Chapter 17

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan
2. Tujuan
3. Alat dan Bahan
4. Dasar Teori
5. Example
6. Problem
7. Pilihan Ganda
8. Percobaan
9. Link Download

SUB-CHAPTER 17.6 : SILICON-CONTROLLED SWITCH

1. Pendahuluan [Kembali]

   Dalam perkembangan elektronika daya modern, komponen semikonduktor dengan struktur berlapis memegang peranan vital dalam sistem pensaklaran dan kendali daya. Salah satu komponen yang dikembangkan untuk mengatasi keterbatasan komponen konvensional adalah Silicon-Controlled Switch (SCS). SCS merupakan device empat lapis (pnpn) yang memiliki fleksibilitas tinggi karena seluruh lapisan semikonduktornya dapat diakses secara eksternal melalui terminal bawaannya, yaitu Anode, Cathode, Anode Gate, dan Cathode Gate.

Karakteristik utama yang membedakan SCS dari Silicon-Controlled Rectifier (SCR) standar adalah kemampuannya untuk dinyalakan (turn-on) maupun dimatikan (turn-off) secara aktif melalui kedua terminal gate tersebut. Keunggulan operasional ini, termasuk waktu pemutusan yang sangat cepat (1 μs hingga 10 μs) serta sensitivitas pemicuan yang lebih dapat diprediksi, menjadikan SCS pilihan ideal untuk aplikasi berkecepatan tinggi seperti rangkaian alarm sensitif dan rangkaian logika digital, meskipun aplikasinya saat ini masih terbatas pada level daya, arus, dan tegangan yang relatif rendah.

2. Tujuan [Kembali]

• Mengenal struktur dan prinsip kerja komponen PNPN (SCR).
• Memahami kondisi penyalaan dan pemadaman (trigger dan turn-off) pada PNPN.
• Menganalisis karakteristik arus-tegangan (V-I) dari komponen PNPN.
• Mengamati fungsi PNPN sebagai saklar elektronik dalam rangkaian daya.
• Memahami implementasi praktis SCS dalam sistem elektronika, salah satunya pada rangkaian alarm sensitif suhu, cahaya, atau radiasi (menggunakan resistor sensoris ) 

3. Alat dan Bahan [Kembali]

1. Software Proteus

    Proteus adalah perangkat lunak simulasi elektronik yang digunakan untuk merancang, menguji, dan memvisualisasikan rangkaian elektronik secara virtual. Software ini mendukung simulasi berbagai komponen, termasuk mikrokontroler, sehingga memudahkan pengguna dalam merancang dan menguji sistem tanpa perlu merakitnya secara fisik terlebih dahulu.

2. Generator DC

    Generator DC (sering disebut sebagai DC Voltage Source Generator) adalah sebuah komponen virtual yang berfungsi sebagai sumber tegangan arus searah (DC) yang konstan. Komponen ini digunakan untuk memberikan suplai tegangan atau sinyal input DC ke dalam rangkaian yang sedang disimulasikan.

3. Resistor

    Resistor adalah komponen elektronik pasif yang berfungsi untuk menghambat aliran arus listrik dalam suatu rangkaian. Nilai hambatan pada resistor dinyatakan dalam satuan ohm (Ω). Resistor digunakan untuk mengatur arus, membagi tegangan, serta melindungi komponen lain dari arus berlebih. 

Spesifikasi 

5. Probe Voltage

    Probe voltage adalah alat ukur virtual yang digunakan dalam simulasi rangkaian elektronik untuk mengamati atau memantau nilai tegangan pada titik tertentu. Alat ini berfungsi tanpa memengaruhi jalannya rangkaian dan umumnya digunakan dalam perangkat lunak simulasi seperti Proteus. Probe voltage memungkinkan pengguna melihat perubahan tegangan secara langsung selama simulasi, baik dalam bentuk angka maupun grafik, sehingga memudahkan analisis dan evaluasi kinerja rangkaian.

6. Relay

    

    Relay adalah sakelar elektrik yang berfungsi untuk mengontrol aliran listrik dalam rangkaian menggunakan sinyal listrik lainnya. Secara umum, relay terdiri dari kumparan (koil) yang, saat dialiri arus, akan menghasilkan medan magnet yang menarik atau melepaskan kontak sakelar untuk menghubungkan atau memutuskan aliran listrik di rangkaian lain. Relay sering digunakan untuk mengendalikan perangkat listrik berdaya besar menggunakan sinyal listrik berdaya kecil, misalnya dalam sistem otomasi, kontrol motor, dan perangkat elektronik lainnya.

7. Silicon Controlled Rectifier

    SCR (Silicon Controlled Rectifier) adalah komponen semikonduktor yang termasuk dalam keluarga thyristor dan berfungsi sebagai saklar elektronik yang hanya menghantar arus dalam satu arah saat diberikan sinyal pemicu pada terminal gate-nya. SCR memiliki tiga terminal utama, yaitu anoda (A), katoda (K), dan gate (G). Dalam kondisi normal, SCR berada dalam keadaan off (tidak menghantar), meskipun diberi tegangan maju antara anoda dan katoda. Namun, saat sinyal kecil diberikan ke gate, SCR akan berubah menjadi kondisi on dan mulai menghantarkan arus dari anoda ke katoda. Setelah aktif, SCR tetap menghantar meskipun sinyal gate dihilangkan, dan hanya bisa dimatikan dengan memutus arus utama atau membalik polaritas tegangan.

Pin Out :

Spesifikasi :

1. Memiliki 3 terminal: Emitter (E), Base1 (B1), dan Base2 (B2)
2. Tegangan suplai basis (VBB): hingga 30–60 V
3. Tegangan pemicu (Vp): sekitar 0,6–0,8 × VBB
4. Arus pemicu (Ip): beberapa mikroampere hingga miliampere
5. Resistansi antar basis (RBB): sekitar 4 kΩ – 10 kΩ
6. Tidak berfungsi sebagai penguat, tetapi sebagai saklar/pemicu
7. Memiliki karakteristik resistansi negatif
8. Konsumsi daya sangat rendah
9. Cocok untuk osilator, pemicu SCR, dan rangkaian pewaktu

Kurva karakteristik :

8. Resistor Variabel 11.5 kΩ

    Resistor variabel Berfungsi sebagai pengatur threshold / ambang batas sensitivitas. Jika R' diperbesar maka  Vgate sulit naik, sehingga sensor harus berubah lebih besar untuk memicu
Jika R' diperkecil rangkaian akan lebih sensitif.

9. Buzzer

    Buzzer adalah komponen elektronika yang berfungsi mengubah energi listrik menjadi energi suara. Buzzer sering digunakan sebagai alarm, indikator peringatan, bel elektronik, timer, dan berbagai sistem notifikasi lainnya.

    Pada rangkaian ini, buzzer adalah output akustik terakhir dari rantai deteksi: Sensor → SCR → Relay → Buzzer. Tanpa buzzer, alarm hanya aktif secara elektris tanpa ada pemberitahuan yang bisa didengar.

10. Button

    Button (sering disebut push button switch atau tombol tekan) adalah saklar yang digunakan untuk menyambung atau memutus aliran listrik secara sementara ketika ditekan.

    Pada rangkaian ini, Button digunakan untuk tombol reset saat alarm berbunyi. SCR tidak bisa dimatikan dengan gate setelah latch ON. Satu-satunya cara adalah dengan memutus arus anoda hingga di bawah holding current. Saat tombol ditekan rangkaian akan terbuka sesaat sehinngga I_anode = 0 dan SCR kembali OFF

11. Ground

    Ground dalam elektronik adalah titik referensi tegangan dalam suatu rangkaian, biasanya dianggap memiliki tegangan nol volt. Ground berfungsi sebagai jalur kembali arus listrik dan sebagai acuan untuk mengukur tegangan komponen lain dalam rangkaian.

4. Dasar Teori [Kembali]

Silicon Controlled Switch (SCS)

       Silicon-controlled switch (SCS), seperti halnya silicon-controlled rectifier (SCR), perangkat empat lapis pnpn. Keempat lapisan semikonduktor pada SCS dapat diakses karena adanya gerbang anoda (anode gate), seperti ditunjukkan pada gambar.

       Karakteristik perangkat ini pada dasarnya sama dengan SCR. Pengaruh arus gerbang anoda sangat mirip dengan pengaruh arus gerbang. Semakin besar arus gerbang anoda, semakin kecil tegangan anoda-ke-katoda yang diperlukan untuk menghidupkan perangkat.Sambungan gerbang anoda dapat digunakan untuk menghidupkan maupun mematikan perangkat. Untuk menghidupkan perangkat, pulsa negatif harus diberikan pada terminal gerbang anoda, sedangkan pulsa positif diperlukan untuk mematikan perangkat. Kebutuhan jenis pulsa tersebut dapat dijelaskan menggunakan rangkaian pada gambar.

Pulsa negatif pada gerbang anoda akan membuat sambungan basis-emitor transistor Q₁ menjadi bias maju sehingga transistor tersebut aktif. Arus kolektor IC₁ yang besar kemudian akan mengaktifkan Q₂, menghasilkan aksi regeneratif dan menyebabkan SCS berada pada kondisi ON (menyala).Sebaliknya, pulsa positif pada gerbang anoda akan memberikan bias balik pada sambungan basis-emitor Q₁, mematikannya dan menyebabkan perangkat berada pada kondisi OFF (terbuka/open-circuit).

Secara umum, arus gerbang anoda yang diperlukan untuk mengaktifkan (turn-on) perangkat lebih besar daripada arus gerbang katoda yang diperlukan. Pada salah satu contoh perangkat SCS, arus pemicu gerbang anoda adalah 1,5 mA, sedangkan arus gerbang katoda yang diperlukan hanya 1 μA.

Arus gerbang yang diperlukan untuk menghidupkan perangkat pada kedua terminal dipengaruhi oleh banyak faktor, termasuk:

• Suhu operasi
• Tegangan anoda-ke-katoda
• Jenis dan posisi beban
• Jenis hubungan katoda-gerbang-ke-katoda
• Hubungan anoda-gerbang-ke-anoda (hubung singkat, rangkaian terbuka, bias, beban, dan sebagainya)

    Tiga dari jenis rangkaian pemutus (turn-off) yang paling mendasar untuk SCS ditunjukkan pada Gambar. 17.16. Ketika sebuah pulsa diterapkan ke transformator pada Gambar. 17.16a, transistor akan menghantarkan arus secara kuat, menghasilkan karakteristik impedansi rendah antara kolektor dan emitor. Cabang berimpedansi rendah ini mengalihkan arus anoda menjauh dari SCS, menurunkannya di bawah nilai arus genggam (holding value) dan akibatnya mematikan SCS. Demikian pula, pulsa positif pada anode gate pada Gambar. 17.16b akan mematikan SCS melalui mekanisme yang dijelaskan sebelumnya pada bagian ini. Rangkaian pada Gambar. 17.16c dapat dimatikan atau dinyalakan oleh pulsa dengan magnitudo yang tepat pada cathode gate.

    Karakteristik pemutusan ini hanya dimungkinkan jika nilai  yang tepat digunakan. Ini akan mengontrol jumlah umpan balik regeneratif, di mana nilai magnitudonya sangat kritis untuk jenis operasi ini. Perhatikan berbagai variasi posisi di mana resistor beban  dapat ditempatkan. Ada sejumlah kemungkinan lain, yang dapat ditemukan dalam buku panduan atau manual semikonduktor yang komprehensif.

    Salah satu keunggulan SCS dibandingkan dengan SCR sepadan adalah berkurangnya waktu pemutusan (turn-off time), yang biasanya berada dalam kisaran 1 μs hingga 10 μs untuk SCS dan 5 μs hingga 30 μs untuk SCR. Beberapa keunggulan SCS lainnya dibandingkan SCR meliputi peningkatan kontrol dan sensitivitas pemicuan serta situasi penyalaan (firing) yang lebih dapat diprediksi. Namun, pada saat ini, SCS masih terbatas pada peringkat daya, arus, dan tegangan yang rendah. Arus anoda maksimum tipikal berkisar antara 100 mA hingga 300 mA dengan peringkat disipasi daya berada pada kisaran 100 mW hingga 500 mW. 

5. Example [Kembali]

example 1

example 2

example 3

6. Problem [Kembali]

Jawab :

a. Persamaan tegangan gate terhadap ground ()

Karena dan membentuk pembagi tegangan antara +12 V dan −12 V, arus yang mengalir adalah:

Tegangan gate terhadap ground adalah:

Substitusi nilai :

atau dapat ditulis:

b. Nilai ketika

Jika , maka:

Jadi:

c. Tentukan agar tegangan turn-on = 2 V jika

SCR mulai menyala saat:

Gunakan persamaan bagian (a):

Menyederhanakan:

d. Saat alarm menyala, berapa arus yang melalui relay?

Ketika SCR ON, arus mengalir dari +12 V melalui relay dan SCR ke ground.

Tegangan SCR saat ON biasanya sangat kecil (≈1 V), sehingga:

(Jika tegangan jatuh SCR diabaikan, arusnya menjadi 60 mA.)

e. Pada V, berapa arus dc maksimum melalui resistor rate-effect?

Resistor rate-effect = 100 kΩ terhubung dari +12 V ke anoda SCR.

Ketika:

maka seluruh 12 V berada pada resistor 100 kΩ.

Dengan Hukum Ohm:

f. Saat tombol reset diaktifkan, apakah ada kemungkinan timbul lonjakan tegangan (spike)?

Ya, ada. Relay merupakan beban induktif. Ketika tombol reset ditekan, arus relay diputus secara tiba-tiba.

Menurut hubungan:

induktor akan menghasilkan tegangan balik (back EMF) yang bisa sangat tinggi. Akibatnya:

• dapat merusak SCR,
• menyebabkan trigger palsu,
• menghasilkan percikan pada kontak saklar reset.

7. Pilihan Ganda [Kembali]

1.     Pada rangkaian alarm SCR, komponen yang berfungsi sebagai saklar elektronik yang akan tetap ON setelah dipicu adalah ....

A. Relay
B. SCR
C. Resistor
D. Saklar reset

Jawaban: B. SCR

2.     Jika , maka tegangan gate terhadap ground () adalah ....

A. +12 V
B. −12 V
C. 0 V
D. 24 V

Jawaban: C. 0 V

3.     Ketika tombol reset ditekan, kumparan relay dapat menghasilkan tegangan lonjakan (spike) karena relay merupakan beban ....

A. Resistif
B. Kapasitif
C. Induktif
D. Semikonduktor

Jawaban: C. Induktif

8. Percobaan [Kembali]

Fig. 17.19

A. Langkah - langkah Percobaan

1.     Buka Proteus, buat skema baru

Tambahkan komponen : 

·       SCR RELAY-12V 

·      RESC2012X50 (Resistor)

·       POT-HG 

·       BUZZER 

·       BUTTON

·       Pasang generator DC +12V dan -12V.

2.     Hubungkan komponen sesuai Fig 17.19

+12V → Reset Button → Relay Coil → Anode SCR → Cathode SCR → R' → −12V. Gate SCR dihubungkan ke titik tengah pembagi tegangan RS dan R'.

3.     Pasang buzzer pada kontak NO relay

Kontak NO relay dihubungkan ke +12V, lalu ke + Buzzer. Terminal − Buzzer ke GND. Pastikan tegangan buzzer sesuai (5V atau 12V).

Saat relay OFF → kontak NO terbuka → buzzer diam

4.     Set nilai komponen awal

RS = 15 kΩ

R' Potensiometer = 10kΩ

R1 = 100kΩ (paralel gate-katoda SCR).

B. Prinsip Kerja :

Prinsip Pembagi Tegangan (Voltage Divider)

V_gate = V_supply × Rₛ / (Rₛ + R_var)

 

1.     Kondisi Normal — Gate ≈ 0 V

Ketika tidak ada rangsangan eksternal, Rₛ = Rvar, sehingga kedua resistor memiliki tegangan 12 V yang sama. Potensial cathode gate mendekati 0 V — SCS tetap dalam kondisi OFF, alarm tidak berbunyi.

2.     Deteksi Rangsangan — Rₛ Menurun

Saat suhu/cahaya/radiasi meningkat, Rₛ menurun. Ini mengubah rasio pembagi tegangan. Potensial pada cathode gate mulai naik melampaui ambang batas yang ditetapkan oleh potensiometer R.

3.     SCS Forward-Biased — Konduksi Dimulai

Ketika V_gate > V_threshold, junction SCS menjadi forward-biased. SCS beralih ke kondisi ON dan mulai mengalirkan arus dari anoda ke katoda. Relay 200 Ω terenergisasi dan alarm aktif.

4.     Proteksi Rate Effect — 100 kΩ

Resistor 100 kΩ membatasi kapasitansi stray antara gate. Tanpanya, transien frekuensi tinggi dapat menginjeksikan arus basis yang cukup untuk memicu SCS secara tidak sengaja — fenomena ini disebut rate effect.

5.     Reset Manual — Alarm Dimatikan

Menekan tombol Reset membuka jalur konduksi SCS. Arus anoda turun ke nol, SCS kembali ke kondisi OFF. Sistem siap mendeteksi ancaman berikutnya.

Catatan Penting

Rate Effect — Pemicuan Tidak Sengaja

Rate effect terjadi ketika kapasitansi antar gate menyebabkan arus bocor akibat transien tegangan tinggi frekuensi tinggi. Arus ini dapat melewati persimpangan dan memicu SCS meskipun tidak ada sinyal sensor yang valid. Resistor 100 kΩ berfungsi meredam efek ini dengan membatasi aliran arus tersebut.

Video Percobaan :

9. Link Download [Kembali]

Download Proteus Fig. 17.19 [disini]