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 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 = Ib, 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.
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)
Sumber : modul-modul pembelajaran tetentang thyristor
Setelah melakukan kajian teori, siswa siswi dibagi menjadi 7 kelompok belajar, dan masing-masing kelompok belajar membahas tentang komponen JFET, MOSFET, TRIAC, SCR, DIAC yang dilengkapi dengan komponen peraga asli. Selain itu siswa-siswi mencoba mencari spesifikasi komponen tersebut dan pengaplikasian komponen tersebut.
