Chapter 17 : pnpn and Other Devices

 [KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

1. Pendahuluan[Back]

      Dalam sistem elektronika daya, SCR (Silicon Controlled Rectifier) atau thyristor merupakan salah satu perangkat utama dari keluarga PNPN devices. SCR banyak digunakan dalam pengendalian arus tinggi, seperti pada konversi daya AC ke DC, pengatur motor, dan sistem pemanas industri. Salah satu karakteristik penting dari SCR adalah kemampuannya untuk tetap menghantarkan arus setelah di-trigger (dinyalakan), hingga arus maju turun di bawah arus holding (holding current). Namun, pada sistem DC atau kondisi arus tetap, SCR tidak dapat padam dengan sendirinya. Oleh karena itu, diperlukan teknik untuk mematikan SCR secara eksternal, yang disebut komutasi paksa (forced commutation). Teknik ini penting untuk memastikan pengendalian daya secara tepat pada sirkuit yang tidak menyediakan komutasi alami seperti pada arus bolak-balik.

2. Tujuan[Back]

  1. Memahami prinsip kerja forced commutation pada perangkat PNPN seperti SCR.

  2. Menjelaskan alasan mengapa SCR memerlukan teknik komutasi dalam sistem DC.

  3. Mengidentifikasi berbagai metode forced commutation dan aplikasinya dalam rangkaian daya.

  4. Meningkatkan pemahaman tentang perancangan rangkaian yang dapat mematikan SCR secara aktif.

3. Alat dan Bahan[Back]

  •  Alat :
    • AC dan DC Generator

        Generator AC (Alternator) dan DC memiliki fungsi utama yang sama yaitu mengubah energi mekanik menjadi energi listrik, tetapi mereka melakukannya dengan cara yang berbeda. Generator AC menghasilkan arus bolak balik, di mana arah arus berubah secara periodik karena perubahan posisi relatif antara medan magnet dan kumparan konduktor, dan biasanya digunakan dalam distribusi daya skala besar seperti di jaringan listik umum. Di sisi lain, generator DC menghasilkan arus searah, di mana arus mengalir dalam satu arah tetap, dan lebih sering digunakan dalam aplikasi yang memerlukan arus stabil, seperti perangkat elektronik stabil dan pengisian baterai. 

    • Voltmeter 

        Voltmeter adalah alat pengukur yang digunakan untuk mengukur tegangan listrik atau perbedaan potensial antara dua titik dalam sebuah rangkaian listrik. Fungsinya adalah untuk memberikan nilai tegangan atau potensial listrik pada komponen atau rangkaian tertentu, sehingga memungkinkan pengguna untuk memonitor atau mengukur kekuatan listrik yang ada dalam sistem tersebut.

  • Bahan : 
    • Operasional Amplifier


        Operational Amplifier (Op Amp) adalah jenis amplifier elektronik yang memiliki banyak aplikasi dalam elektronika. Op Amp memiliki dua input dan satu output, di mana perbedaan tegangan antara kedua inputnya digunakan untuk mengontrol gain atau penguatan sinyal yang dikeluarkan pada outputnya. Op Amp umumnya digunakan dalam rangkaian pemrosesan sinyal, pengaturan tegangan, filter, dan banyak aplikasi lainnya dalam perangkat elektronik modern.
Karakteristik utama IC Operational Amplifier (Op Amp) :
  1. Penguatan Tegangan Open-loop (Av = ∞): Secara ideal, Op Amp memiliki penguatan tegangan open-loop yang sangat besar atau bahkan tak terhingga. Ini berarti bahwa perbedaan tegangan yang sangat kecil antara input inverting dan non-inverting dapat menghasilkan perubahan tegangan output yang sangat besar.
  2. Tegangan Offset Keluaran (Voo = 0): Secara ideal, Op Amp tidak menghasilkan tegangan offset pada keluaran ketika tegangan inputnya adalah nol. Ini berarti bahwa output Op Amp harus berada pada nol volt ketika tidak ada perbedaan tegangan di antara kedua inputnya.
  3. Impedansi Masukan (Zin = ∞): Impedansi input yang sangat tinggi atau tak terhingga berarti bahwa Op Amp tidak menarik arus dari sumber sinyal yang dihubungkan ke inputnya. Hal ini sangat penting untuk memastikan bahwa sinyal input tidak terdistorsi.
  4. Impedansi Output (Zout = 0): Impedansi output yang sangat rendah atau nol memungkinkan Op Amp untuk menggerakkan beban tanpa menyebabkan penurunan tegangan yang signifikan. Ini memastikan bahwa sinyal output tetap kuat dan tidak terpengaruh oleh beban yang terhubung.
  5. Lebar Pita (BW = ∞): Idealnya, Op Amp memiliki lebar pita yang tak terhingga, yang berarti bahwa ia dapat memperkuat sinyal pada frekuensi berapa pun tanpa kehilangan gain. Dalam praktiknya, lebar pita terbatas, tetapi sering kali cukup lebar untuk banyak aplikasi.
  6. Stabilitas Termal: Karakteristik ideal Op Amp tidak berubah dengan suhu. Ini berarti bahwa performa Op Amp tetap konsisten meskipun terjadi perubahan suhu di lingkungan sekitarnya, yang sangat penting untuk aplikasi yang membutuhkan keakuratan tinggi. 
Spesifikasi :


    •  Resistor

        Resistor digunakan untuk mengatur aliran arus listrik, membagi tegangan, melindungi komponen dari arus berlebih, mengatur waktu dalam rangkaian RC, menyaring sinyal dalam rangkaian filter, menyesuaikan tingkat tegangan, dan mengurangi noise dalam rangkaian elektronika.
Karakteristik transistor NPN secara singkat:
  1. Tiga Terminal: Memiliki tiga terminal - emitor (E), basis (B), dan kolektor (C).
  2. Polarisasi: Basis harus lebih positif dari emitor untuk mengaktifkan transistor.
  3. Arus Basis Kecil: Arus kecil di basis mengontrol arus lebih besar di kolektor.
  4. Penguatan Arus: Memiliki penguatan arus (β atau hFE), yaitu rasio antara arus kolektor dan arus basis.
  5. Saklar dan Penguat: Dapat berfungsi sebagai sakelar atau penguat sinyal.
  6. Tegangan Kolektor-Emitor: Biasanya memerlukan tegangan kolektor-emitor yang cukup tinggi untuk operasi normal.
Spesifikasi :

    • Dioda 


         Dioda adalah komponen elektronik yang berfungsi untuk mengalirkan arus listrik hanya dalam satu arah, memberikan kemampuan untuk mengendalikan arah aliran arus dalam rangkaian. Ini membuat dioda berguna dalam berbagai aplikasi seperti penyearah arus (rectifier) untuk mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC), perlindungan terhadap tegangan balik dalam rangkaian, dan sebagai pengganda tegangan dalam rangkaian daya. Selain itu, dioda digunakan dalam rangkaian logika digital, sebagai penstabil tegangan dalam regulator tegangan, dan dalam aplikasi khusus seperti dioda Zener yang digunakan untuk pengaturan tegangan tetap.

Spesifikasi :


    • Baterai 

       Baterai adalah sumber daya portabel yang menyimpan energi kimia dan mengubahnya menjadi energi listrik untuk digunakan dalam berbagai perangkat elektronik. Baterai berfungsi menyediakan daya listrik yang stabil dan berkelanjutan bagi perangkat yang tidak terhubung langsung ke sumber listrik utama, seperti ponsel, laptop, remote control, dan kendaraan listrik. Selain itu, baterai juga digunakan dalam aplikasi kritis seperti cadangan daya (UPS) untuk komputer dan sistem keamanan, serta dalam perangkat medis seperti alat pacu jantung. Dengan kemampuan untuk menyimpan dan melepaskan energi sesuai kebutuhan, baterai memainkan peran penting dalam kehidupan sehari-hari dan teknologi modern. 

    • Ground

        Ground atau tanah adalah referensi potensial nol dalam sistem listrik atau elektronik. Fungsinya adalah untuk menyediakan jalur pengembalian arus listrik yang aman ke bumi atau tanah secara fisik. Ground digunakan untuk melindungi perangkat dan pengguna dari potensi bahaya listrik seperti korsleting atau lonjakan tegangan. Selain itu, ground juga digunakan sebagai referensi potensial untuk mengukur dan memastikan stabilitas sirkuit elektronik serta untuk mengurangi noise atau gangguan dalam sinyal-sinyal elektronik.

4. Dasar Teori[Back]

Forced commutation adalah proses mematikan SCR secara paksa dengan membuat arus anoda menjadi nol, menggunakan elemen tambahan seperti kapasitor, induktor, atau transistor. Teknik ini digunakan terutama dalam sistem arus searah (DC), karena pada sistem AC, SCR dapat padam secara alami saat arus sinusoidal melewati nol. Berbagai metode forced commutation telah dikembangkan berdasarkan kebutuhan kecepatan pemutusan, efisiensi, dan kompleksitas rangkaian.

Salah satu teknik umum adalah Class A Commutation (Self Commutation), di mana kapasitor dan induktor digunakan untuk menghasilkan arus balik sesaat ke SCR sehingga mematikan konduksi. Teknik ini cocok untuk beban resistif dengan karakteristik tertentu. Class B Commutation (Complementary Commutation) menggunakan SCR kedua untuk mematikan SCR pertama dengan mengalihkan arus ke jalur lain. Sedangkan pada Class C Commutation (Auxiliary Commutation), sebuah SCR tambahan bersama kapasitor digunakan untuk menciptakan arus negatif pada katoda, menghentikan arus maju SCR utama.

Pada aplikasi industri yang lebih kompleks, digunakan juga Class D dan E, termasuk external pulse commutation, di mana sinyal kontrol dari luar dipakai untuk mengaktifkan rangkaian pemadam SCR. Dalam implementasi praktis, perancangan forced commutation harus memperhatikan waktu pemulihan SCR (turn-off time), kapasitas arus balik, serta sinkronisasi dengan beban.

Teknik forced commutation merupakan fondasi penting dalam konverter DC-DC, chopper, dan inverter, di mana kontrol penuh terhadap penyalaan dan pemadaman SCR sangat krusial. Pemahaman mendalam tentang teknik ini menjadi syarat penting dalam perancangan dan pemeliharaan sistem elektronika daya yang andal.

5. Percobaan[Back]

    a). Prosedur[Back]
  • Siapkan semua alat dan bahan yang bersangkutan, diambil dari library Proteus.
  • Letakkan semua alat dan bahan sesuai dengan posisi di mana alat dan bahan terletak.
  • Tepatkan posisi letaknya dengan gambar rangkaian.
  • Selanjutnya, hubungkan semua alat dan bahan menjadi suatu rangkaian yang utuh.
  • Lalu mencoba menjalankan rangkaian, jika tidak terjadi error, maka rangkaian bekerja.

    b). Rangkaian simulasi dan prinsip kerja[Back]

  • Prinsip Kerja Rangkaian 17.6

Rangkaian pada gambar merupakan Forced-Communication Technique yang digunakan dalam pengendalian saklar daya berbasis transistor, khususnya dalam konverter daya atau sistem switching. Prinsip kerjanya adalah untuk memaksa transistor Q1 (MPS5179) agar mati atau tidak menghantar dengan cepat setelah kondisi tertentu, melalui pengendalian basisnya menggunakan SCR (U1, S8040R) dan suplai bantu (B1 = 12V).

Ketika SCR U1 dipicu (dinyalakan), arus akan mengalir dari +15V melalui U1 dan resistor beban RL ke ground, sekaligus mengalirkan arus ke basis Q1 melalui baterai B1 (12V) dengan polaritas yang membalik basis-emitor Q1, sehingga transistor Q1 dipaksa off meskipun sebelumnya aktif. Ini disebut forced commutation, karena basis transistor dipaksa negatif terhadap emitter agar cepat berhenti menghantar. Teknik ini umum digunakan dalam rangkaian inverter dan pengendali motor untuk mengatur timing secara tepat dalam sistem switching frekuensi tinggi.

    c). Video simulasi[Back]

    • Rangkaian 17.6

6. Download file[Back]

Comments

Post a Comment

Popular posts from this blog

Image
  BAHAN PRESENTASI UNTUK MATA KULIAH ELEKTRONIKA 2023 OLEH: SHAFITRI AZZAHRA HELHID 2310952060 Dosen Pengampu: Darwison, M.T Referensi:  1. Darwison, 2010, ”TEORI, SIMULASI DAN APLIKASI ELEKTRONIKA ”, Jilid 1, ISBN: 978- 602-9081-10-7, CFerila, Padang  2. Darwison, 2010, ”TEORI, SIMULASI DAN APLIKASI ELEKTRONIKA ”, Jilid 1, ISBN: 978-   602-9081-10-7, CV Ferila, Padang 3 . Robert L. Boylestad and Louis Nashelsky, Electronic Devices and Circuit Theory, Pearson, 2013  4 . Jimmie J. Cathey, Theory and Problems of Electronic Device and Circuit, McGraw Hill, 2002.  5 . Keith Brindley, Starting Electronics, Newness 3rd Edition, 2005  6 . Ian R. Sinclair and John Dunton, Practical Electronics Handbook, Newness, 2007.  7. John M. Hughes, Practical Electronics: Components and Techniques, O’Reilly Media, 2015.  
Read more