MATERI SCR

(SILICON CONTROLLED RECTIFIER)

OLEH

KELOMPOK 6

AKBAR MARDIANSYAH

ANDI SUDIRMAN PATTA

ii

KATA PENGANTAR

Rasa syukur yang dalam kami sampaikan ke hadiran Tuhan Yang Maha

Pengasih lagi maha penyayang karena berkat kemurahanNya makalah ini dapat

kami selesaikan sesuai yang diharapkan.Dalam makalah ini kami membahas

“Silicon Controlled Rectifier” disingkat menjadi SCR. Pada saat sekarang ini

penggunaan SCR sangat luas karena SCR dapat mengendalikan arus listrik yang

cukup besar dan dapat pula dipergunakan langsung untuk jaringan arus tukar

(AC).

Makalah ini dibuat dalam rangka memperdalam  pemahaman tentang

peran Silicon Controlled Rectifier (SCR) dalam mengikuti mata kuliah

“ELEKTRONIKA DAYA”

Dalam  proses pendalaman materi,  tentunya kami mendapatkan bimbingan,

arahan, koreksi dan saran, untuk itu rasa terima kasih yang dalam-dalamnya  kami

sampaikan

Makassar, 29 April 2011

Penyusun

iii

DAFTAR ISI

Halaman Judul.............................................................................................. i

Kata Pengantar............................................................................................. ii

Daftar Isi....................................................................................................... iii

BAB I PENDAHULUAN............................................................................ 1

A. Latar Belakang................................................................................. 1

B. Rumusan Masalah............................................................................ 2

C. Tujuan Penulisan.............................................................................. 2

D. Manfaat Penulisan............................................................................ 2

BAB II PEMBAHASAN.............................................................................. 3

A. Pengertian dan Fungsi SCR ( Silicon Control Rectifier )…………. 3

B. Karakteristik SCR (Silicon Controlled Rectifier)............................. 6

C. Prinsip Kerja SCR…………………………………………………. 8

D. Penyulutan SCR…………………………………………………… 9

E. Sistim picu gate pada SCR……………………………………….... 10

F. Pengujian SCR ……………………………………………………. 12

G. Percobaan SCR................................................................................. 13

BAB III PENUTUP...................................................................................... 16

A. Kesimpulan....................................................................................... 16

B. Saran................................................................................................. 16

DAFTAR PUSTAKA................................................................................... 17

iv

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Pengembangan elektronika akhir-akhir ini maju dengan sangat

pesat setelah ditemukan beberapa jenis rumpun Solid State diantaranya

Transistor. Dioda, UJT, dll.

Beberapa laboratorium elektronika berusah menemukan suatu jenis

Solid State yang dapat dipergunakan untuk mengendalikan daya listrik

sebagai pengganti tabung air raksa yang biasa dikenal dengan nama

THYRATRON. Ternyata keinginan ini telah dicapai dengan ditemukannya

apa yang disebut ”THYRISTOR” Nama telah diambil dari gabungan

Thyaratron dan Transistor.

Pada tahun 1957 Thyristor telah direproduksi dan telah dipasarkan

pula. Thyristor dibuat dari susunan bahan silicon dan sifat-sifatnya yang

hamper mirip dengan silicon rectifier juga dengan dioda 4 lapis.

Keistimewaan dari Thyristor dibanding dengan silicon rectifier, adanya

tambahan elektroda yang disebut Gate. Gate ini merupakan tempat dimana

Thyristor dikendalikan (controlled) karena itu Thyristor juga disebut

“Silicon Controlled Rectifier” disingkat menjadi SCR. Pada saat sekarang

ini penggunaan SCR sangat luas karena SCR dapat mengendalikan arus

listrik yang cukup besar dan dapat pula dipergunakan langsung untuk

jaringan arus tukar (AC).

Penggunaan yang nyata pada saat sekarang ini adalah untuk

switching daya listrik yang besar yang dapat mengendalikan pengaturan

beban putaran motor listrik, pengaturan alat pemanas listrik, pengatur

lampu penerangan, relay dan alat-alat alarm yang sangat peka. Bahkan

dalam industri-industri sekarang ini SCR digunakan sebagai sarana

pelengkap automat yang menggantikan alat-alat yang sangat peka.

SCR merupakan jenis thyristor yang terkenal dan paling tua,

komponen ini tersedia dalam rating arus antara 0,25 hingga ratusan amper,

serta rating tegangan hingga 5000 volt.

v

B. Rumusan Masalah

1. Apa yang dimaksud dengan SCR?

2. Apa fungsi SCR?

3. Bagaimana Karakteristik SCR?

4. Bagaimana Prinsip Kerja SCR?

5. Bagaimana cara penyulutan pada SCR?

6. Bagaimana system picu gate pada SCR?

7. Bagaimana cara menguji SCR?

C. Tujuan Penulisan

1. Memenuhi salah satu tugas dalam mata kuliah

2. Membahas lebih jauh tentang SCR.

D. Manfaat Penulisan

1. Menambag pengetahuan bagi pembaca.

2. Menambah referensi tentang SCR.

vi

BAB 1

PEMBAHASAN

SCR singkatan dari Silicon Control Rectifier. Adalah Dioda yang mempunyai fungsi sebagai pengendali. SCR atau Tyristor masih termasuk keluarga semikonduktor dengan karateristik yang serupa dengan tabung thiratron. Sebagai pengendalinya adalah gate (G). SCR sering disebut Therystor. SCR sebetulnya dari bahan campuran P dan N. Isi SCR terdiri dari PNPN (Positif Negatif Positif Negatif) dan biasanya disebut PNPN Trioda.

Logo pada skema elektronik untuk SCR:

Guna SCR:

Sebagai rangkaian Saklar (switch control) Sebagai rangkaian pengendali (remote control)

Diagram dan skema SCR:

Ada tiga kelompok besar untuk semikonduktor ini yang sama-sama dapat berfungsi sebagai Saklar (Switching) pada tegangan 120 volt sampai 240 volt. Ketiga kelompok tersebut adalah SCR ini sendiri, DIAC dan TRIAC.

vii

THYRISTOR

2.1 Karakteristik SCR (Silicon Controlled Rectifier)

Sebuah SCR terdiri dari tiga terminal yaitu anoda, katoda, dan gate. SCR berbeda dengan dioda rectifier biasanya. SCR dibuat dari empat buah lapis dioda. SCR banyak digunakan pada suatu sirkuit elekronika karena lebih efisien dibandingkan komponen lainnya terutama pada pemakaian saklar elektronik.

SCR biasanya digunakan untuk mengontrol khususnya pada tegangan tinggi karena SCR dapat dilewatkan tegangan dari 0 sampai 220 Volt tergantung pada spesifik dan tipe dari SCR tersebut. SCR tidak akan menghantar atau on, meskipun diberikan tegangan maju sampai pada tegangan breakovernya SCR tersebut dicapai (VBRF). SCR akan menghantar jika pada terminal gate diberi pemicuan yang berupa arus dengan tegangan positip dan SCR akan tetap on bila arus yang mengalir pada SCR lebih besar dari arus yang penahan (IH).

Satu-satunya cara untuk membuka (meng-off-kan) SCR adalah dengan mengurangi arus Triger (IT) dibawah arus penahan (IH). SCR adalah thyristor yang uni directional,karena ketika terkonduksi hanya bisa melewatkan arus satu arah saja yaitu dari anoda menuju katoda. Artinya, SCR aktif ketika gate-nya diberi polaritas positif dan antara anoda dan katodanya dibias maju. Dan ketika sumber yang masuk pada SCR adalah sumber AC, proses penyearahan akan berhenti saat siklus negatif terjadi.

Sebuah SCR terdiri dari empat lapis bolak P dan bahan tipe semikonduktor N.

Silikon digunakan sebagai semikonduktor intrinsik, dimana dopan yang tepat ditambahkan. Persimpangan baik menyebar atau paduan. Pembangunan planar digunakan untuk SCRs daya rendah (dan semua sambungan yang tersebar). Jenis Pembangunan mesa digunakan untuk SCRs daya tinggi. Dalam hal ini, sambungan J2 diperoleh dengan metode difusi dan kemudian dua luar lapisan paduan untuk itu, karena pelet PNPN diperlukan untuk menangani arus besar. Hal ini benar bersiap dengan piring tungsten atau molybdenum untuk memberikan kekuatan mekanik yang lebih besar. Salah satu pelat sulit disolder ke pejantan tembaga,

yang berulir untuk lampiran heat sink. Doping dari PNPN akan tergantung pada penerapan SCR, karena karakteristik yang mirip dengan mereka yang thyratron tersebut. Saat ini, istilah thyristor berlaku untuk keluarga besar perangkat multilayer yang menunjukkan bistable negara-perubahan perilaku, yaitu, switching baik ON atau OFF.

viii

Dalam keadaan normal "off", perangkat membatasi saat ini ke kebocoran arus. Ketika tegangan gerbang-untuk-katoda melebihi ambang batas tertentu, perangkat ternyata "on " dan melakukan saat ini. Perangkat akan tetap dalam "pada" negara bahkan setelah gerbang saat ini dihapus sehingga selama arus melalui perangkat ini masih tetap diatas saat ini memegang. Setelah saat ini jatuh di bawah memegang saat ini untuk jangka waktu yang tepat, perangkat akan beralih "off". Jika pintu yang berdenyut dan arus melalui perangkat ini di bawah saat memegang, perangkat akan tetap dalam keadaan "off".

Jika tegangan yang diberikan meningkat cukup pesat, kopling kapasitif dapat menyebabkan biaya cukup ke gerbang untuk memicu perangkat ke dalam "pada" negara, hal ini disebut sebagai "dv / dt memicu." Ini biasanya dicegah dengan membatasi laju kenaikan tegangan pada perangkat, mungkin dengan menggunakan sebuah snubber. "dv / dt memicu" tidak dapat beralih SCR menjadi konduksi penuh dengan cepat dan sebagian SCR-dipicu mungkin menghilang daya lebih dari biasanya, mungkin merusak perangkat.

SCRs juga dapat dipicu dengan meningkatkan tegangan ke depan melampaui tegangan rusaknya pengenal mereka (juga disebut sebagai istirahat tegangan lebih), tapi sekali lagi, ini tidak cepat aktifkan perangkat tersebut ke dalam konduksi dan dapat membahayakan jadi ini Mode operasi ini juga biasanya dihindari. Juga, gangguan tegangan yang sebenarnya mungkin jauh lebih besar daripada gangguan tegangan pengenal, sehingga memicu titik yang tepat akan bervariasi dari perangkat ke perangkat. Perangkat ini umumnya digunakan dalam aplikasi switching.

SCR tersedia dengan atau tanpa reverse menghalangi kemampuan. Reverse memblokir kemampuan menambah drop tegangan maju karena kebutuhan untuk memiliki wilayah, panjang P1 doped rendah. Biasanya, sebaliknya menghalangi rating tegangan dan maju memblokir voltase adalah sama. Aplikasi khas untuk reverse memblokir SCR dalam inverter sumber arus.

SCR mampu memblokir tegangan reverse yang dikenal sebagai SCR asimetris, disingkat ASCR. Mereka biasanya memiliki peringkat kerusakan reverse di 10's volt. ASCR digunakan di mana baik melakukan reverse dioda diterapkan secara paralel (misalnya, dalam inverter sumber tegangan) atau dimana tegangan reverse tidak akan pernah terjadi (misalnya, dalam switching pasokan listrik atau helikopter traksi DC).

Asimetris SCR dapat dibuat dengan dioda melakukan reverse dalam paket yang sama. Ini dikenal sebagai RCT, untuk melakukan reverse thyristor.

SCRs terutama digunakan pada perangkat dimana kontrol daya tinggi, mungkin ditambah dengan tegangan tinggi, yang dituntut. Operasi mereka membuat mereka

ix

cocok untuk digunakan dalam medium untuk aplikasi tegangan tinggi AC power control, seperti peredupan lampu, regulator dan kontrol motor.

SCR kontrol daya AC

Menjadi perangkat (satu arah) unidirectional, paling banyak kita hanya bisa memberikan daya setengah gelombang untuk memuat, dalam siklus-setengah dari AC dimana polaritas tegangan suplai positif pada bagian atas dan negatif di bagian bawah. Namun, untuk menunjukkan konsep dasar kontrol waktu-proporsional, rangkaian sederhana ini lebih baik dari satu mengendalikan penuh tenaga ombak (yang akan membutuhkan dua SCRs).

Dengan tidak memicu ke pintu gerbang, dan sumber tegangan AC jauh di bawah rating tegangan SCR's breakover, maka SCR tidak akan pernah menyala. Menghubungkan SCR gerbang menuju anoda melalui sebuah dioda perbaikan standar (untuk mencegah membalikkan arus melalui pintu gerbang dalam hal ini SCR berisi built-in resistor gerbang-katoda), akan memungkinkan SCR yang akan dipicu segera pada awal setiap setengah siklus-positif:

Kita bisa menunda pemicu SCR, namun, dengan memasukkan beberapa perlawanan ke gerbang sirkuit, sehingga meningkatkan jumlah drop tegangan diperlukan sebelum pintu gerbang cukup saat ini memicu SCR tersebut. Dengan kata lain, jika kita membuat lebih sulit bagi elektron untuk mengalir melalui gerbang dengan menambahkan resistensi, tegangan AC harus mencapai titik yang lebih tinggi dalam siklus sebelum akan ada gerbang cukup saat ini untuk menghidupkan SCR pada. Hasilnya adalah dalam Gambar

x

Struktur Thyristor

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. 

 

Gambar-1 : Struktur Thyristor

 

Struktur dasar thyristor adalah struktur 4 layer PNPN seperti yang ditunjukkan pada gambar-1a. Jika dipilah, struktur ini dapat dilihat sebagai dua buah struktur junction PNP dan NPN yang tersambung di tengah seperti pada gambar-1b. Ini tidak lain adalah dua buah transistor PNP dan NPN yang tersambung pada

xi

masing-masing kolektor dan base. Jika divisualisasikan sebagai transistor Q1 dan Q2, maka struktur thyristor ini dapat diperlihatkan seperti pada gambar-2 yang berikut ini.

Gambar-2 : visualisasi dengan  transistor

Terlihat di sini kolektor transistor Q1 tersambung pada base transistor Q2 dan sebaliknya kolektor transistor Q2 tersambung pada base transistor Q1.  Rangkaian transistor yang demikian menunjukkan adanya loop penguatan arus di bagian tengah. Dimana diketahui bahwa Ic = Ib, yaitu arus kolektor adalah penguatan dari arus base. 

Jika misalnya ada arus sebesar Ib yang mengalir pada base transistor Q2, maka akan ada arus Ic yang mengalir pada kolektor Q2. Arus kolektor ini merupakan arus base Ib pada transistor Q1, sehingga akan muncul penguatan pada pada arus kolektor transistor Q1. Arus kolektor transistor Q1 tdak lain adalah arus base bagi transistor Q2. Demikian seterusnya sehingga makin lama sambungan PN dari thyristor ini di bagian tengah akan mengecil dan hilang. Tertinggal hanyalah lapisan P dan N dibagian luar. 

Jika keadaan ini tercapai, maka struktur yang demikian todak lain adalah struktur dioda PN (anoda-katoda) yang sudah dikenal. Pada saat yang demikian, disebut bahwa thyristor dalam keadaan ON dan dapat mengalirkan arus dari anoda menuju katoda seperti layaknya sebuah dioda. 

xii

Gambar-3 : Thyristor diberi tegangan

Bagaimana kalau pada thyristor ini kita beri beban lampu dc dan diberi suplai tegangan dari nol sampai tegangan tertentu seperti pada gambar 3. Apa yang terjadi pada lampu ketika tegangan dinaikkan dari nol. Ya betul, tentu saja lampu akan tetap padam karena lapisan N-P yang ada ditengah akan mendapatkan reverse-bias (teori dioda). Pada saat ini disebut thyristor dalam keadaan OFF karena tidak ada arus yang bisa mengalir atau sangat kecil sekali. Arus tidak dapat mengalir sampai pada suatu tegangan reverse-bias tertentu yang menyebabkan sambungan NP ini jenuh dan hilang. Tegangan ini disebut tegangan breakdown dan pada saat itu arus mulai dapat mengalir melewati thyristor sebagaimana dioda umumnya. Pada thyristor tegangan ini disebut tegangan breakover Vbo.

SCR

Telah dibahas, bahwa untuk membuat thyristor menjadi ON adalah dengan memberi arus trigger lapisan P yang dekat dengan katoda. Yaitu dengan membuat kaki gate pada thyristor PNPN seperti pada gambar-4a. Karena letaknya yang dekat dengan katoda, bisa juga pin gate ini disebut pin gate katoda (cathode gate). Beginilah SCR dibuat dan simbol SCR digambarkan seperti gambar-4b. SCR dalam banyak literatur disebut Thyristor saja.

xiii

Gambar-4 : Struktur SCR

Melalui kaki (pin) gate tersebut memungkinkan komponen ini di trigger menjadi ON, yaitu dengan memberi arus gate.  Ternyata dengan memberi arus gate Ig yang semakin besar dapat menurunkan tegangan breakover (Vbo) sebuah SCR. Dimana tegangan ini adalah tegangan minimum yang diperlukan SCR untuk menjadi ON. Sampai pada suatu besar arus gate tertentu, ternyata akan sangat mudah membuat SCR menjadi ON. Bahkan dengan tegangan forward yang kecil sekalipun. Misalnya 1 volt saja atau lebih kecil lagi. Kurva tegangan dan arus dari sebuah SCR adalah seperti yang ada pada gambar-5 yang berikut ini.

 

Gambar-5 : Karakteristik kurva I-V SCR 

Pada gambar tertera tegangan breakover Vbo, yang jika tegangan forward SCR mencapai titik ini, maka SCR akan ON. Lebih penting lagi adalah arus Ig yang dapat menyebabkan tegangan Vbo turun menjadi lebih kecil. Pada gambar ditunjukkan beberapa arus Ig dan korelasinya terhadap tegangan breakover. Pada datasheet SCR, arus trigger gate ini sering ditulis dengan notasi IGT (gate trigger current). Pada gambar ada ditunjukkan juga arus Ih yaitu arus holding yang

xiv

mempertahankan SCR tetap ON. Jadi agar SCR tetap ON maka arus forward dari anoda menuju katoda harus berada di atas parameter ini.

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 gambar-5 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.

Ada satu parameter penting lain dari SCR, yaitu VGT. Parameter ini adalah tegangan trigger pada gate yang menyebabkab SCR ON. Kalau dilihat dari model thyristor pada gambar-2, tegangan ini adalah tegangan Vbe pada transistor Q2. VGT

seperti halnya Vbe, besarnya kira-kira 0.7 volt. Seperti contoh rangkaian gambar-8 berikut ini sebuah SCR diketahui memiliki IGT = 10 mA dan VGT = 0.7 volt. Maka dapat dihitung tegangan Vin yang diperlukan agar SCR ini ON adalah sebesar :

Vin = Vr + VGT

Vin = IGT(R) + VGT = 4.9 volt  

Gambar-8 : Rangkaian SCR

xv

* TINJAUAN:    * A Silicon-Controlled Rectifier, atau SCR, pada dasarnya adalah sebuah dioda Shockley dengan terminal tambahan ditambahkan. Tambahan terminal ini disebut pintu gerbang, dan digunakan untuk memicu perangkat ini ke konduksi (kait itu) dengan penerapan tegangan kecil.    * Untuk memicu, atau kebakaran, sebuah SCR, tegangan harus diterapkan antara gerbang dan katoda, positif ke gerbang dan negatif terhadap katoda. Ketika pengujian sebuah SCR, koneksi sesaat antara gerbang dan anoda memadai dalam polaritas, intensitas, dan durasi untuk memicu itu.    * SCRs akan dipecat dengan sengaja memicu dari terminal gerbang, tegangan berlebihan (rincian) antara anoda dan katoda, atau tingkat berlebihan kenaikan tegangan antara anoda dan katoda. SCRs mungkin dimatikan oleh arus anoda jatuh dibawah nilai saat ini memegang (putus sekolah rendah saat ini), atau dengan "menembak reverse-" gerbang (menerapkan tegangan negatif ke pintu gerbang). Reverse-menembak hanya kadang-kadang efektif, dan selalu melibatkan gerbang tinggi saat ini.    * Sebuah varian dari SCR, yang disebut-Gate Turn-Off thyristor (GTO), dirancang khusus untuk dimatikan dengan cara reverse memicu. Bahkan kemudian, membalikkan memicu membutuhkan cukup tinggi saat ini: biasanya 20% dari anoda saat ini.    * SCR terminal dapat diidentifikasi oleh meter kontinuitas: hanya dua terminal yang ditayangkan setiap kontinuitas di antara mereka pada semua harus menjadi pintu gerbang dan katoda. Gerbang dan terminal katoda terhubung ke dalam PN junction SCR, sehingga kesinambungan meter harus memperoleh membaca dioda seperti antara kedua terminal dengan merah (+) memimpin di gerbang dan hitam - memimpin katoda (). Hati-hati, meskipun, bahwa beberapa SCRs besar memiliki internal resistor dihubungkan antara gerbang dan katoda, yang akan mempengaruhi pembacaan kelangsungan apapun yang diambil oleh meter.    SCRs * adalah rectifier benar: mereka hanya mengijinkan arus melalui mereka dalam satu arah. Ini berarti mereka tidak dapat digunakan sendiri untuk kontrol AC kekuatan penuh gelombang.    * Jika dioda dalam rangkaian penyearah diganti oleh SCRs, Anda memiliki bakat dari rangkaian penyearah terkontrol, dimana daya DC adanya beban mungkin sudah saatnya-proporsional dengan memicu SCRs di berbagai titik sepanjang gelombang listrik AC.

xvi