pengertian kapasitor dan fungsinya

Gambar jenis-jenis kapasitor

FUNGSI JENIS-JENIS DAN PENGERTIAN KAPASITOR

Kapasitor adalah suatu komponen elektronika yang berfungsi untuk menyimpan arus listrik dalam bentuk muatan, selain itu kapasitor juga dapat digunakan sebagai penyaring frekuensi. Kapasitas untuk menyimpan kemampuan kapasitor dalam muatan listrik disebut Farad (F) sedangkan simbol dari kapasitor adalah C (kapasitor).  sebuah kapasitor pada dasarnya terbuat dari dua buah lempengan logam yang saling sejajar satu sama lain dan diantara kedua logam tersebut terdapat bahan isolator yang sering disebut dielektrik.

Bahan dielektrik tersebut dapat mempengaruhi nilai dari kapasitansi kapasitor tersebut. adapun bahan dielektrik yang paling sering dipakai adalah keramik, kertas, udara, metal film dan lain-lain. Kapasitor sering juga disebut sebagai kondensator. Kapasitor memiliki berbagai macam bentuk dan ukuran, tergantung dari kapasitas, tegangan kerja, dan lain sebagainya.

Suatu kapasitor mempunyai satuan yaitu Farad (F), yang menemukan adalah Michael Faraday(1791-1867) pada dasarnya kapasitor dibagi menjadi 2 bagian yaitu kapasitor Polar dan Non Polar, berikut penjelasanya :
1. Kapasitor Polar adalah kapasitor yang kedua kutubnya mempunyai polaritas positif dan negatif, biasanya kapasitor Polar bahan dielektriknya terbuat dari elketrolit dan biasanya kapasitor ini mempnyai nilai kapasitansi yang besar dibandingkan dengan kapasitor yang menggunakan bahan dielektrik kertas atau mika atau keramik.Lihat pada gambar di bawah.

2. Kapasitor Non Polar adalah kapasitor yang yang pada kutubnya tidak mempunyai polaritas artinya pada kutup kutupnya dapat dipakai secara berbalik. biasanya kapasitor ini mempunyai nilai kapasitansi yang kecil dan bahan dielektriknya terbuat dari keramik, mika dll.

Satuan-satuan yang sering dipakai untuk kapasitor adalah :

* 1 Farad = 1.000.000 µF (mikro Farad).

* 1 µFarad = 1.000 nF (nano Farad).

* 1 nFarad = 1.000 pF (piko Farad).

Sifat dasar sebuah kapasitor adalah dapat menyimpan muatan listrik, dan kapasitor juga mempunyai sifat tidak dapat dilalui arus DC (direct Current) dan dapat dilalui arus AC (alternating current) dan juga dapat berfungsi sebagai impedansi (resistansi yang nilainya tergantung dari frekuensi yang diberikan). kapasitor berdasarkan nilai kapasitansinya dibagi menjadi 2 bagian:
a. kapasitor tetap adalah seperti yang telah saya jelaskan diatas.
b. kapasitor variable adalah kapasitor yang dapat diubah nilainya. Biasanya kapasitor ini digunakan sebagai tuning pada sebuah radio. Ada 2 macam kapasitor variable yaitu varco (variable Capacitor) dengan inti udara dan varaktor ( dioda varaktor). Pada dasarnya varaktor adalah sebuah Dioda tetapi dipasang terbalik, dioda varaktor dapat mengubah kapasitansi dengan memberikan tegangan reverse kepada ujung anoda dan katodanya. Biasanya varaktor digunakan sebagai tuning pada radio digital dengan fasilitas auto search.

Fungsi kapasitor pada rangkaian elektronika biasanya adalah sebagai berikut:
1. Kapasitor sebagai kopling, dilihat dari sifat dasar kapasitor yaitu dapat dilalui arus ac dan tidak dapat dilalui arus dc dapat dimanfaatkan untuk memisahkan 2 buah rangkaian yang saling tidak berhubungan secara dc tetapi masih berhubungan secara ac(signal), artinya sebuah kapasitor berfungsi sebagai kopling atau penghubng antara 2 rangkaian yang berbeda.

2. Kapasitor berfungsi sebagai filter pada sebuah rangkaian power supply, yang saya maksud disini adalah kapasitor sebagai ripple filter, disini sifat dasar kapasitor yaitu dapat menyimpan muatan listrik yang berfungsi untuk memotong tegangan ripple.

3. Kapasitor sebagai penggeser fasa.

4. Kapasitor sebagai pembangkit frekuensi pada rangkaian oscilator.

5. Kapasitor digunakan juga untuk mencegah percikan bunga api pada sebuah saklar.

Penemu Kapasitor

Kapasitor ditemukan oleh penemu kapasitor yang bernama Michael Faraday (1791 – 1867) dan untuk mengenang jasanya maka satuan Kapasitor disebut “Farad” yang berasal dari nama sang penemu. Pernahkah terlintas dibenak anda ”Kok dinamai Kondesator??” mengapa kapasitor sampai mempunyai nama lain kondensator?? adalah karena pada masa itu pada tahun 1782 dunia masih kuat akan pengaruh dari ilmuan kimiawi lainnya yaitu Alessandro Volta, yang berkebangsaan italia. Dimana pada masa tersebut segala komponen yang berkenaan dengan kemampuan untuk menyimpan suatu muatan listrik yang tinggi dibanding komponen lainnya ia sebut dengan nama Condensatore (Bahasa Italia).

Jadi itulah mengapa kondensator nama lain dari kapasitor.

Pengenalan Kapasitor

- Terdiri atas dua keping konduktor yang ruang diantaranya diisi oleh dielektrik (penyekat)

- Besaran kapasitor adalah Kapasitas.

- Satuan SI dari kapasitas adalah farad (F)

Cara Kerja Kapasitor 

Cara kerja kapasitor dalam sebuah rangkaian adalah dengan mengalirkan elektron menuju kapasitor. Pada saat kapasitor sudah di penuhi dengan elektron, tegangan akan mengalami perubahan. Selanjutnya, elektron akan keluar dari sebuah kapasitor dan mengalir menuju rangkaian yang membutuhkannya. Dengan begitu, kapasitor akan membangkitkan reaktif suatu rangkaian.

Kapasitas Kapasitor

Kapasitas adalah ukuran kemampuan atau daya tumpang kapasitor untuk menyimpan muatan listrik untuk beda potensial yang diberikan.

Rumus Kapasitas Kapasitor

C = q / V

1 farad = 1 couloumb / volt

Kapasitor Pelat Sejajar

Memperbesar Kapasitansi Kapasitor

Memperbesar luas pelat

Agar ukuran kapasitor tidak terlalu besar maka kedua pelat dibatasi dengan lapisan tipis isolator.

Memperkecil jarak antar pelat

Kapasitansi dapat diperbesar dengan cara ini tetapi , dapat menimbulkan kebocoran disebabkan jarak antar pelat yang sangatkecil.

Menggunakan bahan dielektrik

Bahan dielektrik yang digunakan adalah bahan dengan konstanta dielektrik tinggi sebagai lapisan pemisah dua pelat

Rangkaian Kapasitor Seri 

Kapasitas Ekuivalen Seri 

V = q ( 1/C1 + 1/C2 )

Rumus Kapasitas Seri

Kebalikan dari kapasitor ekivalen dari susunan seri kapasitor sama dengan jumlah kebalikan dari tiap - tiap kapasitas.

Rangkaian Kapasitor Paralel 

Kapasitas Ekuivalen Paralel

q = ( C1 + C2 ) V

Rumus Kapasitor Paralel 

Kapasitas ekivalen dari susunan paralel sama dengan jumlah tiap -tiap kapasitas.

pengertian tyristor dan fungsinya

PENDAHULUAN

 Thyristor merupakan salah satu devais semikonduktor daya yang paling penting dan telah digunakan secara ekstensif pada rangkaian elektronika daya.Thyristor biasanya digunakan sebagai saklar/bistabil,beroperasi antara keadaan non konduksi ke konduksi.Pada banyak aplikasi,thyristor dapt diasumsikan sebagai saklar ideal akan tetapi dalam prakteknya thyristor memiliki batasan dan karakteristik tertentu.

KARAKTERISTIK THYRISTOR

 Thyristor merupakan devais semikonduktor 4 lapisan berstruktur pnpn dengan tiga pn-junction.devais ini memiliki 3 terminal: anode,katode dan gerbang.Thyristor dibuat melalui proses difusi.

 Ketika tegangan anode dibuat lebih positif dibandingkan dengan katode,sambungan J1 dan J3 berada pada kondisi forward bias.Sambungan J2 berada pada kondisi reverse bias,dan akan mengalir arus bocor yang kecil antara anode ke katode.Pada kondisi ini thyristor dikatakan pada kondisi forward blocking stau kondisi off-state,dan arus bocor dikenal sebagai arus off-state ID.Jika tegangan anode ke katode VAK ditingkatkan hingga suatu tegangan tertentu,sambungan J2 akan bocor.

Hal ini dikenal dengan avalanche breakdown dan tegangan VAK tersebut dikenal sebagai forward breakdown voltage,VBO .Dan karena J1 dan J3 sudah berada pada kondisi forward bias,maka akan terdapat lintasan pembawa muatan bebas melewati ketiga sambungan,yang akan menghasilkan arus anode yang besar.Thyristor pada kondisi ini disebut berada pada keadaan konduksi atau keadaan hidup.

 Ketika pada kondisi on,thyristor akan bertindak seperti diode yang tidak dapat dikontrol.Devais ini akan terus berada pada kondisi on karena tidak adanya lapisan deplesi pada sambungan J 2 karena pembawa-pembawa muatan yang bergerak bebas.Akan tetapi,jika arus maju anode berada dibawah suatu tingkatan yang disebut holding current I H,daerah deplesi akan terbentuk di sekitar J 2 karena adanya pengurangan banyak pembawa muatan bebas dan thyristor akan berada pada keadaan blocking.Holding current adalah arus anode minimum untuk mempertahankan thyristor pada kondisi on.

 Ketika tegangan katode lebih positif dibanding dengan anode,sambungan J2 ter forward bias,akan tetapi sambungan J1dan J3 akan ter-reverse bias.

 Thyristor akan dapat dihidupkan dengan meningkatkan tegangan maju VAK diatas VBO,akan tetapi kondisi ini bersifat merusak.Thyristor dapat dikategorikan sebagai latching device.

MEMBUAT THYRISTOR HIDUP

 Suatu thyristor dihidupkan dengan meningkatan arus anoda. Hal ini dapat dicapai dengan salah satu langkah berikut.

Ø Panas. Jika suhu thyristor cukup tinggi,akan terjadi peningkatan jumlahpasangan elektron-hole,sehingga arus bocor meningkat. Peningkatan ini akan menyebabkan α 1 dan α 2 meningkat.karena aksi regeneratif akan menuju ke nilai satuan dan thyristor mungkin akan on. Cara ini dapat menyebabkan thermal runaway dan biasanya dihindari.

Ø Cahaya. Jika cahaya diizinkan mengenai sambungan thyristor, pasangan elektron-hole akan meningkat dan thyristor mungkin akan on.Cara ini dilakukan dengan membiarkan cahaya mengenai silicon wafer dari thyristor.

Ø Tegangan Tinggi. Jika tegangan forward anode ke katode lebih besar dari tegangan maju breakdown VBO, arus bocor yang dihasilkan cukup untuk membuat thyristor on. Cara ini merusak dan harus dihindari.

Ø dv/dt. Jika kecepatan peningkatan tegangan anode-katode cukup tinggi,arus pengisian sumber kapasitor mungkin cukup untuk membuat thyristor on.Nilai arus pengisian yang tinggi dapat merusak thyristor,dan devais harus diproteksi melawan dv/dt yang tinggi.

Ø Arus gerbang. Jika suatu thyristor diberi tegangan bias forward, injeksi arus gerbang dengan menerapkan tegangan gerbang positif antara terminal gerbangdan katode akan membuat thyeistor on. Ketika arus gerbang ditingkatkan, tegangan forward blocking akan menurun

Beberapa hal berikut harus diperhatikan ketika merancang rangkaian kendali gerbang:

1. Sinyal gerbang harus dihilangkan setelah thyristor dihidupkan.Suatu sinyal penggerbangan kontinyu akan meningkatkan daya yang terbuang di sambungan gerbang.

2. Ketika thyristor pada kondisi reverse bias,tidak boleh ada sinyal gerbang;jika ada sinyal gerbang,thyristor akan rusak karena peningkatan arus bocor.

3. Lebar pulsa gerbang tG harus lebih lama dari waktu yang diperlukan untuk arus anode meningkat ke nilai arus holding IH.Secara praktis,lebar pulsa tG biasanya diambil lebih dari waktu turn-on ton dari thyristor.

4.1. MEMBUAT THYRISTOR OFF

 Thyristor yang berada dalam keadaan on dapat dimatikan dengan mengurangi arus maju ke tingkat di bawah arus holding IH.Ada beberapa variasi teknik untuk membuat thyristor off.Pada semua teknik komutasi,arus anode dipertahankan di bawah arus holding cukup lama,sehingga semua kelebihan pembawa muatan pada keempat layer dapat dikeluarkan.

 Akibat dua sambungan pn,J1 dan J3,karakteristik turn-off akan miripdengan pada diode,berkaitan dengan waktu pemulihan reverse trr dan aarus pemulihan reverse puncak IRR.IRR dapat lebih besar daripada arus blocking baik nominal.IR .Pada rangkaian konverter line-commutated yang tegangan masukannya bersifat bolak-balik ,tegangan balik muncul pada thyristor seketika setelah arus maju menuju ke nol.Tegangan balik ini akan mengakselarasi proses turn-off,dengan membuang semua kelebihan muatan dari sambungan pn J1 dan J3.

 Sambungan pn alam J2 akan memerlukan waktu yang dikenal sebagai recombination time trc bergantung pada magnituda dari tegangan balik.

 Waktu turn-off tq adalah jumlah dari reverse recovery time trr dan recombination time trc.Pada akhir masa turn-off ,lapisan deplesi terbentuk sepanjang sambungan J2 dan thyristor memperoleh kembali kemampuan untuk tahan terhadap tegangan forward.

 Waktu turn-off tq merupakan interval waktu minimum ketika arus keadaan on berkurang menjadi nol dan ketika thyristor dapat menahan tegangan forward tanpa menjadi on.tq bergantung pada nilai puncak dari arus keadaan on dan tegangan keadaan on sesaat.

 Reverse recovered charge QRR adalah besar muatan yang harus dicukupi lagi selama proses turn-off.Nilainya ditentukan dari daerah yang dicakup oleh aliran arus pengisian balik.Nilai QRR bergantung pada kecepatan turun arus keadaan on dan nilai puncak arus keadaan on sebelum turn-off.QRR merupakan sebab dari kehilangan energi dalam devais.

JENIS-JENIS THYRISTOR

 Thyristor dibuat hampir seluruhnya dengan proses difusi.Thyristor dapat secara umum diklasifikasikan menjadi sembilan kategori:

1. Phase –control thyristor (SCR)

2. Fast-switching thyristor(SCR)

3. Gate-turn-off thyristor (GTO)

4. Bidirectional triode thyristor(TRIAC)

5. Reverse-conducting thyristor (RCT)

6. Static induction thyristor (SITH)

7. Light-activated silicon-controlled rectifier (LASCR) 

8. FET-controlled thyristor(FET-CTH)

9. MOS-controlled thyristor (MCT)

1. Phase-Control Thyristor (Kontrol Phase Thyristor)

Thyristor type ini secara umum beroperasi pada line-frequency dan dimatikan dengan komutasi natural. Turn off time tq, berada dalam orde 50 sampai 100 µs. Alat ini sangat cocok untuk aplikasi pensaklaran kecepatan rendah yang dikenal sebagai thyristor konverter. Karena terbuat dari silikon yang dikontrol maka thyristor ini disebut silicon-controlled rectifier (SCR).

Dalam keadaan on, VT, bervariasi disekitar 1,15 V untuk devais 600 V hingga 2,5 V untuk devais 4000 V; dan untuk thyristor 5500 A, 1200 V, sekitar 1,25 V.

2. Fast-Switching Thyristor

Biasanya thyristor ini digunakan pada penerapan teknologi pensaklaran kecepatan tinggi dengan forced-commutation. Thyristor jenis ini memiliki waktu turn off yang cepat, umumnya dalam 5 sampai 50 µs bergantung pada daerah tegangannya. Tegangan jatuh forward pada keadaan on bervarasi kira-kira seperti fungsi invers dari trun off time tq, dikenal juga sebagai thyristor inversi.

Thyristor ini memiliki dv/dt yang tinggi biasanya 1000 V/µs dan di/dt sebesar 1000 /µs. Turn off yang cepat akan sangat penting untuk mengurangi berat dan ukuran dari komponen rangkaian reaktif. Thyristor ini memiliki kemampuan blocking yang sangat terbatas kira-kira 10 V, biasanya dikenal asymmetrical thyristor (ASCR).

3. Turn Off Thyristor

Alat ini dihidupkan dengan memberi sinyal gerbang positif. GTO memiliki beberapa keuntungan dibandingkan SCR; (1) turn-off yang cepat, memungkinkan komponen commulating pada forced-commutation, yang menghasilkan pengurangan biaya, berat dan volume; (2) pengurangan usikan akustik dan elektromagnetik karena hilangya commutation chokes; (3) trun-off yang cepat, memungkinkan frekuensi pensaklaran yang tinggi; dan (4) meningkankan efisiensi converter.

Pada aplikasi daya rendah , GTO memiliki keuntungan dibandingkan bipolar transistor: (1) kemampuan bloking tegangan yang lebih tinggi; (2) rasio arus puncak yang dapt dikontrol dengan arus rata-rata yang tinggi; (3) rasio atus surge puncak terhadap arus terhadap arus rata-rata tinggi, umumnya 10 : 1 ; (4) penguatan keadaan on tinggi (arus anode/arus gerbang), umumnya 600; dan (5) durasi sinyal gerbang sinyal pulsa pendek.

Controllable peak on-state current ITGQ adalah nilai puncak dari arus keadaan on, yang dapat dimatikan oleh control gerbang.

Dengan CS adalah kapasitansi snubber.

4. Bidirectional Triode Thyristor

TRIAC dapat bersifat konduktifdalam dua arah. Karena itu TRIAC merupakan devais bidirectional, terminalnya tidak dapat ditentukan sebagai anode/katode. Dalam prakteknya sensitivitas bervariasi antara satu kuadran dengan kuadran lain, dan TRIAC biasanya beroperasi di kuadran I+ (tegangan) dan arus gerbang positif) atau kuadran III- (tegangan dan arus gerbang negative).

5. Reverse-Conducting Thyristor

Suatu RCT dapat dipandangi sebagai suatu kompromi antara karakteristikdevais dan kebutuhan dari rangkaian RCT dapat dianggap sebagai suatu thyristor dengan built-in mode antipapralel. Tegangan forward blocking bervariasi antara 400 samapi dengan 2000 V dan rating arus maju bergerakhingga 500 A. Tegangan blocking reverse biasanya sekitar 30 sampai dengan 40 V.

6. Static Induction Thyristor

Karakteristik dari SITH mirip dengan karakteristik dari MOSFET. SITH biasanya dihidupkan dengan memberikan tegangan gerbang positif. SITH merupakan devais pembawa muatan minoritas.

SITH memiliki kecepatan switching yang tinggi denagn kemampuan dv/dt dan di/dt yang tinggi. Waktu switchingnya berada pada orde 1 sampai 6 µs. Rating tegangan mencapai 2500 V dan rating arus dibatasi 500 A. devais ini sangat sensitive terhadap proses produksi, ganguan kecil dapat megakibatkan perubahan besar pada karakteristiknya.

7. Light-Activated Silicon-Controlled Rectifier

Devais ini dihidupkan dengan memberikan radiasi langsung pada wafer silicon. Pasangan electron-hole yang terbentuk selama proses radiasi menghasilkan arus trigger pada pengaruh medan elektris.

LASCR digunakan untuk pemakaian arus dan tegangan yang tinggi dan kompensasi daya reaktif statis. LASCR menediakan isolasi elektris penuh antara sumber cahaya pen-trigger dan devais switching dari converter daya, dengan potensial mengambang tinggi.

8. FET-Controlled Thyristor

Devais FET – CTH merupakan kombinasi MOSFET dan thyristor secara parallel. Jika tegangan tertentu diberikan pada gerbang MOSFET, biasanya 3 V, arus pen-tringger dari thyristor akan bangkit secara internal. FET-CTH memiliki kecepatan switching tinggi.

9. MOS-Controlled Thyristor

MOS-Controlled Thyristor (MCT) mengkombinasikan sifat-sifat regeneratif thyristor dan struktur gerbang MOS. Karena strukturny NPNP anode berlaku sebagai terminal acuan relatif terhadap semua sinyal gerbang yang diberikan. Diasumsikan bahwa MCT berada dalam keadaaan blocking state dan tegangan negatif VGAdiberikan. Kanal p (layer inversion) dibentuk dalam material n-doped, yang mengakibatkan hole-hole mengalir secara lateral dari emiter.

MCT dapat beroperasisebagai devais yang dikontrol oleh gerbang jika arusnya lebih kecil dari arus maksimum yang dapat dikontrol. Usaha untuk membuat MCT off pada arus yang melebihi nilai itu akan menyebabkan kerusakan pada devais. Untuk nilai arus yang tinggi, MCT harus dimatikan seperti thyristor biasa. Lebar pulsa gerbang tidak kritis untuk arus devais yang lebih kecil. Untuk arus besar, lebar pulsa turn off harus lebih besar dari pulsa turn-off harus lebih besar.

SCR, TRIAC dan DIAC

Thyristor 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.

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.

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.

Gambar-1 : Struktur Thyristor

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.

 Ib, yaitu arus kolektor adalah penguatan dari arus base.bRangkaian transistor yang demikian menunjukkan adanya loop penguatan arus di bagian tengah. Dimana diketahui bahwa Ic =

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 arus kolektor transistor Q1. Arus kolektor transistor Q1 tidak 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 tidak 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

Jika pada thyristor ini kita beri beban lampu dc dan diberi suplai tegangan dari nol sampai tegangan tertentu seperti pada gambar 3. yang terjadi pada lampu ketika tegangan dinaikan dari nol adalah 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.

 (c)

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 arus Ih 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 di bawah 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 menyebabkan 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-6 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-6 : 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-7 : Simbol TRIAC

TRIAC bekerja mirip seperti SCR yang paralel bolak-balik, sehingga dapat melewatkan arus dua arah.

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 prinsip 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.

(c)

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 dapat dilihat pada gambar-9.

gambar-9.

KESIMPULAN

 Ada sembilan tipe thyristor. Hanya GTO, SITH, MCT yang merupakan devais yang bisa dimatikan melalui gerbang. Setiap tipe memiliki keuntungan dan kerugian. Karakteristirk praktis dari thyristor sangat berbeda dengan karakteristik idealnya.

 Karena adanya perbedaan karakteristik dari thyristor dengan tipe yang yang sama, operasi serial dan parallel dari thyristor memerlukan rangkaian rangkaian pembagi tegangan dan pembagi arus yang melindungi thyristor dari kondisi keadaan tunak dan transien. Cukup penting untuk memisahkan antara rangkaian thyristor dengan rangkaian gerbang. Isolasi transformator pulsa cukup sederhana tetapi efektif. Untuk beban induktif, deretan pulsa akan mengurangi kehilangan di thyristor dan biasa digunakan untuk gating thyristor, selain dari pulsa kontinyu. UJT dan OUT digunakan untuk membangkitkan pulsa-pulsa trigger.

Motor Listrik

2.1. Motor Listrik

 Motor listrik termasuk kedalam kategorimesin listrik dinamis dan merupakan sebuah perangkat elektromagnetik yang mengubah energi listrik menjadi energi mekanik. Energi mekanik ini digunakan untuk, misalnya, memutar impeller pompa, fan atau blower, menggerakan kompresor, mengangkat bahan, dll di industri dan digunakan juga pada peralatan listrik rumah tangga (seperti: mixer, bor listrik,kipas angin). Anda dapat melihat animasi prinsip kerja motor DC ini di sini. Motor listrik kadang kala disebut “kuda kerja” nya industri, sebab diperkirakan bahwa motor-motor menggunakan sekitar 70% beban listrik total di industri. 

2.1.1.      Mekanisme Kerja

Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor listrik secara umum sama (Gambar 2.1), yaitu:

1.      Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya.

2.      Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran/loop, maka kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet,akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan. 

3.      Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/ torsi untuk memutar kumparan. 

4.      Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan oleh susunan elektromagnetik yang disebut kumparan medan. 

Dalam memahami sebuah motor listrik, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan beban motor. Beban mengacu kepada keluaran tenaga putar/torsi sesuai dengan kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapatdikategorikankedalamtigakelompok:

1.      Beban torsi konstan, adalah beban dimana permintaan keluaran energinya bervariasi dengan kecepatan operasinya, namun torsi nya tidak bervariasi. Contoh beban dengan torsi konstan adalah conveyors, rotary kilns, dan pompa displacement konstan. 

2.      Beban dengan torsi variabel, adalah beban dengan torsi yang bervariasi dengan kecepatan operasi. Contoh beban dengan torsi variabel adalah pompa sentrifugal dan fan (torsi bervariasi sebagai kwadrat kecepatan).

3.      Beban dengan energi konstan, adalah beban dengan permintaan torsi yang berubah dan berbanding terbalik dengan kecepatan. Contoh untuk beban dengan daya konstan adalah peralatan-peralatan mesin. 

Gambar 2.1.Prinsip Dasar Kerja Motor Listrik.

2.1.2.      Jenis Motor Listrik

Bagian ini menjelaskan tentang dua jenis utama motor listrik: motor DC dan motor AC. Motor tersebut diklasifikasikan berdasarkan pasokan input, konstruksi, dan mekanisme operasi, dan dijelaskan lebih lanjut dalam bagan dibawahini.

Gambar 2.2. Klasifikasi Motor Listrik.

2.1.2.1.  Motor DC

Motor DC/arus searah, sebagaimana namanya, menggunakan arus langsung yang tidak langsung/direct-unidirectional. Motor DC digunakan pada penggunaan khusus dimana diperlukan penyalaan torsi yang tinggi atau percepatan yang tetap untuk kisaran kecepatan yang luas. 
Gambar 3 memperlihatkan sebuah motor DC yang memiliki tiga komponen utama:

1.      Kutub medan.

Secara sederhada digambarkan bahwa interaksi dua kutub magnet akan menyebabkan perputaran pada motor DC. Motor DC memiliki kutub medan yang stasioner dan dinamo yang menggerakan bearing pada ruang diantara kutub medan. Motor DC sederhana memiliki dua kutub medan: kutub utara dan kutub selatan. Garis magnetik energi membesar melintasi bukaan diantara kutub-kutub dari utara ke selatan. Untuk motor yang lebih besar atau lebih komplek terdapat satu atau lebih elektromagnet. Elektromagnet menerima listrik dari sumber daya dari luar sebagai penyedia struktur medan. 

2.      Dinamo.

Bila arus masuk menuju dinamo, maka arus ini akan menjadi elektromagnet. Dinamo yang berbentuk silinder, dihubungkan ke as penggerak untuk menggerakan beban. Untuk kasus motor DC yang kecil, dinamo berputar dalam medan magnet yang dibentuk oleh kutub-kutub, sampai kutub utara dan selatan magnet berganti lokasi. Jika hal ini terjadi, arusnya berbalik untuk merubah kutub-kutub utara dan selatan dinamo. 

3.       Kommutator.

Komponen ini terutama ditemukan dalam motor DC. Kegunaannya adalah untuk membalikan arah arus listrik dalam dinamo. Kommutator juga membantu dalam transmisi arus antara dinamo dan sumber daya. 

Gambar 2.3. Motor DC.

Keuntungan utama motor DC adalah kecepatannya mudah dikendalikan dan tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor DC ini dapat dikendalikan dengan mengatur tegangan dinamo dan arus medan. Jika tegangan dinamo dinaikkan maka akan meningkatkan kecepatan, dan jika menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.

Motor DC tersedia dalam banyak ukuran, namun penggunaannya pada umumnya dibatasi untuk beberapa penggunaan berkecepatan rendah, penggunaan daya rendah hingga sedang, seperti peralatan mesin dan rolling mills, sebab sering terjadi masalah dengaNn perubahan arah arus listrik mekanis pada ukuran yang lebih besar. Juga, motor tersebut dibatasi hanya untuk penggunaan di area yang bersih dan tidak berbahaya sebab resiko percikan api pada sikatnya. Motor DC juga relatif mahal dibanding motor AC.

Hubungan antara kecepatan, flux medan dan tegangan dinamo ditunjukkan dalam persamaan berikut: 

Gaya elektromagnetik: E = KΦN 

Torsi: T = KΦIa

Dimana: 
E =gaya elektromagnetik yang dikembangkan pada terminal dinamo (volt) 

Φ = flux medan yang berbanding lurus dengan arus medan 

N = kecepatan dalam RPM (putaran per menit) 

T = torsi electromagnetik 

Ia = arus dinamo 

K = konstanta persamaan 

2.1.3.      Jenis-Jenis Motor DC/Arus Searah

2.1.3.1  Motor DC sumber daya terpisah/ Separately Excited

Jika arus medan dipasok dari sumber terpisah maka disebut motor DC sumber daya terpisah/separately excited. 

2.1.3.2  Motor DC sumber daya sendiri/ Self Excited/ Motor shunt

Pada motor shunt, gulungan medan (medan shunt) disambungkan secara paralel dengan gulungan dinamo (A) seperti diperlihatkan dalam gambar 4. Oleh karena itu total arus dalam jalur merupakan penjumlahan arus medan dan arus dinamo.

Gambar 2.4. Karakteristik Motor DC Shunt.

2.1.4.      Berikut tentang kecepatan motor shunt (E.T.E., 1997): 

2.1.4.1  Kecepatan konstan

Kecepatan pada prakteknya konstan tidak tergantung pada beban (hingga torsi tertentu setelah kecepatannya berkurang, lihat Gambar 4) dan oleh karena itu cocok untuk penggunaan komersial dengan beban awal yang rendah, seperti peralatan mesin. 

2.1.4.2  Kecepatan dapat dikendalikan

Pengendalian dilakukan dengan cara memasang tahanan dalam susunan seri dengan dinamo (kecepatan berkurang) atau dengan memasang tahanan pada arus medan (kecepatan bertambah).  Motor DC daya sendiri: motor seri. Dalam motor seri, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara seri dengan gulungan dinamo (A) seperti ditunjukkan dalam gambar 5. Oleh karena itu, arus medan sama dengan arus dinamo. Berikut tentang kecepatan motor seri (Rodwell International Corporation, 1997; L.M. Photonics Ltd, 2002):  Kecepatan dibatasi pada 5000 RPM.

Harus dihindarkan menjalankan motor seri tanpa ada beban sebab motor akan mempercepat tanpa terkendali. Motor-motor seri cocok untuk penggunaan yang memerlukan torque penyalaan awal yang tinggi, seperti derek dan alat pengangkat hoist (lihat Gambar). 

Gambar 2.5. Karakteristik Motor DC Seri.

2.1.4.3. Motor DC Kompon/Gabungan.

Motor Kompon DC merupakan gabungan motor seri dan shunt. Pada motor kompon, gulungan medan (medan shunt) dihubungkan secara paralel dan seri dengan gulungan dinamo (A) seperti yang ditunjukkan dalam gambar 6. Sehingga, motor kompon memiliki torque penyalaan awal yang bagus dan kecepatan yang stabil. Makin tinggi persentase penggabungan (yakni persentase gulungan medan yang dihubungkan secara seri), makin tinggi pula torque penyalaan awal yang dapat ditangani oleh motor ini. Contoh, penggabungan 40-50% menjadikan motor ini cocok untuk alat pengangkat hoist dan derek, sedangkan motor kompon yang standar (12%) tidak cocok (myElectrical, 2005).

Gambar 2.6. Karakteristik Motor DC Kompon.

2.1.5.      Motor AC/Arus Bolak-Balik

Motor AC/arus bolak-balik menggunakan arus listrik yang membalikkan arahnya secara teratur pada rentang waktu tertentu. Motor listrik AC memiliki dua buah bagian dasar listrik: "stator" dan "rotor" seperti ditunjukkan dalam Gambar 7.

Stator merupakan komponen listrik statis. Rotor merupakan komponen listrik berputar untuk memutar as motor. Keuntungan utama motor DC terhadap motor AC adalah bahwa kecepatan motor AC lebih sulit dikendalikan. Untuk mengatasi kerugian ini, motor AC dapat dilengkapi dengan penggerak frekwensi variabel untuk meningkatkan kendali kecepatan sekaligus menurunkan dayanya. Motor induksi merupakan motor yang paling populer di industri karena kehandalannya dan lebih mudah perawatannya. Motor induksi AC cukup murah (harganya setengah atau kurang dari harga sebuah motor DC) dan juga memberikan rasio daya terhadap berat yang cukup tinggi (sekitar dua kali motor DC).

2.1.6.      Jenis-Jenis Motor AC/Arus Bolak-Balik

2.1.6.1.Motor sinkron

Motor sinkron adalah motor AC yang bekerja pada kecepatan tetap pada sistim frekwensi tertentu. Motor ini memerlukan arus searah (DC) untuk pembangkitan daya dan memiliki torque awal yang rendah, dan oleh karena itu motor sinkron cocok untuk penggunaan awal dengan beban rendah, seperti kompresor udara, perubahan frekwensi dan generator motor. Motor sinkron mampu untuk memperbaiki faktor daya sistim, sehingga sering digunakan pada sistim yang menggunakan banyak listrik. 

Komponen utama motor sinkron adalah  rotor danstator. Perbedaan utama antara motor sinkron dengan motor induksi adalah bahwa rotor mesin sinkron berjalan pada kecepatan yang sama dengan perputaran medan magnet. Hal ini memungkinkan sebab medan magnit rotor tidak lagi terinduksi. Rotor memiliki magnet permanen atau arus DC-excited, yang dipaksa untuk mengunci pada posisi tertentu bila dihadapkan dengan medan magnet lainnya. Stator menghasilkan medan magnet berputar yang sebanding dengan frekwensi yang dipasok.

Motor ini berputar pada kecepatan sinkron, yang diberikan oleh persamaan berikut (Parekh, 2003): 

Ns = 120 f / P 

Dimana: 

f = frekwensi dari pasokan frekwensi 

P= jumlah kutub 

Gambar 2.7. Motor Sinkron

2.1.6.2.Motor induksi

 Motor induksi merupakan motor yang paling umum digunakan pada berbagai peralatan industri. Popularitasnya karena rancangannya yang sederhana, murah dan mudah didapat, dan dapat langsung disambungkan ke sumber daya AC.

Komponen Motor induksi memiliki dua komponen listrik utama yaitu rotor dan stator. Motor induksi menggunakan dua jenis rotor, 
rotor kandang tupai dan lingkaran rotor. Rotor kandang tupai terdiri dari batang penghantar tebal yang dilekatkan dalam petak-petak slots paralel. Batang-batang tersebut diberi hubungan pendek pada kedua ujungnya dengan alat cincin hubungan pendek. Sedangkan lingkaran rotor yang memiliki gulungan tiga fase, lapisan ganda dan terdistribusi. Dibuat melingkar sebanyak kutub stator. Tiga fase digulungi kawat pada bagian dalamnya dan ujung yang lainnya dihubungkan ke cincin kecil yang dipasang pada batang as dengan sikat yang menempel padanya. 

Stator dibuat dari sejumlah stampings dengan slots untuk membawa gulungan tiga fase. Gulungan ini dilingkarkan untuk sejumlah kutub yang tertentu. Gulungan diberi spasi geometri sebesar 120 derajat.

2.1.7.      Klasifikasi motor induksi

Motor induksi dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok utama (Parekh, 2003): 

2.1.7.1.Motor induksi satu fase

Motor ini hanya memiliki satu gulungan stator, beroperasi dengan pasokan daya satu fase, memiliki sebuah rotor kandang tupai, dan memerlukan sebuah alat untuk menghidupkan motornya. Sejauh ini motor ini merupakan jenis motor yang paling umum digunakan dalam peralatan rumah tangga, seperti kipas angin, mesin cuci dan pengering pakaian, dan untuk penggunaan hingga 3 sampai 4 Hp. 

2.1.7.2.Motor induksi tiga fase

Medan magnet yang berputar dihasilkan oleh pasokan tiga fase yang seimbang. Motor tersebut memiliki kemampuan daya yang tinggi, dapat memiliki kandang tupai atau gulungan rotor (walaupun 90% memiliki rotor kandang tupai); dan penyalaan sendiri. Diperkirakan bahwa sekitar 70% motor di industri menggunakan jenis ini, sebagai contoh, pompa, kompresor, belt conveyor, jaringan listrik , dan grinder. Tersedia dalam ukuran 1/3 hingga ratusan Hp. 

Gambar 2.8. Motor Induksi

2.1.8.      Kecepatan motor induksi 

Motor induksi bekerja sebagai berikut, Listrik dipasok ke stator yang akan menghasilkan medan magnet. Medan magnet ini bergerak dengan kecepatan sinkron disekitar rotor. Arus rotor menghasilkan medan magnet kedua, yang berusaha untuk melawan medan magnet stator, yang menyebabkan rotor berputar. Walaupun begitu, didalam prakteknya motor tidak pernah bekerja pada kecepatan sinkron namun pada “kecepatan dasar” yang lebih rendah. Terjadinya perbedaan antara dua kecepatan tersebut disebabkan adanya “slip/geseran” yang meningkat dengan meningkatnya beban. Slip hanya terjadi pada motor induksi. Untuk menghindari slip dapat dipasang sebuah cincin geser/ slip ring, dan motor tersebut dinamakan “motor cincin geser/slip ring motor”. 

Persamaan berikut dapat digunakan untuk menghitung persentase slip/geseran(Parekh, 2003): % Slip = (Ns – Nb)/Ns x 100

Dimana:  Ns = kecepatan sinkron dalam RPM 

    Nb = kecepatan dasar dalam RPM

Hubungan antara beban, kecepatan dan torsi

Gambar 2.9. Grafik Torsi vs Kecepatan Motor Induksi.

Gambar 2.9 menunjukan grafik torsi vs kecepatan motor induksi AC tiga fase dengan arus yang sudah ditetapkan. Mulai menyala ternyata terdapat arus nyala awal yang tinggi dan torsi yang rendah (“pull-up torque”).  Mencapai 80% kecepatan penuh, torsi berada pada tingkat tertinggi (“pull-out torque”) dan arus mulai turun. Pada kecepatan penuh, atau kecepatan sinkron, arus torsi dan stator turun ke nol