Post on 27-Oct-2015
description
219
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
220
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
Gambar 10.2. Simbol dari silicon-
controlled rectifier (SCR).
Pada umumnya silicon-controlled
rectifier (SCR) disimbolkan seperti
yang terlihat pada gambar 10.2 di
samping ini.
10.1.2 Konstruksi
(a)
Pada prinsipnya SCR (silicon-
controlled rectifier) 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)
buah transistor NPN dan PNP seperti yang
221
terlihat pada gambar 10.3c.
(b)
(c)
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 2Q atau transistor NPN. Sebuah
pemicu tegangan positif (small positive trigger) yang melintasi basis pada
2Q (terminal gate) tersebut akan membuat transistor NPN mulai menghantarkan
arus listrik (conduct state) sehingga arus kolektor (colletor current) pada
transistor NPN 2Q adalah sama degan arus yang mengalir ke arah basis pada
222
transistor PNP 1Q , yaitu 21 CB II , dan akhirnya transistor PNP 1Q 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)
ACV . SCR tersebut akan berkondisi prategangan maju (forward bias) bila nilai
ACV adalah bernilai positif. SCR yang berkondisi prategangan maju (forward
bias) tersebut akan dapat menghantarkan arus listrik (conduct state) bila diberikan
sebuah arus gate GI pada tegangan breakdown maju FbrV . SCR tersebut
akan kembali pada daerah penahan majunya (forward blocking region) saat arus
anoda bernilai kurang daripada arus kancing (holding current).
223
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 FbrV .
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 RbrV .
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-
224
state voltage) tersebut disimbolkan dengan TV .
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 TI .
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 HI .
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
LI .
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 (on-
state). Secara matematis arus pemicu gate (gate trigger current) disimbolkan
dengan GTI .
225
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 GTV .
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 ont .
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 offt
10.5 Rangkaian Silicon-Controlled Rectifier
Pada prinsipnya SCR (silicon controlled rectifier) umum digunakan pada
aplikasi rangkaian-rangkaian pensaklaran (switching) maupun rangkaian-
rangkaian 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
0GI , 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 0GI tersebut memiliki nilai tahanan yang sangat
tinggi di antara anoda (anode) dan katoda (cathode) sehingga menyebabkan SCR
226
tersebut dapat dianggap sebagai sebuah saklar terbuka (opened switch). Kedua
transistor 21 QdanQ 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).