup (ON).



3.



KARAKTERISTIK TRIAC



Gambar 16. Karakteristik TRIAC



TRIAC dapat dipandang sebagai SCR yang simetris, karena kurva karakteristiknya tidak ada perbedaan antara karakteristik forward dan karakteristik reverse. Tegangan break over dapat diatur dengan mengatur arus gate seperti halnya pada SCR. Jadi arus TRIAC akan mengalir dengan mengatur arus gatenya. 4.



PENERAPAN TRIAC Sesuai dengan namanya, TRIAC adalah sakelar trioda arus bolak-balik, maka komponen ini dapat digunakan untuk alat kontrol rangkaian AC pada beban atau juga untuk mengatur daya pada beban. Adapun sebagai rangkaian dasarnya seperti berikut:



Halaman 72



Gambar 17. Alat Kontrol Rangkaian AC



Bila switch berdaya rendah terbuka, maka TRIAC tidak menghantar dan tak ada daya AC yang mencapai beban. Tetapi bila switch tertutup, arus yang melalui R2 akan menjalankan TRIAC selama setengah siklus. Tahanan R1 dan kapasitor C juga bertindak sebagai penangkal RC yang berguna untuk mencegah transientransien switching yang dapat mengakibatkan kerusakan pada TRIAC.



III.



EVALUASI A.



PILIHAN GANDA 1.



Yang tidak termasuk pada kelompok thyristor adalah... a. b. c. d. e.



Uni Junction Transistor Unipolar Transistor Silicon Controlled Rectifier Diode Alternating Current Triode Alternating Current Switch Gambar disamping adalah simbol dari...



2. a. FET b. UJT c. SCR d. DIAC e. TRIAC 3.



Komponen-komponen thyristor lebih banyak digunakan sebagai.. a. b. c.



resistor isolator kondukt



d. e.



sakelar fuse



or 4.



Bahan dasar pembuatan UJT adalah... a.



aluminiu m



b. c. 5.



d.



germa nium



boron e. indium silikon Input UJT diambil dari emitor. Ini merupakan tahanan dan tahanan ini



akan cepat turun nilainya jika... Halaman 73



a. b. c.



Tegangan input naik sampai level tertentu Arus input naik sampai harga tertentu Tegangan output naik sampai mencapai maksimum



d. e.



Arus output naik sampai suatu level tertentu Tegangan input turun sampai suatu harga tertentu Daerah jenuh pada kurva karakteristik UJT adalah ketika...



6. a.



IE turun



d.



dan VB turun b.



dan VE naik IE



naik



e.



dan VB naik c.



IE naik IE = 0 dan VE = 0



IE



naik



dan VE turun 7.



Di dalam penerapannya, komponen UJT dapat membangkitkan dua macam bentuk tegangan, yaitu... a. b. c. d. e.



sinus dan pulsa sinus dan gigi gergaji pulsa dan gigi gergaji pulsa dan sinus setengah gelombang sinus dan garis lurus.



8.



Elektroda-elektroda yang terdapat pada SCR adalah... a.



Anoda,



d.



katoda, basis b.



Anoda,



e.



katoda c. 9.



Anoda , katoda, gate Basis, kolektor, emitor



Gate, drain, source Pada SCR, keadaan gate terbuka bila diberikan forward bias, yaitu



apabila tegangan... a.



Anoda



d.



(-) dan katoda (+) b.



Anoda



e.



(+) dan katoda (-) c.



Anoda dan katoda (-) Anoda dan katoda = 0.



Anoda dan katoda (+)



10.



Syarat-syarat agar SCR dapat ON adalah, kecuali... a. b. c.



11.



VG > VK VA > VG VA > VK



d.



VG



>



VK