Thyristor

Thyristor atau juga sering disebut sebagai sebagai dioda empat lapis merupakan perangkat semikonduktor yang dapat mengalirkan arus listrik searah maupun dua arah tergantung dari jenis dari thyristor. Thyristor memiliki dua terminal Gate, Anoda dan Katoda yang berkelakuan seperti dua transistor seperti ditunjukan pada Gambar 1b.

Gambar 1. Thyristor satu arah

Gambar 1a menunjukan susunan dasar thyristor dari dua dioda P-N junction (P-N-P-N) dengan ekstra terminal tambahan yaitu Gate yang ditunjukan pada Gambar 1a. Dari susunan P-N junction Gambar 1 juga menunjukan bahwa thyristor terdiri dari dua buah Bipolar Junction Transistor transistor PNP dan NPN yang disusun sedemikian rupa seperti ditunjukan Gambar 1b. 

Gambar 2. Dua BJT sebagai thyristor

Besarnya arus listrik yang mengalir pada terminal Base transistor 1 (IB1) adalah :

Besarnya arus listrik yang mengalir pada terminal Base transistor 2 (IB2) adalah :

Cara kerja thyristor  :

1. Saat terminal Anoda dan Katoda diberi bias tegangan maju maka tidak akan ada arus listrik yang mengalir pada terminal Anoda selama tidak ada tegangan positif pada terminal Gate atau tegangan bias maju tidak melebihi breakover voltage. Kondisi ini lebih dikenal dengan Forward Blocking mode.

2. Saat Anoda dan Katoda diberi tegangan bias maju dan terminal Gate diberi tegangan positif hingga transitor Tr2 on, maka transitor Tr1 juga ikut on. Dengan Tr1 dan Tr2 on hingga mencapai arus saturasi maka terjadi latch atau penguncian sehingga kedua transistor akan terus on meskipun sumber tegangan pada terminal Gate diputus. Kondisi ini lebih dikenal dengan istilah Forward Conducting mode.

3. Saat thyristor diberi bias reverse pada terminal Anoda-Katoda (Anoda diberi tegangan lebih rendah dibanding Katoda) maka tidak ada arus yang mengalir pada thyristor meskipun pada terminal Gate diberi tegangan positif. Kondisi ini lebih dikenal sebagai Reverse Blocking mode.

4. Jika terminal Anoda-Katoda diberi tegangan bias forward yang cukup besar hingga mencapai tegangan breakover maka thyristor otomatis on tanpa perlu arus picu (trigger current) pada terminal Gate.

5. Saat diberi arus ac, saat setelah di-on-kan, maka saat siklus tegangan 0 atau setengah gelombang negatif maka thyristor off (tidak menghantar) dan perlu dipicu dengan tegangan positif pada terminal Gate agar dapat kembali on.

6. Jika thyristor diberi tegangan dc dan thyristor dalam kondisi forward conducting, maka untuk memutus atau meng-off kan thyristor adalah dengan memberikan tegangan 0 volt atau negatif pada terminal Gate atau bisa juga dengan memutus aliran arus menggunakan sakelar pada terminal Anoda atau Katoda.

Jenis- Jenis Thyristor :

1. SCR (Silicon Controlled Rectifier)

SCR merupakan jenis thyristor yang memiliki tiga terminal yaitu Anoda-Katoda dan Gate. Cara kerja SCR adalah saat terminal Anoda-Katoda diberi tegangan bias maju, lalu terminal Gate diberi tegangan positif sehingga terdapat arus mengalir pada terminal Gate yang menyebabkan arus mengalir dari terminal Anoda ke Katoda. Dari thyristor Gambar 2, terminal Gate yang digunakan hanya terminal Gate P saja sehingga simbol thyristor-SCR ditunjukan  seperti pada Gambar 3.

Gambar 3. Simbol thyristor-SCR

Beberapa fungsi SCR :

1. Sebagai saklar latch : Sebagai saklar on-off sekali sulut.
2. Sebagai rectifier atau penyearah. SCR hanya menghantar arus listrik satu arah saja dan sebagai pengatur sebagai contoh digunakan pada perangkat pengisi battery dimana bila battery sudah penuh maka otomatis arus listrik akan terputus. 
3. Sebagai pengaman : Jika terjadi lonjakan listrik yang melebihi tegangan breakover maka Anoda dan Katoda SCR akan on dan membuang arus lebih hingga melewati SCR.

Gambar 4. Kurva karakteristik SCR

Dari Gambar 4 menunjukan karakteristik sekaligus cara kerja SCR yaitu :

1. Saat terminal Anoda-katoda SCR diberi tegangan bias maju (forward voltage), dan terminal Gate tidak diberi tegangan maka SCR tidak bekerja atau on. Meskipun begitu tetap ada arus bocor yang mengalir yang disebut sebagai forward leakage current.
2. Jika tegangan bias maju pada terminal Anoda-Katoda terus diperbesar hingga mencapai nilai forward breakover voltage, maka SCR akan on meskipun pada terminal Gate tidak terdapat tegangan atau arus yang mengalir. Kondisi ini membuat tegangan terminal Anoda-Katoda turun drastis mendekati nol dan arus meningkat signifikan saat arus yang mengalir mencapai nilai arus latching (latching current) yang menyebabkan SCR akan terus on. Saat aliran arus listrik pada Anoda-katoda diputus atau dibuat kecil hingga dibawah latching current maka SCR akan off atau kembali ke keadaan forward blocking mode.
3. Jika tegangan bias maju SCR tidak melebihi breakover voltage, maka untuk meng-on-kan SCR perlu memberikan tegangan positif pada terminal Gate hingga terdapat arus yang mengalir pada Gate (IG), kondisi ini umum disebut sebagai triggering. Besarnya arus pada terminal Gate untuk meng-on kan SCR tergantung dari besarnya tegangan maju pada Anoda-Katoda, semakin besar tegangan bias maju maka semakin kecil arus pada terminal Gate yang diperlukan untuk meng-on-kan SCR. Pada Gambar menunjukan bahwa IG1 > IG2 > IG3. 
4. Saat Anoda-katoda diberi tegangan bias terbalik (reverse voltage) maka SCR dalam keadaan reverse blocking mode. Kondisi ini membuat SCR tidak menagalirkan arus listrik, akan tetapi tetap saja terdapat arus bocor yang kecil (reverse leakage current). Jika tegangan bias terbalik cukup besar hingga melebihi nilai reverse breakdown voltage SCR maka SCR mengalirkan arus reverse yang cukup besar, kondisi ini dapat merusak SCR.

Perbedaan holding current dan latching current

1. Holding current merupakan arus minimal SCR dalam kondisi forward conducting akan tetapi diperlukan arus trigger pada terminal Gate agar arus dapat mengalir terus menerus. 
2. Latching current merupakan arus minimal pada terminal Anoda-katoda SCR pada kondisi forward conducting dimana SCR latch atau terkunci sehingga SCR akan terus on meskipun arus pada terminal Gate diputus atau dihilangkan.

Contoh implementasi SCR :

Sebagai rangkaian saklar dc (switching dc circuit) yang ditunjukan oleh Gambar 5.

Gambar 5. Rangkaian saklar dc

Cara kerja rangakain saklar dc Gambar 5 adalah saat tegangan dc diberikan pada rangkaian, maka lampu belum menyala karena SCR masih dalam forward blocking mode. Saat saklar ditekan maka terdapat arus listrik mengalir pada terminal Gate yang menyebabkan arus listrik mengalir dari terminal Anoda ke Katoda dan lampu menyala. Lampu akan tetap terus menyala meskipun saklar kembali pada posisi tidak terhubung (open). Lampu hanya akan mati jika sumber tegangan dihilangkan atau diputus dari rangkaian. R1 dan R2 merupakan rangkaian pembagi tegangan yang berfungsi menurunkan tegangan sehingga terminal Gate mendapatkan tegangan yang sesuai agar dapat meng-onkan SCR.

Sebagai rangkaian saklar pengontrol fasa (phase control)

SCR sebagai saklar pengontrol fasa yang mengatur sudut konduksi SCR seperti ditunjukan pada Gambar 6.

Gambar 6. Rangkaian kontrol fasa setengah gelombang (half wave phase control)

Rangkaian ini berfungsi mengatur kondisi menghantar arus listrik (on) pada SCR saat fasa atau sudut tertentu pada setengah gelombang positif. Saat switch dalam kondisi ditutup (closed) maka arus mengalir pada variabel resistor (VR) dan kapasitor (C) hingga kapasitor terisi penuh kemudian kapasitor melakukan discharge sehingga tegangan pada titik pertemuan variabel resistor, kapasitor dan dioda meningkat menyebabkan arus mengalir pada terminal Gate melalui dioda sehingga SCR mengalirkan arus listrik dari Anoda ke Katoda (on). Karena terdapat proses charge dan discharge kapasitor, maka SCR tersulut atau terpicu on sedikit terlambat (delay) dari fasa sinyal AC. Jika nilai resistansi variabel resistor semakin besar maka delay on pada SCR semakin lebar. 

Karena SCR hanya bisa mengalirkan arus searah saja, maka SCR hanya dapat mengontrol perangkat lampu pada Gambar 6 pada setengah gelombang tegangan positif dari fasa sekitar 0 hingga 180 derajat. Akibat pengaturan hantaran SCR pada fasa tertentu memepengaruhi vrms yang semakin berkurang dibanding tanpa ada pengaturan fasa (delay), hal ini menyebabkan nyala lampu semakin redup.

2. DIAC (Diode for Alternating Current)

DIAC merupakan perangkat dioda yang ditujukan untuk arus ac (alternating current) dimana umumnya DIAC ini akan mengalirkan arus listrik saat DIAC mendapatkan tegangan yang melampaui tegangan breakover (Breakover Voltage). Terminal DIAC umumnya diberi nama Anoda 1 dan Anoda 2 atau kadang juga disebut  MT1 (Main Terminal 1) dan MT2 (Main Terminal 2). 

Gambar 7. Thyristor-DIAC

Gambar 8 menunjukan kurva karakteristik DIAC sekaligus menjelaskan bagaimana DIAC bekerja :

1. DIAC dapat mengalirkan arus listrik dua arah. Saat DIAC diberi tegangan baik forward maupun reverse dan tegangan tersebut masih di bawah breakover voltage maka DIAC tidak akan mengalirkan arus listrik, akan tetapi tetap saja terdapat arus bocor yang mengalir yaitu blocking current yang nilainya sangat kecil. 
2. Saat DIAC diberi tegangan lebih besar dari pada nilai breakover voltage maka DIAC akan on dan mengalirkan arus listrik dalam jumlah besar dan tegangan pada kedua terminal DIAC akan turun mendekati 0.
3. DIAC akan kembali tidak menghantar (blocking mode) saat arus pada DIAC dibawah nilai holding current.

Gambar 8. Kurva karakteristik DIAC

Contoh implementasi DIAC :

DIAC umumnya digunakan sebagai perangkat trigger atau picu pada TRIAC (DIAC ac phase control) untuk memicu TRIAC agar menghantar arus listrik ac  pada nilai tegangan breakover DIAC sehingga SCR akan on atau menghantar arus listrik saat DIAC on. Salah satu implemantasi DIAC adalah pada rangkaian lampu dimmer seperti ditunjukan pada Gambar 9.

Gambar 9. DIAC sebagai piranti penyulut TRIAC

Resistor dan kapasitor berfungsi untuk mengatur delay atau sudut picu TRIAC, DIAC berfungsi untuk mengalirkan arus listrik ke terminal Gate TRIAC saat DIAC menerima tegangan minimal sebesar tegangan breakover, selama belum mencapai tegangan breakover DIAC tidak mengalirkan arus listrik.

Gambar 10. Sinyal ac pada TRIAC

Gambar 10 menunjukan bahwa sinyal yang melalui TRIAC tidak dapat berbentuk sinusoidal penuh, hal ini disebabkan karena TRIAC dalam keadaan menghantar atau konduksi saat pada nilai tegangan tertentu yang menyebabkan besarnya arus yang mengalir pada TRIAC harus mencapai minimal holding current jika tidak TRIAC tidak menghantar.

Point triggering atau titik pemicuan terjadi saat DIAC on atau tegangan pada DIAC mencapai tegangan breakover-nya sehingga bentuk sinyal yang mengalir pada TRIAC  seperti ditunjukan Gambar 10.

3. TRIAC (Triode from Alternating Current)

TRIAC merupakan thyristor dengan tiga terminal yaitu Gate, MT1 (Main Terminal 1) dan MT2 (Main Terminal 2), kadang MT1 dan MT2 juga disebut sebagai A2 (Anoda 2) dan A1 (Anoda 1).  TRIAC dapat mengalirkan arus listrik dari terminal MT1 ke MT2 dan juga sebaliknya sehingga TRIAC juga disebut sebagai Bidirectional Triode Thyristor.

Gambar 11. Simbol thyristor-TRIAC

TRIAC dapat dianalogikan sebagai SCR yang dipasang secara paralel dengan salah satu SCR terbalik seperti ditunjukan pada Gambar 12.

Gambar 12. Analogi TRIAC

Kurva karakteristik TRIAC ditunjukan pada Gambar 13 dan sekaligus menunjukan bagaimana TRIAC bekerja.

Gambar 13. Kurva karakteristik TRIAC

Cara kerja TRIAC :

1. Quadrant I+ : Saat MT2 positif dan terminal MT1 negatif. Gate diberi tegangan (VG) positif sehingga terdapat arus yang mengalir pada terminal Gate (IG). Kondisi ini menyebabkan arus listrik mengalir dari terminal MT2 ke MT1 (Forward conducting).
2. Quadrant I- : Saat terminal MT2 positif dan MT1 negatif, lalu terminal Gate diberi tegangan (VGT) negatif sehingga terdapat arus negatif mengalir pada terminal Gate (IG). Kondisi ini menyebabkan arus listrik mengalir dari terminal MT2 ke MT1 (Forward conducting).
3. Quadrant III+ : Saat terminal MT2 negatif dan MT1 positif, lalu terminal Gate diberi tegangan (VG) positif sehingga terdapat arus listrik positif mengalir pada Gate (IG). Kondisi ini menyebabkan arus listrik mengalirkan arus listrik dari terminal MT1 ke MT2 (Reverse conducting).
4. Quadrant III- : Saat terminal MT2 negatif dan MT1 positif lalu pada Gate diberi tegangan VG  negatif sehingga terdapat arus negatif pada terminal Gate (IG) menyebabkan arus listrik mengalir dari termnal MT1 ke MT2 (Reverse conducting).

Gambar rangkaian switching menggunakan TRIAC dapat dilihat pada Gambar 9 dengan bentuk sinyal yang diloloskan pada TRIAC seperti ditunjukan pada Gambar 10.

EoF