THYRISTOR Thyristor adalah komponen semikonduktor untuk

NAMA
: WAHYU MULDAYANI
NIM
: 081910201059
INSTRUMENTASI DAN OTOMASI
PABRIK
THYRISTOR
Thyristor adalah komponen semikonduktor untuk pensaklaran
yang berdasarkan pada
strukturPNPN. 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 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 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
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 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.
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 180o, 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 R2, dimana jika R2 bernilai besar, maka
pengisisannya akan lambat sehingga terjadi penundaan penyalaan yang panjang dan arus
rata-ratanya 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 VGT = 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.