Chapter 17: PNPN And Other Devices

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan bahan

4. Dasar Teori

5. Prinsip Kerja

6. Ringkasan

7. Problem & Soal Latihan

8. Percobaan

9. Download File

 

1. Pendahuluan (kembali)

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)

1. Memahami prinsip kerja SCR sebagai perangkat semikonduktor yang dapat mengendalikan aliran arus listrik melalui sinyal pemicu pada terminal gate.

2. Menjelaskan konsep variable-resistance phase control dalam pengaturan daya pada beban listrik menggunakan SCR.

3. Mengidentifikasi cara kerja dan fungsi pengaturan sudut fase untuk mengontrol besar daya yang diterima oleh beban.

4. Menganalisis rangkaian kendali daya berbasis SCR dengan metode variable-resistance phase control.

5. 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 $V_G=V_m\sin (\omega t)$, di mana SCR akan menyala saat $V_G$ sama dengan tegangan trigger gate ($V_{GT}$). Dengan demikian, sudut penyalaan α dapat diperoleh dari persamaan $\alpha =\arcsin \left(\frac{V_{GT}}{V_m}\right)$. Selain itu, karena proses pengisian tegangan pada gate dipengaruhi oleh konstanta waktu RC, maka waktu penyalaan juga dapat dihitung dengan $t_{trigger}=-RC\ln (1-\frac{V_{GT}}{V_m})$, sehingga sudut penyalaan menjadi $\alpha =\omega t_{trigger}$. Daya rata-rata yang diterima beban RL dapat dihitung dengan rumus $P_{avg}=\frac{1}{2\pi }{\int }_{\alpha }^{\pi }{V}_m\sin (\theta )\cdot I_{L}d\theta$.

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.

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 ($V_{GT}$), sehingga arus mulai mengalir ke beban hanya selama sebagian siklus positif gelombang AC.

Dengan mengatur nilai R1, sudut penyalaan α dapat diubah, sehingga bagian gelombang AC yang dialirkan ke beban dapat diatur. Semakin besar nilai R1, semakin lambat SCR menyala (α makin besar), sehingga daya rata-rata ke beban menurun.

Rumus-rumus penting:

• Tegangan gate saat penyalaan:
  $V_G=V_m\sin (\omega t)$

• Sudut penyalaan:
  $\alpha =\arcsin \left(\frac{V_{GT}}{V_m}\right)$

• Daya rata-rata ke beban:
  $P_{avg}=\frac{1}{2\pi }{\int }_{\alpha }^{\pi }{V}_m\sin (\theta )\cdot I_{L}d\theta$

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. Problem dan Soal Latihan [kembali]    

Soal 1

Sebuah rangkaian half-wave variable-resistance phase control memiliki tegangan sumber AC dengan amplitudo puncak ($V_m$) sebesar 170 V. Jika tegangan trigger gate SCR ($V_{GT}$) adalah 34 V, tentukan sudut penyalaan ($\alpha$) SCR!

Penyelesaian:

$$\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">\alpha </span>}<span\; style="background-color:\; white;">=</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">arcsin</span>}<span\; style="background-color:\; white;"></span><span\; style="background-color:\; white;">(</span>\frac{{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">V</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">G</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">T</span>}}}{{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">V</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">m</span>}}}<span\; style="background-color:\; white;">)</span>$$$$\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">\alpha </span>}<span\; style="background-color:\; white;">=</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">arcsin</span>}<span\; style="background-color:\; white;"></span><span\; style="background-color:\; white;">(</span>\frac{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">34</span>}}{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">170</span>}}<span\; style="background-color:\; white;">)</span><span\; style="background-color:\; white;">=</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">arcsin</span>}<span\; style="background-color:\; white;"></span><span\; style="background-color:\; white;">(</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">0.2</span>}<span\; style="background-color:\; white;">)</span><span\; style="background-color:\; white;">\approx </span>{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">11.54</span>}}^{<span\; style="background-color:\; white;">\circ </span>}$$

Soal 2

Jika pada soal sebelumnya SCR menghantarkan mulai sudut $\alpha ={60}^{\circ }$ hingga $\pi$, berapa lama (dalam milidetik) SCR menghantarkan arus pada satu siklus (frekuensi AC = 50 Hz)?

Penyelesaian:

• Satu siklus = 20 ms (karena $T=1\mathrm{/}f=1\mathrm{/}50=0.02$ s)

• Satu setengah siklus = 10 ms (setengah periode)

• SCR menghantarkan dari 60° sampai 180° (π radian)

• Selisih sudut = 180° - 60° = 120°

• Proporsi waktu = ${120}^{\circ }\mathrm{/}{180}^{\circ }=2\mathrm{/}3$ dari setengah siklus

• Lama SCR menghantarkan = $2\mathrm{/}3\times 10\text{ms}=6.67\text{ms}$

Soal 3

Jika beban ($R_L$) adalah 100 Ω dan tegangan efektif ($V_{rms}$) pada beban selama SCR menghantarkan adalah 120 V, berapakah daya rata-rata ($P_{avg}$) yang diterima beban?

Penyelesaian:

$${\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">P</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">a</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">v</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">g</span>}}<span\; style="background-color:\; white;">=</span>\frac{{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">V</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">r</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">m</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">s</span>}}^{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">2</span>}}}{{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">R</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">L</span>}}}$$$${\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">P</span>}}_{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">a</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">v</span>}\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">g</span>}}<span\; style="background-color:\; white;">=</span>\frac{<span\; style="background-color:\; white;">(</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">120</span>}{<span\; style="background-color:\; white;">)</span>}^{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">2</span>}}}{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">100</span>}}<span\; style="background-color:\; white;">=</span>\frac{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">14400</span>}}{\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">100</span>}}<span\; style="background-color:\; white;">=</span>\mathrm{<span\; style="background-color:\; white;">144</span>}\text{<span style="background-color: white;">\hspace{0.17em}</span>}\text{<span style="background-color: white;">Watt</span>}$$

Soal 4

Jika SCR pada rangkaian bekerja dengan sudut penyalaan $\alpha ={90}^{\circ }$, berapa persen dari setengah siklus gelombang AC yang dialirkan ke beban?

Penyelesaian:

• Satu setengah siklus = 180°

• SCR menghantarkan dari 90° sampai 180° = 90°

• Persentase = $\frac{90}{180}\times 100\mathrm{\%}=50\mathrm{\%}$

Pilihan Ganda

1. Komponen apa yang berfungsi sebagai saklar elektronik utama dalam rangkaian pada Gambar 17.11?

A. Dioda
B. SCR
C. Transistor
D. Kapasitor

Jawaban: B
Penjelasan: SCR (Silicon Controlled Rectifier) adalah saklar elektronik utama yang mengatur arus ke beban.

2. Apa yang terjadi jika nilai R1 diperbesar?

A. SCR menyala lebih awal
B. SCR menyala lebih lambat
C. Tidak mempengaruhi sudut penyalaan
D. Tegangan beban menjadi lebih besar

Jawaban: B
Penjelasan: Nilai R1 yang lebih besar menyebabkan tegangan gate naik lebih lambat, sehingga SCR menyala lebih lambat (sudut α lebih besar).

3. Sudut penyalaan (firing angle) SCR mempengaruhi...

A. Frekuensi AC
B. Daya rata-rata ke beban
C. Tegangan sumber
D. Kapasitansi rangkaian

Jawaban: B
Penjelasan: Semakin besar sudut penyalaan, semakin kecil daya rata-rata ke beban.

4. Rumus yang digunakan untuk menentukan sudut penyalaan SCR adalah...

A. $\alpha =\arccos (\frac{V_{GT}}{V_m})$
B. $\alpha =\arcsin (\frac{V_{GT}}{V_m})$
C. $\alpha =\arctan (\frac{V_{GT}}{V_m})$
D. $\alpha =\text{arccot}(\frac{V_{GT}}{V_m})$

Jawaban: B

           

                                                                                                                       

8. Percobaan [kembali]

fig 17.11

9. Download File [kembali]

17.11 (klik)

Download Datasheet

Datasheet Induktor [klik disini] 

Datasheet Kapasitor [klik disini]

Datasheet Tansistor [klik disini]

Datasheet Resistor [klik disini]

Datasheet Battery [klik disini]

Datasheet Transistor NPN [klik disini]

Download Datasheet Resistor 10k : [klik disini]

Download Datasheet Transistor BC547 :  [klik disini]

Download Datasheet Op Amp 741 : [Klik disini]

Download Datasheet Dioda 1N4007 : [Klik disini]