Mengenal Thyristor SCR
Dalam banyak hal, Silicon Controlled Rectifier, SCR atau hanya Thyristor seperti yang lebih dikenal, mirip dalam konstruksi dengan komponen Transistor.
Ini adalah perangkat semikonduktor multi-layer, karenanya bagian “silikon-S” dari namanya. Dibutuhkan sinyal gerbang untuk mengubahnya "ON", "dikendalikan-C" dari nama dan sekali "ON" itu berperilaku seperti dioda penyearah, bagian "penyearah-R" dari nama. Bahkan simbol rangkaian untuk thyristor menunjukkan bahwa perangkat ini bertindak seperti dioda penyearah terkendali.
Namun, tidak seperti junction dioda yang merupakan perangkat semikonduktor dua lapisan (P-N), atau transistor bipolar yang biasa digunakan yang merupakan perangkat switching tiga lapis (P-N-P, atau N-P-N), Thyristor adalah perangkat semikonduktor empat lapis (P-N-P-N) yang berisi tiga persimpangan (junction) PN secara seri, dan diwakili oleh simbol seperti yang ditunjukkan.
Seperti Dioda, Thyristor adalah perangkat searah, yang hanya akan mengalirkan arus dalam satu arah saja, tetapi tidak seperti dioda, thyristor dapat dibuat untuk beroperasi baik sebagai sakelar rangkaian terbuka atau sebagai dioda rectifying tergantung pada seberapa gerbang thyristor dipicu. Dengan kata lain, thyristor hanya dapat beroperasi dalam mode switching dan tidak dapat digunakan untuk penguatan (amplifikasi).
Thyristor atau SCR adalah salah satu dari beberapa perangkat semikonduktor daya dengan Triac (Triode AC), Diac (dioda AC) dan UJT (Unijunction Transistor) yang semuanya mampu bertindak seperti sakelar AC solid state yang sangat cepat untuk mengendalikan tegangan AC besar dan arus. Jadi bagi hobi Elektronik ini membuat perangkat solid state yang sangat berguna ini untuk mengendalikan motor AC, lampu, dan untuk kontrol fasa.
Thyristor (SCR) adalah perangkat tiga terminal berlabel: "Anoda", "Katoda" dan "Gerbang" dan terdiri dari tiga persimpangan PN yang dapat diaktifkan "ON" dan "OFF" pada tingkat yang sangat cepat, atau dapat diaktifkan "ON” untuk lama waktu variabel selama setengah siklus untuk menghantarkan jumlah daya yang dipilih ke beban. Pengoperasian thyristor dapat dijelaskan dengan mengasumsikan terdiri dari dua transistor yang dihubungkan secara berurutan sebagai sepasang sakelar regeneratif komplementer seperti yang ditunjukkan.
Dua rangkaian ekuivalen transistor menunjukkan bahwa arus collector dari transistor NPN TR2 mengumpankan langsung ke dasar transistor PNP TR1, sedangkan arus collector TR1 diumpankan ke dalam basis TR2.
Kedua transistor yang saling terhubung ini bergantung satu sama lain untuk konduksi karena masing-masing transistor mendapatkan arus basis-emitter dari arus collector-emitter yang lain. Jadi sampai salah satu transistor diberikan arus basis tidak ada yang dapat terjadi bahkan jika tegangan Anoda-ke-Katoda hadir.
Ketika terminal Anoda thyristor negatif terhadap Katoda, pusat NP junction forward bias, tetapi dua PN junction luar reverse bias dan itu berperilaku sangat seperti dioda biasa. Oleh karena itu thyristor memblokir aliran arus balik sampai pada level tegangan tinggi titik voltase breakdown dari dua persimpangan (junction) luar terlampaui dan thyristor berjalan tanpa penerapan sinyal Gerbang.
Ini adalah karakteristik negatif penting dari thyristor, karena Thyristor dapat secara tidak sengaja dipicu menjadi konduksi oleh reverse over-voltage serta suhu tinggi atau tegangan dv/dt yang meningkat cepat seperti lonjakan.
Jika terminal Anoda dibuat positif sehubungan dengan Katoda, dua PN junction luar sekarang forward bias tetapi pusat NP junction reverse bias. Karena itu arus maju (forward) juga diblokir. Jika arus positif diinjeksikan ke dasar transistor NPN TR2, arus collector yang dihasilkan mengalir di basis transistor TR1. Hal ini pada gilirannya menyebabkan arus collector mengalir dalam transistor PNP, TR1 yang meningkatkan arus basis TR2 dan seterusnya.
Sangat cepat kedua transistor saling memaksa untuk melakukan saturasi karena mereka terhubung dalam loop umpan balik regeneratif yang tidak bisa berhenti. Setelah dipicu ke dalam konduksi, arus yang mengalir melalui perangkat antara Anoda dan Katoda hanya dibatasi oleh resistansi rangkaian eksternal karena resistansi maju perangkat saat berjalan dapat sangat rendah yaitu kurang dari 1Ω sehingga tegangan jatuh melintasinya. dan kehilangan daya juga rendah.
Kemudian kita dapat melihat bahwa thyristor memblokir arus di kedua arah supply AC dalam keadaan "OFF" dan dapat dinyalakan "ON" dan dibuat untuk bertindak seperti dioda penyearah normal dengan penerapan arus positif ke base transistor, TR2 yang untuk Thyristor (SCR) disebut terminal "Gerbang".
Kurva karakteristik arus-tegangan I-V operasi untuk operasi Thyristor (SCR) diberikan sebagai:
Setelah thyristor dinyalakan "ON" dan melewati arus ke arah maju (anoda positif), sinyal gerbang kehilangan semua kontrol karena aksi penguncian regeneratif dari dua transistor internal. Penerapan sinyal atau pulsa gerbang setelah regenerasi dimulai tidak akan berpengaruh sama sekali karena thyristor sudah berjalan dan sepenuhnya-ON.
Berbeda dengan Transistor, thyristor (SCR) tidak bisa bias untuk tetap berada dalam beberapa wilayah aktif di sepanjang garis beban antara status pemblokiran dan saturasinya. Besar dan durasi pulsa "nyalakan" gerbang tidak banyak berpengaruh pada pengoperasian perangkat karena konduksi dikendalikan secara internal. Kemudian menerapkan pulsa gerbang sesaat ke perangkat sudah cukup untuk membuatnya berjalan dan akan tetap "ON" secara permanen bahkan jika sinyal gerbang sepenuhnya dihapus.
Oleh karena itu thyristor juga dapat dianggap sebagai Kait Bistabil yang memiliki dua status stabil "OFF" atau "ON". Ini karena tanpa sinyal gerbang diterapkan, thyristor (scr) silikon menghalangi arus di kedua arah bentuk gelombang AC, dan begitu dipicu ke dalam konduksi, tindakan penguncian regeneratif berarti bahwa tidak dapat dimatikan "OFF" lagi hanya dengan menggunakan Gerbang.
Jadi bagaimana kita mematikan "OFF" pada Thyristor (SCR)?. Setelah thyristor telah mengunci sendiri ke dalam keadaan "ON" dan melewatkan arus, itu hanya dapat diubah "OFF" lagi dengan melepas tegangan supply dan karena itu arus Anoda ( IA ) sepenuhnya, atau dengan mengurangi Anoda menjadi arus katoda dengan beberapa cara eksternal (pembukaan sakelar misalnya) untuk di bawah nilai yang biasa disebut “arus minimum holding”, IH.
Ini adalah perangkat semikonduktor multi-layer, karenanya bagian “silikon-S” dari namanya. Dibutuhkan sinyal gerbang untuk mengubahnya "ON", "dikendalikan-C" dari nama dan sekali "ON" itu berperilaku seperti dioda penyearah, bagian "penyearah-R" dari nama. Bahkan simbol rangkaian untuk thyristor menunjukkan bahwa perangkat ini bertindak seperti dioda penyearah terkendali.
Namun, tidak seperti junction dioda yang merupakan perangkat semikonduktor dua lapisan (P-N), atau transistor bipolar yang biasa digunakan yang merupakan perangkat switching tiga lapis (P-N-P, atau N-P-N), Thyristor adalah perangkat semikonduktor empat lapis (P-N-P-N) yang berisi tiga persimpangan (junction) PN secara seri, dan diwakili oleh simbol seperti yang ditunjukkan.
Seperti Dioda, Thyristor adalah perangkat searah, yang hanya akan mengalirkan arus dalam satu arah saja, tetapi tidak seperti dioda, thyristor dapat dibuat untuk beroperasi baik sebagai sakelar rangkaian terbuka atau sebagai dioda rectifying tergantung pada seberapa gerbang thyristor dipicu. Dengan kata lain, thyristor hanya dapat beroperasi dalam mode switching dan tidak dapat digunakan untuk penguatan (amplifikasi).
Thyristor (SCR) adalah perangkat tiga terminal berlabel: "Anoda", "Katoda" dan "Gerbang" dan terdiri dari tiga persimpangan PN yang dapat diaktifkan "ON" dan "OFF" pada tingkat yang sangat cepat, atau dapat diaktifkan "ON” untuk lama waktu variabel selama setengah siklus untuk menghantarkan jumlah daya yang dipilih ke beban. Pengoperasian thyristor dapat dijelaskan dengan mengasumsikan terdiri dari dua transistor yang dihubungkan secara berurutan sebagai sepasang sakelar regeneratif komplementer seperti yang ditunjukkan.
Persamaan Thyristor SCR dengan Dua Transistor
Dua rangkaian ekuivalen transistor menunjukkan bahwa arus collector dari transistor NPN TR2 mengumpankan langsung ke dasar transistor PNP TR1, sedangkan arus collector TR1 diumpankan ke dalam basis TR2.
Kedua transistor yang saling terhubung ini bergantung satu sama lain untuk konduksi karena masing-masing transistor mendapatkan arus basis-emitter dari arus collector-emitter yang lain. Jadi sampai salah satu transistor diberikan arus basis tidak ada yang dapat terjadi bahkan jika tegangan Anoda-ke-Katoda hadir.
Ketika terminal Anoda thyristor negatif terhadap Katoda, pusat NP junction forward bias, tetapi dua PN junction luar reverse bias dan itu berperilaku sangat seperti dioda biasa. Oleh karena itu thyristor memblokir aliran arus balik sampai pada level tegangan tinggi titik voltase breakdown dari dua persimpangan (junction) luar terlampaui dan thyristor berjalan tanpa penerapan sinyal Gerbang.
Ini adalah karakteristik negatif penting dari thyristor, karena Thyristor dapat secara tidak sengaja dipicu menjadi konduksi oleh reverse over-voltage serta suhu tinggi atau tegangan dv/dt yang meningkat cepat seperti lonjakan.
Jika terminal Anoda dibuat positif sehubungan dengan Katoda, dua PN junction luar sekarang forward bias tetapi pusat NP junction reverse bias. Karena itu arus maju (forward) juga diblokir. Jika arus positif diinjeksikan ke dasar transistor NPN TR2, arus collector yang dihasilkan mengalir di basis transistor TR1. Hal ini pada gilirannya menyebabkan arus collector mengalir dalam transistor PNP, TR1 yang meningkatkan arus basis TR2 dan seterusnya.
Kemudian kita dapat melihat bahwa thyristor memblokir arus di kedua arah supply AC dalam keadaan "OFF" dan dapat dinyalakan "ON" dan dibuat untuk bertindak seperti dioda penyearah normal dengan penerapan arus positif ke base transistor, TR2 yang untuk Thyristor (SCR) disebut terminal "Gerbang".
Kurva karakteristik arus-tegangan I-V operasi untuk operasi Thyristor (SCR) diberikan sebagai:
Kurva Karakteristik I-V Thyristor (SCR)
Setelah thyristor dinyalakan "ON" dan melewati arus ke arah maju (anoda positif), sinyal gerbang kehilangan semua kontrol karena aksi penguncian regeneratif dari dua transistor internal. Penerapan sinyal atau pulsa gerbang setelah regenerasi dimulai tidak akan berpengaruh sama sekali karena thyristor sudah berjalan dan sepenuhnya-ON.
Berbeda dengan Transistor, thyristor (SCR) tidak bisa bias untuk tetap berada dalam beberapa wilayah aktif di sepanjang garis beban antara status pemblokiran dan saturasinya. Besar dan durasi pulsa "nyalakan" gerbang tidak banyak berpengaruh pada pengoperasian perangkat karena konduksi dikendalikan secara internal. Kemudian menerapkan pulsa gerbang sesaat ke perangkat sudah cukup untuk membuatnya berjalan dan akan tetap "ON" secara permanen bahkan jika sinyal gerbang sepenuhnya dihapus.
Oleh karena itu thyristor juga dapat dianggap sebagai Kait Bistabil yang memiliki dua status stabil "OFF" atau "ON". Ini karena tanpa sinyal gerbang diterapkan, thyristor (scr) silikon menghalangi arus di kedua arah bentuk gelombang AC, dan begitu dipicu ke dalam konduksi, tindakan penguncian regeneratif berarti bahwa tidak dapat dimatikan "OFF" lagi hanya dengan menggunakan Gerbang.
Jadi bagaimana kita mematikan "OFF" pada Thyristor (SCR)?. Setelah thyristor telah mengunci sendiri ke dalam keadaan "ON" dan melewatkan arus, itu hanya dapat diubah "OFF" lagi dengan melepas tegangan supply dan karena itu arus Anoda ( IA ) sepenuhnya, atau dengan mengurangi Anoda menjadi arus katoda dengan beberapa cara eksternal (pembukaan sakelar misalnya) untuk di bawah nilai yang biasa disebut “arus minimum holding”, IH.
Oleh karena itu, arus anoda harus dikurangi di bawah level minimum holding ini cukup lama untuk thyristor secara internal terkunci pn-junction untuk memulihkan keadaan pemblokiran mereka sebelum tegangan maju diterapkan kembali ke perangkat tanpa secara otomatis berjalan sendiri. Jelas kemudian bagi sebuah thyristor untuk berjalan di tempat pertama, arus anoda, yang juga merupakan arus bebannya, IL harus lebih besar dari nilai arus holding. Itulah IL > IH.
Karena thyristor (scr) memiliki kemampuan untuk mematikan "OFF" setiap kali arus anoda dikurangi di bawah nilai holding minimum ini, maka kemudian ketika digunakan pada supply AC sinusoidal, thyristor SCR akan secara otomatis mengubah dirinya "OFF" pada beberapa nilai dekat dengan titik silang lebih dari setiap setengah siklus, dan seperti yang kita ketahui sekarang, akan tetap "OFF" hingga penerapan Gerbang memicu pulsa berikutnya.
Karena tegangan sinusoidal AC terus menerus terbalik (reverse) dalam polaritas dari positif ke negatif pada setiap setengah siklus, ini memungkinkan thyristor untuk mengubah "OFF" pada titik 180° nol dari gelombang positif. Efek ini dikenal sebagai "pergantian alami" dan merupakan karakteristik yang sangat penting dari Thyristor (SCR).
Thyristor digunakan di rangkaian yang diumpankan dari supply DC, kondisi pergantian alami ini tidak dapat terjadi karena tegangan supply DC kontinu sehingga beberapa cara lain untuk mematikan "OFF", thyristor harus disediakan pada waktu yang tepat karena sekali dipicu akan tetap bekerja.
Namun dalam rangkaian AC sinusoidal pergantian alami terjadi setiap setengah siklus. Kemudian selama setengah siklus positif dari bentuk gelombang sinusoidal AC, thyristor forward bias (anoda positif) dan anoda dapat dipicu "ON" menggunakan sinyal atau pulsa Gerbang. Selama setengah siklus negatif, Anoda menjadi negatif sementara Katoda positif. Thyristor adalah reverse bias oleh tegangan ini dan tidak dapat berjalan bahkan jika sinyal Gerbang hadir.
Jadi dengan menerapkan sinyal Gerbang pada waktu yang tepat selama setengah positif dari bentuk gelombang AC, thyristor dapat dipicu ke dalam konduksi sampai akhir setengah siklus positif. Dengan demikian kontrol fasa (seperti yang disebut) dapat digunakan untuk memicu thyristor pada titik mana pun di sepanjang bagian positif dari bentuk gelombang AC dan salah satu dari banyak penggunaan Thyristor (SCR) adalah dalam kontrol daya sistem AC seperti yang ditunjukkan.
Kontrol Fasa Thyristor (SCR)
Pada awal setiap setengah siklus positif, Thyristor SCR "OFF". Pada penerapan pulsa gerbang memicu thyristor SCR ke konduksi dan tetap terkunci "ON" selama durasi siklus positif. Jika thyristor dipicu pada awal setengah siklus ( θ = 0° ), beban (lampu) akan "ON" untuk siklus positif penuh dari bentuk gelombang AC (AC setengah-gelombang yang diperbaiki) pada suhu tinggi tegangan rata-rata 0.318 x Vp.
Karena penerapan pulsa pemicu gerbang meningkat di sepanjang setengah siklus ( θ = 0° hingga 90° ), lampu menyala untuk waktu yang lebih sedikit dan tegangan rata-rata yang dikirim ke lampu juga secara proporsional akan kurang mengurangi kecerahannya.
Kemudian kita dapat menggunakan Thyristor SCR sebagai peredup lampu AC serta dalam berbagai aplikasi daya AC lainnya seperti: kontrol kecepatan motor AC, sistem kontrol suhu dan rangkaian regulator daya, dll.
Sejauh ini kita telah melihat bahwa thyristor (scr) pada dasarnya adalah perangkat setengah gelombang yang berjalan hanya setengah positif dari siklus ketika Anoda positif dan menghalangi aliran arus seperti Dioda ketika Anoda negatif, terlepas dari sinyal Gerbang.
Tetapi ada lebih banyak perangkat semikonduktor yang tersedia yang datang di bawah banner "Thyristor" yang dapat berjalan di kedua arah, perangkat gelombang penuh, atau dapat "OFF" dimatikan oleh sinyal Gerbang.
Perangkat tersebut termasuk "Gate Turn-OFF Thyristor" (GTO), "Thathrist Induction Static" (SITH), "Thyristors Controller MOS" (MCT), "Silicon Controller Switch" (SCS), "Triode Thyristor" (TRIAC) dan "Light Activated Thyristor”(LASCR) untuk beberapa nama, dengan semua perangkat ini tersedia dalam berbagai tegangan dan peringkat arus membuatnya menarik untuk digunakan dalam aplikasi pada tingkat daya yang sangat tinggi.
Ringkasan Thyristor SCR
SCR atau dikenal sebagai Thyristor adalah perangkat semikonduktor PNPN tiga persimpangan (junction) yang dapat dianggap sebagai dua transistor yang saling terhubung yang dapat digunakan dalam peralihan beban listrik yang berat.
Mereka dapat terkunci -"ON" dengan satu pulsa dari arus positif yang diterapkan ke terminal Gerbang mereka dan akan tetap "ON" tanpa batas hingga arus Anoda ke Katoda turun di bawah level kait/kunci minimum mereka.
Karakteristik Statis Sebuah Thyristor SCR
- Thyristor (SCR) adalah perangkat semikonduktor yang hanya dapat beroperasi dalam mode switching.
- Thyristor (SCR) adalah perangkat yang dioperasikan arus, arus Gerbang kecil mengontrol arus Anoda yang lebih besar.
- Arus berjalan hanya saat forward bias dan memicu arus diterapkan ke Gerbang.
- Thyristor (SCR) bertindak seperti dioda penyearah setelah dipicu "ON".
- Arus anoda harus lebih besar daripada arus holding untuk mempertahankan konduksi.
- Memblokir aliran arus ketika di reverse bias, tidak peduli apakah arus Gerbang diterapkan.
- Setelah dipicu "ON", akan terkunci "ON" berjalan bahkan ketika arus gerbang tidak lagi diterapkan asalkan arus anoda di atas arus terkunci.
Thyristor (SCR) adalah sakelar kecepatan tinggi yang dapat digunakan untuk menggantikan Relay Elektromekanis di banyak rangkaian karena tidak memiliki bagian yang bergerak, tidak ada kontak yang melengkung atau menderita korosi atau kotoran.
Tetapi selain hanya beralih arus besar "ON" dan "OFF", thyristor dapat dibuat untuk mengontrol nilai rata-rata arus beban AC tanpa membuang daya dalam jumlah besar. Contoh yang baik dari kontrol daya thyristor adalah kontrol pencahayaan listrik, pemanas dan kecepatan motor.
Dalam tutorial berikutnya tentang Power Elektronik kita akan melihat beberapa Rangkaian Thyristor dasar dan aplikasi menggunakan Supply AC dan DC.