CHAPTER 17

PNPN & OTHER DEVICE

Fig. 17.10

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan bahan

4. Dasar Teori

5. Prinsip Kerja

6. Problem

7. Soal Latihan

8. Percobaan

9. Download File

 

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)

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

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

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

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

5. 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. Problem [kembali]

Berikut adalah beberapa masalah umum yang sering terjadi pada Half-Wave Series Static Switch yang menggunakan perangkat PNPN (seperti SCR) dan komponen lainnya:

1. Hanya Menghantarkan Setengah Gelombang Half-Wave Series Static Switch hanya mengalirkan arus pada siklus positif AC, sehingga efisiensi daya menjadi rendah. Beban hanya menerima setengah energi dari siklus AC, yang membuatnya kurang cocok untuk aplikasi yang membutuhkan daya penuh atau kontinuitas arus.

2. Pemanasan Berlebih pada SCR SCR yang sering aktif dapat mengalami overheating jika tidak didinginkan dengan baik. Beban induktif yang menyimpan energi dapat menyebabkan turn-off delay, yang menghasilkan panas berlebih pada komponen SCR dan berisiko merusaknya.

3. Ketergantungan pada Tegangan Pemicu Gate Agar SCR berfungsi dengan baik, harus ada pulsa pemicu yang stabil dan kuat pada gate. Jika pulsa pemicu ini tidak cukup kuat atau tidak stabil, SCR tidak akan menyala dengan benar, menyebabkan beban berkedip atau bahkan mati total.

4. Noise dan Gangguan Elektromagnetik (EMI) Proses switching mendadak pada SCR dapat menghasilkan lonjakan tegangan (spike) yang mengarah pada gangguan elektromagnetik (EMI), yang dapat mengganggu operasi perangkat lain yang ada di sekitarnya.

5. Turn-Off Tidak Sempurna pada Beban Induktif Pada beban induktif, seperti motor atau transformator, arus dapat tetap mengalir walaupun tegangan AC sudah mencapai nol. Hal ini membuat SCR kesulitan untuk padam secara alami, yang mengurangi efektivitas switching.

6. Tidak Cocok untuk Beban AC Dua Arah Karena hanya mengalirkan arus pada satu siklus (positif), half-wave switch tidak cocok untuk aplikasi yang membutuhkan konduksi dua arah seperti sistem AC penuh (full-wave), sehingga solusi alternatif seperti TRIAC sering digunakan.

7. Perlunya Proteksi Tambahan Untuk menghindari kerusakan pada SCR dan komponen lainnya, diperlukan snubber circuit (seperti rangkaian RC damper) untuk mengatasi lonjakan tegangan yang terjadi saat proses switching. Tanpa proteksi ini, lonjakan tegangan bisa merusak perangkat.

7. Soal Latihan [kembali]   

1. Sebuah half-wave series static switch menggunakan SCR untuk mengontrol aliran daya pada beban resistif. Jika tegangan sumber AC adalah $V_{ac}(t) = V_{max} \sin(\omega t)$, dengan $V_{max} = 220 \, V$ dan $\omega = 2\pi \times 50 \, Hz$, hitunglah tegangan yang diteruskan ke beban pada siklus positif setelah SCR menyala!

Jawaban: Pada half-wave rectification, hanya bagian positif dari gelombang AC yang diteruskan ke beban. Tegangan yang diteruskan ke beban dapat dihitung menggunakan rumus tegangan rata-rata pada siklus positif gelombang sinus:

$$V_{avg}=\frac{V_{max}}{\mathrm{\pi <span\; style="font-family:\; times;"></span>}}$$

Dengan $V_{max} = 220 \, V$, kita dapat menghitung:

$$V_{avg} = \frac{220}{\pi} \approx 70 \, V$$

Jadi, tegangan rata-rata yang diteruskan ke beban adalah 70 V.

2.Sebuah beban resistif dengan resistansi $R = 10 \, \Omega$ terhubung ke half-wave series static switch. Tegangan sumber AC adalah $V_{ac}(t) = V_{max} \sin(\omega t)$, dengan $V_{max} = 220 \, V$. Hitunglah daya yang diteruskan ke beban resistif selama siklus positif!

Jawaban: Daya yang diteruskan ke beban resistif pada half-wave rectification dapat dihitung menggunakan rumus daya rata-rata:

$$P_{avg}=\frac{V_{avg}^2}{\mathrm{R<span\; style="font-family:\; times;"></span><span\; class="vlist-s"\; style="font-family:\; times;"></span>}}$$

Dari soal sebelumnya, kita tahu bahwa $V_{avg} = 70 \, V$ dan $R = 10 \, \Omega$.

Sehingga daya yang diteruskan ke beban adalah:

$$P_{avg} = \frac{70^2}{10} = \frac{4900}{10} = 490 \, W$$

Jadi, daya yang diteruskan ke beban adalah 490 W.

3. Tentukan efisiensi daya ($\eta$) pada rangkaian half-wave rectifier dengan SCR untuk beban resistif $R$. Diketahui tegangan sumber AC adalah $V_{ac}(t) = V_{max} \sin(\omega t)$, dan daya maksimum yang tersedia untuk beban resistif adalah $P_{max} = \frac{V_{max}^2}{R}$. Efisiensi daya dapat dihitung dengan rumus:

$$\eta = \frac{P_{avg}}{P_{max}} \times 100$$

Dengan $P_{avg}$ adalah daya rata-rata yang diteruskan ke beban.

Jawaban: Dari soal sebelumnya, kita sudah mengetahui bahwa $P_{avg} = 490 \, W$. Daya maksimum yang tersedia adalah:

$$P_{max} = \frac{V_{max}^2}{R} = \frac{220^2}{10} = \frac{48400}{10} = 4840 \, W$$

Sekarang, kita dapat menghitung efisiensinya:

$$\eta =\frac{490}{4840}\times 100\approx 10.13\mathrm{\%}$$

Jadi, efisiensi daya pada sistem half-wave rectifier dengan SCR adalah sekitar 10.13%.                                                                                                                     

8. Percobaan [kembali]

9. Download File [kembali]

FIG. 17.10 [Klik Disini]

Download Datasheet

• Datasheet voltmeter klik disini

• Datasheet transistor klik disini

• Datasheet osiloskop klik disini

• Datasheet dioda klik disini

• Datasheet baterai klik disini

• Datasheet Op- Amp klik disini

• Datasheet resistor klik disini