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).