Penerapan Rangkaian Elektronika 102r7

PENERAPAN RANGKAIAN ELEKTRONIKA Materi tentang JFET, MOSFET, TRIAC, SCR, DIAC

THYRISTOR Thyristor adalah komponen semikonduktor untuk pensaklaran yang berdasarkan pada struktur PNPN. Komponen ini memiliki kestabilan dalam dua keadaan yaitu on dan off serta memiliki umpan-balik regenerasi internal. Thyristor memiliki kemampuan untuk mensaklar arus searah (DC) yaitu jenis SCR, maupun arus bolak-balik (AC), jenis TRIAC.

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 gambar1a. 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 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 I= b, 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 I b 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.

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.

1. Silicon Controlled Rectifier (SCR) 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. Struktur dan simbol dari SCR dapat digambarkan seperti pada gambar dibawah :.

Gambar struktur dan simbol dari SCR

Sedangkan jika didekati dengan struktur transistor, maka struktur SCR dapat digambarkan seperti pada gambar dibawah :

Gambar Struktur SCR jika didekati dengan struktur transistor. Kondisi awal dari SCR adalah dalam kondisi OFF (A dan K tidak tersambung). Salah satu cara untuk meng-ON kan (menyambungkan antara A dan K) adalah dengan memberikan tegangan picu terhadap G (gate). Sekali SCR tersambung maka SCR akan terjaga dalam kondisi ON (dapat dilihat pada struktur transistor Gambar 2). Untuk mematikan sambungan A-K, maka yang perlu dilakukan adalah dengan memberikan tegangan balik pada A-K-nya, atau dengan menghubungkan G ke K. Gambar 3 berikut adalah karakteristik volt-amper SCR dan skema aplikasi dasar dari SCR.

Gambar Karakteristik dan skema aplikasi SCR.

2. Triac Triac dapat dianggap sebagai dua buah SCR dalam struktur kristal tunggal, dengan demikian maka

Triac dapat digunakan untuk melakukan pensaklaran dalam dua arah (arus bolak balik, AC). Simbol dan struktur Triac adalah seperti ditunjukan dalam gamabr dibawah :

Gambar simbol dan struktur Triac. Karena secara prinsip adalah ekivalen dengan dua buah SCR yang disusun secara paralel dengan salah SCR dibalik maka Triac memiliki sifat-sifat yang mirip dengan SCR. Gambar dibawah adalah gambar karakteristik volt-amper dan skema aplikasi dari Triac.

Gambar Karakteristik dan skema aplikasi Triac. Jika TRIAC sedang OFF, arus tidak dapat mengalir diantara terminal-terminal utamanya (saklar terbuka). Jika TRIAC sedang ON, maka dengan tahanan yang rendah arus mengalir dari satu terminal ke terminal lainnya dengan arah aliran tergantung dari polaritas tegangan yang digunakan (saklar tetutup). Arus rata-rata yang dialirkan pada beban dapat bervariasi oleh adanya perubahan harga waktu setiap perioda ketika TRIAC tersebut ON. Jika porsi waktu yang kecil saat kondisi ON, maka arus rata-ratanya akan tinggi. Kondisi suatu TRIAC pada setiap perioda tidak dibatasi hingga 180 o, dengan pengaturan picu dia dapat menghantarkan hingga 360o penuh. Tegangan gate untuk pemicu buasanya diberi notasi VGT , dan arus gate pemicu dinotasikan dengan IGT.

Gambar Rangkaian picu TRIAC

Selama setengah perioda negative, muatan negative akan berada pada plat bagian atas kapasitor dan jika tegangan yang berada pada kapasitor telah mencukupi, maka TRIAC akan ON. Kecepatan pengisian kapasitor diatur oleh hambatan R 2, dimana jika R2 bernilai besar, maka pengisisannya akan lambat sehingga terjadi penundaan penyalaan yang panjang dan arus rataratanya kecil. Jika R2 bernilai kecil, maka pengisian kapasitor akan cepat dan arus bebannya tinggi.

Gambar DIAC sebagai pengendali TRIAC

Rangkaian tersebut menggunakan DIAC sebagai pengen dali picu. Prinsip kerjanya, jika tegangan input berada pada setengah periode positif, maka kapasitor akan terisi muatan melebihi beban dan hambatan R. jika tegangan kapasitor mencapai tegangan breakover DIAC, maka kapasitor mulai mengosongkan muatan melalui DIAC ke gerbang (gate) TRIAC. Pulsa trigger TRIAC akan menghantarkan TRIAC pada setengah perioda tadi dan untuk setengah perioda berikutnya (negative) prinsipnya sama. Sekali TRIAC dihidupkan, maka dia akan menghantarkan sepanjang arus yang mengalir melaluinya tetap dipertahankan. TRIAC tidak dapat dimatikan oleh arus balik layaknya suatu SCR. TRIAC dapat dimatikan dan kembali pada kondisi menghambat, ketika arus beban AC yang melewatinya berharga nol (0), sebelum setengah perioda lainnya digunakan. Faktor ini akan membatasi frekuensi respon yang dimiliki oleh TRIAC tersebut. Bagi beban-beban resitif, waktu yang tersedia guna mematikan suatu TRIAC akan lebih panjang dari titik ketika arus bebannya jatuh hingga waktu dimana tegangan balik mencapai nilai yang dapat menghasilkan arus latching yang dibutuhkan. Sedangkan bagi beban-beban induktif komutasinya akan lebih rumit lagi, dimana jika arus beban jatuh dan TRIAC berhenti menghantar, maka tegangan masih ada pada piranti tersebut. Jika tegangannya muncul terlalu cepat, maka akibat yang dihasilkan oleh persambungan kapasitansi adalah tetap menghantarnya TRIAC tersebut. Untuk itu maka sering digunakan rangkaian pengaman yang dapat mengubah nilai perubahan (Range of Change) tegangan TRIAC. Adapun pengaturan tegangan bolak-balik dengan menggunakan TRIAC ditunjukkan pada gambar dibawah ini.

Contoh penggunaan TRIAC: Pemakaian motor arus bolak-balik 1 fasa banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari dibandingkan dengan motor arus searah. Pengontrolan pun sekarang sudah banyak ragamnya dari mulai pengaturan putaran sampai pada proteksinya.

3. DIAC Kalau dilihat strukturnya seperti gambar-8a, DIAC bukanlah termasuk keluarga thyristor, namun prisip kerjanya membuat ia digolongkan sebagai thyristor. DIAC dibuat dengan struktur PNP mirip seperti transistor. Lapisan N pada transistor dibuat sangat tipis sehingga elektron dengan mudah dapat menyeberang menembus lapisan ini. Sedangkan pada DIAC, lapisan N di buat cukup tebal sehingga elektron cukup sukar untuk menembusnya. Struktur DIAC yang demikian dapat juga dipandang sebagai dua buah dioda PN dan NP, sehingga dalam beberapa literatur DIAC digolongkan sebagai dioda.

Gambar-8 : Struktur dan simbol DIAC

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. Simbol dari DIAC adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar-8b. DIAC umumnya dipakai sebagai pemicu TRIAC agar ON pada tegangan input tertentu yang relatif tinggi. Contohnya adalah aplikasi dimmer lampu yang berikut pada gambar-9.

Gambar 9 : Rangkaian Dimmer

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 Vbo = 20 V, maka dapat dihitung TRIAC akan ON pada tegangan : V = IGT(R)+Vbo+VGT = 120.7 V

Gambar-10 : Sinyal keluaran TRIAC

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. pengaplikasian tyristor seperti Triac biasanya dipakai sebagai sistem pensaklaran pada motor AC yang berdaya besar seperti pada mesin cuci digital dan SCR biasanya dipakasi sebagai pensaklaran pada lampu otomatis (misal sakelar cahaya)