Bagaimana Thyristor (SCR) Bekerja - Tutorial

Pada dasarnya sebuah SCR (Silicon Controlled Rectifier) ​​yang juga dikenal dengan nama Thyristor bekerja seperti transistor.

Singkatan dari SCR

Perangkat ini mendapatkan namanya (SCR) karena struktur internal semikonduktor berlapis-lapis yang mengacu pada kata 'silikon' di awal namanya.

Bagian kedua dari nama 'Controlled' mengacu pada terminal gerbang perangkat, yang diaktifkan dengan sinyal eksternal untuk mengontrol aktivasi perangkat, dan karenanya disebut 'Controlled'.

Dan istilah 'Penyearah' menandakan properti penyearah dari SCR ketika gerbangnya dipicu dan daya dibiarkan mengalir melintasi anoda ke terminal katoda, ini mungkin mirip dengan penyearah dengan dioda penyearah.

Penjelasan di atas memperjelas cara kerja perangkat seperti 'Silicon Controlled Rectifier'.

Meskipun SCR memperbaiki seperti dioda, dan meniru transistor karena fitur pemicunya dengan sinyal eksternal, konfigurasi internal SCR terdiri dari pengaturan semikonduktor empat lapis (PNPN) yang terdiri dari 3 sambungan PN seri, tidak seperti dioda yang memiliki 2-lapisan (PN) atau transistor yang mencakup konfigurasi semikonduktor tiga lapis (PNP / NPN).

Anda dapat merujuk ke gambar berikut untuk memahami tata letak internal dari persimpangan semikonduktor yang dijelaskan, dan cara kerja Thyristor (SCR).

Properti SCR lain yang sangat cocok dengan dioda adalah karakteristik searahnya yang memungkinkan arus mengalir hanya dalam satu arah melaluinya, dan memblokir dari sisi lain saat dinyalakan, yang mengatakan bahwa SCR memiliki sifat khusus lain yang memungkinkan mereka untuk dioperasikan sebagai sakelar terbuka saat dalam mode NONAKTIF.

Dua mode switching ekstrim dalam SCR membatasi perangkat ini dari memperkuat sinyal dan ini tidak dapat digunakan seperti transistor untuk memperkuat sinyal yang berdenyut.

Penyearah yang dikendalikan silikon atau SCR seperti Triacs, Diacs, atauUJT yang semuanya memiliki sifat berkinerja seperti sakelar AC keadaan padat yang beralih dengan cepat sambil mengatur potensi atau arus AC yang diberikan.

Jadi bagi para insinyur dan penggemar, perangkat ini menjadi pilihan sakelar solid state yang sangat baik dalam hal pengaturan perangkat sakelar AC seperti lampu, motor, sakelar peredup dengan efisiensi maksimum.

SCR adalah perangkat semikonduktor 3 terminal yang ditetapkan sebagai Anoda, Katoda dan Gerbang, yang pada gilirannya dibuat secara internal dengan 3 sambungan PN, memiliki properti untuk beralih pada kecepatan yang sangat tinggi.

Dengan demikian perangkat dapat dinyalakan pada tingkat yang diinginkan dan secara diskrit mengatur periode ON / OFF, untuk mengimplementasikan rata-rata saklar ON atau waktu OFF ke beban.

Secara teknis, tata letak SCR atau thyristor dapat dipahami dengan membandingkannya dengan sepasang transistor (BJT) yang dihubungkan secara back to back, sehingga terbentuk seperti sepasang sakelar regeneratif yang saling melengkapi, seperti yang ditunjukkan pada gambar berikut :

Analogi Transistor Dua Thyristor

Rangkaian ekivalen dua transistor menunjukkan bahwa arus kolektor dari transistor NPN TR2 diumpankan langsung ke basis transistor PNP TR1, sedangkan arus kolektor TR1 dimasukkan ke basis TR2.

Kedua transistor yang saling terhubung ini bergantung satu sama lain untuk konduksi karena setiap transistor mendapatkan arus basis-emitornya dari arus kolektor-emitor lainnya. Jadi sampai salah satu transistor diberi arus basis, tidak ada yang dapat terjadi bahkan jika ada tegangan Anoda-ke-Katoda.

Simulasi topologi SCR dengan integrasi dua transistor mengungkapkan formasi sedemikian rupa sehingga arus kolektor transistor NPN disuplai langsung ke basis transistor PNP TR1, sedangkan arus kolektor TR1 menghubungkan supply dengan dasar TR2.

Konfigurasi dua transistor yang disimulasikan tampaknya saling mengunci dan melengkapi konduksi satu sama lain dengan menerima penggerak basis dari arus emitor kolektor yang lain, ini membuat tegangan gerbang sangat penting dan memastikan bahwa konfigurasi yang ditunjukkan tidak akan pernah berjalan sampai potensi gerbang diterapkan, bahkan dengan adanya potensi anoda ke katoda mungkin tetap.

Dalam situasi ketika kabel anoda perangkat lebih negatif daripada katoda, memungkinkan sambungan N-P untuk tetap bias maju, tetapi memastikan sambungan P-N luar menjadi bias terbalik sehingga berfungsi seperti dioda penyearah standar.

Properti SCR ini memungkinkannya untuk memblokir aliran arus balik, hingga besaran tegangan yang sangat tinggi yang mungkin melampaui spesifikasi paruh bawahnya ditimbulkan di seluruh kabel yang disebutkan, yang memaksa SCR untuk berjalan bahkan tanpa adanya penggerak gerbang .

Hal di atas mengacu pada karakteristik kritis thyristor yang dapat menyebabkan perangkat dipicu secara tidak diinginkan melalui lonjakan tegangan tinggi terbalik dan / atau suhu tinggi, atau transien tegangan dv / dt yang meningkat dengan cepat.

Sekarang misalkan dalam situasi di mana terminal Anoda mengalami pengalaman yang lebih positif sehubungan dengan ujung katoda, ini membantu persimpangan P-N luar menjadi bias maju, meskipun persimpangan N-P pusat terus tetap bias balik. Ini akibatnya memastikan bahwa arus maju juga diblokir.

Oleh karena itu jika sinyal positif yang diinduksi melintasi basis transistor NPN TR2 menghasilkan aliran arus kolektor menuju basis f TR1, yang pada gilirannya memaksa arus kolektor untuk melewati transistor PNP TR1 meningkatkan penggerak basis TR2 dan proses diperkuat.

Kondisi di atas memungkinkan kedua transistor untuk meningkatkan konduksi mereka sampai titik saturasi karena loop umpan balik konfigurasi regeneratif yang ditunjukkan mereka yang menjaga situasi saling terkait dan terkunci.

Jadi segera setelah SCR dipicu, ini memungkinkan arus mengalir dari anoda ke katoda dengan hanya resistansi maju minimal sekitar datang di jalur, memastikan konduksi yang efisien dan pengoperasian perangkat ..

Ketika dikenakan AC, SCR dapat memblokir kedua siklus AC sampai SCR ditawarkan dengan tegangan pemicu melintasi gerbang dan katoda, yang secara instan memungkinkan setengah siklus positif AC melewati kabel katoda anoda, dan perangkat mulai meniru dioda penyearah standar, tetapi hanya selama pemicu gerbang tetap AKTIF, pemutusan konduksi saat pemicu gerbang dilepas.

Kurva karakteristik tegangan-arus atau I-V yang dipaksakan untuk aktivasi penyearah terkontrol silikon dapat disaksikan pada gambar berikut:

Kurva Karakteristik Thyristor I-V

Namun untuk input DC, segera setelah thyristor dipicu ON, karena konduksi regeneratif yang dijelaskan, ia mengalami aksi latching sehingga konduksi anoda ke katoda bertahan dan terus berjalan bahkan jika pemicu gerbang dilepas.

Jadi untuk daya DC, gerbang benar-benar kehilangan pengaruhnya setelah pulsa pemicu pertama diterapkan melintasi gerbang perangkat memastikan arus terkunci dari anoda ke katoda. Ini mungkin rusak dengan memutus sebentar sumber arus anoda / katoda saat gerbang benar-benar tidak aktif.

SCR tidak dapat bekerja seperti BJT

SCR tidak dirancang untuk menjadi analog sempurna seperti rekan transistor, dan oleh karena itu tidak dapat dibuat untuk berjalan di beberapa wilayah aktif menengah untuk beban yang mungkin berada di antara konduksi lengkap dan sakelar bersaing OFF.

Hal ini juga benar karena pemicu gerbang tidak memiliki pengaruh pada seberapa besar anoda ke katoda dapat dibuat untuk melakukan atau menjenuhkan, sehingga bahkan pulsa gerbang sesaat yang kecil sudah cukup untuk mengayunkan anoda ke konduksi katoda ke dalam saklar penuh ON.

Fitur di atas memungkinkan SCR untuk dibandingkan dan dianggap seperti Bistable Latch yang memiliki dua status stabil, baik ON penuh atau OFF sepenuhnya. Hal ini disebabkan karena dua karakteristik khusus SCR sebagai respons terhadap input AC atau DC seperti yang dijelaskan pada bagian di atas.

Bagaimana Menggunakan Gerbang SCR untuk Mengontrol Switchingnya

Seperti dibahas sebelumnya, setelah SCR dipicu dengan input DC dan katoda anoda mengunci sendiri, ini dapat dibuka atau dimatikan baik dengan melepas sebentar sumber suplai anoda (arus anoda Ia) sepenuhnya, atau dengan mengurangi yang sama ke beberapa tingkat rendah secara signifikan di bawah arus holding yang ditentukan perangkat atau 'arus holding minimum' Ih.

Ini menyiratkan bahwa arus penahan minimum Anoda ke Katoda harus dikurangi sampai ikatan penguncian P-N internal thyristor dapat memulihkan fitur pemblokiran alaminya ke dalam tindakan.

Oleh karena itu ini juga berarti bahwa untuk membuat SCR bekerja atau berjalan dengan pemicu gerbang, sangat penting bahwa arus beban anoda ke katoda melebihi 'arus penahan minimum' yang ditentukan Ih, jika tidak SCR mungkin gagal untuk menerapkan konduksi beban, oleh karena itu jika IL adalah arus beban, ini harus sebagai IL> IH.

Namun seperti yang telah dibahas di bagian sebelumnya, ketika AC digunakan di SCR Anode. Pin katoda, memastikan bahwa SCR tidak diizinkan untuk mengeksekusi efek penguncian saat drive gerbang dilepas.

Ini karena sinyal AC AKTIF dan MATI dalam garis persimpangan nolnya yang membuat arus anoda SCR ke katoda mati pada setiap pergeseran 180 derajat dari setengah siklus positif bentuk gelombang AC.

Fenomena ini disebut sebagai 'pergantian alami' dan menerapkan fitur penting pada konduksi SCR. Bertentangan dengan ini dengan suplai DC, fitur ini menjadi tidak penting dengan SCR.

Tetapi karena SCR dirancang untuk berperilaku seperti dioda penyearah, SCR hanya merespons secara efektif setengah siklus positif AC dan tetap bias terbalik dan sama sekali tidak responsif terhadap setengah siklus AC lainnya bahkan dengan adanya sinyal gerbang.

Ini menyiratkan bahwa dengan adanya pemicu gerbang, SCR berjalan melintasi anoda ke katoda hanya untuk masing-masing setengah siklus AC positif dan tetap diam untuk setengah siklus lainnya.

Karena fitur penguncian yang dijelaskan di atas dan juga pemutusan selama setengah siklus bentuk gelombang AC lainnya, SCR dapat secara efektif digunakan untuk memotong siklus fase AC sedemikian rupa sehingga beban dapat dialihkan pada tingkat daya yang lebih rendah (dapat disesuaikan) yang diinginkan .

Juga dikenal sebagai kontrol fase, fitur ini dapat diimplementasikan melalui sinyal waktu eksternal yang diterapkan melintasi gerbang SCR. Sinyal ini memutuskan berapa lama penundaan SCR dapat ditembakkan setelah fase AC memulai setengah siklus positifnya.

Jadi ini memungkinkan hanya bagian dari gelombang AC yang akan dialihkan yang dilewatkan setelah pemicu gerbang .. kontrol fase ini adalah salah satu fitur utama dari sebuah thyristor yang dikendalikan silikon.

Cara kerja thyristor (SCR) dalam kontrol fase dapat dipahami dengan melihat gambar di bawah ini.

Diagram pertama menunjukkan SCR yang gerbangnya dipicu secara permanen, seperti yang dapat dilihat pada diagram pertama, ini memungkinkan bentuk gelombang positif lengkap untuk dimulai dari awal hingga akhir, dari melintasi garis persimpangan nol pusat.

Kontrol Fase Thyristor

Pada permulaan setiap setengah siklus positif, SCR adalah 'OFF'. Pada induksi tegangan gerbang mengaktifkan SCR menjadi konduksi dan memungkinkannya untuk sepenuhnya terkunci 'ON' selama setengah siklus positif. Ketika thyristor dihidupkan pada awal setengah siklus (θ = 0o), beban yang terhubung (lampu atau sejenisnya) akan menjadi 'ON' untuk seluruh siklus positif dari bentuk gelombang AC (AC setengah gelombang diperbaiki ) pada peningkatan tegangan rata-rata 0,318 x Vp.

Saat inisialisasi sakelar gerbang ON dinaikkan sepanjang setengah siklus (θ = 0o hingga 90o), lampu yang terhubung menyala untuk waktu yang lebih sedikit dan tegangan bersih dibawa ke lampu juga secara proporsional kurang menurunkan intensitasnya.

Selanjutnya, mudah untuk menggunakan penyearah yang dikontrol silikon sebagai peredup lampu AC dan dalam banyak aplikasi daya AC tambahan yang berbeda misalnya: kontrol kecepatan motor AC, perangkat kontrol panas dan rangkaian pengatur daya, dan sebagainya.

Hingga sekarang kita telah menyaksikan bahwa thyristor pada dasarnya adalah perangkat setengah gelombang yang mampu melewatkan arus hanya dalam setengah siklus positif setiap kali Anoda positif dan mencegah aliran arus seperti dioda dalam kasus di mana Anoda negatif , bahkan jika arus gerbang tetap aktif.

Namun demikian, Anda mungkin menemukan lebih banyak varian produk semikonduktor serupa untuk dipilih yang berasal dengan judul 'Thyristor' yang dirancang untuk beroperasi di kedua arah setengah siklus, unit gelombang penuh, atau dapat dimatikan 'OFF' oleh sinyal Gerbang .

Jenis produk ini antara lain 'Gate Turn-OFF Thyristors' (GTO), 'Static Induction Thyristor' (SITH), 'MOS Controlled Thyristor' (MCT), 'Silicon Controlled Switch' (SCS), 'Triode Thyristor' (TRIAC) dan 'Light Triggered Thyristors' (LASCR) untuk mengidentifikasi beberapa, dengan begitu banyak dari perangkat ini dapat diakses di berbagai peringkat tegangan dan arus yang membuatnya menarik untuk digunakan dalam tujuan pada tingkat daya yang sangat tinggi.

Ikhtisar Kerja Thyristor

Silicon Controlled Rectifier yang dikenal secara umum sebagai Thyristor adalah perangkat semikonduktor PNPN tiga persimpangan yang dapat dianggap sebagai dua transistor yang saling terhubung yang dapat Anda gunakan dalam peralihan beban listrik berat yang dioperasikan oleh listrik.

Mereka dicirikan sebagai terkunci- 'ON' oleh pulsa tunggal arus positif yang diterapkan ke kabel Gerbang mereka dan dapat terus 'ON' tanpa henti sampai arus Anoda ke Katoda berkurang di bawah ukuran penguncian minimum yang ditentukan atau dibalik.

Atribut Statis dari Thyristor

Thyristor adalah peralatan semikonduktor yang dikonfigurasi untuk berfungsi hanya dalam fungsi switching. Thyristor adalah produk yang dikendalikan saat ini, arus Gerbang kecil mampu mengontrol arus Anoda yang lebih besar. Mengaktifkan arus hanya sekali bias maju dan arus pemicu diterapkan ke Gerbang.

Thyristor beroperasi mirip dengan dioda penyearah bila kebetulan diaktifkan 'ON'. Arus anoda harus lebih dari sekedar mempertahankan nilai arus untuk menjaga konduksi. Menghambat jalur arus jika bias balik, terlepas dari apakah arus Gerbang dihidupkan atau tidak.

Segera setelah dinyalakan 'ON', terkunci 'ON' melakukan terlepas apakah arus gerbang diterapkan tetapi hanya jika arus Anoda di atas arus pengunci.

Thyristor adalah sakelar cepat yang dapat Anda gunakan untuk menggantikan relai elektromekanis di sejumlah sirkuit karena tidak memiliki bagian yang bergetar, tidak ada busur kontak atau memiliki masalah dengan kerusakan atau kotoran.

Tetapi selain hanya mengganti arus besar 'ON' dan 'OFF', thyristor dapat digunakan untuk mengatur nilai RMS dari arus beban AC tanpa menghilangkan sejumlah besar daya. Contoh yang sangat baik dari kontrol daya thyristor adalah kontrol penerangan listrik, pemanas, dan kecepatan motor.

Dalam tutorial selanjutnya kita akan melihat beberapa dasar Sirkuit dan aplikasi Thyristor menggunakan suplai AC dan DC.