/*Under Post -----------------------------*/ #underpost h2{ font-size:13px; font-weight:bold; color:#B8002E; border-bottom:2px solid #000000; padding-left:5px; } #underpost{ width:300px; } #underleft{ width:145px; /*lebar kolom kiri*/ float:left; margin:4px; } #underright{ width:145px; /*lebar kolom kanan*/ float:right; margin:4px; }
TukarLike.Com
Terimakasih

Sebagai tanda Penghormatan saya dan rasa Terimakasih yang sebesar - besarnya kepada Sobat - sobat semua yang telah mengituki , follow atau Join Blog saya maka saya menyajikan Kotak yang berisikan Link para Sobat - sobat semua yang bertujuan agar mempermudah atau mendekatkan antar sesama blogger. Tujuan lainnya juga agar kita bisa dengan mudah untuk saling mem Follow.... Terimakasih



Newest Post

Sunday, March 28, 2010

osilator kristal

Kristal lazimnya digunakan untuk rangkaian osilator yang menuntut stabilitas frekuensi yang tinggi dalam jangka waktu yang panjang. Alasan utamanya adalah karena perubahan nilai frekuensi kristal seiring dengan waktu, atau disebut juga dengan istilah faktor penuaan frekuensi (frequency aging), jauh lebih kecil dari pada osilator-osilator lain. Faktor penuaan frekuensi untuk kristal berkisar pada angka ±5ppm/tahun, jauh lebih baik dari pada faktor penuaan frekuensi osilator RC ataupun osilator LC yang biasanya berada diatas ±1%/tahun.

Simbol KristalSimbol KristalKristal juga mempunyai stabilitas suhu yang sangat bagus. Lazimnya, nilai koefisien suhu kristal berada dikisaran ±50ppm direntangan suhu operasi normal dari -20°C sampai dengan +70°C. Bandingkan dengan koefisien suhu kapasitor yang bisa mencapai beberapa persen. Untuk aplikasi yang menuntut stabilitas suhu yang lebih tinggi, kristal dapat dioperasikan didalam sebuah oven kecil yang dijaga agar suhunya selalu konstan.

Tatanan Fisik

Material yang mempunyai bentuk struktur kristalin, seperti quartz, mempunyai satu sifat unik yaitu mampu menghasilkan tegangan listrik ketika diberi tekanan mekanikal dan juga sebaliknya, berubah bentuk mekanikalnya ketika diberi tegangan listrik. Sifat ini dikenal dengan nama efek piezo-electric.

Sifat inilah yang dimanfaatkan untuk menghasilkan resonansi listrik-mekanik, sehingga kristal akan bergetar pada frekuensi alami tertentu jika diberi tegangan listrik bolak-balik. Frekuensi alami ini ditentukan oleh potongan dan dimensi keping kristal, yang ditetapkan pada saat pembuatan.

Karena potongan dan dimensi keping kristal dapat dikontrol secara presisi pada saat proses produksi, maka kristal mempunyai frekuensi getar alami yang sangat akurat. Akurasi kristal umumnya berada pada kisaran ±30ppm, dengan akurasi yang lebih tinggi juga tersedia walaupun harganya tentu lebih mahal.

Potongan keping kristal mengacu kepada orientasi sudut pemotongan keping kristal terhadap garis struktur kristalin, dan juga bentuk keping kristal tersebut. Ada banyak standar potongan keping kristal, yang masing-masing mempunyai karakteristik yang berbeda-beda. Sebagai contoh, potongan AT yang populer mempunyai frekuensi fundamental maksimum yang tidak terlalu tinggi dan koefisien suhu yang cukup baik (berbentuk kurva fungsi kubik). Contoh lain adalah potongan BT, yang mempunyai frekuensi fundamental maksimum yang lebih tinggi tetapi koefisien suhunya lebih buruk (berbentuk kurva parabolik).

Kristal dapat dioperasikan pada frekuensi fundamental atau salah satu dari frekuensi-frekuensi harmonik ganjil (odd harmonics) yang biasa disebut dengan istilah overtones. Frekuensi fundamental maksimum sebuah kristal ditentukan oleh potongan dan dimensi keping kristal. Semakin tinggi frekuensi fundamental sebuah kristal, semakin tipis keping kristal tersebut, sehingga keping kristal menjadi rapuh dan mudah patah. Jadi untuk mencapai spesifikasi frekuensi getar yang lebih tinggi, kristal harus beroperasi menggunakan salah satu overtone yang ada.

Walaupun quartz adalah material yang paling sering digunakan untuk membuat kristal, material lain seperti lithium-niobate, lithium-tantalate, bismuth-germanium oxide dan alumimium-phosphate juga dapat dipakai untuk membuat kristal. Material lain yang juga dapat digunakan adalah sejenis keramik yang terbuat dari padatan timbal, zirconium dan titanium dan material polimer seperti polyvinyl chloride dan difluorpolyethylene.

Rangkaian Ekuivalen

Rangkaian Ekuivalen KristalRangkaian Ekuivalen KristalDari sudut pandang bidang elektronika, tata kerja kristal dapat diilustrasikan melalui rangkaian ekuivalen yang terdiri dari dua buah kapasitor, satu buah induktor dan satu buah resistor.

Induktor L1 (motional inductance) adalah padanan dari massa keping kristal yang bergetar, kapasitor C1 (motional capacitance) adalah padanan dari kekakuan keping kristal melawan getaran dan resistor R1 adalah padanan dari energi yang hilang diserap oleh kristal karena bentuknya mengalami perubahan ketika bergetar. Kapasitor C0 (shunt capacitor) adalah kapasitansi yang terbentuk diantara dua elektroda yang mengapit potongan kristal.

Frekuensi getar alami kristal diberikan oleh persamaan berikut:
Persamaan Frekuensi Getar  AlamiUmumnya, nilai induktansi L1 adalah sangat tinggi sementara nilai kapasitansi C1 sangat rendah. Sebagai contoh, sebuah kristal yang mempunyai frekuensi getar 10MHz mempunyai nilai L1 = 0.05H, C1 = 0.0051pF, R1 = 5Ω dan C0 = 6pF.

Rasio antara nilai induktansi L1 dan kapasitansi C1 yang sangat besar, jauh melampaui nilai rasio yang lazim didapat jika menggunakan komponen biasa, sehingga nilai faktor kualitas (Q) dari kristal menjadi jauh lebih tinggi daripada rangkaian LC biasa.

Faktor kualitas sebuah kristal diberikan oleh persamaan berikut:
Persamaan Faktor  KualitasNilai faktor kualitas kristal umumnya bekisar diantara 104 sampai dengan 106, bandingkan dengan nilai faktor-kualitas rangkaian LC biasa yang hanya berkisar diangka ratusan.

Kristal dapat diterapkan pada rangkaian resonansi-seri ataupun resonansi-paralel. Pada rangkaian resonansi-seri, kristal bersifat seolah-olah terdiri dari sebuah kapasitor dan sebuah induktor yang dirangkai secara seri. Impedansi kristal akan mencapai nilai terendah, yaitu sama dengan nilai tahanan R1, pada frekuensi getar alami.

Pada rangkaian resonansi-paralel, kristal bersifat seperti terdiri dari sebuah kapasitor dan sebuah induktor yang dirangkai secara paralel. Impedansi kristal akan mencapai nilai tertinggi pada frekuensi getar alami. Perlu dicatat bahwa frekuensi getar alami sebuah kristal yang sama jika beroperasi secara resonansi-paralel adalah sedikit lebih tinggi daripada ketika dioperasikan secara resonansi-seri. Fenomena ini dikenal dengan istilah pulling, yang besarannya tergantung kepada rasio dari C1 dengan C0 dan CL.

Besarnya perubahan frekuensi yang disebabkan oleh faktor pulling ini diberikan oleh persamaan berikut:
Persamaan Faktor PullingKristal biasanya dibentuk sedemikian rupa sehingga lebih optimal jika dioperasikan pada salah satu mode tertentu, baik itu secara resonansi-seri ataupun resonansi-paralel.

Aplikasi Kristal

Osilator ColpittsOsilator ColpittsKristal dapat digunakan sebagai pengganti jajaran resonansi LC untuk hampir semua jenis rangkaian osilator, baik secara resonansi-seri maupun resonansi-paralel. Sebagai contoh adalah rangkaian osilator Colpitts yang menggunakan jajaran kristal dan kapasitor secara resonansi-seri.

Osilator PierceOsilator PierceSatu contoh lain adalah rangkaian osilator Pierce yang menggunakan jajaran kristal dan kapasitor secara resonansi-paralel pada jalur umpan-balik. Osilator Pierce ini sangat populer dan kerap digunakan karena mempunyai karakteristik stabilitas yang lebih superior dibandingkan dengan rangkaian osilator lainnya.

Osilator CMOS InverterOsilator CMOSRangkaian osilator populer lain menggunakan sebuah CMOS inverter yang menerapkan kristal pada jalur umpan-balik dari kaki output ke kaki input. Osilator ini mempunyai prinsip kerja yang serupa dengan osilator Pierce.

Rangkaian osilator klasik ini diterapkan secara luas sebagai sumber frekuensi denyut (clock frequency) pada rangkaian digital dan juga menjadi dasar cara kerja rangkaian osilator terpadu yang biasa digunakan oleh mikrokontroler.

Kedua kapasitor yang terhubung dari kaki-kaki kristal ke ground adalah kapasitor beban (load capacitance) yang perlu untuk berfungsinya rangkaian osilator ini. Nilai total kapasitor beban akan mempengaruhi frekuensi getar sebuah kristal. Efek ini juga disebut pulling, dimana perubahan nilai kapasitor beban (atau mode resonansi, seperti disebutkan diatas) dalam rangkaian osilator kristal akan merubah frekuensi getar kristal tersebut.

Pulling dapat digunakan untuk mengatur frekuensi getar kristal, walaupun hanya dalam rentangan yang terbatas. Biasanya, lembaran data kristal mencantumkan nilai nominal kapasitor beban yang tepat untuk mendapatkan spesifikasi frekuensi getar yang tertera.

Resistor R2 berfungsi untuk membatasi tingkat pasokan daya (drive level) kepada kristal. Tingkat pasokan daya yang terlalu rendah akan menyebabkan kristal gagal berosilasi dan sebaliknya, jika terlalu tinggi akan mempengaruhi stabilitas frekuensi kristal atau malah dapat menyebabkan keping kristal menjadi retak.

Kristal jenis HC49 memerlukan tingkat pasokan daya dikisaran 1mW, sedangkan kristal HC49S atau HC49SM memerlukan sekitar 100µW. Semakin besar dimensi kepingan kristal, akan semakin tinggi pasokan daya yang dibutuhkan. Tingkat pasokan daya juga dipengaruhi oleh frekuensi getar, dimana frekuensi getar yang lebih tinggi akan memerlukan pasokan daya yang lebih besar.

Kemasan Kristal

Kemasan KristalKemasan KristalKristal tersedia dalam berbagai bentuk kemasan. Kemasan yang populer adalah HC49 dan HC49S. HC49S mempunyai bentuk tapak yang sama dengan HC49, tetapi kemasannya lebih pendek. HC49S juga tersedia untuk aplikasi SMD (HC49SM), dengan kaki yang ditekuk rata dibawah dasar yang terbuat dari plastik. Kemasan SMD bentuk lain juga banyak tersedia dipasaran.

Perlu diingat bahwa kristal dengan kemasan yang berbeda akan mempunyai karakteristik yang berbeda pula. Hal ini disebabkan karena dimensi dan bentuk keping kristal tergantung kepada besarnya kemasan. Sebagai contoh, kemasan HC49 biasanya berisikan keping kristal yang berbentuk piringan, sedangkan kemasan HC49S, karena lebih pendek, berisikan keping kristal berbentuk persegi panjang.

SCR 3

Shockley diodes are curious devices, but rather limited in application. Their usefulness may be expanded, however, by equipping them with another means of latching. In doing so, each becomes true amplifying devices (if only in an on/off mode), and we refer to these as silicon-controlled rectifiers, or SCRs.

The progression from Shockley diode to SCR is achieved with one small addition, actually nothing more than a third wire connection to the existing PNPN structure: (Figure below)

The Silicon-Controlled Rectifier (SCR)

If an SCR's gate is left floating (disconnected), it behaves exactly as a Shockley diode. It may be latched by breakover voltage or by exceeding the critical rate of voltage rise between anode and cathode, just as with the Shockley diode. Dropout is accomplished by reducing current until one or both internal transistors fall into cutoff mode, also like the Shockley diode. However, because the gate terminal connects directly to the base of the lower transistor, it may be used as an alternative means to latch the SCR. By applying a small voltage between gate and cathode, the lower transistor will be forced on by the resulting base current, which will cause the upper transistor to conduct, which then supplies the lower transistor's base with current so that it no longer needs to be activated by a gate voltage. The necessary gate current to initiate latch-up, of course, will be much lower than the current through the SCR from cathode to anode, so the SCR does achieve a measure of amplification.

This method of securing SCR conduction is called triggering, and it is by far the most common way that SCRs are latched in actual practice. In fact, SCRs are usually chosen so that their breakover voltage is far beyond the greatest voltage expected to be experienced from the power source, so that it can be turned on only by an intentional voltage pulse applied to the gate.

It should be mentioned that SCRs may sometimes be turned off by directly shorting their gate and cathode terminals together, or by "reverse-triggering" the gate with a negative voltage (in reference to the cathode), so that the lower transistor is forced into cutoff. I say this is "sometimes" possible because it involves shunting all of the upper transistor's collector current past the lower transistor's base. This current may be substantial, making triggered shut-off of an SCR difficult at best. A variation of the SCR, called a Gate-Turn-Off thyristor, or GTO, makes this task easier. But even with a GTO, the gate current required to turn it off may be as much as 20% of the anode (load) current! The schematic symbol for a GTO is shown in the following illustration: (Figure below)

The Gate Turn-Off thyristor (GTO)

SCRs and GTOs share the same equivalent schematics (two transistors connected in a positive-feedback fashion), the only differences being details of construction designed to grant the NPN transistor a greater β than the PNP. This allows a smaller gate current (forward or reverse) to exert a greater degree of control over conduction from cathode to anode, with the PNP transistor's latched state being more dependent upon the NPN's than vice versa. The Gate-Turn-Off thyristor is also known by the name of Gate-Controlled Switch, or GCS.

A rudimentary test of SCR function, or at least terminal identification, may be performed with an ohmmeter. Because the internal connection between gate and cathode is a single PN junction, a meter should indicate continuity between these terminals with the red test lead on the gate and the black test lead on the cathode like this: (Figure below)

Rudimentary test of SCR

All other continuity measurements performed on an SCR will show "open" ("OL" on some digital multimeter displays). It must be understood that this test is very crude and does not constitute a comprehensive assessment of the SCR. It is possible for an SCR to give good ohmmeter indications and still be defective. Ultimately, the only way to test an SCR is to subject it to a load current.

If you are using a multimeter with a "diode check" function, the gate-to-cathode junction voltage indication you get may or may not correspond to what's expected of a silicon PN junction (approximately 0.7 volts). In some cases, you will read a much lower junction voltage: mere hundredths of a volt. This is due to an internal resistor connected between the gate and cathode incorporated within some SCRs. This resistor is added to make the SCR less susceptible to false triggering by spurious voltage spikes, from circuit "noise" or from static electric discharge. In other words, having a resistor connected across the gate-cathode junction requires that a strong triggering signal (substantial current) be applied to latch the SCR. This feature is often found in larger SCRs, not on small SCRs. Bear in mind that an SCR with an internal resistor connected between gate and cathode will indicate continuity in both directions between those two terminals: (Figure below)

Larger SCRs have gate to cathode resistor.

"Normal" SCRs, lacking this internal resistor, are sometimes referred to as sensitive gate SCRs due to their ability to be triggered by the slightest positive gate signal.

The test circuit for an SCR is both practical as a diagnostic tool for checking suspected SCRs and also an excellent aid to understanding basic SCR operation. A DC voltage source is used for powering the circuit, and two pushbutton switches are used to latch and unlatch the SCR, respectively: (Figure below)

SCR testing circuit

Actuating the normally-open "on" pushbutton switch connects the gate to the anode, allowing current from the negative terminal of the battery, through the cathode-gate PN junction, through the switch, through the load resistor, and back to the battery. This gate current should force the SCR to latch on, allowing current to go directly from cathode to anode without further triggering through the gate. When the "on" pushbutton is released, the load should remain energized.

Pushing the normally-closed "off" pushbutton switch breaks the circuit, forcing current through the SCR to halt, thus forcing it to turn off (low-current dropout).

If the SCR fails to latch, the problem may be with the load and not the SCR. A certain minimum amount of load current is required to hold the SCR latched in the "on" state. This minimum current level is called the holding current. A load with too great a resistance value may not draw enough current to keep an SCR latched when gate current ceases, thus giving the false impression of a bad (unlatchable) SCR in the test circuit. Holding current values for different SCRs should be available from the manufacturers. Typical holding current values range from 1 milliamp to 50 milliamps or more for larger units.

For the test to be fully comprehensive, more than the triggering action needs to be tested. The forward breakover voltage limit of the SCR could be tested by increasing the DC voltage supply (with no pushbuttons actuated) until the SCR latches all on its own. Beware that a breakover test may require very high voltage: many power SCRs have breakover voltage ratings of 600 volts or more! Also, if a pulse voltage generator is available, the critical rate of voltage rise for the SCR could be tested in the same way: subject it to pulsing supply voltages of different V/time rates with no pushbutton switches actuated and see when it latches.

In this simple form, the SCR test circuit could suffice as a start/stop control circuit for a DC motor, lamp, or other practical load: (Figure below)

DC motor start/stop control circuit

Another practical use for the SCR in a DC circuit is as a crowbar device for overvoltage protection. A "crowbar" circuit consists of an SCR placed in parallel with the output of a DC power supply, for placing a direct short-circuit on the output of that supply to prevent excessive voltage from reaching the load. Damage to the SCR and power supply is prevented by the judicious placement of a fuse or substantial series resistance ahead of the SCR to limit short-circuit current: (Figure below)

Crowbar circuit used in DC power supply

Some device or circuit sensing the output voltage will be connected to the gate of the SCR, so that when an overvoltage condition occurs, voltage will be applied between the gate and cathode, triggering the SCR and forcing the fuse to blow. The effect will be approximately the same as dropping a solid steel crowbar directly across the output terminals of the power supply, hence the name of the circuit.

Most applications of the SCR are for AC power control, despite the fact that SCRs are inherently DC (unidirectional) devices. If bidirectional circuit current is required, multiple SCRs may be used, with one or more facing each direction to handle current through both half-cycles of the AC wave. The primary reason SCRs are used at all for AC power control applications is the unique response of a thyristor to an alternating current. As we saw, the thyratron tube (the electron tube version of the SCR) and the DIAC, a hysteretic device triggered on during a portion of an AC half-cycle will latch and remain on throughout the remainder of the half-cycle until the AC current decreases to zero, as it must to begin the next half-cycle. Just prior to the zero-crossover point of the current waveform, the thyristor will turn off due to insufficient current (this behavior is also known as natural commutation) and must be fired again during the next cycle. The result is a circuit current equivalent to a "chopped up" sine wave. For review, here is the graph of a DIAC's response to an AC voltage whose peak exceeds the breakover voltage of the DIAC: (Figure below)

DIAC bidirectional response

With the DIAC, that breakover voltage limit was a fixed quantity. With the SCR, we have control over exactly when the device becomes latched by triggering the gate at any point in time along the waveform. By connecting a suitable control circuit to the gate of an SCR, we can "chop" the sine wave at any point to allow for time-proportioned power control to a load.

Take the circuit in Figure below as an example. Here, an SCR is positioned in a circuit to control power to a load from an AC source.

SCR control of AC power

Being a unidirectional (one-way) device, at most we can only deliver half-wave power to the load, in the half-cycle of AC where the supply voltage polarity is positive on the top and negative on the bottom. However, for demonstrating the basic concept of time-proportional control, this simple circuit is better than one controlling full-wave power (which would require two SCRs).

With no triggering to the gate, and the AC source voltage well below the SCR's breakover voltage rating, the SCR will never turn on. Connecting the SCR gate to the anode through a standard rectifying diode (to prevent reverse current through the gate in the event of the SCR containing a built-in gate-cathode resistor), will allow the SCR to be triggered almost immediately at the beginning of every positive half-cycle: (Figurebelow)

Gate connected directly to anode through a diode; nearly complete half-wave current through load.

We can delay the triggering of the SCR, however, by inserting some resistance into the gate circuit, thus increasing the amount of voltage drop required before enough gate current triggers the SCR. In other words, if we make it harder for electrons to flow through the gate by adding a resistance, the AC voltage will have to reach a higher point in its cycle before there will be enough gate current to turn the SCR on. The result is in Figure below.

Resistance inserted in gate circuit; less than half-wave current through load.

With the half-sine wave chopped up to a greater degree by delayed triggering of the SCR, the load receives less average power (power is delivered for less time throughout a cycle). By making the series gate resistor variable, we can make adjustments to the time-proportioned power: (Figure below)

Increasing the resistance raises the threshold level, causing less power to be delivered to the load. Decreasing the resistance lowers the threshold level, causing more power to be delivered to the load.

Unfortunately, this control scheme has a significant limitation. In using the AC source waveform for our SCR triggering signal, we limit control to the first half of the waveform's half-cycle. In other words, it is not possible for us to wait until after the wave's peak to trigger the SCR. This means we can turn down the power only to the point where the SCR turns on at the very peak of the wave: (Figure below)

Circuit at minimum power setting

Raising the trigger threshold any more will cause the circuit to not trigger at all, since not even the peak of the AC power voltage will be enough to trigger the SCR. The result will be no power to the load.

An ingenious solution to this control dilemma is found in the addition of a phase-shifting capacitor to the circuit: (Figure below)

Addition of a phase-shifting capacitor to the circuit

The smaller waveform shown on the graph is voltage across the capacitor. For the sake of illustrating the phase shift, I'm assuming a condition of maximum control resistance where the SCR is not triggering at all with no load current, save for what little current goes through the control resistor and capacitor. This capacitor voltage will be phase-shifted anywhere from 0o to 90o lagging behind the power source AC waveform. When this phase-shifted voltage reaches a high enough level, the SCR will trigger.

With enough voltage across the capacitor to periodically trigger the SCR, the resulting load current waveform will look something like Figurebelow)

Phase-shifted signal triggers SCR into conduction.

Because the capacitor waveform is still rising after the main AC power waveform has reached its peak, it becomes possible to trigger the SCR at a threshold level beyond that peak, thus chopping the load current wave further than it was possible with the simpler circuit. In reality, the capacitor voltage waveform is a bit more complex that what is shown here, its sinusoidal shape distorted every time the SCR latches on. However, what I'm trying to illustrate here is the delayed triggering action gained with the phase-shifting RC network; thus, a simplified, undistorted waveform serves the purpose well.

SCRs may also be triggered, or "fired," by more complex circuits. While the circuit previously shown is sufficient for a simple application like a lamp control, large industrial motor controls often rely on more sophisticated triggering methods. Sometimes, pulse transformers are used to couple a triggering circuit to the gate and cathode of an SCR to provide electrical isolation between the triggering and power circuits: (Figurebelow)

Transformer coupling of trigger signal provides isolation.

When multiple SCRs are used to control power, their cathodes are often not electrically common, making it difficult to connect a single triggering circuit to all SCRs equally. An example of this is the controlled bridge rectifier shown in Figure below.

Controlled bridge rectifier

In any bridge rectifier circuit, the rectifying diodes (in this example, the rectifying SCRs) must conduct in opposite pairs. SCR1 and SCR3 must be fired simultaneously, and SCR2 and SCR4 must be fired together as a pair. As you will notice, though, these pairs of SCRs do not share the same cathode connections, meaning that it would not work to simply parallel their respective gate connections and connect a single voltage source to trigger both: (Figure below)

This strategy will not work for triggering SCR2 and SCR4 as a pair.

Although the triggering voltage source shown will trigger SCR4, it will not trigger SCR2 properly because the two thyristors do not share a common cathode connection to reference that triggering voltage. Pulse transformers connecting the two thyristor gates to a common triggering voltage source will work, however: (Figure below)

Transformer coupling of the gates allows triggering of SCR2 and SCR4 .

Bear in mind that this circuit only shows the gate connections for two out of the four SCRs. Pulse transformers and triggering sources for SCR1and SCR3, as well as the details of the pulse sources themselves, have been omitted for the sake of simplicity.

Controlled bridge rectifiers are not limited to single-phase designs. In most industrial control systems, AC power is available in three-phase form for maximum efficiency, and solid-state control circuits are built to take advantage of that. A three-phase controlled rectifier circuit built with SCRs, without pulse transformers or triggering circuitry shown, would look like Figure below.

Three-phase bridge SCR control of load

SCR 2

hyristor berakar kata dari bahasa Yunani yang berarti ‘pintu'. Dinamakan demikian barangkali karena sifat dari komponen ini yang mirip dengan pintu yang dapat dibuka dan ditutup untuk melewatkan arus listrik. Ada beberapa komponen yang termasuk thyristor antara lain PUT (programmable uni-junction transistor), UJT (uni-junction transistor ), GTO (gate turn off switch), photo SCR dan sebagainya. Namun pada kesempatan ini, yang akan kemukakan adalah komponen-komponen thyristor yang dikenal dengan sebutan SCR (silicon controlled rectifier), TRIAC dan DIAC. Pembaca dapat menyimak lebih jelas bagaimana prinsip kerja serta aplikasinya.

Struktur Thyristor

Ciri-ciri utama dari sebuah thyristor adalah komponen yang terbuat dari bahan semiconductor silicon. Walaupun bahannya sama, tetapi struktur P-N junction yang dimilikinya lebih kompleks dibanding transistor bipolar atau MOS. Komponen thyristor lebih digunakan sebagai saklar (switch) ketimbang sebagai penguat arus atau tegangan seperti halnya transistor.

Gambar-1 : Struktur Thyristor

Struktur dasar thyristor adalah struktur 4 layer PNPN seperti yang ditunjukkan pada gambar-1a. Jika dipilah, struktur ini dapat dilihat sebagai dua buah struktur junction PNP dan NPN yang tersambung di tengah seperti pada gambar-1b. Ini tidak lain adalah dua buah transistor PNP dan NPN yang tersambung pada masing-masing kolektor dan base. Jika divisualisasikan sebagai transistor Q1 dan Q2, maka struktur thyristor ini dapat diperlihatkan seperti pada gambar-2 yang berikut ini.

Gambar-2 : visualisasi dengan transistor

Terlihat di sini kolektor transistor Q1 tersambung pada base transistor Q2 dan sebaliknya kolektor transistor Q2 tersambung pada base transistor Q1. Rangkaian transistor yang demikian menunjukkan adanya loop penguatan arus di bagian tengah. Dimana diketahui bahwa Ic = b Ib, yaitu arus kolektor adalah penguatan dari arus base.

Jika misalnya ada arus sebesar Ib yang mengalir pada base transistor Q2, maka akan ada arus Ic yang mengalir pada kolektor Q2. Arus kolektor ini merupakan arus base Ib pada transistor Q1, sehingga akan muncul penguatan pada pada arus kolektor transistor Q1. Arus kolektor transistor Q1 tdak lain adalah arus base bagi transistor Q2. Demikian seterusnya sehingga makin lama sambungan PN dari thyristor ini di bagian tengah akan mengecil dan hilang. Tertinggal hanyalah lapisan P dan N dibagian luar.

Jika keadaan ini tercapai, maka struktur yang demikian todak lain adalah struktur dioda PN (anoda-katoda) yang sudah dikenal. Pada saat yang demikian, disebut bahwa thyristor dalam keadaan ON dan dapat mengalirkan arus dari anoda menuju katoda seperti layaknya sebuah dioda.

Gambar-3 : Thyristor diberi tegangan

Bagaimana kalau pada thyristor ini kita beri beban lampu dc dan diberi suplai tegangan dari nol sampai tegangan tertentu seperti pada gambar 3. Apa yang terjadi pada lampu ketika tegangan dinaikkan dari nol. Ya betul, tentu saja lampu akan tetap padam karena lapisan N-P yang ada ditengah akan mendapatkan reverse-bias (teori dioda). Pada saat ini disebut thyristor dalam keadaan OFF karena tidak ada arus yang bisa mengalir atau sangat kecil sekali. Arus tidak dapat mengalir sampai pada suatu tegangan reverse-bias tertentu yang menyebabkan sambungan NP ini jenuh dan hilang. Tegangan ini disebut tegangan breakdown dan pada saat itu arus mulai dapat mengalir melewati thyristor sebagaimana dioda umumnya. Pada thyristor tegangan ini disebut tegangan breakover Vbo.

SCR

Telah dibahas, bahwa untuk membuat thyristor menjadi ON adalah dengan memberi arus trigger lapisan P yang dekat dengan katoda. Yaitu dengan membuat kaki gate pada thyristor PNPN seperti pada gambar-4a. Karena letaknya yang dekat dengan katoda, bisa juga pin gate ini disebut pin gate katoda (cathode gate). Beginilah SCR dibuat dan simbol SCR digambarkan seperti gambar-4b. SCR dalam banyak literatur disebut Thyristor saja.

Gambar-4 : Struktur SCR

Melalui kaki (pin) gate tersebut memungkinkan komponen ini di trigger menjadi ON, yaitu dengan memberi arus gate. Ternyata dengan memberi arus gate Ig yang semakin besar dapat menurunkan tegangan breakover (Vbo) sebuah SCR. Dimana tegangan ini adalah tegangan minimum yang diperlukan SCR untuk menjadi ON. Sampai pada suatu besar arus gate tertentu, ternyata akan sangat mudah membuat SCR menjadi ON. Bahkan dengan tegangan forward yang kecil sekalipun. Misalnya 1 volt saja atau lebih kecil lagi. Kurva tegangan dan arus dari sebuah SCR adalah seperti yang ada pada gambar-5 yang berikut ini.

Gambar-5 : Karakteristik kurva I-V SCR

Pada gambar tertera tegangan breakover Vbo, yang jika tegangan forward SCR mencapai titik ini, maka SCR akan ON. Lebih penting lagi adalah arus Ig yang dapat menyebabkan tegangan Vbo turun menjadi lebih kecil. Pada gambar ditunjukkan beberapa arus Ig dan korelasinya terhadap tegangan breakover. Pada datasheet SCR, arus trigger gate ini sering ditulis dengan notasi IGT (gate trigger current). Pada gambar ada ditunjukkan juga arusIh yaitu arus holding yang mempertahankan SCR tetap ON. Jadi agar SCR tetap ON maka arus forward dari anoda menuju katoda harus berada di atas parameter ini.

Sejauh ini yang dikemukakan adalah bagaimana membuat SCR menjadi ON. Pada kenyataannya, sekali SCR mencapai keadaan ON maka selamanya akan ON, walaupun tegangan gate dilepas atau di short ke katoda. Satu-satunya cara untuk membuat SCR menjadi OFF adalah dengan membuat arus anoda-katoda turun dibawah arus Ih (holding current). Pada gambar-5 kurva I-V SCR, jika arus forward berada dibawah titik Ih, maka SCR kembali pada keadaan OFF. Berapa besar arus holding ini, umumnya ada di dalam datasheet SCR.

Cara membuat SCR menjadi OFF tersebut adalah sama saja dengan menurunkan tegangan anoda-katoda ke titik nol. Karena inilah SCR atau thyristor pada umumnya tidak cocok digunakan untuk aplikasi DC. Komponen ini lebih banyak digunakan untuk aplikasi-aplikasi tegangan AC, dimana SCR bisa OFF pada saat gelombang tegangan AC berada di titik nol.

Ada satu parameter penting lain dari SCR, yaitu VGT. Parameter ini adalah tegangan trigger pada gate yang menyebabkab SCR ON. Kalau dilihat dari model thyristor pada gambar-2, tegangan ini adalah tegangan Vbe pada transistor Q2. VGT seperti halnya Vbe, besarnya kira-kira 0.7 volt. Seperti contoh rangkaian gambar-8 berikut ini sebuah SCR diketahui memiliki IGT = 10 mA dan VGT = 0.7 volt. Maka dapat dihitung tegangan Vin yang diperlukan agar SCR ini ON adalah sebesar :

Vin = Vr + VGT

Vin = IGT(R) + VGT = 4.9 volt

Gambar-8 : Rangkaian SCR

TRIAC

Boleh dikatakan SCR adalah thyristor yang uni-directional, karena ketika ON hanya bisa melewatkan arus satu arah saja yaitu dari anoda menuju katoda. Struktur TRIAC sebenarnya adalah sama dengan dua buah SCR yang arahnya bolak-balik dan kedua gate-nya disatukan. Simbol TRIAC ditunjukkan pada gambar-6. TRIAC biasa juga disebut thyristor bi-directional.

Gambar-6 : Simbol TRIAC

TRIAC bekerja mirip seperti SCR yang paralel bolak-balik, sehingga dapat melewatkan arus dua arah. Kurva karakteristik dari TRIAC adalah seperti pada gambar-7 berikut ini.

Gambar-7 : Karakteristik kurva I-V TRIAC

Pada datasheet akan lebih detail diberikan besar parameter-parameter seperti Vbo dan -Vbo, lalu IGT dan -IGT, Ih serta -Ih dan sebagainya. Umumnya besar parameter ini simetris antara yang plus dan yang minus. Dalam perhitungan desain, bisa dianggap parameter ini simetris sehingga lebih mudah di hitung.

DIAC

Kalau dilihat strukturnya seperti gambar-8a, DIAC bukanlah termasuk keluarga thyristor, namun prisip kerjanya membuat ia digolongkan sebagai thyristor. DIAC dibuat dengan struktur PNP mirip seperti transistor. Lapisan N pada transistor dibuat sangat tipis sehingga elektron dengan mudah dapat menyeberang menembus lapisan ini. Sedangkan pada DIAC, lapisan N di buat cukup tebal sehingga elektron cukup sukar untuk menembusnya. Struktur DIAC yang demikian dapat juga dipandang sebagai dua buah dioda PN dan NP, sehingga dalam beberapa literatur DIAC digolongkan sebagai dioda.

Gambar-8 : Struktur dan simbol DIAC

Sukar dilewati oleh arus dua arah, DIAC memang dimaksudkan untuk tujuan ini. Hanya dengan tegangan breakdown tertentu barulah DIAC dapat menghantarkan arus. Arus yang dihantarkan tentu saja bisa bolak-balik dari anoda menuju katoda dan sebaliknya. Kurva karakteristik DIAC sama seperti TRIAC, tetapi yang hanya perlu diketahui adalah berapa tegangan breakdown-nya.

Simbol dari DIAC adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar-8b. DIAC umumnya dipakai sebagai pemicu TRIAC agar ON pada tegangan input tertentu yang relatif tinggi. Contohnya adalah aplikasi dimmer lampu yang berikut pada gambar-9.

Gambar 9 : Rangkaian Dimmer

Jika diketahui IGT dari TRIAC pada rangkaian di atas 10 mA dan VGT = 0.7 volt. Lalu diketahui juga yang digunakan adalah sebuah DIAC dengan Vbo= 20 V, maka dapat dihitung TRIAC akan ON pada tegangan :

V = IGT(R)+Vbo+VGT = 120.7 V

Gambar-10 : Sinyal keluaran TRIAC

Pada rangkaian dimmer, resistor R biasanya diganti dengan rangkaian seri resistor dan potensiometer. Di sini kapasitor C bersama rangkaian R digunakan untuk menggeser phasa tegangan VAC. Lampu dapat diatur menyala redup dan terang, tergantung pada saat kapan TRIAC di picu.

--ooo--

SCR 1

Silicon Controlled Rectifier (SCR)

The SILICON CONTROLLED RECTIFIER, usually referred to as an SCR, is one of the family of semiconductors that includes transistors and diodes. A drawing of an SCR and its schematic representation is shown in views A and B of figure 3-17. Not all SCRs use the casing shown, but this is typical of most of the high-power units.

Figure 3-17A. - Silicon controlled rectifier.

Figure 3-17B. - Silicon controlled rectifier.

Although it is not the same as either a diode or a transistor, the SCR combines features of both. Circuits using transistors or rectifier diodes may be greatly improved in some instances through the use of SCRs.

The basic purpose of the SCR is to function as a switch that can turn on or off small or large amounts of power. It performs this function with no moving parts that wear out and no points that require replacing. There can be a tremendous power gain in the SCR; in some units a very small triggering current is able to switch several hundred amperes without exceeding its rated abilities. The SCR can often replace much slower and larger mechanical switches. It even has many advantages over its more complex and larger electron tube equivalent, the thyratron.

The SCR is an extremely fast switch. It is difficult to cycle a mechanical switch several hundred times a minute; yet, some SCRs can be switched 25,000 times a second. It takes just microseconds (millionths of a second) to turn on or off these units. Varying the time that a switch is on as compared to the time that it is off regulates the amount of power flowing through the switch. Since most devices can operate on pulses of power (alternating current is a special form of alternating positive and negative pulse), the SCR can be used readily in control applications. Motor-speed controllers, inverters, remote switching units, controlled rectifiers, circuit overload protectors, latching relays, and computer logic circuits all use the SCR.

The SCR is made up of four layers of semiconductor material arranged PNPN. The construction is shown in view A of figure 3-18. In function, the SCR has much in common with a diode, but the theory of operation of the SCR is best explained in terms of transistors.

Figure 3-18A. - SCR structure.

Consider the SCR as a transistor pair, one PNP and the other NPN, connected as shown in views B and C. The anode is attached to the upper P-layer; the cathode, C, is part of the lower N-layer; and the gate terminal, G, goes to the P-layer of the NPN triode.

Figure 3-18B. - SCR structure.

Transistor

Transistor adalah alat semikonduktor yang dipakai sebagai penguat, sebagai sirkuit pemutus dan penyambung (switching), stabilisasi tegangan, modulasi sinyal atau sebagai fungsi lainnya. Transistor dapat berfungsi semacam kran listrik, dimana berdasarkan arus inputnya (BJT) atau tegangan inputnya (FET), memungkinkan pengaliran listrik yang sangat akurat dari sirkuit sumber listriknya.

Transistor through-hole (dibandingkan dengan pita ukur sentimeter)

Pada umumnya, transistor memiliki 3 terminal. Tegangan atau arus yang dipasang di satu terminalnya mengatur arus yang lebih besar yang melalui 2 terminal lainnya. Transistor adalah komponen yang sangat penting dalam dunia elektronik modern. Dalam rangkaian analog, transistor digunakan dalam amplifier (penguat). Rangkaian analog melingkupi pengeras suara, sumber listrik stabil, dan penguat sinyal radio. Dalam rangkaian-rangkaian digital, transistor digunakan sebagai saklar berkecepatan tinggi. Beberapa transistor juga dapat dirangkai sedemikian rupa sehingga berfungsi sebagai logic gate, memori, dan komponen-komponen lainnya.

Daftar isi

[sembunyikan]

[sunting]Cara kerja semikonduktor

Pada dasarnya, transistor dan tabung vakum memiliki fungsi yang serupa; keduanya mengatur jumlah aliran arus listrik.

Untuk mengerti cara kerja semikonduktor, misalkan sebuah gelas berisi air murni. Jika sepasang konduktor dimasukan kedalamnya, dan diberikan tegangan DC tepat dibawah teganganelektrolisis (sebelum air berubah menjadi Hidrogen dan Oksigen), tidak akan ada arus mengalir karena air tidak memiliki pembawa muatan (charge carriers). Sehingga, air murni dianggap sebagai isolator. Jika sedikit garam dapur dimasukan ke dalamnya, konduksi arus akan mulai mengalir, karena sejumlah pembawa muatan bebas (mobile carriers, ion) terbentuk. Menaikan konsentrasi garam akan meningkatkan konduksi, namun tidak banyak. Garam dapur sendiri adalah non-konduktor (isolator), karena pembawa muatanya tidak bebas.

Silikon murni sendiri adalah sebuah isolator, namun jika sedikit pencemar ditambahkan, seperti Arsenik, dengan sebuah proses yang dinamakan doping, dalam jumlah yang cukup kecil sehingga tidak mengacaukan tata letak kristal silikon, Arsenik akan memberikan elektron bebas dan hasilnya memungkinkan terjadinya konduksi arus listrik. Ini karena Arsenik memiliki 5 atom di orbit terluarnya, sedangkan Silikon hanya 4. Konduksi terjadi karena pembawa muatan bebas telah ditambahkan (oleh kelebihan elektron dari Arsenik). Dalam kasus ini, sebuah Silikon tipe-n (n untuk negatif, karena pembawa muatannya adalah elektron yang bermuatan negatif) telah terbentuk.

Selain dari itu, silikon dapat dicampur dengan Boron untuk membuat semikonduktor tipe-p. Karena Boron hanya memiliki 3 elektron di orbit paling luarnya, pembawa muatan yang baru, dinamakan "lubang" (hole, pembawa muatan positif), akan terbentuk di dalam tata letak kristal silikon.

Dalam tabung hampa, pembawa muatan (elektron) akan dipancarkan oleh emisi thermionic dari sebuah katode yang dipanaskan oleh kawat filamen. Karena itu, tabung hampa tidak bisa membuat pembawa muatan positif (hole).

Dapat disimak bahwa pembawa muatan yang bermuatan sama akan saling tolak menolak, sehingga tanpa adanya gaya yang lain, pembawa-pembawa muatan ini akan terdistribusi secara merata di dalam materi semikonduktor. Namun di dalam sebuah transistor bipolar (atau diode junction) dimana sebuah semikonduktor tipe-p dan sebuah semikonduktor tipe-n dibuat dalam satu keping silikon, pembawa-pembawa muatan ini cenderung berpindah ke arah sambungan P-N tersebut (perbatasan antara semikonduktor tipe-p dan tipe-n), karena tertarik oleh muatan yang berlawanan dari seberangnya.

Kenaikan dari jumlah pencemar (doping level) akan meningkatkan konduktivitas dari materi semikonduktor, asalkan tata-letak kristal silikon tetap dipertahankan. Dalam sebuah transistor bipolar, daerah terminal emiter memiliki jumlah doping yang lebih besar dibandingkan dengan terminal basis. Rasio perbandingan antara doping emiter dan basis adalah satu dari banyak faktor yang menentukan sifat penguatan arus (current gain) dari transistor tersebut.

Jumlah doping yang diperlukan sebuah semikonduktor adalah sangat kecil, dalam ukuran satu berbanding seratus juta, dan ini menjadi kunci dalam keberhasilan semikonduktor. Dalam sebuah metal, populasi pembawa muatan adalah sangat tinggi; satu pembawa muatan untuk setiap atom. Dalam metal, untuk mengubah metal menjadi isolator, pembawa muatan harus disapu dengan memasang suatu beda tegangan. Dalam metal, tegangan ini sangat tinggi, jauh lebih tinggi dari yang mampu menghancurkannya. Namun, dalam sebuah semikonduktor hanya ada satu pembawa muatan dalam beberapa juta atom. Jumlah tegangan yang diperlukan untuk menyapu pembawa muatan dalam sejumlah besar semikonduktor dapat dicapai dengan mudah. Dengan kata lain, listrik di dalam metal adalah inkompresible (tidak bisa dimampatkan), seperti fluida. Sedangkan dalam semikonduktor, listrik bersifat seperti gas yang bisa dimampatkan. Semikonduktor dengan doping dapat dirubah menjadi isolator, sedangkan metal tidak.

Gambaran di atas menjelaskan konduksi disebabkan oleh pembawa muatan, yaitu elektron atau lubang, namun dasarnya transistor bipolar adalah aksi kegiatan dari pembawa muatan tersebut untuk menyebrangi daerah depletion zone. Depletion zone ini terbentuk karena transistor tersebut diberikan tegangan bias terbalik, oleh tegangan yang diberikan di antara basis dan emiter. Walau transistor terlihat seperti dibentuk oleh dua diode yang disambungkan, sebuah transistor sendiri tidak bisa dibuat dengan menyambungkan dua diode. Untuk membuat transistor, bagian-bagiannya harus dibuat dari sepotong kristal silikon, dengan sebuah daerah basis yang sangat tipis.

[sunting]Cara kerja transistor

Dari banyak tipe-tipe transistor modern, pada awalnya ada dua tipe dasar transistor, bipolar junction transistor (BJT atau transistor bipolar) dan field-effect transistor (FET), yang masing-masing bekerja secara berbeda.

Transistor bipolar dinamakan demikian karena kanal konduksi utamanya menggunakan dua polaritas pembawa muatan: elektron dan lubang, untuk membawa arus listrik. Dalam BJT, arus listrik utama harus melewati satu daerah/lapisan pembatas dinamakan depletion zone, dan ketebalan lapisan ini dapat diatur dengan kecepatan tinggi dengan tujuan untuk mengatur aliran arus utama tersebut.

FET (juga dinamakan transistor unipolar) hanya menggunakan satu jenis pembawa muatan (elektron atau hole, tergantung dari tipe FET). Dalam FET, arus listrik utama mengalir dalam satu kanal konduksi sempit dengan depletion zone di kedua sisinya (dibandingkan dengan transistor bipolar dimana daerah Basis memotong arah arus listrik utama). Dan ketebalan dari daerah perbatasan ini dapat dirubah dengan perubahan tegangan yang diberikan, untuk mengubah ketebalan kanal konduksi tersebut. Lihat artikel untuk masing-masing tipe untuk penjelasan yang lebih lanjut.

[sunting]Jenis-jenis transistor

BJT symbol PNP.svgPNPJFET symbol P.pngP-channel
BJT symbol NPN.svgNPNJFET symbol N.pngN-channel
BJTJFET
Simbol Transistor dari Berbagai Tipe

Secara umum, transistor dapat dibeda-bedakan berdasarkan banyak kategori:

  • Materi semikonduktor: Germanium, Silikon, Gallium Arsenide
  • Kemasan fisik: Through Hole Metal, Through Hole Plastic, Surface Mount, IC, dan lain-lain
  • Tipe: UJT, BJT, JFET, IGFET (MOSFET), IGBT, HBT, MISFET, VMOSFET, MESFET, HEMT, SCR serta pengembangan dari transistor yaituIC (Integrated Circuit) dan lain-lain.
  • Polaritas: NPN atau N-channel, PNP atau P-channel
  • Maximum kapasitas daya: Low Power, Medium Power, High Power
  • Maximum frekwensi kerja: Low, Medium, atau High Frequency, RF transistor, Microwave, dan lain-lain
  • Aplikasi: Amplifier, Saklar, General Purpose, Audio, Tegangan Tinggi, dan lain-lain

[sunting]BJT

BJT (Bipolar Junction Transistor) adalah salah satu dari dua jenis transistor. Cara kerja BJT dapat dibayangkan sebagai dua dioda yang terminal positif atau negatifnya berdempet, sehingga ada tiga terminal. Ketiga terminal tersebut adalah emiter (E), kolektor (C), dan basis (B).

Perubahan arus listrik dalam jumlah kecil pada terminal basis dapat menghasilkan perubahan arus listrik dalam jumlah besar pada terminal kolektor. Prinsip inilah yang mendasari penggunaan transistor sebagai penguat elektronik. Rasio antara arus pada koletor dengan arus pada basis biasanya dilambangkan dengan β atau hFE. β biasanya berkisar sekitar 100 untuk transistor-transisor BJT.

[sunting]FET

FET dibagi menjadi dua keluarga: Junction FET (JFET) dan Insulated Gate FET (IGFET) atau juga dikenal sebagai Metal Oxide Silicon (atau Semiconductor) FET (MOSFET). Berbeda dengan IGFET, terminal gate dalam JFET membentuk sebuah dioda dengan kanal (materi semikonduktor antara Source dan Drain). Secara fungsinya, ini membuat N-channel JFET menjadi sebuah versi solid-state dari tabung vakum, yang juga membentuk sebuah dioda antara antara grid dan katode. Dan juga, keduanya (JFET dan tabung vakum) bekerja di "depletion mode", keduanya memiliki impedansi input tinggi, dan keduanya menghantarkan arus listrik dibawah kontrol tegangan input.

FET lebih jauh lagi dibagi menjadi tipe enhancement mode dan depletion mode. Mode menandakan polaritas dari tegangan gate dibandingkan dengan source saat FET menghantarkan listrik. Jika kita ambil N-channel FET sebagai contoh: dalam depletion mode, gate adalah negatif dibandingkan dengan source, sedangkan dalam enhancement mode, gate adalah positif. Untuk kedua mode, jika tegangan gate dibuat lebih positif, aliran arus di antara source dan drain akan meningkat. Untuk P-channel FET, polaritas-polaritas semua dibalik. Sebagian besar IGFET adalah tipe enhancement mode, dan hampir semua JFET adalah tipe depletion mode.

Read more: http://www.japarus.com/2012/03/cara-menambah-rating-bintang-di.html#ixzz2Ln7si4u6
▲Top▲