PNPN dan device lain

17.5 Aplikasi SCR (Fig 17.14)

[KEMBALI KE MENU SEBELUMNYA]

DAFTAR ISI

1. Pendahuluan

2. Tujuan

3. Alat dan Bahan

4. Dasar Teori

5. Percobaan

6. Download File

1. Pendahuluan[Kembali]

Single Source Emergency Lighting System merupakan sistem penerangan darurat yang menggunakan satu sumber utama daya, yaitu baterai, untuk menyalakan lampu secara otomatis ketika terjadi pemadaman listrik. Sistem ini sangat penting terutama di area yang membutuhkan pencahayaan terus-menerus, seperti rumah sakit, sekolah, gedung perkantoran, dan fasilitas umum lainnya. Dalam kondisi normal (listrik menyala), sistem ini akan tetap siaga dan tidak menyalakan lampu, tetapi secara otomatis akan aktif begitu pasokan listrik utama terputus.

Rangkaian ini dirancang agar dapat mengalihkan sumber daya ke baterai secara otomatis menggunakan komponen seperti SCR (Silicon Controlled Rectifier), dioda, resistor, kapasitor, serta transformator. Ketika listrik PLN aktif, baterai akan terisi dan lampu akan tetap padam. Namun saat listrik padam, SCR akan mengaktifkan jalur dari baterai ke lampu, sehingga lampu menyala secara otomatis tanpa memerlukan intervensi manual.

Prinsip kerja dari sistem ini sangat berguna dalam menciptakan solusi penerangan yang andal dan hemat energi. Selain itu, pemahaman terhadap sistem ini juga memberikan wawasan dalam perancangan rangkaian elektronik berbasis otomatisasi, efisiensi energi, dan keselamatan. Dengan demikian, Single Source Emergency Lighting System menjadi contoh penerapan teknologi elektronika daya yang efektif dalam mendukung kebutuhan penerangan darurat.

2. Tujuan[Kembali]

• Mengenal apa itu Single Source Emergency Lighting System
• Memahami prinsip kerja Single Source Emergency Lighting System
• Merancang rangkaian Single Source Emergency Lighting System

3. Alat dan Bahan[Kembali]

1. Baterai 

baterai merupakan sebuah komponen yang mengubah energi kimia yang tersimpan menjadi energi listrik. pada percobaan kali ini, baterai berfungsi sebagai sumber daya utama.

spesifikasi dan pinout baterai

- input voltage AC 100-240V / DC 10-30V

- output voltage DC 1-35V

- Max. Input Current dc 14A

- Charging current 0.1-10A

- Discharging current 0.1-10A

- balance current 1.5A/cell max

-Max. Discharging power 15W

- Max Charging power AC 100W/ DC 250W

-jenis baterai yang mendukung: life, lilon, lipo 1-6s, pb 1-12s, nimh, cd 1-16s

-ukuran 126*115*49 mm

-berat 460kg

2.  Power Supply

berfungsi sebagai sumber daya bagi sensor ataupun rangkaian. spesifikasi:

input voltage 5-12V

output voltage 5V

output current MAX 3A

output power 15W

conversio efficiency: 96%

B. Bahan

1. resistor 

resistor adalah komponen elektronika pasif yang memiliki  nilai resistansi atau hambatan tertentu yang berfungsi membatasi dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian elektronika.

2. Dioda

Spesifikasi

Untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya. Oleh karena itu, Dioda sering dipergunakan sebagai penyearah dalam Rangkaian Elektronika. Dioda pada umumnya mempunyai 2 Elektroda (terminal) yaitu Anoda (+) dan Katoda (-) dan memiliki prinsip kerja yang berdasarkan teknologi pertemuan p-n semikonduktor yaitu dapat mengalirkan arus dari sisi tipe-p (Anoda) menuju ke sisi tipe-n (Katoda) tetapi tidak dapat mengalirkan arus ke arah sebaliknya.

3. SCR

SCR adalah kepanjangan dari Silicon Controlled Rectifier, yang berarti sebuah bagian atau aplikasi SCR pada rangkaian elektronika, yang bersifat semikonduktor. Selain itu, SCR sering disamakan dengan dioda. Tetapi sebenarnya memiliki perbedaan, baik secara karakteristik dan lainnya. Persamaannya, baik SCR maupun dioda, bekerja mengalirkan arus listrik yaitu dari anoda menuju katoda. Tampilan keduanya pun hampir mirip.

Bedanya dengan dioda biasa 2 terminal adalah rangkaian SCR justru memiliki 3 kaki terminal. Terdiri dari terminal anoda, katoda dan gate. Kemampuan lain dioda SCR adalah mengendalikan daya atau tegangan.

4. Trafo

Trafo, atau transformator, adalah perangkat listrik yang mengubah tegangan listrik. Fungsinya adalah untuk menaikkan atau menurunkan tegangan sesuai kebutuhan, baik untuk distribusi energi listrik maupun penggunaan sehari-hari. Prinsip kerjanya didasarkan pada induksi elektromagnetik. 

5. Kapasitor

Kapasitor, atau sering disebut juga kondensator, adalah komponen elektronik yang berfungsi untuk menyimpan muatan listrik. Ia terbuat dari dua keping atau lembaran penghantar listrik yang dipisahkan oleh bahan isolator yang disebut dielektrik. Kapasitor banyak digunakan dalam berbagai rangkaian elektronika dan memiliki berbagai fungsi, seperti menyimpan energi, menunda waktu, dan mengatur daya. 

6. Generator tegangan AC

Generator tegangan AC, atau generator arus bolak-balik, adalah mesin yang mengubah energi mekanik menjadi energi listrik dalam bentuk arus bolak-balik (AC). Arus bolak-balik adalah jenis arus listrik yang arahnya berubah secara periodik, bolak-balik antara positif dan negatif. Generator AC digunakan secara luas dalam pembangkit listrik untuk menghasilkan energi listrik yang kemudian disalurkan ke rumah-rumah dan industri. 

7. Lampu

Lampu adalah sebuah peranti atau alat yang menghasilkan cahaya. Secara umum, lampu digunakan sebagai sumber penerangan. Lampu dapat berupa bohlam, lampu LED, atau jenis lainnya, dan dapat menggunakan berbagai sumber energi seperti listrik, gas, atau energi lainnya. 

4. Dasar Teori[Kembali]

Sistem penerangan darurat satu sumber (Single Source Emergency Lighting System) bekerja berdasarkan prinsip penyearahan tegangan, penyimpanan energi, dan pengendalian otomatis. Tegangan AC dari jaringan listrik diturunkan oleh transformator dan disearahkan menjadi tegangan DC menggunakan dioda, kemudian digunakan untuk mengisi baterai. Selama listrik utama aktif, lampu padam dan baterai terus terisi. Ketika listrik padam, SCR (Silicon Controlled Rectifier) akan otomatis menghantarkan arus dari baterai ke lampu karena menerima sinyal dari perubahan tegangan di gate-nya. Resistor dan kapasitor dalam rangkaian ini berfungsi mengatur arus dan tegangan agar tidak merusak komponen. Sistem ini dirancang agar lampu menyala otomatis tanpa intervensi manual saat terjadi pemadaman, sehingga sangat efektif untuk meningkatkan keamanan dan kenyamanan di berbagai lingkungan.

    Silicon Controlled Rectifier (SCR) adalah komponen semikonduktor yang termasuk dalam keluarga thyristor, digunakan untuk mengontrol arus listrik. SCR bersifat unidirectional, artinya hanya mengalirkan arus dalam satu arah seperti dioda, namun dengan kontrol tambahan melalui terminal "gate". Jika dilihat SCR simpelnya adalah gabungan dari kedua transistor PNP dan NPN yang dihubungkan seperti pada gambar FIG. 17.2 atau bisa disebut rangkaian ekivalennya. Oleh karnaya SCR adalah semikonduktor yang biasa disebut PNPN.

SCR memiliki 3 terminal:

1. Anoda (A)

2. Katoda (K)

3. Gate (G) – digunakan untuk memicu (trigger) SCR agar menghantar.

Prinsip kerjanya sama seperti dioda, dapat menghantar arus searah dari anoda ke katoda. Tapi perlu diingat SCR hanya dapat bekerja, short atau dapat mengalirkan arus dari anoda ke katodanya jika kaki atau terminal gatenya sudah diberikan atau dipancing (trigger) dengan tegangan 0.7V - 1V. SCR dapat bekerja seterusnya dengan hanya sekali dipancing, walaupun kondisi tegangan trigger di kaki gate sudah dihentikan SCR dapat tetap mengalirkan arus dari anoda ke katodanya. 

SCR hanya dapat berhenti bekerja jika arus dari anoda ke katodanya sudah dibawah holding currentnya, selama arus yang mengalir dari anoda ke katodanya masih diatas atau tidak turun dari holding currentnya, maka SCR akan terus aktif mengalirkan arus dari anoda ke katoda.

Karakteristik SCR :

1. Tegangan breakover maju V(BR)F* adalah tegangan di atas tegangan yang memungkinkan SCR memasuki wilayah konduksi. Tanda bintang (*) menunjukkan huruf yang akan ditambahkan, yang bergantung pada

2. Arus penahan IH adalah nilai arus dibawah nilai yang memungkinkan SCR beralih dari kondisi konduksi ke daerah pemblokiran maju dalam kondisi yang ditentukan.

 

3. Daerah pemblokiran maju dan mundur adalah daerah yang sesuai dengan kondisi rangkaian terbuka untuk penyearah terkendali yang memblokir aliran muatan (arus) dari anoda ke katoda.

 

4. Tegangan tembus balik setara dengan daerah Zener atau avalanche dari dioda semikonduktor dua lapis fundamental.

Resistor

Simbol :

Resistor adalah komponen Elektronika Pasif yang memiliki nilai resistansi atau hambatan tertentu yang berfungsi untuk membatasi dan mengatur arus listrik dalam suatu rangkaian Elektronika (V=I R).

Jenis Resistor yang digunakan disini adalah Fixed Resistor, dimana merupakan resistor dengan nilai tetap terdiri dari film tipis karbon yang diendapkan subtrat isolator kemudian dipotong berbentuk spiral. Keuntungan jenis fixed resistor ini dapat menghasilkan resistor dengan toleransi yang lebih rendah.

Cara menghitung nilai resistor:

Tabel warna

Contoh :

Gelang ke 1 : Coklat = 1

Gelang ke 2 : Hitam = 0

Gelang ke 3 : Hijau   = 5 nol dibelakang angka gelang ke-2; atau kalikan 105

Gelang ke 4 : Perak  = Toleransi 10%

Maka nilai resistor tersebut adalah 10 * 105 = 1.000.000 Ohm atau 1 MOhm dengan toleransi 10%.

Dioda

Spesifikasi

Dioda adalah komponen yang terbuat dari bahan semikonduktor dan mempunyai fungsi untuk menghantarkan arus listrik ke satu arah tetapi menghambat arus listrik dari arah sebaliknya. Sebuah Dioda dibuat dengan menggabungkan dua bahan semi-konduktor tipe-P dan semi-konduktor tipe-N. Ketika dua bahan ini digabungkan, terbentuk lapisan kecil lain di antaranya yang disebut depletion layer. Ini karena lapisan tipe-P memiliki hole berlebih dan lapisan tipe-N memiliki elektron berlebih dan keduanya mencoba berdifusi satu sama lain membentuk penghambat resistansi tinggi antara kedua bahan seperti pada gambar di bawah ini. Lapisan penyumbatan ini disebut depletion layer.

 

Ketika tegangan positif diterapkan ke Anoda dan tegangan negatif diterapkan ke Katoda, dioda dikatakan dalam kondisi bias maju. Selama keadaan ini tegangan positif akan memompa lebih banyak hole ke daerah tipe-P dan tegangan negatif akan memompa lebih banyak elektron ke daerah tipe-N yang menyebabkan depletion layer hilang sehingga arus mengalir dari Anoda ke Katoda. Tegangan minimum yang diperlukan untuk membuat dioda bias maju disebut forward breakdown voltage.

Jika tegangan negatif diterapkan ke anoda dan tegangan positif diterapkan ke katoda, dioda dikatakan dalam kondisi bias terbalik. Selama keadaan ini tegangan negatif akan memompa lebih banyak elektron ke material tipe-P dan material tipe-N akan mendapatkan lebih banyak hole dari tegangan positif yang membuat depletion layer lebih besar dan dengan demikian tidak memungkinkan arus mengalir melaluinya. Kondisi ini hanya terjadi pada dioda yang ideal, kenyataannya arus yang kecil tetap dapat mengalir pada bias terbalik dioda.

Dioda dapat dibagi menjadi beberapa jenis:

1. Dioda Penyearah (Dioda Biasa atau Dioda Bridge) yang berfungsi sebagai penyearah arus AC ke arus DC.

2. Dioda Zener yang berfungsi sebagai pengaman rangkaian dan juga sebagai penstabil tegangan.

3. Dioda LED yang berfungsi sebagai lampu Indikator ataupun lampu penerangan.

4. Dioda Photo yang berfungsi sebagai sensor cahaya.

5. Dioda Schottky yang berfungsi sebagai Pengendali.

Untuk menentukan arus zenner  berlaku persamaan:

Keterangan:

Pada grafik terlihat bahwa pada tegangan dibawah ambang batas tegangan mundur (reverse) sebuah dioda akan tembus (menghantar) dan tidak bisa menahan lagi. Batas ini disebut dengan area tegangan breakdown dioda. Kondisi dioda pada area ini adalah tembus atau menghantar dan tidak menghambat. Kemudian pada level tegangan diantara tegangan breakdown dan tegangan forward terdapat area tegangan reverse dan tegangan cut off. Pada area ini kondisi dioda adalah menahan atau tidak mengalirkan arus listrik.

Kapasitor

Kapasitor berfungsi sebagai penyaring atau filter dalam sebuah rangkaian power supply (catu daya). Fungsi kapasitor sebagai pembangkit frekuensi pada alat osilator. Kapasitor berfungsi untuk menyimpan tegangan dan kuat arus pada periode tertentu. Pada rangkaian antena, fungsi kapasitor adalah sebagai frekuensi.

DataSheet :

Specification:

Capacitance: 100uF
Rated Voltage: 400V
Capacitance Tolerance: +/-20% (at 120Hz, 20℃)
Lead Type: Radial
Category Temperature Range: -40℃ to +105℃ (6.3~100V)
Life Span: 2000-3000h
Body Size: 18 x 30mm
Lead Length: 23mm, 28mm
Lead Space: 7.5mm
Lead Diameter: 0.8mm

Lampu

Lampu adalah sebuah peranti atau alat yang menghasilkan cahaya. Lampu dalam rangkaian bertidak sebagai beban yang akan menghasilkan cahaya. Secara umum, lampu digunakan sebagai sumber penerangan. Lampu dapat berupa bohlam, lampu LED, atau jenis lainnya, dan dapat menggunakan berbagai sumber energi seperti listrik, gas, atau energi lainnya. 

Baterai

baterai merupakan sebuah komponen yang mengubah energi kimia yang tersimpan menjadi energi listrik. pada percobaan kali ini, baterai berfungsi sebagai sumber daya utama.

spesifikasi dan pinout baterai

- input voltage AC 100-240V / DC 10-30V

- output voltage DC 1-35V

- Max. Input Current dc 14A

- Charging current 0.1-10A

- Discharging current 0.1-10A

- balance current 1.5A/cell max

-Max. Discharging power 15W

- Max Charging power AC 100W/ DC 250W

-jenis baterai yang mendukung: life, lilon, lipo 1-6s, pb 1-12s, nimh, cd 1-16s

-ukuran 126*115*49 mm

-berat 460kg

Transformator (Trafo)

Trafo, atau transformator, adalah perangkat listrik yang mengubah tegangan listrik. Fungsinya adalah untuk menaikkan atau menurunkan tegangan sesuai kebutuhan, baik untuk distribusi energi listrik maupun penggunaan sehari-hari. Prinsip kerjanya didasarkan pada induksi elektromagnetik.Untuk kondisi jika perbandingan Vprimary < Vsecondary maka trafo tersebut adalah trafo step-up, jika perbandingan

Vprimary > Vsecondary maka trafo tersebut adalah trafo step-down, jika Vprimary = Vsecondary maka trafo tersebut

adalah trafo isolasi.

Example

1. Jelaskan bagaimana peran SCR dalam sistem pencahayaan darurat (emergency lighting system) otomatis.

    Jawaban : 

    SCR berperan sebagai saklar elektronik. Dalam kondisi normal (listrik utama hidup), SCR tidak aktif. Ketika listrik padam, sistem mendeteksi kondisi tersebut dan memberikan sinyal ke gate SCR. Setelah menerima sinyal, SCR menyambungkan baterai ke lampu darurat sehingga lampu menyala otomatis.

2. Mengapa SCR tetap menghantarkan arus meskipun sinyal pada gate sudah dihentikan?

    Jawaban :

    SCR tetap menghantarkan arus karena setelah dipicu oleh sinyal gate, arus utama yang mengalir dari anoda ke katoda menjaga SCR tetap dalam kondisi ON. SCR hanya berhenti menghantar jika arus utama turun di bawah nilai minimum tertentu (holding current) atau sumber dayanya dilepas.

3. Apa kelebihan penggunaan SCR dibandingkan saklar mekanik dalam sistem darurat?

    Jawaban :

    SCR lebih cepat, tidak memerlukan gerakan fisik, dan bekerja otomatis tanpa perlu ditekan. Selain itu, SCR tahan terhadap keausan karena tidak memiliki bagian bergerak, sehingga lebih andal dan tahan lama dalam sistem darurat.

Soal

1. Sebuah SCR memiliki gate trigger current sebesar 10 mA dan gate diberi tegangan melalui resistor pembatas R = 470 Ω dari sumber 5V. Hitung:

a. Tegangan yang jatuh di resistor

b. Tegangan gate terhadap katoda 

c. Apakah SCR akan menyala jika tegangan gate yang dibutuhkan minimal 0.7V?

    Jawaban :

a. Tegangan jatuh di resistor:

$$V_R=I_{GT}\times R=0.01\times 470=4.7\text{ V}$$

b. Tegangan gate terhadap katoda:

$$V_G=V_{\text{sumber}}-V_R=5-4.7=0.3\text{ V}$$

c. Karena tegangan gate hanya 0.3V dan tidak mencapai tegangan minimum 0.7V yang dibutuhkan untuk trigger, SCR tidak akan menyala.

2. Mengapa SCR cocok digunakan dalam rangkaian emergency lighting system otomatis ?

    Jawaban :

    SCR cocok digunakan dalam emergency lighting system karena berfungsi sebagai saklar elektronik yang dapat mengendalikan arus dengan cepat dan andal. Dalam kondisi normal, SCR tidak menghantar karena tidak diberi sinyal gate. Namun, saat listrik utama padam dan sistem mendeteksi perubahan tegangan, sinyal gate dapat mengaktifkan SCR untuk menyalakan lampu darurat secara otomatis. SCR juga mampu menangani arus besar, sehingga cocok untuk sistem daya seperti pencahayaan darurat.

3. Sebuah sistem emergency lighting menggunakan 4 buah lampu LED masing-masing 12V, 5W yang ditenagai oleh baterai cadangan 12V. Sistem akan menyala otomatis saat listrik padam dengan menggunakan SCR sebagai saklar. Hitung:

a. Total arus yang dibutuhkan untuk keempat lampu

b. Kapasitas baterai minimum (dalam Ah) agar lampu menyala selama 2 jam penuh

c. Jika SCR memiliki drop tegangan sebesar 1V saat ON, berapa daya yang hilang di SCR?

    Jawaban :

a. Daya total:

$$P=4\times 5W=20W$$

Arus total:

$$I=\frac{P}{V}=\frac{20}{12}\approx 1.67\text{ A}$$

b. Kapasitas baterai minimal:

$$C=I\times t=1.67\times 2=3.34\text{ Ah}$$

c. Daya hilang pada SCR:

$$P_{SCR}=V_{drop}\times I=1V\times 1.67A=1.67\text{ W}$$

Pilihan Ganda

1. Pada aplikasi SCR dibawah ini, yang manakah aplikasi SCR yang biasa digunakan pilihlah !

    A. Pengatur Pengisian Baterai
    B. Pengatur Suhu 
    C. Sistem Penerangan Darurat
    D. Semua Benar

    Jawaban : D.

2. Pilih cara kerja SCR dibawah ini yang tepat adalah ! (Jawaban lebih dari satu)

    A. Mengalirkan arus dari anoda ke katoda jika gate dipancing dengan tegangan sebesar 0.7V - 1V.
    B. Jika gate sudah tidak ada tegangan atau trigger terputus, SCR akan mati atau tidak dapat mengalirkan arus
    C. Hanya akan mati (Open Circuit) jika arus yang mengalir dari anoda ke katodanya di bawah holding current
    D. SCR dalam keadaan (Short Circuit) selama arus tidak turun dari holding current, dan keadaan kaki  gate diberi tegangan trigger

    Jawaban : A C D

3. Pernyataan terkait SCR dibawah ini yang benar !

    A. SCR simpelnya atau ekivalen adalah semikonduktor gabungan dari kedua transistor PNP dan NPN
    B. SCR memiliki tiga terminal atau kaki yaitu Anoda, Katoda dan Gate
    C. SCR akan mati ketika tegangan pada kaki gate dibawah ambang tegangan triggernya
    D. SCR dapat digunakan sebagai saklar elektronik dalam rangkaian daya

    Jawaban : A B E

5. Percobaan[Kembali]

6. Download File[Kembali]

Download Proteus Fig 17.14 [Klik DISINI]

Datasheet Resistor [Klik Disini]

Datasheet Dioda [Klik Disini]

Datasheet Transistor [Klik Disini]

Datasheet Kapasitor [Klik Disini]

Datasheet Trafo [Klik Disini]

Datasheet SCR [Klik Disini]