Rangkaian Thyristor

Thyristor adalah perangkat solid-state berkecepatan tinggi yang dapat digunakan untuk mengontrol motor, pemanas dan lampu.

Dalam artikel sebelumnya kita telah melihat konstruksi dasar dan operasi SCR yang lebih dikenal sebagai Thyristor. Kali ini kita akan melihat bagaimana kita dapat menggunakan thyristor untuk mengontrol beban yang lebih besar seperti lampu, motor, atau pemanas dll.

Kami mengatakan sebelumnya bahwa untuk membuat Thyristor hidup atau "ON" kita perlu menyuntikkan pulsa pemicu kecil dari arus (bukan arus kontinu) ke terminal Gerbang (G) ketika thyristor berada di arah maju, dimana Anode, (A), lebih positif terhadap Katoda, (K), agar penguncian regeneratif terjadi.

Gambar: Contoh Thyristor daya besar

Secara umum, pulsa pemicu ini hanya membutuhkan waktu dalam beberapa mikro-detik tetapi semakin lama pulsa Gerbang diterapkan semakin cepat proses saling memberi dalam internal terjadi dan semakin cepat waktu "ON" thyristor, tetapi arus Gerbang maksimum tidak boleh terlampaui. Setelah pemicuan dan berjalan sepenuhnya, tegangan jatuh antara Anode terhadap katoda cukup konstan di sekitar 1,0V untuk semua nilai arus Anode maksimum sesuai dengan nilai beban.

Tapi ingat bahwa sekali Thyristor mulai "ON" maka ia akan tetap "ON" bahkan seandainya sinyal  pemicu pada Gerbang dihentikan, sampai arus Anoda berkurang di bawah angka "holding current", (IH, yakni arus minimum yang membuat thyristor tetap konduksi) dan di bawah nilai ini secara otomatis akan thyristor akan mati atau "OFF". Maka tidak seperti transistor bipolar dan FET, thyristor tidak dapat digunakan sebagai penguat atau sahlar yang dikendalikan.

Thyristor adalah perangkat semikonduktor yang dirancang khusus untuk digunakan dalam aplikasi switching daya tinggi dan tidak memiliki kemampuan penguat. Thyristor hanya dapat beroperasi dalam mode switching, bertindak seperti saklar terbuka atau tertutup. Setelah dipicu ke konduksi oleh terminal gerbang, suatu thyristor akan tetap melewatkan. Oleh karena itu di sirkuit DC dan beberapa sirkuit AC yang sangat induktif arus harus dikurangi secara artifisial dengan sakelar terpisah atau dengan mematikan rangkaian.

Rangkaian Thyristor DC

Ketika terhubung ke sumber tegangan DC atau arus searah, thyristor dapat digunakan sebagai saklar DC untuk mengontrol arus dan beban DC yang lebih besar. Saat menggunakan Thyristor sebagai sakelar, ia berperilaku seperti kait elektronik karena sekali diaktifkan akan tetap dalam status "ON" hingga disetel ulang secara manual. Simak rangkaian DC thyristor di bawah ini.

Rangkaian Saklar Thyristor DC

Rangkaian thyristor "on-off" sederhana ini menggunakan thyristor sebagai saklar untuk mengendalikan nyala lampu, tetapi juga dapat digunakan sebagai sirkuit kontrol on-off untuk motor, pemanas atau beban DC lainnya. Thyristor akan dipicu ke konduksi dengan menutup sebentar tombol "ON" yang biasanya terbuka (Normally Open), S1 yang menghubungkan terminal Gate ke suplai DC melalui resistor Gate, RG sehingga memungkinkan arus mengalir ke Gate. Jika nilai resistansi RG terlalu besar sehubungan dengan tegangan suplai, thyristor mungkin tidak terpicu.

Setelah sirkuit telah dinyalakan atau "ON", ia mengunci sendiri dan tetap "ON" bahkan ketika tombol push S1 dilepas dengan memberikan arus beban lebih dari thyristor yang menahan arus. Pengoperasian tambahan tombol push, S1 tidak akan berpengaruh pada keadaan sirkuit karena begitu "terkunci" Gerbang kehilangan semua kontrol. Thyristor sekarang sepenuhnya "ON" (konduksi) memungkinkan arus rangkaian muatan penuh mengalir melalui perangkat ke arah depan dan kembali ke pasokan baterai.

Salah satu keuntungan utama menggunakan thyristor sebagai saklar di sirkuit DC adalah memiliki penguatan arus yang sangat tinggi. Thyristor adalah perangkat yang dioperasikan dengan menggunakan arus Gerbang yang sangat kecil tetapi dapat mengontrol arus anoda yang jauh lebih besar.

Resistor Gerbang-Katoda RGK umumnya disertakan untuk mengurangi sensitivitas Gerbang dan meningkatkan kemampuan dv / dt sehingga mencegah masuknya pemicu palsu kepada perangkat.

Karena thyristor telah mengunci sendiri ke keadaan "ON", sirkuit hanya dapat diatur ulang dengan mengganggu catu daya dan mengurangi arus Anoda di bawah nilai minimum holding current thyristor (IH).

Untuk meng- "OFF" kan thyristor, caranya adalah dengan menekan tombol tekan “OFF” yaitu tombol S2 yang merupakan jenis saklar NC (Normally Closed) yang dalam keadaan normal, tertutup. Dengan menekan S2, maka hal itu akan memutus arus Anoda atau arus beban rangkaian, yakni mengurangi arus sirkuit yang mengalir melalui Thyristor menjadi nol, sehingga memaksa thyristor untuk mati atau “OFF” .

Namun, salah satu kelemahan dari desain sirkuit thyristor DC ini adalah sakelar "OFF" yakni S2 harus mempunyai kemampuan mekanis yang cukup besar untuk menangani daya rangkaian yang mengalir melalui thyristor dan lampu saat kontak dibuka. Jika demikian, kita harus menggunakan thyristor dengan saklar mekanis besar. Salah satu cara untuk mengatasi masalah ini dan mengurangi kebutuhan untuk saklar "OFF" yang lebih besar dan lebih kuat adalah dengan menghubungkan saklar secara paralel dengan thyristor seperti yang ditunjukkan pada rangkaian di bawah ini.

Alternatif Rangkaian Thyristor DC

Di sini saklar thyristor menerima tegangan terminal dan sinyal pulsa Gerbang yang diperlukan seperti sebelumnya, tetapi saklar yang lebih besar yang biasanya tertutup dari sirkuit sebelumnya telah digantikan oleh saklar terbuka normal yang lebih kecil secara paralel dengan thyristor. Pengaktifan sakelar S2 sejenak menerapkan hubungan pendek antara thyristor Anode dan Cathode yang menghentikan perangkat dari melakukan dengan mengurangi arus penahanan di bawah nilai minimum.

Rangkaian Thyristor AC

Ketika terhubung ke pasokan AC arus bolak-balik, thyristor berperilaku berbeda dari sirkuit terhubung DC sebelumnya. Ini karena daya AC membalik polaritas secara berkala dan oleh karena itu setiap thyristor yang digunakan dalam rangkaian AC akan secara otomatis menjadi bias balik sehingga menyebabkan "OFF" selama satu setengah dari setiap siklus. Simak rangkaian AC thyristor di bawah ini.

Rangkaian Thyristor AC

Sirkuit penembakan thyristor di atas serupa dalam desain dengan sirkuit SCR DC kecuali untuk kelalaian sakelar "OFF" tambahan dan dimasukkannya dioda D1 yang mencegah bias balik diterapkan ke Gerbang. Selama setengah siklus positif dari bentuk gelombang sinusoidal, perangkat bias maju tetapi dengan saklar S1 terbuka, arus gerbang nol diterapkan ke thyristor dan tetap "OFF". Pada setengah siklus negatif, perangkat bias terbalik dan akan tetap "OFF" terlepas dari kondisi saklar S1.

Jika sakelar S1 ditutup, pada awal setiap setengah siklus positif, thyristor sepenuhnya "MATI" tetapi segera setelah itu akan ada tegangan pemicu positif yang cukup dan oleh karena itu arus yang ada di Gerbang untuk memutar thyristor dan lampu "ON".

Thyristor sekarang terkunci - "ON" selama durasi setengah siklus positif dan secara otomatis akan mematikan "OFF" ketika setengah siklus positif berakhir dan arus Anoda turun di bawah nilai saat ini memegang.

Selama setengah siklus negatif berikutnya, perangkat sepenuhnya "MATI" sampai setengah siklus positif berikut ketika proses berulang dan thyristor melakukan lagi selama saklar ditutup.

Kemudian dalam kondisi ini lampu hanya akan menerima setengah dari daya yang tersedia dari sumber AC sebagai thyristor bertindak seperti dioda penyearah, dan melakukan arus hanya selama setengah siklus positif ketika maju bias. Thyristor terus memasok setengah daya ke lampu sampai saklar dibuka.

Jika dimungkinkan untuk dengan cepat menghidupkan sakelar S1 ON dan OFF, sehingga thyristor menerima sinyal Gate pada titik "puncak" (90o) dari setiap setengah siklus positif, perangkat hanya akan melakukan setengah dari setengah positif siklus. Dengan kata lain, konduksi hanya akan terjadi selama satu setengah dari setengah gelombang sinus dan kondisi ini akan menyebabkan lampu menerima "seperempat" atau seperempat dari total daya yang tersedia dari sumber AC.

Dengan memvariasikan secara akurat hubungan waktu antara pulsa Gerbang dan setengah siklus positif, Thyristor dapat dibuat untuk memasok persentase daya apa pun yang diinginkan untuk beban, antara 0% dan 50%. Jelas, dengan menggunakan konfigurasi rangkaian ini, ia tidak dapat memasok daya lebih dari 50% ke lampu, karena tidak dapat melakukan selama setengah siklus negatif ketika bias terbalik. Pertimbangkan rangkaian di bawah ini.

Kontrol Fase Setengah Gelombang

Kontrol fase adalah bentuk paling umum dari kontrol daya AC thyristor dan rangkaian kontrol fase AC dasar dapat dibangun seperti yang ditunjukkan di atas. Di sini tegangan Gerbang thyristor diturunkan dari sirkuit pengisian RC melalui dioda pemicu, D1.

Selama setengah siklus positif ketika thyristor maju bias, kapasitor, C mengisi melalui resistor R1 mengikuti tegangan pasokan AC. Gerbang diaktifkan hanya ketika tegangan pada titik A telah meningkat cukup untuk menyebabkan dioda pemicu D1, untuk melakukan dan kapasitor dilepaskan ke Gerbang thyristor memutarnya "ON". Durasi waktu di setengah positif dari siklus di mana konduksi dimulai dikendalikan oleh konstanta waktu RC yang ditetapkan oleh resistor variabel, R1.

Peningkatan nilai R1 memiliki efek menunda tegangan pemicu dan arus yang dipasok ke Gerbang thyristor yang pada gilirannya menyebabkan kelambatan waktu konduksi perangkat. Akibatnya, fraksi setengah siklus di mana perangkat melakukan dapat dikontrol antara 0 dan 180o, yang berarti bahwa daya rata-rata yang dihamburkan oleh lampu dapat disesuaikan. Namun, thyristor adalah perangkat searah sehingga hanya daya maksimum 50% yang dapat diberikan selama setiap setengah siklus positif.

Ada berbagai cara untuk mencapai kontrol AC gelombang penuh 100% menggunakan "thyristor". Salah satu caranya adalah memasukkan satu thyristor ke dalam rangkaian penyearah jembatan dioda yang mengubah AC menjadi arus searah melalui thyristor sementara metode yang lebih umum adalah dengan menggunakan dua thyristor yang terhubung secara paralel terbalik. Pendekatan yang lebih praktis adalah dengan menggunakan Triac tunggal karena perangkat ini dapat dipicu di kedua arah, sehingga membuatnya cocok untuk aplikasi switching AC.