chapter 17: pnpn & other devices

[menuju akhir]

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan bahan

4. Dasar Teori

5. Prinsip Kerja

6. Ringkasan

7. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Download File

                                                 Chapter 12: power amplifiers

1. Pendahuluan (kembali)

            Dalam dunia elektronika, komponen semikonduktor memiliki peran penting dalam mengendalikan aliran arus listrik dan mengatur fungsi suatu rangkaian. Selain transistor dan dioda yang umum digunakan, terdapat pula perangkat lain seperti PNPN (thyristor) dan beberapa komponen semikonduktor khusus lainnya, yang berfungsi sebagai saklar elektronik atau pengendali daya.
PNPN adalah struktur semikonduktor yang terdiri dari empat lapisan yang disusun secara berurutan (P-N-P-N). Perangkat yang termasuk ke dalam keluarga PNPN adalah SCR (Silicon Controlled Rectifier), DIAC, dan TRIAC. Komponen ini umumnya digunakan dalam aplikasi pengaturan daya AC, seperti dalam dimmer lampu, pengatur kecepatan motor, dan sistem kontrol industri.
Sementara itu, komponen semikonduktor lainnya mencakup berbagai perangkat seperti photo-diode, photo-transistor, LED, optoisolator, hingga UJT (Unijunction Transistor). Masing-masing memiliki karakteristik dan fungsi spesifik, misalnya untuk mendeteksi cahaya, memancarkan cahaya, atau menghasilkan pulsa dalam rangkaian waktu (timing circuits).
Memahami prinsip kerja dan aplikasi dari komponen-komponen ini sangat penting dalam pengembangan sistem elektronik yang efisien dan andal, terutama dalam pengendalian arus dan tegangan dalam berbagai kondisi operasi.

2. Tujuan (kembali)

• Menjelaskan prinsip kerja dari komponen semikonduktor berstruktur PNPN, seperti SCR, DIAC, dan TRIAC.

• Mengenal berbagai jenis perangkat semikonduktor lainnya seperti LED, photo-diode, UJT, dan optoisolator serta memahami fungsinya dalam rangkaian elektronik.

• Mempelajari karakteristik arus dan tegangan pada komponen-komponen tersebut melalui simulasi atau percobaan langsung.

• Mengidentifikasi aplikasi praktis dari perangkat PNPN dan komponen semikonduktor khusus dalam sistem elektronik, terutama untuk pengaturan daya dan kontrol otomatis.

• Melatih keterampilan dalam menggunakan alat ukur elektronik untuk mengamati respons komponen terhadap sinyal listrik.

3. Alat dan Bahan (kembali)

A. 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.

B. Kapasitor

Kapasitor adalah komponen elektronik yang berfungsi untuk menyimpan dan melepaskan energi listrik dalam bentuk muatan. Dalam berbagai jenis rangkaian, kapasitor memiliki peran penting, seperti menyaring sinyal untuk menghilangkan noise atau komponen frekuensi tertentu, serta memblokir arus searah (DC) sambil meneruskan arus bolak-balik (AC), yang sering digunakan dalam proses kopling sinyal antar tahap rangkaian.

C. Power supply

Power supply (catu daya) adalah perangkat atau sistem yang menyediakan energi listrik ke beban listrik. Fungsi utamanya adalah untuk mengubah energi listrik dari satu bentuk (biasanya dari sumber utama seperti listrik PLN) menjadi bentuk lain yang sesuai dengan kebutuhan perangkat yang akan dioperasikan.

D. 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.

E. Voltmeter

Alat ukur untuk mengukur besar Tegangan dalam satuan Volt

F. Oscilloscope

Osiloskop adalah alat ukur elektronik yang digunakan untuk menampilkan bentuk gelombang sinyal listrik secara grafis pada layar, biasanya dalam bentuk tegangan (sumbu Y) terhadap waktu (sumbu X).

G.  Diode

             

Dioda (Diode) adalah Komponen Elektronika Aktif yang terbuat dari bahan semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya.

4. Dasar Teori (kembali)

1. Struktur PNPN

Struktur PNPN terdiri dari empat lapisan semikonduktor yang disusun secara berurutan (P-N-P-N). Kombinasi ini membentuk tiga junction dan menghasilkan dua transistor yang saling terhubung secara internal. Perangkat dengan struktur PNPN biasanya bersifat bistable, artinya memiliki dua kondisi stabil: ON dan OFF.

2. SCR (Silicon Controlled Rectifier)

SCR adalah salah satu perangkat PNPN yang digunakan sebagai saklar elektronik dalam pengendalian daya tinggi. SCR memiliki tiga terminal: anoda, katoda, dan gate. SCR mulai menghantarkan arus ketika mendapat sinyal pemicu pada gate, dan akan tetap dalam keadaan konduksi hingga arus anoda-katoda turun di bawah nilai tertentu (holding current).

3. DIAC dan TRIAC

• DIAC adalah perangkat dua arah yang dapat menghantarkan arus ketika tegangan mencapai ambang batas tertentu, tanpa terminal kontrol.

• TRIAC adalah versi dua arah dari SCR, mampu menghantarkan arus pada kedua arah dan dikendalikan dengan sinyal gate. TRIAC umum digunakan dalam pengatur daya AC seperti dimmer lampu dan kontrol motor.

4. UJT (Unijunction Transistor)

UJT adalah komponen semikonduktor yang memiliki satu junction dan digunakan terutama sebagai pembentuk pulsa (triggering device) dalam rangkaian timing dan osilator. UJT memiliki karakteristik negatif resistance yang unik.

5. Photo-diode dan Photo-transistor

• Photo-diode adalah dioda yang sensitif terhadap cahaya. Ketika cahaya mengenai junction-nya, arus akan mengalir sesuai intensitas cahaya.

• Photo-transistor bekerja seperti transistor biasa, tetapi basisnya dikendalikan oleh cahaya, bukan sinyal listrik.

6. LED (Light Emitting Diode)

LED adalah dioda yang memancarkan cahaya ketika dialiri arus maju. LED digunakan sebagai indikator visual atau sumber cahaya hemat energi.

7. Optoisolator (Optocoupler)

Optoisolator menggabungkan LED dan photo-transistor dalam satu kemasan untuk mentransfer sinyal antar rangkaian tanpa koneksi listrik langsung. Alat ini sangat penting untuk isolasi antara bagian bertegangan tinggi dan rangkaian kontrol.

Dasar Teori: Half-Wave Series Static Switch

Half-Wave Series Static Switch adalah rangkaian elektronik yang menggunakan komponen semikonduktor, biasanya SCR (Silicon Controlled Rectifier), untuk mengalirkan arus hanya selama satu siklus (setengah gelombang) dari sinyal AC. Rangkaian ini disebut "static switch" karena tidak menggunakan komponen mekanis (seperti relay) dalam proses switching, melainkan memanfaatkan perangkat semikonduktor yang bersifat non-mechanical dan cepat dalam pengalihan arus.

Pada rangkaian half-wave, hanya bagian positif atau negatif dari gelombang AC yang dilewatkan. Pengendalian arus dilakukan dengan memicu SCR melalui terminal gate pada saat gelombang mencapai tegangan tertentu. Begitu SCR dipicu, arus akan mengalir selama setengah siklus hingga arus turun ke nol (zero crossing), lalu SCR otomatis kembali ke kondisi OFF.

5. Prinsip Kerja [kembali]

Prinsip kerja PNPN & Other Devices dalam Half-Wave Series Static Switch melibatkan penggunaan komponen seperti SCR (Silicon Controlled Rectifier) yang berbasis pada struktur PNPN. Dalam rangkaian ini, perangkat SCR dipasang secara seri dengan beban dan sumber tegangan AC. Pada siklus positif gelombang AC, ketika pulsa pemicu diberikan ke gate SCR, SCR akan mengalirkan arus dari anoda ke katoda, yang mengaktifkan beban. Namun, arus hanya mengalir pada setengah siklus (positif) dari gelombang AC, sehingga hanya separuh energi yang diteruskan ke beban—itulah sebabnya disebut half-wave. Ketika arus AC turun ke nol, SCR akan otomatis padam karena tidak ada tegangan pemicu lagi, dan ia akan tetap dalam keadaan mati hingga mendapat pulsa pemicu pada siklus berikutnya. Pada aplikasi beban induktif, sering kali dibutuhkan snubber circuit untuk menghindari lonjakan tegangan yang dapat merusak SCR. Penggunaan PNPN devices seperti SCR atau TRIAC memungkinkan kontrol yang efisien pada switching, tetapi memiliki keterbatasan dalam hal efisiensi daya, karena hanya menggunakan setengah siklus dari gelombang AC, mengurangi kemampuan untuk memberikan daya penuh ke beban.

Alur Kerja Half-Wave Series Static Switch:

1. Sumber AC mengalir → SCR masih OFF.

2. Ketika tegangan positif dan gate SCR mendapat pulsa → SCR ON.

3. Arus mengalir melalui SCR ke beban → beban menyala.

4. Saat arus mencapai nol → SCR OFF otomatis.

5. Proses berulang setiap siklus positif AC saat gate dipicu lagi.

6. Ringkasan[kembali]

Silicon Controlled Rectifier (SCR) adalah komponen semikonduktor 4 lapis (PNPN) yang berfungsi\

sebagai saklar elektronik yang dikendalikan oleh sinyal input di terminal Gate.

Dasar Teori:

• SCR memiliki 3 terminal utama:Anoda (A), Katoda (K), dan Gate (G).

• Konduksi arus hanya terjadi dari Anoda ke Katoda setelah Gate diberi sinyal trigger.

• Ketika tegangan Anoda lebih positif dari Katoda, SCR masih dalam kondisi OFF sampai ada pulse pada Gate.

• Setelah ON, SCR akan tetap menghantar meskipun sinyal Gate dihentikan, selama arus Anoda tidak turun di bawah Holding Current (IH).

Karakteristik SCR:

• Forward Blocking:
  Tegangan Anoda positif terhadap Katoda, tetapi belum ada konduksi karena Gate belum diberi sinyal.

• Forward Conduction:
  SCR konduksi penuh setelah Gate di-trigger. Arus naik signifikan meski tegangan relatif konstan.

• Reverse Blocking:
  Ketika tegangan Anoda negatif terhadap Katoda, SCR tetap OFF seperti dioda reverse bias.

SCR Ratings:

• Peak Repetitive Off-State Voltage (VDRM):
  Tegangan maksimum yang bisa ditahan SCR saat OFF tanpa rusak.

• Peak Non-Repetitive Surge Current (ITSM):
  Arus puncak sesaat yang dapat diterima SCR tanpa kerusakan.

• Holding Current (IH):
  Batas minimal arus agar SCR tetap dalam kondisi konduksi.

• Latching Current (IL):
  Arus minimum untuk mempertahankan SCR tetap ON setelah di-trigger.

Aplikasi SCR:

• Pengontrol daya AC.

• Penyearah terkendali.

• Dimmer lampu.

• Pengatur kecepatan motor DC.

• Rangkaian proteksi overvoltage.

7. Soal Latihan [kembali]

7.1 PROBLEM

1.Sebuah SCR digunakan dalam rangkaian pengontrol daya AC untuk mengatur sebuah lampu 100 Watt dengan tegangan 220V AC. Jika SCR di-trigger setiap 90 derajat dalam satu siklus AC, berapakah daya rata-rata yang dikonsumsi oleh lampu tersebut?

Jawaban:

Pada sistem kontrol fase, daya rata-rata berbanding dengan sudut penyalaan (α):

$$P_{avg}=P_{full}\times (1-\frac{\alpha }{{180}^{\circ }})$$

Diketahui:

• Pfull = 100W

• α = 90°

$$P_{avg}=100W\times (1-\frac{{90}^{\circ }}{{180}^{\circ }})=100W\times 0.5=50W$$

Jadi, daya rata-rata yang dikonsumsi lampu adalah 50W.

2.Sebuah SCR memiliki Holding Current (IH) sebesar 20 mA. Jika beban resistif sebesar 50Ω dihubungkan pada SCR dengan sumber tegangan DC 10V, apakah SCR tetap konduksi setelah di-trigger?

Jawaban:

Cari arus yang mengalir melalui beban:

$$I=\frac{V}{R}=\frac{10V}{50\mathrm{\Omega }}=0.2A=200mA$$

Karena:

$$I=200mA>IH=20mA$$

Maka, SCR akan tetap konduksi setelah di-trigger karena arus lebih besar dari Holding Current.

3.Sebuah rangkaian SCR dirancang untuk proteksi tegangan lebih (overvoltage protection) dengan setting VDRM = 400V. Jika tegangan suplai mendadak naik menjadi 450V, apa yang terjadi pada SCR?

Jawaban:

Karena:

$$V_{supply}=450V>VDRM=400V$$

SCR akan mengalami breakover atau tembus, sehingga:

• SCR akan menjadi konduksi tanpa trigger Gate karena tegangan sudah melebihi batas VDRM.

• Jika tanpa proteksi tambahan, SCR bisa rusak permanen akibat tegangan berlebih ini.

Jadi, SCR akan ON secara otomatis akibat overvoltage dan berpotensi rusak jika tidak ada sirkuit pengaman.

7.2 SOAL LATIHAN

1.Apa fungsi utama dari terminal Gate pada SCR?

A. Menyediakan jalur konduksi utama antara Anoda dan Katoda.

B. Memicu SCR agar beralih dari kondisi OFF ke ON.

C. Mengatur arus maksimum yang mengalir pada SCR.

Jawaban: B
Gate berfungsi untuk memicu SCR agar mulai konduksi dari Anoda ke Katoda.

2.Pada kondisi apa SCR dapat kembali ke kondisi OFF setelah konduksi?

A. Ketika tegangan Gate menjadi nol.
B. Saat arus Anoda turun di bawah Holding Current.
C. Jika tegangan Anoda naik melebihi tegangan Gate.

Jawaban: B
SCR hanya akan OFF jika arus Anoda turun di bawah Holding Current, bukan karena Gate dilepas.

3.Karakteristik utama dari Forward Blocking Region pada SCR adalah:

A. SCR konduksi penuh meskipun tanpa sinyal Gate.
B. SCR masih menahan arus walau tegangan Anoda-Katoda sudah positif.
C. SCR konduksi saat tegangan Anoda negatif terhadap Katoda.

Jawaban: B
Pada Forward Blocking, SCR belum konduksi meskipun Anoda positif terhadap Katoda, karena belum ada trigger dari Gate.

8. Percobaan [kembali]

a. prosedur percoban

• Untuk membuat rangkaian ini, pertama, siapkan semua alat dan bahan yang bersangkutan, di ambil dari library proteus
• Letakkan semua alat dan bahan sesuai dengan posisi dimana alat dan bahan terletak.
• Tepatkan posisi letak nya dengan gambar rangkaian
• Selanjutnya, hubungkan  semua alat dan bahan menjadi suatu rangkaian yang utuh
• Lalu mencoba menjalankan rangkaian , jika tidak terjadi error, maka rangkaian akan berfungsi yang berarti rangkaian bekerja.

1.Fig 17.3

2.Fig 17.4

9. Download File [kembali]

Fig 17.3 disini

Fig 17.4 disini

Download Datasheet

• Datasheet voltmeter [klik disini]

• Datasheet osiloskop [klik disini]

• Datasheet dioda [klik disini]

• Datasheet baterai [klik disini]

• Datasheet op-amp [klik disini]

• Datasheet Transistor [klik disini]
• Datasheet resistor [klik disini]

[menuju awal]