The Silicon-Controlled Rectifier (SCR)

Dioda Shockley dan Penyearah Terkendali Silikon (SCR)

Dioda Shockley adalah perangkat yang aneh, tetapi aplikasinya agak terbatas. Namun, kegunaannya dapat diperluas dengan melengkapinya dengan alat pengunci lainnya. Dengan demikian, masing-masing menjadi perangkat penguat yang sebenarnya (jika hanya dalam mode hidup/mati), dan kami menyebutnya sebagai penyearah atau SCR yang dikontrol silikon.

Perkembangan dari dioda Shockley ke SCR dicapai dengan satu tambahan kecil, sebenarnya tidak lebih dari sambungan kabel ketiga ke struktur PNPN yang ada:(Gambar di bawah)

Rectifier Terkendali Silikon (SCR)

Konduksi SCR

Jika gerbang SCR dibiarkan mengambang (terputus), ia berperilaku persis seperti dioda Shockley. Ini mungkin terkunci oleh tegangan breakover atau dengan melebihi tingkat kritis kenaikan tegangan antara anoda dan katoda, seperti dioda Shockley. Dropout dicapai dengan mengurangi arus sampai satu atau kedua transistor internal jatuh ke mode cutoff, juga seperti dioda Shockley. Namun, karena terminal gerbang terhubung langsung ke basis transistor yang lebih rendah, ini dapat digunakan sebagai sarana alternatif untuk mengunci SCR. Dengan menerapkan tegangan kecil antara gerbang dan katoda, transistor bawah akan dipaksa oleh arus basis yang dihasilkan, yang akan menyebabkan transistor atas untuk melakukan, yang kemudian memasok basis transistor bawah dengan arus sehingga tidak perlu lagi diaktifkan oleh tegangan gerbang. Arus gerbang yang diperlukan untuk memulai latch-up, tentu saja, akan jauh lebih rendah daripada arus yang melalui SCR dari katoda ke anoda, sehingga SCR mencapai ukuran amplifikasi.

Memicu/Menembak

Metode mengamankan konduksi SCR ini disebut memicu atau menembak, dan sejauh ini cara yang paling umum bahwa SCR terkunci dalam praktik yang sebenarnya. Faktanya, SCR biasanya dipilih sedemikian rupa sehingga tegangan putusnya jauh melampaui tegangan terbesar yang diharapkan dialami dari sumber daya sehingga dapat dihidupkan hanya dengan pulsa tegangan yang disengaja diterapkan ke gerbang.

Pemicu Terbalik

Perlu disebutkan bahwa SCR kadang-kadang dapat dimatikan dengan secara langsung memendekkan terminal gerbang dan katodanya bersama-sama, atau dengan "memicu mundur" gerbang dengan tegangan negatif (mengacu pada katoda), sehingga transistor yang lebih rendah dipaksa masuk memotong. Saya katakan ini "kadang-kadang" mungkin karena melibatkan shunting semua arus kolektor transistor atas melewati basis transistor bawah. Arus ini mungkin besar, membuat pemutusan SCR yang dipicu menjadi sulit. Variasi dari SCR, yang disebut thyristor Gate-Turn-Off, atau GTO, membuat tugas ini lebih mudah. Tetapi bahkan dengan GTO, arus gerbang yang diperlukan untuk mematikannya mungkin sebanyak 20% dari arus anoda (beban)! Simbol skema untuk GTO ditunjukkan pada ilustrasi berikut:(Gambar di bawah)

The Gate Turn-Off thyristor (GTO)

SCR vs GTO

SCR dan GTO berbagi skema setara yang sama (dua transistor terhubung dengan cara umpan balik positif), satu-satunya perbedaan adalah detail konstruksi yang dirancang untuk memberikan transistor NPN yang lebih besar daripada PNP. Hal ini memungkinkan arus gerbang yang lebih kecil (maju atau mundur) untuk memberikan tingkat kontrol yang lebih besar atas konduksi dari katoda ke anoda, dengan keadaan penguncian transistor PNP lebih bergantung pada NPN daripada sebaliknya. Thyristor Gate-Turn-Off juga dikenal dengan nama Gate-Controlled Switch, atau GCS.

Menguji Fungsionalitas SCR dengan Ohmmeter

Tes dasar fungsi SCR, atau setidaknya identifikasi terminal, dapat dilakukan dengan ohmmeter. Karena hubungan internal antara gerbang dan katoda adalah sambungan PN tunggal, pengukur harus menunjukkan kontinuitas antara terminal ini dengan kabel uji merah di gerbang dan kabel uji hitam di katoda seperti ini:(Gambar di bawah)

Tes dasar SCR

Semua pengukuran kontinuitas lainnya yang dilakukan pada SCR akan menunjukkan "terbuka" ("OL" pada beberapa tampilan multimeter digital). Harus dipahami bahwa tes ini sangat kasar dan bukan merupakan penilaian komprehensif dari SCR. Ada kemungkinan SCR memberikan indikasi ohmmeter yang baik dan masih rusak. Pada akhirnya, satu-satunya cara untuk menguji SCR adalah dengan memasukkannya ke arus beban.

Jika Anda menggunakan multimeter dengan fungsi "pemeriksaan dioda", indikasi tegangan sambungan gerbang-ke-katoda yang Anda dapatkan mungkin sesuai atau tidak dengan apa yang diharapkan dari sambungan PN silikon (sekitar 0,7 volt). Dalam beberapa kasus, Anda akan membaca tegangan sambungan yang jauh lebih rendah:hanya seperseratus volt. Ini karena resistor internal yang terhubung antara gerbang dan katoda yang tergabung dalam beberapa SCR. Resistor ini ditambahkan untuk membuat SCR kurang rentan terhadap pemicu palsu oleh lonjakan tegangan palsu, dari "kebisingan" sirkuit atau dari pelepasan listrik statis. Dengan kata lain, memiliki resistor yang terhubung melintasi persimpangan gerbang-katoda mengharuskan sinyal pemicu yang kuat (arus substansial) diterapkan untuk mengunci SCR. Fitur ini sering ditemukan pada SCR yang lebih besar, bukan pada SCR yang kecil. Ingatlah bahwa SCR dengan resistor internal yang terhubung antara gerbang dan katoda akan menunjukkan kontinuitas di kedua arah antara kedua terminal tersebut:(Gambar di bawah)

SCR yang lebih besar memiliki resistor gerbang ke katoda.

SCR Gerbang Sensitif

SCR “Normal”, yang tidak memiliki resistor internal ini, terkadang disebut sebagai SCR gerbang sensitif karena kemampuannya untuk dipicu oleh sinyal gerbang positif sekecil apa pun.

Sirkuit uji untuk SCR praktis sebagai alat diagnostik untuk memeriksa dugaan SCR dan juga bantuan yang sangat baik untuk memahami operasi SCR dasar. Sumber tegangan DC digunakan untuk memberi daya pada rangkaian, dan dua sakelar tombol digunakan untuk mengunci dan membuka kunci SCR, masing-masing:(Gambar di bawah)

Sirkuit pengujian SCR

Mengaktifkan sakelar tombol tekan "on" yang biasanya terbuka menghubungkan gerbang ke anoda, memungkinkan arus dari terminal positif baterai, melalui resistor beban, melalui sakelar, melalui persimpangan PN gerbang katoda, dan kembali ke baterai. Arus gerbang ini harus memaksa SCR untuk mengunci, memungkinkan arus mengalir langsung dari anoda ke katoda tanpa memicu lebih lanjut melalui gerbang. Saat tombol "on" dilepas, beban akan tetap diberi energi.

Menekan sakelar tombol tekan “mati” yang biasanya tertutup akan memutus sirkuit, memaksa arus yang melalui SCR untuk berhenti, sehingga memaksanya untuk mati (putus arus rendah).

Menahan Arus

Jika SCR gagal mengunci, masalahnya mungkin pada beban dan bukan SCR. Sejumlah arus beban minimum tertentu diperlukan untuk menahan SCR terkunci dalam status "on". Level arus minimum ini disebut arus holding. Beban dengan nilai resistansi yang terlalu besar mungkin tidak menarik arus yang cukup untuk menjaga agar SCR tetap terkunci saat arus gerbang berhenti, sehingga memberikan kesan yang salah tentang SCR yang buruk (tidak dapat dikunci) dalam rangkaian uji. Memegang nilai saat ini untuk SCR yang berbeda harus tersedia dari pabrikan. Nilai arus penahanan tipikal berkisar dari 1 miliamp hingga 50 miliampere atau lebih untuk unit yang lebih besar.

Agar pengujian sepenuhnya komprehensif, lebih dari sekadar tindakan pemicu perlu diuji. Batas tegangan pemutusan maju dari SCR dapat diuji dengan meningkatkan suplai tegangan DC (tanpa saklar tombol tekan yang digerakkan) sampai SCR mengunci dengan sendirinya. Hati-hati bahwa tes pemutusan mungkin memerlukan tegangan yang sangat tinggi:banyak SCR daya memiliki peringkat tegangan pemutusan 600 volt atau lebih! Juga, jika generator tegangan pulsa tersedia, tingkat kritis kenaikan tegangan untuk SCR dapat diuji dengan cara yang sama:tunduk pada tegangan suplai berdenyut dari tingkat V/waktu yang berbeda tanpa sakelar tombol tekan yang digerakkan dan lihat kapan terkunci.

Dalam bentuk sederhana ini, rangkaian uji SCR dapat digunakan sebagai rangkaian kontrol start/stop untuk motor DC, lampu, atau beban praktis lainnya:(Gambar di bawah)

Sirkuit kontrol start/stop motor DC

Sirkuit "Linggis"

Penggunaan praktis lain untuk SCR dalam rangkaian DC adalah sebagai perangkat linggis untuk perlindungan tegangan lebih. Sirkuit "linggis" terdiri dari SCR yang ditempatkan secara paralel dengan output catu daya DC, untuk menempatkan hubung singkat langsung pada output suplai itu untuk mencegah tegangan berlebih mencapai beban. Kerusakan pada SCR dan catu daya dapat dicegah dengan penempatan sekering atau tahanan seri yang substansial di depan SCR untuk membatasi arus hubung singkat:(Gambar di bawah)

Rangkaian linggis yang digunakan dalam catu daya DC

Beberapa perangkat atau rangkaian penginderaan tegangan keluaran akan dihubungkan ke gerbang SCR, sehingga ketika terjadi kondisi tegangan lebih, tegangan akan diberikan antara gerbang dan katoda, memicu SCR dan memaksa sekering putus. Efeknya kira-kira sama dengan menjatuhkan linggis baja padat tepat di seberang terminal keluaran catu daya, karena itulah nama sirkuitnya.

Sebagian besar aplikasi SCR adalah untuk kontrol daya AC, terlepas dari kenyataan bahwa SCR secara inheren adalah perangkat DC (searah). Jika arus sirkuit dua arah diperlukan, beberapa SCR dapat digunakan, dengan satu atau lebih menghadap setiap arah untuk menangani arus melalui kedua setengah siklus gelombang AC. Alasan utama SCR digunakan sama sekali untuk aplikasi kontrol daya AC adalah respons unik thyristor terhadap arus bolak-balik. Seperti yang kita lihat, tabung thyratron (versi tabung elektron dari SCR) dan DIAC, perangkat histeris yang dipicu selama sebagian dari setengah siklus AC akan mengunci dan tetap menyala selama sisa setengah siklus sampai AC arus berkurang menjadi nol, karena harus memulai setengah siklus berikutnya. Tepat sebelum titik zero-crossover dari bentuk gelombang saat ini, thyristor akan mati karena arus yang tidak mencukupi (perilaku ini juga dikenal sebagai pergantian alami) dan harus dinyalakan lagi selama siklus berikutnya. Hasilnya adalah arus rangkaian yang setara dengan gelombang sinus "terpotong". Sebagai tinjauan, berikut adalah grafik respons DIAC terhadap tegangan AC yang puncaknya melebihi tegangan pemutusan DIAC:(Gambar di bawah)

Tanggapan dua arah DIAC

Dengan DIAC, batas tegangan breakover itu adalah besaran yang tetap. Dengan SCR, kami memiliki kendali atas kapan tepatnya perangkat menjadi terkunci dengan memicu gerbang pada titik waktu mana pun di sepanjang bentuk gelombang. Dengan menghubungkan sirkuit kontrol yang sesuai ke gerbang SCR, kita dapat “memotong” gelombang sinus di titik mana pun untuk memungkinkan kontrol daya proporsional waktu ke beban.

Ambil rangkaian pada Gambar di bawah ini sebagai contoh. Di sini, SCR diposisikan di sirkuit untuk mengontrol daya ke beban dari sumber AC.

Kontrol SCR daya AC

Menjadi perangkat searah (satu arah), paling banyak, kami hanya dapat mengirimkan daya setengah gelombang ke beban, dalam setengah siklus AC di mana polaritas tegangan suplai positif di bagian atas dan negatif di bagian bawah. Namun, untuk mendemonstrasikan konsep dasar kontrol proporsional waktu, rangkaian sederhana ini lebih baik daripada satu kontrol daya gelombang penuh (yang akan membutuhkan dua SCR).

Tanpa pemicu ke gerbang, dan tegangan sumber AC jauh di bawah peringkat tegangan pemutusan SCR, SCR tidak akan pernah menyala. Menghubungkan gerbang SCR ke anoda melalui dioda penyearah standar (untuk mencegah arus balik melalui gerbang jika SCR berisi resistor katoda gerbang built-in), akan memungkinkan SCR dipicu segera di awal setiap setengah siklus positif:(Gambar di bawah)

Gerbang terhubung langsung ke anoda melalui dioda; hampir menyelesaikan arus setengah gelombang melalui beban.

Tunda Pemicu SCR

Namun, kita dapat menunda pemicuan SCR dengan memasukkan beberapa resistansi ke dalam rangkaian gerbang, sehingga meningkatkan jumlah penurunan tegangan yang diperlukan sebelum arus gerbang yang cukup memicu SCR. Dengan kata lain, jika kita mempersulit arus mengalir melalui gerbang dengan menambahkan resistansi, tegangan AC harus mencapai titik yang lebih tinggi dalam siklusnya sebelum ada cukup arus gerbang untuk menghidupkan SCR. Hasilnya ada pada Gambar di bawah ini.

Resistensi dimasukkan ke sirkuit gerbang; arus kurang dari setengah gelombang melalui beban.

Dengan gelombang setengah sinus yang dipotong ke tingkat yang lebih besar oleh pemicuan SCR yang tertunda, beban menerima daya rata-rata yang lebih sedikit (daya disalurkan untuk waktu yang lebih sedikit sepanjang siklus). Dengan membuat variabel resistor gerbang seri, kita dapat membuat penyesuaian pada daya proporsional waktu:(Gambar di bawah)

Meningkatkan resistensi akan menaikkan tingkat ambang, menyebabkan lebih sedikit daya yang disalurkan ke beban. Menurunkan resistensi menurunkan tingkat ambang, menyebabkan lebih banyak daya yang dikirim ke beban.

Sayangnya, skema kontrol ini memiliki batasan yang signifikan. Dalam menggunakan bentuk gelombang sumber AC untuk sinyal pemicu SCR kami, kami membatasi kontrol pada paruh pertama setengah siklus bentuk gelombang. Dengan kata lain, tidak mungkin kita menunggu sampai setelah puncak gelombang untuk memicu SCR. Ini berarti kita dapat mematikan daya hanya sampai pada titik di mana SCR menyala pada puncak gelombang:(Gambar di bawah)

Sirkuit pada pengaturan daya minimum

Menaikkan ambang pemicu lagi akan menyebabkan rangkaian tidak terpicu sama sekali karena bahkan puncak tegangan daya AC tidak akan cukup untuk memicu SCR. Hasilnya tidak akan ada daya untuk beban.

Solusi cerdas untuk dilema kontrol ini ditemukan dalam penambahan kapasitor pemindah fasa ke sirkuit:(Gambar di bawah)

Penambahan kapasitor pemindah fasa ke sirkuit

Bentuk gelombang yang lebih kecil yang ditunjukkan pada grafik adalah tegangan melintasi kapasitor. Demi menggambarkan pergeseran fasa, saya mengasumsikan kondisi resistansi kontrol maksimum di mana SCR tidak memicu sama sekali tanpa arus beban, kecuali arus kecil yang melewati resistor kontrol dan kapasitor. Tegangan kapasitor ini akan mengalami pergeseran fasa dari 0o ke 90o tertinggal di belakang bentuk gelombang AC sumber daya. Ketika tegangan pergeseran fasa ini mencapai tingkat yang cukup tinggi, SCR akan terpicu.

Dengan tegangan yang cukup melintasi kapasitor untuk memicu SCR secara berkala, bentuk gelombang arus beban yang dihasilkan akan terlihat seperti Gambar di bawah)

Sinyal pergeseran fasa memicu SCR menjadi konduksi.

Karena bentuk gelombang kapasitor masih naik setelah bentuk gelombang daya AC utama mencapai puncaknya, maka dimungkinkan untuk memicu SCR pada tingkat ambang batas di luar puncak itu, sehingga memotong gelombang arus beban lebih jauh daripada yang dimungkinkan dengan rangkaian yang lebih sederhana. Pada kenyataannya, bentuk gelombang tegangan kapasitor sedikit lebih kompleks daripada yang ditunjukkan di sini, bentuk sinusoidalnya terdistorsi setiap kali SCR menyala. Namun, apa yang saya coba ilustrasikan di sini adalah tindakan pemicu tertunda yang diperoleh dengan jaringan RC pemindah fase; dengan demikian, bentuk gelombang yang disederhanakan dan tidak terdistorsi berfungsi dengan baik.

Pemicu SCR oleh Sirkuit Kompleks

SCR juga dapat dipicu, atau "dipecat," oleh sirkuit yang lebih kompleks. Sementara sirkuit yang ditunjukkan sebelumnya cukup untuk aplikasi sederhana seperti kontrol lampu, kontrol motor industri besar sering mengandalkan metode pemicu yang lebih canggih. Terkadang, transformator pulsa digunakan untuk memasangkan rangkaian pemicu ke gerbang dan katoda SCR untuk menyediakan isolasi listrik antara rangkaian pemicu dan daya.

Kopling transformator dari sinyal pemicu menyediakan isolasi.

Ketika beberapa SCR digunakan untuk mengontrol daya, katodanya seringkali tidak umum secara elektrik, sehingga sulit untuk menghubungkan sirkuit pemicu tunggal ke semua SCR secara merata. Contohnya adalah penyearah jembatan terkontrol yang ditunjukkan pada Gambar di bawah.

Penyearah jembatan terkontrol

Dalam setiap rangkaian penyearah jembatan, dioda penyearah (dalam contoh ini, SCR penyearah) harus berjalan dalam pasangan yang berlawanan. SCR1 dan SCR3 harus ditembakkan secara bersamaan, dan SCR2 dan SCR4 harus ditembakkan bersama sebagai pasangan. Namun, seperti yang akan Anda perhatikan, pasangan SCR ini tidak berbagi koneksi katoda yang sama, yang berarti bahwa ini tidak akan berfungsi dengan hanya memparalelkan koneksi gerbang masing-masing dan menghubungkan satu sumber tegangan untuk memicu keduanya:(Gambar di bawah)

Strategi ini tidak akan berfungsi untuk memicu SCR2 dan SCR4 sebagai pasangan.

Meskipun sumber tegangan pemicu yang ditunjukkan akan memicu SCR4, itu tidak akan memicu SCR2 dengan benar karena kedua thyristor tidak berbagi koneksi katoda umum untuk referensi tegangan pemicu itu. Trafo pulsa yang menghubungkan dua gerbang thyristor ke sumber tegangan pemicu umum akan bekerja, namun:(Gambar di bawah)

Kopel gerbang transformator memungkinkan pemicuan SCR2 dan SCR4 .

Ingatlah bahwa sirkuit ini hanya menunjukkan koneksi gerbang untuk dua dari empat SCR. Transformator pulsa dan sumber pemicu untuk SCR1 dan SCR3, serta detail dari sumber pulsa itu sendiri, telah dihilangkan demi kesederhanaan.

Penyearah jembatan terkontrol tidak terbatas pada desain fase tunggal. Di sebagian besar sistem kontrol industri, daya AC tersedia dalam bentuk tiga fase untuk efisiensi maksimum, dan sirkuit kontrol solid-state dibuat untuk memanfaatkannya. Sirkuit penyearah terkontrol tiga fase yang dibangun dengan SCR, tanpa transformator pulsa atau sirkuit pemicu yang ditampilkan, akan terlihat seperti Gambar di bawah.

Kontrol beban SCR jembatan tiga fase

TINJAUAN: Penyearah Terkendali Silikon, atau SCR, pada dasarnya adalah dioda Shockley dengan terminal tambahan yang ditambahkan. Terminal ekstra ini disebut gerbang, dan digunakan untuk memicu perangkat menjadi konduksi (mengikatnya) dengan penerapan tegangan kecil. Untuk memicu, atau menyalakan, SCR, tegangan harus diterapkan antara gerbang dan katoda, positif ke gerbang dan negatif ke katoda.

Saat menguji SCR, koneksi sesaat antara gerbang dan anoda cukup dalam polaritas, intensitas, dan durasi untuk memicunya. SCR dapat dipicu oleh pemicu yang disengaja dari terminal gerbang, tegangan yang berlebihan (breakdown) antara anoda dan katoda, atau tingkat kenaikan tegangan yang berlebihan antara anoda dan katoda. SCR dapat dimatikan oleh arus anoda yang turun di bawah nilai arus penahan (arus rendah putus) atau dengan "membalikkan" gerbang (menerapkan tegangan negatif ke gerbang). Penembakan balik hanya terkadang efektif dan selalu melibatkan arus gerbang yang tinggi.

Varian dari SCR yang disebut thyristor Gate-Turn-Off (GTO), dirancang khusus untuk dimatikan melalui pemicuan terbalik. Meskipun demikian, pemicuan balik membutuhkan arus yang cukup tinggi:biasanya 20% dari arus anoda. Terminal SCR dapat diidentifikasi dengan pengukur kontinuitas:hanya dua terminal yang menunjukkan kontinuitas di antara keduanya harus gerbang dan katoda. Terminal gerbang dan katoda terhubung ke sambungan PN di dalam SCR, sehingga pengukur kontinuitas harus mendapatkan pembacaan seperti dioda antara kedua terminal ini dengan kabel merah (+) di gerbang dan kabel hitam (-) di katoda. Namun, berhati-hatilah karena beberapa SCR besar memiliki resistor internal yang terhubung antara gerbang dan katoda, yang akan memengaruhi pembacaan kontinuitas yang dilakukan oleh meter.

SCR adalah penyearah sejati:mereka hanya mengizinkan arus melaluinya dalam satu arah. Ini berarti mereka tidak dapat digunakan sendiri untuk kontrol daya AC gelombang penuh. Jika dioda dalam rangkaian penyearah digantikan oleh SCR, Anda memiliki kemampuan untuk membuat rangkaian penyearah terkontrol, di mana daya DC ke beban dapat diproporsionalkan dengan waktu dengan memicu SCR pada titik yang berbeda di sepanjang bentuk gelombang daya AC.

LEMBAR KERJA TERKAIT:

• Lembar Kerja Thyristor