Skip to content Skip to sidebar Skip to footer

Thyristor: Pengertian, Cara Kerja, Fungsi, dan Jenis-jenisnya

Penjelasan thyristor secara lengkap

Thyristor adalah komponen elektronika yang terbuat dari bahan semikonduktor dan terdiri dari empat lapisan (P-N), yaitu semikonduktor tipe-P dan semikonduktor tipe-N yang tersusun selang-seling (P-N-P-N). Thyristor umumnya memiliki tiga kaki/terminal: anoda/anode (terminal positif), katoda/cathode (terminal negatif), dan gerbang/gate (terminal kontrol). Sama seperti terminal base pada transistor, terminal gate pada thyristor juga berfungsi sebagai pengatur aliran arus antara anoda dan katoda. Sementara itu, SCR (Silicon Control Rectifier) adalah thyristor buatan General Electric yang paling umum digunakan.

Apa perbedaan yang mencolok antara dioda, transistor, dan Thyristor? Jadi, dioda adalah perangkat semikonduktor yang tersusun dari dua lapis (P-N). Kemudian, transistor adalah perangkat semikonduktor yang tersusun tiga lapis (P-N-P atau N-P-N). Dan untuk thyristor, sama seperti yang sudah dijelaskan di atas, yaitu tersusun dari empat lapis (P-N-P-N). Namun, dari ketiganya memiliki persamaan yang utama, yaitu sama-sama tersusun dari dua bahan semikonduktor, tipe-P dan tipe-N.

Sama seperti dioda, thyristor juga termasuk perangkat semikonduktor searah yang terbuat dari silikon. Artinya, hanya akan mengalirkan arus listrik dalam satu arah saja. Namun, tidak seperti dioda, thyristor hanya dapat beroperasi dalam mode switching dan tidak dapat digunakan untuk amplifikasi. Ini karena thyristor adalah komponen yang dapat beroperasi on (mengalirkan arus) atau off (memblokir arus) saja. Pada saat on, thyristor langsung terkunci untuk menyala (mengalirkan arus) seutuhnya, dan tidak dapat meniru sinyal input sehingga tidak bisa untuk amplifikasi. Untuk dapat digunakan sebagai amplifikasi, suatu komponen harus memiliki respon linier terhadap sinyal input.

Cara Kerja Thyristor

Untuk memudahkan pemahaman tentang bagaimana cara kerja thyristor, ada baiknya memahami terlebih dahulu apa itu P-N junction, cara kerja dioda, dan cara kerja transistor. Ok, langsung saja. Apa itu P-N junction? Jadi, P-N junction adalah batas pertemuan dari semikonduktor tipe-P dan tipe-N, di dalam sebuah kristal semikonduktor. Ini dapat terjadi karena sebuah kristal semikonduktor didoping menjadi tipe-P dan tipe-N.

Dioda adalah contoh komponen elektronik berbahan semikonduktor yang didoping menjadi tipe-P dan tipe-N. Terminal pada tipe-P disebut sebagai anoda dan pada terminal tipe-N disebut sebagai katoda. Dioda akan mengalami bias maju (forward bias) ketika anoda diberi positif (+) dan katoda diberi negatif (—), sedangkan dioda akan mengalami bias mundur (reverse bias) ketika anoda diberi negatif (—) dan katoda diberi positif (+).

cara kerja dioda
(Gambar: Cara kerja dioda)

Selanjutnya, mari bahas cara kerja transistor. Thyristor sesungguhnya dapat dianologikan sebagai dua buah transistor yang digabung. Dengan demikian, jika sudah memahami cara kerja transistor maka akan lebih memudahkan ketika memahami cara kerja thyristor. Transistor BJT (Bipolar Junction Transistors) terbagi menjadi dua, yaitu P-N-P dan N-P-N. Transistor memiliki tiga terminal:

  • Emitter/Emitor (E): memancarkan/menyebarkan elektron.
  • Base/Basis (B): mengendalikan/mengatur elektron.
  • Collector/Kolektor (C): mengumpulkan/mengeluarkan elektron.

Pada intinya transistor akan dapat bekerja ketika base dihubungkan dengan sumber tegangan. Ini karena transistor terdapat tiga lapis sehingga arus dari emitter ke collector tidak dapat mengalir dengan mudah. Transistor memiliki 2 potential barrier di setiap P-N junction ketika tidak dihubungkan dengan sumber tegangan. Pada saat transistor sudah dihubungkan dengan sumber tegangan, arus dari emitter ke collector masih belum dapat mengalir karena masih terhalang satu P-N junction yang masih bias mundur (reverse bias). Oleh karena itu, base perlu di hubungkan ke sumber tegangan, supaya memicu arus mau mengalir.

Cara kerja transistor npn
(Gambar: Cara kerja transistor—sumber www.toppr.com)

Kemudian, mari langsung bahas cara kerja thyristor. Seperti yang sudah dijelaskan di atas, thyristor memiliki empat lapisan (P-N), tersusun secara selang-seling (P-N-P-N). Pada saat belum dihubungkan dengan sumber tegangan, thyristor mempunyai tiga depletion region dari setiap P-N junction (J1,J2,J3). Ketika kaki/terminal anoda dihubungkan dengan negatif dan katoda dengan postif, junction N-P yang ada di tengah (J2) akan mengalami bias maju, sedangkan dua junction P-N yang di samping (J1,J3) mangalami bias mundur. Namun, jika anoda dihubungkan dengan positif dan katoda negatif, junction N-P yang berada di tengah (J2) akan mengalami bias mundur, sedangkan dua junction yang di samping (J1,J3) menjadi bias maju.

cara kerja thyristor

Pada saat anoda positif dan katoda negatif, arus tidak dapat mengalir. Maka dari itu, thyristor memerlukan pemicu atau gate triggering layaknya transistor. Jika terminal gate sudah dihubungkan dengan sumber tegangan maka pada awalnya junction P-N (J3) akan menjadi N-Region, sehingga elektron dapat mengalir ke lapisan tipe-N yang di tengah, alhasil tiga lapisan menjadi N-Region (N-P-N) yang besar karena kelebihan elektron. Jika sudah begitu, thyristor beroperasi layaknya sebuah dioda, bahkan jika arus pada terminal gate diputus dari sumber tegangan sekalipun, arus elektron dari katoda ke anoda masih dapat mengalir.

prinsip kerja thyristor

Struktur dari thyristor P-N-P-N dapat dianalogikan sebagai dua buah transistor, yaitu TR1 PNP dan TR2 NPN. Pada kolektor TR1 di hubungkan ke basis TR2, sedangkan kolektor TR2 dihubungkan ke basis TR1. Kedua transistor tersebut sudah terhubung satu sama lain. Namun, kedua transistor akan dapat beroperasi jika salah satu basis diberi arus, itu berfungsi sebagai pemicu.

analogi thyristor dan transistor
(Sumber gambar: www.electronics-tutorials.ws)

Ketika arus positif dihubungkan ke basis transistor NPN TR2, arus dari kolektor TR2 akan mengalir ke basis transistor PNP TR1. Setelah itu, arus dari kolektor TR1 akan mengalir dan menigkatkan arus yang ke basis TR2, dan siklus ini akan terjadi seterusnya. Kedua transistor tersebut pada akhirnya akan terhubung dalam loop umpan balik regeneratif yang tidak bisa berhenti.

Fungsi Thyristor

Fungsi utama dari thyristor adalah untuk mengontrol daya dan arus listrik dengan bertindak sebagai saklar. Thyristor dapat melakukan perlindungan untuk sirkuit yang memiliki tegangan dan arus yang besar (hingga 6000 V, 4500 A). Karena thyristor memiliki kemampun untuk mengontrol daya dan arus listrik yang relatif besar, thyristor dapat diaplikasikan sebagai peredup cahaya, pengontrol kecepatan motor listrik, hingga transmisi daya arus searah tegangan tinggi.

Baca Juga: Induktor: Pengertian, Jenis, Cara Kerja, Fungsi, Rangkaian, dan Cara Menghitung

Jenis-Jenis Thyristor

1. Silicon Controlled Rectifier (SCR)

Silicon Controlled Rectifier (SCR) adalah thyristor yang paling umum untuk digunakan. SCR terbuat dari bahan silikon. Penjelasan cara kerja thyritor di atas sebetulnya lebih mengacu pada SCR ini. Singkatnya, SCR tetap terkunci bahkan ketika arus gerbang dihilangkan. Untuk membuka kunci, arus anoda ke katoda perlu dihilangkan atau anoda diatur ulang ke tegangan negatif relatif terhadap katoda. Karakteristik ini sangat ideal untuk kontrol fase. Ketika arus anoda menjadi nol, SCR berhenti melakukan dan memblokir tegangan balik. SCR dapat digunakan dalam rangkaian switching, penggerak motor DC, sakelar statis AC/DC, dan rangkaian pembalik.

simbol thyristor scr

2. MOS Controlled Thyristor (MCT)

MOS Controlled Thyristor (MCT) adalah perangkat semikonduktor yang menggabungkan arus dan tegangan thyristor dengan turn-on atau off gate MOS. Memiliki frekuensi tinggi, penurunan konduksi rendah, dan perangkat daya tinggi yang digunakan untuk aplikasi daya menengah dan tinggi. MCT layak digunakan sebagai penggerak motor, kompensator, catu daya tak terputus, dll.

3. Bidirectional Control Thyristor (BCT)

Bidirectional Control Thyristor (BCT) adalah dua thyristor SCR yang dikonfigurasi dalam pengaturan anti-paralel yang membentuk perangkat tunggal. Jika diamati dari strukturnya, thyristor BCT memiliki dua terminal gate terpisah untuk masing-masing thyristor. Satu terminal gate menyalakan arus dalam arah maju, sedangkan terminal gate kedua menyalakan arus dalam arah yang berlawanan.

Kedua thyristor berfungsi secara independen satu sama lain. Tantangan utama dalam pembuatan BCT adalah mungkinnya terjadi cross-talk antara kedua transistor. Maka dari itu, sebuah thyristor BCT telah dipasang sebuah photomask untuk mencegah efek dari cross-talk yang berbahaya ketika BCT sedang beroperasi.

4. Gate Turn off Thyristor (GTO)

Gate Turn off Thyristor (GTO) adalah thyristor yang dapat memutus dan mengalirkan arus utama dari gate. Jadi, thyristor ini dapat memutus arus utama dengan menerapkan arus negatif (tegangan) ke gate tanpa harus melakukan pemutusan arus antara anoda dan katoda, dan menjadikannya saklar yang sepenuhnya dapat dikontrol. GTO memiliki kira-kira sepuluh kali lebih cepat daripada SCR dalam hal pemutusan arus. Thyristor dapat digunakan dalam penggerak motor DC dan AC, inverter daya tinggi, dan daya stabilisasi AC.

5. TRIAC

Triode for Alternating Current (TRIAC) adalah thyristor kedua yang paling banyak digunakan setelah SCR. TRIAC dapat menghantarkan arus dua arah bila diaktifkan dengan benar ketika digunakan dalam aplikasi switching AC sehingga menggunakan daya yang tersedia lebih efisien. Namun, TRIAC umumnya hanya digunakan untuk aplikasi berdaya rendah karena konstruksinya yang tidak simetris.

simbol thyristor triac

Dalam aplikasi daya tinggi, TRIAC menghadirkan beberapa kelemahan saat beralih pada tegangan gerbang yang berbeda selama setiap setengah siklus. Ini menciptakan harmonik tambahan yang menyebabkan ketidakseimbangan dalam sistem dan mepengaruhi kinerja EMC. TRIAC berdaya rendah digunakan sebagai peredup cahaya, kontrol kecepatan untuk kipas listrik dan motor listrik lainnya, dan dalam rangkaian kontrol komputerisasi peralatan rumah tangga.

6. MOS Turn-off Thyristor (MTO)

Untuk meningkatkan kemampuan GTO, Silicon Power Company mengembangkan MOS Turn-off Thyristor atau MTO dengan menggabungkan GTO dan MOSFET. GTO membutuhkan pemutusan arus gate yang tinggi untuk disuplai ketika puncak amplitudonya sekitar 20-35% dari arus anoda ke katoda (arus yang akan dikontrol). MTO memiliki dua terminal kontrol, sebuah gate turn-on dan sebuah gate turn-off juga disebut gate MOSFET. MTO dapat digunakan dalam aplikasi tegangan tinggi hingga 20 MVA, penggerak motor, transmisi saluran AC fleksibel atau flexible AC line transmissions (FACTs), dan inverter sumber tegangan untuk daya tinggi.

7. Light Activated Silicon – Controlled Rectifier (LASCR)

Light Activated Silicon – Controlled Rectifier (LASCR) adalah jenis SCR yang untuk beroperasinya perlu dipicu menggunakan sumber cahaya, seperti LED. Arus pemicu dapat terjadi karena adanya sumber cahaya, ketika partikel foton menabrak junction untuk menghasilkan pasangan hole elektron. Arus pemicu ini disuplai ke LASCR yang mengaktifkan terminal gerbang dan karenanya arus dapat mengalir. Ini juga membantu dalam pencegahan gangguan kebisingan listrik yang dihasilkan. Sirkuit daya dan sirkuit sumber cahaya diisolasi secara elektrik oleh LASCR.

8. Gate Assisted Turn off Thyristor (GATT)

Gate Assisted Turn off Thyristor (GATT) adalah thyristor yang dapat digunakan dalam elektronik yang membutuhkan turn-off cepat. Untuk memutus arus maka pada gete diterapkan tegangan negatif. Hal ini juga mengurangi tegangan anoda ke katoda. Ketika tegangan gate balik diterapkan, pembawa minoritas yang terakumulasi pada daerah basis tipe-n dikeringkan. Ini memastikan bahwa persimpangan gerbang ke katoda tidak bias maju sehingga mempercepat proses turn-off.

9. Emitter Turn-off Thyristor (ETO)

Emitter Turn-off Thyristor (ETO) adalah thyristor yang terbuat dari perangkat semikonduktor daya tinggi MOS-bipolar hibrida, terdiri dari dua N MOSFET dan dua P MOSFET serta fitur tegangan dan arus tinggi GTO. N MOS terhubung secara seri ke terminal katoda dan P MOS terhubung antara katoda dan terminal gate perangkat. Sama seperti MTO, ETO memiliki dua terminal, gate normal, dan gate kedua yang dihubungkan secara seri dengan MOSFET. ETO dapat diterapkan pada inverter sumber tegangan untuk daya tinggi, Transmisi saluran AC Fleksibel atau Flexible AC line Transmissions (FACTs), dan Kompensator Sinkron Statis atau Static Synchronous Compensator (STATCOM).

10. Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT)

Integrated Gate Commutated Thyristor (IGCT) adalah thyristor yang sifatnya mirip dengan transistor, proses konduksinya seperti thyristor tetapi mati seperti transistor. Untuk mengatur saklar turn-off menggunakan gate. Struktur IGCT terdiri dari gate commutated thyristor (GCT). GCT adalah perangkat switching yang memanfaatkan pulsa arus cepat dan besar untuk mengalirkan arus dari katoda GCT. Hal Ini dapat memastikan pemutusan arus dengan cepat. Untuk konduksi beban reaktif, dioda terintegrasi ada di GCT. Untuk mengaktifkan IGCT, arus gerbang perlu disediakan.

11. Static Induction Thyristor (SITH)

Static Induction Thyristor (SITH) adalah Thyristor induksi statis yang juga dikenal sebagai dioda yang dikendalikan medan. Ini memungkinkan konduksi arus besar yang memiliki tegangan maju rendah dan mati dengan cepat. Ini adalah perangkat semikonduktor daya frekuensi tinggi.