Chapter 17 (PNPN And Other Devices, Ligh Activated Scr)

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

1. Pendahuluan (kembali)

Dalam dunia elektronika daya, pengendalian arus dan tegangan yang besar secara efisien dan aman merupakan hal yang sangat penting. Salah satu komponen semikonduktor yang dirancang khusus untuk tujuan ini adalah PNPN atau lebih dikenal dengan thyristor atau Silicon Controlled Rectifier (SCR). Komponen ini terdiri dari empat lapisan semikonduktor yang membentuk tiga junction (P-N-P-N), dan memiliki tiga terminal utama yaitu anoda, katoda, dan gate. SCR berfungsi sebagai saklar elektronik yang hanya membutuhkan sinyal pemicu kecil di gate untuk mengalirkan arus besar dari anoda ke katoda. Keunikan dari SCR adalah kemampuannya mempertahankan kondisi ON meskipun sinyal pemicu telah dilepaskan, selama arus beban tetap di atas nilai minimum tertentu (holding current).

Thyristor digunakan secara luas dalam berbagai aplikasi pengontrol daya seperti peredup lampu (dimmer), pengatur kecepatan motor AC dan DC, pengendali suhu, serta konversi daya pada sistem inverter dan rectifier. Dengan kecepatan switching yang tinggi, efisiensi tinggi, serta kemampuan menangani tegangan dan arus besar, SCR menjadi pilihan utama dalam sistem kontrol industri dan otomasi. Untuk memahami kinerja komponen ini, diperlukan pemahaman tentang prinsip kerja dasar, karakteristik arus-tegangan, serta kondisi pemicuan (trigger) dan pemadaman (turn-off). Oleh karena itu, praktikum atau studi mengenai PNPN sangat penting dalam bidang teknik elektro dan elektronika, khususnya dalam aplikasi elektronika daya dan sistem kontrol otomatis.

Silicon Controlled Rectifier (SCR) merupakan salah satu perangkat semikonduktor yang banyak digunakan dalam pengendalian daya listrik. SCR termasuk dalam keluarga perangkat PNPN yang memiliki kemampuan untuk mengalirkan arus listrik hanya setelah diberi sinyal pemicu pada terminal gate-nya. Salah satu aplikasi penting SCR adalah dalam pengaturan daya menggunakan metode variable-resistance phase control.

Variable-resistance phase control adalah teknik pengaturan daya pada beban listrik dengan cara mengubah sudut fase saat SCR mulai menghantarkan arus dalam siklus tegangan AC. Dengan mengatur waktu pemicu SCR, besarnya daya yang diterima beban dapat dikendalikan secara efektif. Metode ini banyak digunakan dalam pengendalian intensitas lampu, kecepatan motor, dan pemanas listrik.

2. Tujuan (kembali)

Memahami prinsip kerja SCR sebagai perangkat semikonduktor yang dapat mengendalikan aliran arus listrik melalui sinyal pemicu pada terminal gate.
Menjelaskan konsep variable-resistance phase control dalam pengaturan daya pada beban listrik menggunakan SCR.
Mengidentifikasi cara kerja dan fungsi pengaturan sudut fase untuk mengontrol besar daya yang diterima oleh beban.
Menganalisis rangkaian kendali daya berbasis SCR dengan metode variable-resistance phase control.
Mengaplikasikan teknik pengendalian daya SCR dalam berbagai perangkat elektronik seperti pengatur kecepatan motor, pengatur intensitas lampu, dan pengatur pemanas listrik.

3. Alat dan Bahan (kembali)

Alat

Software Proteus

Bahan

1. Voltmeter

Alat ukur untuk mengukur besar Tegangan dalam satuan Volt

2. DC Voltage

Komponen yang menyediakan tegangan tetap antara dua terminal: terminal positif (+) dan terminal negatif (–). Sumber ini digunakan untuk memberikan energi listrik ke rangkaian, dan nilainya bisa berupa tegangan tetap (seperti baterai 5V atau 12V) atau variabel, tergantung konfigurasi rangkaian.

3. Ground

Ground adalah titik kembalinya arus searah atau titik kembalinya sinyal bolak balik atau titik patokan dari berbagai titik tegangan dan sinyal listrik dalam rangkaian elektronika.

4. Resistor

Fungsi utama dari resistor adalah membatasi aliran arus. Resistor dapat menahan arus dan memperkecil besar arus. Besar resistansi (kemampuan menahan arus) resistor disesuaikan dengan kebutuhan perangkat elektronika.

Cara Menghitung Nilai Resistor

5.Op Amp

Op-amp (operational amplifier) adalah komponen elektronik aktif yang berfungsi untuk memperkuat perbedaan tegangan antara dua inputnya (input inverting dan non-inverting).

6.Transistors.

Transistor adalah komponen elektronik yang berfungsi sebagai saklar atau penguat sinyal. Transistor memiliki tiga kaki: basis (B), kolektor (C), dan emitor (E). Dengan mengatur arus kecil di basis, transistor bisa mengendalikan arus yang lebih besar antara kolektor dan emitor.

7. Baterai

Baterai adalah suatu bahan yang dapat mengubah energi kimia menjadi energi listrik yang dapat digunakan oleh alat-alat elektronika.

8. Kapasitor

Kapasitor adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal dari muatan listrik. Kapasitor mempunyai satuan Farad dari Michael Faraday.

9. Transformator

komponen trafo yang digunakan untuk mensimulasikan proses perubahan tegangan listrik dalam sebuah rangkaian elektronik.

4. Dasar Teori (kembali)

Rangkaian ini menggunakan SCR (Silicon Controlled Rectifier) sebagai saklar elektronik yang dapat mengatur besar kecilnya daya yang masuk ke beban RL dengan cara mengatur sudut penyalaan (firing angle) SCR pada setiap siklus gelombang AC. Pada rangkaian ini, SCR akan menghantarkan arus hanya jika diberikan pulsa pemicu (trigger) pada terminal gate (G). Pulsa pemicu ini diatur oleh rangkaian resistor variabel (R1) dan resistor tetap (R), sehingga waktu atau sudut pada saat SCR mulai menghantarkan dapat diubah-ubah. Ketika tegangan AC mulai dari nol, tegangan pada gate SCR akan naik secara bertahap mengikuti karakteristik pengisian kapasitor (jika ada) atau secara linier melalui resistor. SCR akan menyala ketika tegangan pada gate mencapai nilai ambang (trigger voltage), sehingga arus mulai mengalir ke beban RL. SCR akan tetap menghantarkan arus hingga akhir setengah siklus positif, dan akan mati saat tegangan AC kembali ke nol. Dengan mengubah nilai R1, kita dapat mengatur kapan SCR mulai menghantarkan, sehingga bagian gelombang AC yang dialirkan ke beban dapat diatur dari mendekati 0° hingga mendekati 180°.

Secara matematis, sudut penyalaan (α) dapat dihitung dengan persamaan dasar gelombang sinus, yaitu $V_{G} = V_{m} \sin (ω t)$ , di mana SCR akan menyala saat $V_{G}$ sama dengan tegangan trigger gate ( $V_{G T}$ ). Dengan demikian, sudut penyalaan α dapat diperoleh dari persamaan $α = \arcsin (\frac{V_{G T}}{V_{m}})$ . Selain itu, karena proses pengisian tegangan pada gate dipengaruhi oleh konstanta waktu RC, maka waktu penyalaan juga dapat dihitung dengan $t_{t r i g g e r} = - R C \ln (1 - \frac{V_{G T}}{V_{m}})$ , sehingga sudut penyalaan menjadi $α = ω t_{t r i g g e r}$ . Daya rata-rata yang diterima beban RL dapat dihitung dengan rumus $P_{a v g} = \frac{1}{2 π} \int_{α}^{π} V_{m} \sin (θ) \cdot I_{L} d θ$ .

Dengan demikian, rangkaian ini memungkinkan pengaturan daya pada beban dengan cara mengatur sudut penyalaan SCR melalui perubahan nilai resistor variabel R1, sehingga dapat digunakan untuk aplikasi pengaturan intensitas lampu, kecepatan motor, dan lain sebagainya.

PNPN atau dikenal sebagai thyristor merupakan salah satu jenis semikonduktor daya yang memiliki empat lapisan semikonduktor berurutan: P-N-P-N. Struktur ini membentuk tiga junction (J1, J2, dan J3) dan memiliki tiga terminal utama, yaitu anoda (A), katoda (K), dan gate (G). Fungsi utama PNPN adalah sebagai saklar elektronik yang dapat mengalirkan arus besar dari anoda ke katoda setelah diberi sinyal pemicu pada gate. Komponen ini banyak digunakan dalam pengaturan dan pengendalian daya listrik, terutama pada sistem tegangan dan arus tinggi.

Secara prinsip, PNPN bekerja berdasarkan konsep bistabil, yaitu memiliki dua keadaan stabil: OFF (tidak menghantar) dan ON (menghantar). Dalam kondisi forward bias (anoda positif terhadap katoda), arus tidak akan langsung mengalir karena junction tengah (J2) masih reverse bias. Namun, jika diberikan sinyal pemicu pada gate, maka terjadi injeksi pembawa muatan yang memicu konduksi melalui seluruh struktur PNPN. Setelah konduksi dimulai, gate tidak lagi diperlukan, dan komponen tetap dalam kondisi ON selama arus beban di atas holding current. Untuk mematikan arus (turn-off), arus anoda harus diturunkan di bawah nilai latching current atau diputus seluruhnya.

PNPN dapat dianalisis secara setara sebagai kombinasi dari dua buah transistor: satu PNP dan satu NPN, yang disusun saling umpan balik. Dalam model ini, arus yang masuk ke gate memperkuat transistor NPN, yang pada gilirannya memperkuat transistor PNP, sehingga terjadi regenerasi internal hingga seluruh struktur menghantar penuh. Fenomena ini menjelaskan bagaimana sinyal kecil pada gate dapat mengaktifkan arus besar dari anoda ke katoda.

Kurva karakteristik arus-tegangan (V-I) dari PNPN terdiri dari tiga wilayah utama:

1. Forward Blocking Region: Anoda positif terhadap katoda, tetapi belum ada sinyal gate. Arus sangat kecil.

2. Forward Conduction Region: Setelah diberi sinyal gate, arus meningkat tajam dan tegangan turun—komponen dalam kondisi ON.

3. Reverse Blocking Region: Katoda lebih positif dari anoda (reverse bias), dan arus hampir nol, mirip dengan dioda biasa.

Rumus sederhana untuk menentukan tegangan dan arus saat kondisi ON, berdasarkan hukum Ohm dan beban yang digunakan:

di mana VT adalah tegangan jepit (threshold voltage) pada SCR saat menghantar, biasanya sekitar 1–2 V.

Dalam aplikasi praktis, SCR digunakan untuk mengatur sudut penyalaan (firing angle) pada arus AC, yang akan menentukan berapa lama SCR dalam kondisi ON selama satu siklus sinyal AC. Dengan teknik ini, daya yang dikirim ke beban bisa dikontrol secara efektif. Aplikasi umum termasuk pengatur lampu, kontrol pemanas, dan konverter daya.

Dengan memahami karakteristik dasar dan prinsip kerja PNPN, pengguna dapat merancang sistem kontrol daya yang lebih efisien dan handal. Pengetahuan ini sangat penting dalam bidang elektronika daya, otomasi industri, serta sistem konversi energi.

5. Prinsip Kerja [kembali]

Rangkaian ini berfungsi untuk mengatur besar kecilnya daya listrik yang diberikan ke beban RL dengan cara mengatur sudut penyalaan (firing angle) dari SCR (Silicon Controlled Rectifier). Pada awal setiap siklus gelombang AC, tegangan pada beban dan SCR masih nol sehingga SCR dalam kondisi off (belum menghantarkan arus). Ketika gelombang AC mulai naik, tegangan pada rangkaian pemicu (yang terdiri dari resistor R dan potensiometer R1) juga meningkat. Tegangan ini akan diteruskan ke terminal gate (G) SCR melalui dioda.

Besarnya tahanan pada R1 menentukan seberapa cepat tegangan pada gate SCR mencapai nilai ambang (trigger voltage) yang dibutuhkan agar SCR mulai menghantarkan. Jika nilai R1 kecil, tegangan pada gate akan cepat naik dan SCR akan menyala lebih awal (sudut α kecil), sehingga hampir seluruh gelombang AC dialirkan ke beban. Sebaliknya, jika nilai R1 besar, tegangan pada gate naik lebih lambat dan SCR akan menyala pada sudut yang lebih besar (α besar), sehingga hanya sebagian gelombang AC yang dialirkan ke beban.

Setelah SCR menyala pada sudut α, arus akan mengalir melalui SCR dan beban RL hingga akhir setengah siklus positif gelombang AC. Ketika tegangan AC kembali ke nol, SCR secara otomatis akan mati (off) karena arus melalui SCR menjadi nol. Proses ini akan berulang pada setiap siklus positif dari gelombang AC.

Dengan mengatur nilai R1, pengguna dapat mengatur kapan SCR mulai menghantarkan arus dalam setiap siklus, sehingga dapat mengatur besar kecilnya daya rata-rata yang diterima oleh beban RL. Inilah yang disebut dengan kontrol fase (phase control) pada gelombang setengah (half-wave), yang banyak digunakan untuk pengaturan kecepatan motor, dimmer lampu, dan aplikasi serupa.

6. Ringkasan [kembali]

Rangkaian pada Gambar 17.11 menggunakan SCR sebagai saklar elektronik untuk mengatur daya rata-rata yang diberikan ke beban RL. Pengaturan ini dilakukan dengan mengendalikan sudut penyalaan (firing angle, α) SCR menggunakan rangkaian resistor variabel (R1) dan resistor tetap (R). Ketika tegangan AC mulai naik, tegangan pada gate SCR meningkat melalui R dan R1. SCR akan menyala ketika tegangan pada gate mencapai tegangan trigger (VGT), sehingga arus mulai mengalir ke beban hanya selama sebagian siklus positif gelombang AC.

$G T$

Rumus-rumus penting:

Tegangan gate saat penyalaan:
$V_{G} = V_{m} \sin (ω t)$
Sudut penyalaan:
$α = \arcsin (\frac{V_{G T}}{V_{m}})$
Daya rata-rata ke beban:
$P_{a v g} = \frac{1}{2 π} \int_{α}^{π} V_{m} \sin (θ) \cdot I_{L} d θ$

Rangkaian ini banyak digunakan untuk aplikasi pengaturan kecepatan motor, dimmer lampu, dan pengontrol daya lainnya.

Example

1. Dimmer Lampu (Pengatur Kecerahan Lampu)

Rangkaian ini sering digunakan sebagai dimmer lampu pada instalasi rumah tangga atau teater. Dengan mengatur nilai resistor variabel (R1), pengguna dapat mengatur sudut penyalaan SCR sehingga hanya sebagian gelombang AC yang dialirkan ke lampu pijar. Hal ini menyebabkan daya rata-rata yang diterima lampu berkurang dan kecerahan lampu bisa diatur sesuai keinginan, dari redup hingga terang.

2. Pengatur Kecepatan Motor AC Sederhana

Pada motor listrik AC satu fasa, rangkaian ini dapat digunakan untuk mengatur kecepatan putar motor. Dengan mengatur sudut penyalaan SCR, daya yang masuk ke motor dapat dikurangi, sehingga kecepatan motor pun menurun. Aplikasi ini umum ditemukan pada kipas angin meja atau exhaust fan.

3. Pengontrol Pemanas (Heater)

Rangkaian ini juga dapat digunakan untuk mengatur suhu pada pemanas listrik. Dengan mengatur daya yang masuk ke elemen pemanas menggunakan pengaturan sudut penyalaan SCR, suhu pemanas dapat dikendalikan secara manual.

7. Soal Latihan [kembali]

Problem :

Masalah 1: Output Tidak Stabil atau Berkedip

Penyebab:

•Potensiometer rusak atau kotor, sehingga perubahan resistansi tidak halus.

•Gangguan sinyal listrik dari jaringan (misalnya noise atau tegangan spike).

•Komponen aktif seperti diac atau triac mengalami keausan atau rusak.

Solusi:

•Ganti potensiometer dengan komponen baru atau berkualitas tinggi, sebaiknya tipe logaritmik jika digunakan untuk dimmer lampu.

•Tambahkan snubber circuit (RC filter) di sekitar triac untuk menyerap gangguan.

Masalah 2: Tidak Ada Kontrol (Selalu Nyala Penuh atau Mati Total)

Penyebab:

•Jalur resistansi variabel terputus atau kontak geser potensiometer tidak bekerja.

•Triac berada dalam kondisi short atau terbuka permanen.

•Tegangan pemicu dari diac tidak pernah tercapai karena nilai resistansi terlalu besar/kecil.

Solusi:

•Uji potensiometer dengan multimeter; ganti jika resistansi tidak berubah sesuai putaran.

•Periksa triac dengan multimeter — ganti jika terdeteksi short antara terminal.

Masalah 3: Interferensi Elektromagnetik (EMI) atau Noise pada Peralatan Lain

Penyebab:

•Phase control berbasis triac sering menghasilkan gelombang tegangan terpotong, menghasilkan banyak harmonik dan EMI.

•Tidak adanya filter EMI dalam rangkaian.

Solusi:

•Tambahkan filter EMI (LC atau RC low-pass) di output rangkaian.

•Gunakan snubber circuit pada triac untuk meredam lonjakan tegangan saat switching.

Pilihan Ganda :

1. Apa peran utama dari potensiometer dalam rangkaian variable-resistance phase control?

A. Menurunkan tegangan output secara langsung B. Mengatur waktu penyulutan triac dalam setiap siklus AC C. Menyimpan energi untuk beban D. Mengatur frekuensi sumber daya

Jawaban: B

Penjelasan: Potensiometer digunakan untuk mengatur besar resistansi, yang memengaruhi waktu pengisian kapasitor. Hal ini menentukan fase penyulutan triac, sehingga mengontrol bagian mana dari gelombang AC yang dialirkan ke beban.

2. Komponen apa yang biasanya digunakan untuk memicu triac pada tegangan tertentu dalam rangkaian phase control?

A. Dioda B. LED C. Diac D. Zener

Jawaban: C

Penjelasan: Diac adalah komponen yang tidak menghantar hingga tegangan breakover tercapai, lalu menyala tiba-tiba dan memicu triac. Ini membuatnya ideal untuk pemicu dalam rangkaian pengendali fasa.

3.Apa masalah umum yang terjadi jika rangkaian variable-resistance phase control tidak dilengkapi filter EMI?

A. Beban terlalu terang B. Tegangan output menjadi DC C. Menyebabkan interferensi dengan peralatan elektronik lain D. Menghilangkan semua harmonik

Jawaban: C

Penjelasan: Karena pemotongan gelombang AC oleh triac menghasilkan bentuk gelombang tak mulus, maka muncul harmonik dan gangguan elektromagnetik (EMI), yang bisa memengaruhi peralatan elektronik lain.

8. Percobaan [kembali]

Figure 17.11