Thyristor berasal dari bahasa Yunani yang berarti ‘pintu’. Sifat dan
cara kerja komponen ini memang mirip dengan pintu yang dapat dibuka dan
ditutup untuk melewatkan arus listrik. Thyristor merupakan salah satu
tipe devais semikonduktor daya yang paling penting dan telah banyak
digunakan secara ekstensif pada rangkaian daya . Thyristor biasanya
digunakan sebagai saklar/bistabil, beroperasi antara keadaan non
konduksi ke konduksi. Pada banyak aplikasi, thyristor dapat diasumsikan
sebagai saklar ideal akan tetapi dalam prakteknya thyristor memiliki
batasan karakteristik tertentu. Beberapa komponen yang termasuk
thyristor antara lain PUT (
Programmable Uni-junction Transistor), UJT (
Uni-Junction Transistor ), GTO (
Gate Turn Off Thyristor), SCR (
Silicon Controlled Rectifier), LASCR (
Light Activated Silicon Controlled Rectifier), RCT (
Reverse Conduction Thyristor), SITH (
Static Induction Thyristor), MOS-Controlled Thyristor (MCT).
Struktur Thyristor
Ciri 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) daripada sebagai penguat arus atau tegangan seperti halnya transistor.
Gambar 2: struktur thyristor
Struktur dasar thyristor adalah struktur 4 layer PNPN seperti yang
ditunjukkan pada Gambar 2. Sebuah thyristor dapat bekerja dan dapat
disimulasikan terdiri dari sebuah resistor R on, Sebuah induktor Lon,
sebuah sumber tegangan DC V yang terhubung seri dengan Switch (SW). SW
dikontrol oleh signal Logic yang yang bergantung pada tegangan Vak, arus
Iak dan signal Gate (G). Simulasi ini dapat dilihat pada Gambar 3.
gambar 3: simulasi operasi thyristor
Jika dipilah, struktur ini dapat dilihat sebagai dua buah struktur
junction PNP dan NPN yang tersambung di tengah. 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 4
berikut ini.
gambar 4: visualisasi dengan transistor
Karakteristik Thyristor
Karakteristik Thyristor dapat dilihat
pada Gambar 4. Karaktristik tegangan versus arus ini diperlihatkan bahwa
thyristor mempunyai 3 keadaan atau daerah, yaitu :
-Keadaan pada saat tegangan balik (daerah I)
-Keadaan pada saat tegangan maju (daerah II)
-Keadaan pada saat thyristor konduksi (daerah III)
gambar 5:karakteristik thyristor
Pada daerah I, thyristor sama seperti
diode, dimana pada keadaan ini tidak ada arus yang mengalir sampai
dicapainya batas tegangan tembus (Vr). Pada daerah II terlihat bahwa
arus tetap tidak akan mengalir sampai dicapainya batas tegangan
penyalaan (Vbo). Apabila tegangan mencapai tegangan penyalaan, maka tiba
– tiba tegangan akan jatuh menjadi kecil dan ada arus mengalir. Pada
saat ini thyristor mulai konduksi dan ini adalah merupakan daerah III.
Arus yang terjadi pada saat thyristor konduksi, dapat disebut sebagai
arus genggam (IH = Holding Current). Arus IH ini cukup
kecil yaitu dalam orde miliampere. Untuk membuat thyristor kembali
off, dapat dilakukan dengan menurunkan arus thyristor tersebut dibawah
arus genggamnya (IH) dan selanjutnya diberikan tegangan penyalaan.
Secara umum, aplikasi Thyristor adalah :
• Mengontrol kecepatan dan frekuensi
• Penyearahan
• Pengubahan daya
• Manipulasi robot
• Kontrol temperatur
• Kontrol cahaya
SCR
Silicon Controlled Rectifier (SCR) merupakan alat semikonduktor empat lapis (PNPN) yang menggunakan tiga kaki yaitu anoda (anode), katoda (cathode), dan gerbang (gate) – dalam operasinya. SCR adalah salah satu thyristor yang paling sering digunakan dan dapat melakukan penyaklaran untuk arus yang besar.
gambar 6: Bentuk fisik SCR
SCR dapat dikategorikan menurut jumlah arus yang dapat beroperasi, yaitu
SCR arus rendah dan SCR arus tinggi. SCR arus rendah dapat bekerja
dengan arus anoda kurang dari 1 A sedangkan SCR arus tinggi dapat
menangani arus beban sampai ribuan ampere.
gambar 7: kontruksi dan simbol SCR
Simbol skematis untuk SCR mirip dengan
simbol penyearah dioda dan diperlihatkan pada Gambar 2. Pada
kenyataannya, SCR mirip dengan dioda karena SCR menghantarkan hanya pada
satu arah. SCR harus diberi bias maju dari anoda ke katoda untuk
konduksi arus. Tidak seperti pada dioda, ujung gerbang yang digunakan
berfungsi untuk menghidupkan alat.
Operasi SCR
Operasi SCR sama dengan operasi dioda standar kecuali bahwa SCR
memerlukan tegangan positif pada gerbang untuk menghidupkan saklar.
Gerbang SCR dihubungkan dengan basis transistor internal, dan untuk itu
diperlukan setidaknya 0,7 V untuk memicu SCR. Tegangan ini disebut
sebagai tegangan pemicu gerbang (gate trigger voltage).
Biasanya pabrik pembuat SCR memberikan data arus masukan minimum yang
dibutuhkan untuk menghidupkan SCR. Lembar data menyebutkan arus ini
sebagai arus pemicu gerbang (gate trigger current). Sebagai contoh lembar data 2N4441 memberikan tegangan dan arus pemicu :
VGT = 0,75 V
IGT = 10 mA
Hal ini berarti sumber yang menggerakkan gerbang 2N4441 harus mencatu 10 mA pada tegangan 0,75 V untuk mengunci SCR.
Gambar 8: SCR yang dioperasikan dari sumber DC
Skema rangkaian penghubungan SCR yang
dioperasikan dari sumber DC diperlihatkan pada Gambar 3. Anoda terhubung
sehingga positif terhadap katoda (bias maju). Penutupan sebentar tombol
tekan (push button) PB1 memberikan pengaruh positif tegangan terbatas
pada gerbang SCR, yang men-switch ON rangkaian anoda-katoda, atau pada
konduksi, kemudian menghidupkan lampu.Rangkaian anoda-katoda akan
terhubung ON hanya satu arah. Hal ini terjadi hanya apabila anoda
positif terhadap katoda dan tegangan positif diberikan kepada gerbang
Ketika SCR ON, SCR akan tetap ON, bahkan sesudah tegangan gerbang
dilepas. Satu-satunya cara mematikan SCR adalah penekanan tombol tekan
PB2 sebentar, yang akan mengurangi arus anoda-katoda sampai nol atau
dengan melepaskan tegangan sumber dari rangkaian anoda-katoda.
SCR dapat digunakan untuk penghubungan
arus pada beban yang dihubungkan pada sumber AC. Karena SCR adalah
penyearah, maka hanya dapat menghantarkan setengah dari gelombang input
AC. Oleh karena itu, output maksimum yang diberikan adalah 50%;
bentuknya adalah bentuk gelombang DC yang berdenyut setengah gelombang.
Gambar 9: SCR yang dioperasikan dari sumber AC
Skema penghubungan rangkaian SCR yang dioperasikan dari sumber AC
diperlihatkan oleh Gambar 4. Rangkaian anoda-katoda hanya dapat di
switch ON selama setengah siklus dan jika anoda adalah positif (diberi
bias maju). Dengan tombol tekan PB1 terbuka, arus gerbang tidak mengalir
sehingga rangkaian anoda-katoda bertahan OFF. Dengan menekan tombol
tekan PB1 dan terus-menerus tertutup, menyebabkan rangkaian
gerbang-katoda dan anoda-katoda diberi bias maju pada waktu yang sama.
Prosedur arus searah berdenyut setengah gelombang melewati depan lampu.
Ketika tombol tekan PB1 dilepaskan, arus anoda-katoda secara otomatis
menutup OFF ketika tegangan AC turun ke nol pada gelombang sinus.
Gambar 10: Aplikasi SCR sebagai kontrol output suplai daya pada motor DC
Ketika SCR dihubungkan pada sumber tegangan AC, SCR dapat juga digunakan
untuk merubah atau mengatur jumlah daya yang diberikan pada beban. Pada
dasarnya SCR melakukan fungsi yang sama seperti rheostat, tetapi SCR
jauh lebih efisien. Gambar 5 menggambarkan penggunaan SCR untuk mengatur
dan menyearahkan suplai daya pada motor DC dari sumber AC.
Gambar 11: Aplikasi SCR untuk start lunak motor AC induksi 3 fase
Rangkaian SCR dari Gambar 6 dapat digunakan untuk “start lunak” dari motor induksi 3 fase.
Dua SCR dihubungkan secara terbalik paralel untuk memperoleh kontrol
gelombang penuh. Dalam tema hubungan ini, SCR pertama mengontrol
tegangan apabila tegangan positif dengan bentuk gelombang sinus dan SCR
yang lain mengontrol tegangan apabila tegangan negatif. Kontrol arus dan
percepatan dicapai dengan pemberian trigger dan penyelaan SCR pada
waktu yang berbeda selama setengah siklus. Jika pulsa gerbang diberikan
awal pada setengah siklus, maka outputnya tinggi. Jika pulsa gerbang
diberikan terlambat pada setengah siklus, hanya sebagian kecil dari
bentuk gelombang dilewatkan dan mengakibatkan outputnya rendah.
Aplikasi SCR
Pada aplikasinya, SCR tepat digunakan sebagai saklar solid-state,
namun tidak dapat memperkuat sinyal seperti halnya transistor. SCR juga
banyak digunakan untuk mengatur dan menyearahkan suplai daya pada motor
DC dari sumber AC, pemanas, AC, melindungi beban yang mahal
(diproteksi) terhadap kelebihan tegangan yang berasal dari catu daya,
digunakan untuk “start lunak” dari motor induksi 3 fase dan
pemanas induksi. Sebagian besar SCR mempunyai perlengkapan untuk
penyerapan berbagai jenis panas untuk mendisipasi panas internal dalam
pengoperasiannya.
