Pikir dan Rasa

cogito ergo sum

Simulasi perwujudan sakelar 90 derajat dengan SCR

with one comment

Sebelumnya kita telah mem[p]elajari sakelar sebagai dasar dari komponen aktif di elektronika daya (power electronics). Dari pemahaman itu kita mencoba mempelajari diode sebagai perwujudan sakelar elektronik. Lalu sebelum belajar bagaimana upaya penyearahan, kita belajar terlebih dahulu masukan yang akan kita searahkan, dalam hal ini yaitu tegangan A.C. dan kita belajar parameter yang penting dari gelombang sinus. Lalu kita berkenalan dengan penggunaan sebuah diode sebagai penyearah setengah gelombang (half wave rectifier).

Sebelum melakukan simulasi penyulutan pada SCR, kita telah mempelajari bahwa simulasi dan perhitungan gelombang sinus sebagai akibat dari pensaklaran dapat dibawa ke tingkat abstraksi yang lebih tinggi. Kesemuanya tidak lain adalah perhitungan matematis terhadap luasan di bawah kurva. Di artikel sebelumnya itu juga telah dilakukan perhitungan untuk sudut pensaklaran 90°, juga simulasi dengan LTspice menggunakan suatu bentuk sakelar ideal. Nah, kali ini simulasi dilakukan dengan menggunakan komponen SCR untuk menggantikan komponen sakelar ideal. Sudut pensaklaran tetap 90°.

[Untuk memudahkan proses membaca, disarankan untuk membuka halaman ini dalam dua tab atau dua window (jendela). Supaya mudah untuk membaca keterangan dan membandingkan dengan / mengamati gambar. Agar tidak bolak-balik melakukan scroll.]

Tulisan ini dan tulisan lain dalam seri ini disusun dengan mode fail safe, artinya memang ditujukan terutama bagi yang ingin belajar secara mandiri. Dengan bemikian kadang-kadang bagi mereka yang sudah paham, akan terasa agak panjang. Silahkan skim and scan 🙂.

 

PERBANDINGAN

Mari kita mulai dengan penyegaran tentang perbandingan, tentang skala. Beberapa menyebutnya sebagai “rule of 3“. Sesuatu yang sebenarnya sangat sederhana tetapi berguna. Misalnya perhatikan perbandingan berikut:

Secara umum artinya kita bisa memperoleh persamaan sederhana (yang sebenarnya sudah dipakai pada artikel sebelum ini):


Dengan cara sama kita bisa mendapatkan acuan sederhana sebagai berikut:


SIMULASI

Dengan menggunakan perbandingan di atas, untuk penyulutan (firing angle) sudut 90°, kita memperoleh perbandingan sebagai berikut:


Sebelum melanjutkan pada simulasi dengan SCR ada baiknya kita melihat lagi gambar-gambar yang relevan dari artikel sebelum ini.


Gambar 1. Perhatikan demua informasi aplikasi Wolfram ini untuk sudut
90°.


Gambar 2. Simulasi rangkaian sakelar dengan LTspice untuk memberikan sudut penyalaan 90
°.


Gambar 3. Hasil simulasi rangkaian pada Gambar 2.

Sekarang dengan informasi acuan di atas kita bisa mencoba langkah berikutnya, yaitu mencoba melakukan simulasi penyulutan dengan model SCR SPICE pada software LTspice.

Kita menggunakan frekuensi standar untuk sistem kelistrikan yang umum kita jumpai dari sistem PLN yaitu 50 Hz. Karena f = (1/T), dengan T adalah periode, maka kita mengetahui kita bisa melakukan pendekatan bahwa periode satu siklus gelombang sinus adalah 20 mS. Jadi 360° dilalui selama 20 mS, karena itu dengan perhitungan perbandingan kita bisa memperoleh bahwa 90° dicapai setelah 5 mS dari titik crossing (persilangan) 0° (misal dari awal, yaitu 0 mS). Berikut adalah simulasi SCR penyulutan 90° dengan simulator LTspice.


Gambar 4. Rangkaian simulasi.


Gambar 5. Kurva hasil simulasi.

Pada Gambar 5, dapat kita lihat kurva tegangan V(n3) dan arus I(R1) sebagai akibat aksi pensaklaran dari SCR U2 (tipe S6025L). Sebagaimana yang telah pernah dibahas di artikel terdahulu, terjadi kehilangan beda potensial (hubung pendek) di kaki-kaki suatu komponen dan pada saat yang sama munculnya arus pada beban adalah ciri khas dari komponen sakelar (switch), (terutama sakelar ideal). Di bagian pane paling atas, dapat dilihat kurva perhitungan daya sebagai akibat perkalian antara tegangan pada kaki-kaki beban dan arus yang melintasinya. Seperti halnya tegangan dan arus yang tidak selalu ada, begitupun dayanya.


Gambar 6. Kurva hasil simulasi, tegangan dan arus di beban resistif.

Pada Gambar 6 kurva tegangan dan arus pada beban berupa komponen terlihat lebih jelas. Juga bisa kita bandingkan dengan kurva tegangan pada catu daya utama. Di gambar itu kita bisa melihat pemotongan kurva tegangan sakelar yang tepat pada sudut 90 derajat.


Gambar 7. Kurva dan penghitungan tegangan puncak pada kaki-kaki beban, bukti adanya jatuh tegangan pada SCR sebagai sakelar.


Gambar 8. Perhitungan nilai average dan rms untuk tegangan pada beban.

Mari kita lihat lagi persamaan yang sudah diuji pada artikel sebelumnya.


Gambar 9. Persamaan perhitungan rata-rata (average, DC) pada beban R untuk controlled-half wave rectifier.


Gambar 10. Hasil perhitungan numeris rata-rata untuk tegangan Vp ternormalisasi, 1 Volt (
penting: perhitungan dalam radian).

Pada Gambar 10, kita memperoleh nilai 0.15915494309189 untuk tegangan puncak yang dinormalisasi menjadi 1 Volt, artinya kita akan mendapatkan nilai rata-rata (average, DC) 0.15915494309189 V untuk setiap 1 V tegangan puncak dengan sudut penyalaan 90°. Dengan begitu kita mendapatkan;


Gambar 11. Hasil perhitungan dengan menggunakan skala dari hasil acuan ternormalisasi.

KIta bisa memeriksa kebenaran hasil perhitungan dengan penggunaan skala acuan pada Gambar 11 dengan melakukan perhitungan langsung dari persamaan sebagaimana yang diperlihatkan pada Gambar 9. Walaupun sebenarnya, kalau kita melihat persamaan akhir di Gambar 9, maka mudah bagi kita untuk mengetahui bahwa untuk suatu nilai sudut penyalaan (firing angle) yang tetap, maka nilai Vp dapat diganti dan berubah-ubah dan cukup faktor pengali dapat dipergunakan untuk memperoleh hasil tegangan yang baru🙂.


Gambar 12. Hasil perhitungan dengan menggunakan persamaan dasar.

Bisa ditarik kesimpulan sejauh ini dari Gambar 11 dan Gambar 12, bahwa satuan skala dari perhitungan (misalnya; tegangan atau arus) yang ternormalisasi dapat dipergunakan dan memang sama hasilnya dengan perhitungan dengan persamaan dasar untuk sudut penyalaan (pemicuan atau firing) yang sama. Ini memudahkan dalam melakukan perhitungan manual atau dengan perangkat bantu yang tidak mempunyai kemampuan komputasi yang tinggi.

Juga bisa dilihat bahwa tegangan rata-rata hasil simulasi pada Gambar 8, yaitu 2.4921 V, lebih kecil dari hasil perhtungan. Hal ini wajar karena simulasi sudah mempergunakan model SPICE dari SCR yang sesungguhnya (bukan sakelar ideal). Untuk rangkaian dengan komponen fisik yang riil, nilainya kemungkinan akan lebih jauh berbeda (berselisih). Ada tambahan sejumlah kondisi tidak ideal yang mempengatuhi unjuk kerja sistem. Karena itu hasil simulasi dan perhitungan serupa ini lebih banyak dijadikan sebagai acuan dasar, jika nilainya hendak dipakai maka harus ada rentang toleransi. Sebagaimana semua komponen fisik yang dipakai juga punya nilai toleransi. Istilahnya nilai ballpark, nilai estimasi.

Berikutnya untuk nilai rms, kita lihat kembali beberapa format penulisan persamaan yang sesungguhnya memiliki nilai yang sama.


Gambar 13. Penurunan persamaan rms untuk controlled half-wave rectifier (SCR tunggal).


Gambar 14. Penurunan persamaan dan pengujian dengan nilai numeris sudut (
penting: perhitungan dalam radian).

Pada perhitungan di Gambar 14, kita telah mendapatkan nilai dasar ternormalisasi untuk Vpeak sebesar 1 V pada sudut penyulutan 90°. Kita bisa mencoba menggunakan nilai ini untuk menghitung nilai rms pada beban resistor untuk nilai puncak tegangan masukan yang pain (Vpeak) dengan pada sudut penyulutan yang sama yaitu 90°.


Gambar 15. Penggunaan nilai rms beban ternormalisasi Vpeak masukan 1 V, untuk nilai Vpeak lain  (
penting: perhitungan dalam radian).


Gambar 16. Perhitungan rms untuk sudut
90° dengan persamaan dasar rms (penting: perhitungan dalam radian).


Gambar 17. Perhitungan rms untuk sudut
90°, persamaan #12 pada Gambar 13 (penting: perhitungan dalam radian).

Dari Gambar 15, Gambar 16 dan Gambar 17 kita bisa melihat bahwa nilai perhitungan rms yang diperoleh sama. Tetapi sebagaimana juga nilai average pada beban, nilai rms pada beban ini juga berbeda dengan hasil simulasi dengan model SPICE dari komponen SCR fisik yang menghasilkan nilai 5.6254 V. Lagi, ballpark🙂.

SIMULASI HIGH-SIDE SWITCHING

Sejauh ini konfigurasi sakelar pada rangkaian adalah low-side switcher, sakelar (SCR) terhubung langsung dengan ground/netral melalui kaki cathode. Beban resistif diletakkan di sisi hot, antara fasa dengan kaki anode dari SCR. Konfigurasi seperti ini termasuk yang paling mudah untuk diwujudkan. Tetapi untuk alasan keamanan kadang-kadang konfigurasi lain diterapkan, yaitu high-side switching. Pada konfigurasi ini beban diletakkan antara kaki katode SCR dengan netral atau “ground“. Sedangkan kaki anode langsung terhubung pada terminal jala-jala yaitu dengan fasa.

Cara belajar yang sistematis, menuntun kita untuk tidak langsung mencoba-coba mengutak-atik konfigurasi yang kita sama sekali tidak mengetahui dasarnya. Cara seperti ini lebih sering menghabiskan sumbar daya waktu dengan hasil yang minim. Cara yang lebih baik adalah dengan mempelajari terlebih dahulu setahap demi setahap. Usahakan, jika memungkinkan, hanya mengubah satu hal setiap waktu. Tentu saja selalu ada pengecualian dari cara belajar yang sistematis ini. Tetapi di era informasi, zaman Internet, di mana untuk banyak hal terdapat banyak bahan belajar (bahkan tutorial) kita lebih dimungkinkan untuk belajar dengan cara yang sistematis, setahap demi setahap menerima tambahan faktor kesulitan.

Kita memahami simulasi dasar pensaklaran pada low-side switching, di mana sakelar berada di sisi jala-jala netral. Pada konfigurasi (topologi) itu mudah untuk dipelajari nilai tegangan antara kaki gate dengan kaki katode pada SCR. Nilainya kurang lebih sama dengan tegangan maju pada diode silikon diskrit (misal 1N4007) yaitu 0.7 Volt. Tegangan inilah yang penting untuk dijaga dari kelebihan tegangan pemaksa selain dari arus minimum pada gate untuk penyulutan. Tegangan (VGT) dapat lebih mudah diamati jika katode terhubung langsung dengan node netral dari catu daya, seperti pada topologi low-side switching. Setelah ini dipahami, baru kita melangkah ke tahap berikutnya, topologi high-side switching sebagai berikut.


Gambar 18. Konfigurasi high-side switching untuk SCR.


Gambar 19. Hasil uji simulasi konfigurasi high-side switching, memberikan hasil yang sama dengan hasil simulasi di Gambar 8.

Dengan simulasi seperti pada Gambar 18, kita bisa melihat hasilnya pada Gambar 19 bahwa kita hanya perlu memberikan penyulutan kaki gate SCR selama 1 mS. Rentang waktu on ini cukup untuk membuat SCR terkunci, latched, sehingga pemicu tidak perlu terus menerus on.  Kita juga bisa melihat bahwa sungguh pun gate hanya terpicu selama 1 mS, VGT , tetap memberikan nilai tegangan yang mengindikasikan bahwa SCR tetap berada dalam kondisi on. SCR kemudian off karena prinsip komutasi natural, yaitu turunnya nilai tegangan catu di akhir setengah siklus positif gelombang sinus. Nilai tegangan yang turun ini (dengan hukum Ohm) membuat nilai arus anode (principal current) nilainya turun sampai di bawah nilai holding current yang diperlukan oleh SCR untuk tetap on sekalipun sedang tidak ada pemicuan di kaki gate.

SIMULASI HIGH-SIDE SWITCHING SUMBER TUNGGAL 

Konfigurasi pensaklaran SCR seperti Gambar 18, AFAIK (AsFarAsIKnow), adalah pengaturan standar high-side switcher untuk simulasi penyulutan sudut tertentu pada SCR/TRIAC di simulator berbasis SPICE, termasuk LTspice. Namun konfigurasi seperti itu jarang dipergunakan untuk banyak keperluan praktis, dari segi penyediaan sumber tegangan terpisah untuk penyulutan SCR saja sudah membuat konfigurasi (topologi) ini jarang diimplementasikan dalam rangkaian riil. Cara lebih ringkas dan baik, walaupun tetap bisa sederhana adalah dengan menggunakan suplai tunggal, sumber catu daya sekaligus sumber tegangan untuk penyulutan gate.


Gambar 20. Konfigurasi low-side switching untuk SCR, resistance triggering/r triggering.


Gambar 21. Hasil simulasi penyulutan sudut
90° untuk resistance triggering.

Bisa dilihat pada Gambar 20 nilai R2 adalah 806, nilai ini adalah nilai standar E96 (±1%). Tetapi hal ini hanyalah kebetulan, rangkaian ini tidak dirancang untuk memiliki nilai R yang tepat sesuai standar resistor komersial. Bahkan dalam praktiknya biasanya resistor pembatas ini lebih sering merupakan potensiometer. Namun demikian kita bisa memperkirakan nilai R2 dengan nilai pendekatan pada topologi ini.

Syarat pertama untuk dapat memperkirakan nilai R dalam toplogi ini adalah kita harus bisa mengingat hubungan sederhana antara jumlah derajat sudut (atau radian) dengan periode gelombang sinus. Juga mengingat bahwa rasio antara sudut tertentu dengan total sudut satu siklus penuh (360°) sama dengan rasio antara selang waktu tertentu (wantu tunda penyulutan) dengan periode segombang satu siklus penuh. Berikut ringkasannya:


Dengan ringkasan di atas, kita, misalnya, bisa mengetahui bahwa jika kita ingin menyakalan SCR pada sekitar ±90°, dan frekuensi gelombang sinus AC masukan ±50 Hz, maka kita menunda penyulutan sekitar ±5 mS. Sekali lagi seperi keterangan pada bagian sebelumnya, ini adalah nilai ballpark (pendekatan, perkiraan). Pertanyaannya kemudian, untuk bentuk rangkaian (topologi) di atas, bagaimana kita bisa menunda penyulutan sampai sekitar 5 mS setelah crossing ? Ingat ini gelombang sinus yang periodik.

Kita mengetahui pentingnya paramater VGT , IGT, IL, dan IH. Kuncinya pada kemampuan kita untuk menyediakan arus pemicu pada kaki gate, IGT. Setiap SCR memiliki nilai yang IGT spesifik, bahkan untuk tiap komponen dalam satu tipe yang sama terdapat variasi. Selama nilainya belum tercapai, dalam keadaan normal (yaitu saat sumber pemicuan liar tidak ada), maka  SCR akan selalu dalam keadaan off. Inilah kuncinya.

Pada Gambar 20, kita lihat nilai catu utama yang mencatu SCR (catu anode) adalah sumber tegangan AC. Karena itu nilainya berubah, naik dan turun secara periodik terhadap node acuan. Sumber tegangan ini tidak hanya terhubung dengan anode SCR secara langsung, tetapi juga dengan kaki gate SCR melalui komponen resistor, R2. Dengan mengingat persamaan modifikasi dari hukum Ohm (V = I x R atau v(t) = i(t) x R) maka kita bisa mengetahui arus gate yang disuplai dari sumber tegangan AC ini. Dan karena nilai tegangan di sumber berubah, naik dan turun, maka demikian juga tegangan di kaki gate SCR. Yang lebih penting, sebagai konsekuensi begitu pula nilai arus gate, akan juga ikut berubah naik dan turun. Kapan nilai arus gate memenuhi sayarat minimal pemicuan, itulah waktu tunda yang kita tetapkan.

Hukum Kirchhoff tentang tegangan berlaku di sini; jika dijumlahkan untuk satu saat yang sama nilai tegangan di sumber, tegangan di resistor R2 dan tegangan gate adalah nol.
V1 – VR2 – VGT = 0
V1 – VGT = VR2
V1 VGT = IR2 x R2
(V1 – VGT) / IR2 R2

Dari penyusunan ulang persamaan di atas, kita memerlukan pengetahuan terhadap tiga besaran (tiga variabel) agar kita bisa menentukan nilai R2. Pada artikel sebelumnya tentang uji penyulutan SCR, kita temukan bahwa untuk model SPICE dari komponen SCR tipe S6025L, simulator LTspice memberikan indikasi bahwa nilai arus turn-on untuk gate SCR, IGT tipe ini adalah 20.2 mA. Sedangkan nilai tegangan gate, VGT pada kondisi arus gate senilai 20.2. mA itu, adalah sebesar 0.7 Volt.



Gambar 22. Hasil simulasi
IGT dan VGT untuk model SPICE SCR tipe S6025L.

Tetapi penting juga diingat nilai di atas ini adalah nilai-nilai pendekatan, dari artikel yang sama kita telah membuktikan pada pengujian dengan komponen riil, nilainya bisa jadi berbeda. Kita dapati uji penyulutan DC memerlukan arus gate IGT “hanya” sebesar 4.72 mADC dengan tegangan gate VGT sebesar 0.75 VDC. Sepintas hasil uji riil yang berbeda dengan hasil simulasi model ini membingungkan (kalau kita lupa bahwa model komponen sangatlah terbatas). Tetapi kalau kita mengacu pada datasheet yang dikeluarkan oleh produsen tipe SCR ini (Gambar 24), kita dapati memang dengan kondisi test yang mereka cantumkan, arus gate yang diperlukan untuk pemicuan SCR ini bervariasi antara minimum 1 mA sampai dengan maksimum 35 mA.


Gambar 23.Uji pensaklaran dengan komponen riil.


Gambar 24. Cuplikan parameter operasi dari SCR Littelfuse
S6025L (sumber: Littelfuse)

Nah sekarang sekedar untuk pendekatan untuk simulasi ini kita pergunakan , IGT sebesar 20.2 mA dan VGT  sebesar 0.7 Volt. Lalu kita lakukan subtitusi sederhana pada persamaan yang kita ubah sebelumnya: (V1 VGT) / IR2 = R2
(V1 0.7 Volt)  / 20.2 mA R2

Karena kita mengetahui bahwa sumber tegangan catu daya adalah sumber tegangan AC sinus, artinya tegangan puncak berada pada sudut 90°. Dengan demikian short-cutnya adalah jika kita perlu menyulut di sekitar sudut  90°, gunakanlah tegangan puncak dari input.
(V1 – 0.7 Volt)  / 20.2 mA = R2
(17 – 0.7 Volt)  /  20.2 mA = R2 = 806.93  Ω

Bisa kita lihat nilai R2 dari hasil perhitungan ini, sekalipun merupakan nilai pendekatan, tidak berbeda dengan nilai R2 pada Gambar 20 yang terbukti memberikan hasil simulasi penyulutan di sudut 90°.

Nah, jika sudut 90° dapat dengan mudah dicari karena bertepatan dengan nilai puncak, bagaimana dengan nilai sudut lainnya? Untuk menjawab pertanyaan ini kita kembali membuka persamaan dasar untuk tegangan di sistem AC sinus resistif.


Gambar 25. Persamaan dasar tegangan AC sinus untuk mencari nilai v(t).

Persamaan (V1 VGT) / IR2 = Rdapat diubah sedikit menjadi (V(t) VGT) / IR2 = R2 , dan dari situ kita mengetahui kita memerlukan nilai v(t) yang bersesuaian dengan sudut pemicuan yang kita kehendaki. Dengan asumsi (yang tentu saja sering meleset) bahwa tegangan suplai berbentuk gelombang sinus ideal maka kita bisa menghitung nilai v(t) dengan persamaan #3, #4, #5 di Gambar 25.


Perlu diingat bahwa semua perhitungan dilakukan dalam mode radian. Namun demikian sebagaimana yang bisa kita lihat di contoh perhitungan pembuktian di atas, untuk rasio kita bisa mempergunakan selain dari nilai radian. Yang penting yang dibagi dan pembagi merupakan tipe dengan satuan yang sama. Dengan contoh di atas kita bilsa mennganti nilai variabel sudut penyulutan dengan sudut selain 90
°. Jika kita mengubah nilai tegangan input, kita juga bisa mengganti nilai variabel Vpeak (lihat Gambar 25).

Kita juga bisa mengubah persamaan pada Gambar 25 agar kita bisa melakukan pemeriksaan ulang.


Gambar 26. Modifikasi persamaan pada Gambar 25 untuk pemeriksaan ulang hasil perhitungan dan uji coba.


Semua perhitungan balik ini berhasil dipergunakan untuk memeriksa penentuan kita sebelumnya. Untuk sudut 90° semua perhitungan in tampak tidak menarik, karena sudut 90° gampang ditebak bertepatan dengan Vpeak suplai. Tetapi perhitungan ini akan sangat bermanfaat untuk sudut yang lain. Semua persamaan ini bersifat generik bisa dipergunakan untuk nilai tegangan puncak dan nilai sudut yang lain.

Berikutnya sedikit akan ditunjukkan pengaruh besar nilai R2 terhadap nilai sudut pemicuan SCR. Akan ditunjukkan pengaruh nilai tahanan sebesar 100 Ω, 500 Ω dan 800 Ω, agar mudah terlihat bedanya, tetapi pada prinsipnya ini berlaku juga untuk potensiometer. Semakin besar nilai resistansi, akan semakin besar nilai sudut penyulutan (firing angle) dan akan semakin kecil nilai conduction angle. Sehingga semakin kecil nilai tegangan rata-rata (average) dan tegangan rms.


Gambar 27. Rangkaian simulasi tiga nilai R2
100 Ω, 500 Ω dan 800 Ω.


Gambar 28. Kurva hasil simulasi, pengaruh besar nilai R2 (tahanan arus gate) terhadap besar sudut penyulutan.

SUDUT PENYULUTAN MAKSIMUM

Dari semua konfigurasi di atas tampaknya kita mendapatkan rangkaian yang sangat ringkas dengan pengendalian sudut hanya dengan sebuah resistor atau potensiometer. Tetapi ternyata bentuk konfigurasi/topologi ini punya keterbatasan, sudut penyulutan maksimumnya hanya 90° (5 mS delay untuk f = 50 Hz). Artinya dengan rangkaian bentuk ini kita tidak bisa menyulut misalnya 120° atau 150° atau delay lebih besar dari ±5 mS.


Gambar 29. Zoom dari Gambar 28.

Pada Gambar 29, titik berat bukan pada nilai resistor yang berubah, dapat kita lihat untuk satu siklus gelombang penuh sinus, ada kemungkinan terdapat dua waktu yang punya nilai (tegangan) yang sama. Terkecuali untuk sudut 90° (5 mS pada 50 Hz). Padahal kita mengetahui bahwa untuk SCR (juga TRIAC), tanpa adanya komutasi paksa maka jika SCR sudah melewati batas arus latching, SCR akan tetap hidup (on, sakelar tertutup) selama arus anode-katode tidak lebih rendah dari batas ambang nilai arus holding. Pada Gambar 29 dapat kita lihat, setelah nilai tertinggi (dalam contoh adalah tegangan, tetapi juga bisa arus) pada sudut 90° tidak ada lagi nilai yang lebih tinggi. Misalnya saat sudah tersulut saat suplai berada pada level tegangan 10.9 V di 2.41 mS (periode 20 mS), SCR akan terus on, latched. Kita tidak akan bisa memicunya pada 7.59 mS walaupun level tegangannya sama yaitu 10.9 V.

Jadi pada prinsipnya bentuk penyulutan seperti ini hanya bisa maksimum untuk sudut ± 90°. Karena itu ada yang menyebut bentuk penyulutan seperti ini sebagai rangkaian 90° phase control. Jika kita membutuhkan penundaan yang lebih panjang kita perlu bentuk konfigurasi/topologi yang lain, misalnya yang lazim disebut RC phase control atau 180° phase control yang akan dibahas di artikel lain lain waktu.

RESISTANCE TRIGGERING (R TRIGGERING)

Sebelum ditambahi pengaman berupa diode dan tambahan resistor, kita akan meninjau satu lagi evolusi dari bentuk penyulutan sudut untuk SCR. Saya masih setia dengan pola yang sistematis, selagi memungkinkan. Itu jauh lebih baik daripada sekedar agar terlihat keren dan rumit, tapi tidak mendapatkan dasar yang baik😀. Walaupun kita bukan ilmuwan seperti salah satu pengertiannya, menyumbang pemahaman yang benar-benar baru bagi umat manusia, kita bisa dan perlu belajar dari mereka, para ilmuwan. Tentu dari ilmuwan yang sebenarnya ya😛.

Rangkaian berikut ini adalah model yang lebih umum dijumpai bila dibandingkan topologi pada Gambar 4, Gambar 18 atau Gambar 20. Beban langsung dihubungkan secara seri dengan catu daya, juga semua arus gate dan arus anode melewati beban. Keuntungan cara ini adalah beban juga berfungsi sebagai pembatas arus setidaknya saat SCR dalam keadaan on, juga meringankan resiko pada kaki gate.


Gambar 30. Rangkaian resistance triggering (90 degree phase control).


Gambar 31. Hasil simulasi rangkaian pada Gambar 30.

Dari simulasi dengan LTspice, kita dapat melihat tidak ada perubahan yang signifikan pada rangkaian di Gambar 30 ini. Prinsip kerja suatu rangkaian pengendali sudut penyulutan SCR dengan resistance triggering, tetap, tidak berubah. Itulah baiknya kalau kita belajar dengan cara melihat evolusi rangkaian sederhana, setahap demi setahap🙂. Tetapi selain secara nalar, kita juga bisa melihat dari hasil simulasi pada Gambar 31, bahwa karena pada contoh beban adalah komponen resistor murni, dan arus yang menuju gate juga melewatinya maka nilai resistansinya menjadi berpengaruh. Nilai arus gate tidak lagi hanya ditentukan oleh nilai R2, tetapi juga nilai resistansi pada beban. Karena itu kita lihat pada Gambar 31, jika kita menggunakan tahanan sebesar 800 Ω maka SCR akan gagal picu. Jadi nilai R2 harus dikurangi karena sudah ada nilai resistansi pada beban yang juga mempengaruhi nilai arus pada gate IGT.

Terakhir kita melihat bagaimana beberapa rangkaian yang lebih realistis lagi dengan perubahan yang lebih kecil (hanya menggunakan resistor), ini perjalanan terakhir kita untuk mempelajari rangkaian half-wave controlled rectifier, thyristor SCR, dengan penyulutan resistance (r) triggering. Dengan mengamati evolusi rangkaian setahap demi setahap, diharapkan hasilnya menjadi fondasi pemahaman yang kuat untuk mengembangkan lebih lanjut.


Gambar 32. Rangkaian resistance triggering yang dilengkapi resistor dan diode pengaman.


Gambar 33. Hasil simulasi pengoperasian potensiometer pada sudut penyulutan.


Gambar 34. Hasil simulasi pengoperasian potensiometer pada paramater operasi SCR.

Mengapa ada komponen diode terhubung dengan kaki gate dari SCR di Gambar 32? Diode itu dipergunakan sebagai pengaman untuk kaki gate dari SCR, juga mengurangi beban dari resistor pembatas arus gate. Mari kita kutip apa penjelasan dari produsen SCR yang dipergunakan:

This protects the reverse gate junction of sensitive SCRs and keeps power dissipation low for gate resistors on the negative half cycle. The diode is rated to block at least the peak value of the AC supply voltage.

Gambar 35. Modifikasi rangkaian pada Gambar 32, beban ditempatkan di titik acuan (common).


Gambar 36. Hasil simulasi rangkaian pada Gambar 35.


Gambar 37. Pemeriksaan jumlah arus gate (diode) berdasar arus beban dikurangi arus anode, rangkaian Gambar 35.

Menurut saya tidak banyak yang lebih baik dari mempelajari SCR dan thyristor lainnya selain dari application note dan tutorial dari para produsen. Selain memang isinya bagus, juga dijamin halal, tidak perlu “nyolong” alias mencuri. Walau kadang ada polesan (namanya juga orang dagang), isi dari artikelnya sarat ilmu dan bermanfaat. Jadi jangan ragu buka kamus, jika perlu, ilmu itu mahal … . Dulu orang rela berpergian ratusan kilometer sekedar untuk mencari satu keterangan ilmu. Sekarang, buka google translate saja masa iya masih malas?😀.

sumber: Littelfuse


Gambar 38. Perwujudan rangkaian low-side switch dengan tambahan rleg.


Gambar 39. Simulasi pengaruh beberapa nilai rleg terhadap arus dan tegangan pada rangkaian.


Gambar 40. Tambahan rkaki pada rangkaian high-side switcher.


Gambar 41. Hasil simulasi rangkaian pada Gambar 40 dengan beberapa nilai rkaki.

Nah, telah selesai kita mempelajari dengan lebih sistematis suatu perwujudan simulasi dari rangkaian half-wave controlled rectifier dengan menggunakan SCR. Dari yang tadinya berupa konsep dengan simulasi sakelar ideal dan abstraksi dengan perhitungan matematis, di artikel ini kita mewujudkannya dengan simulasi LTspice menggunakan bukan model SCR yang ideal, melainkan model SPICE SCR yang diturunkan dari komponen yang riil. Simulasi mempermudah dan mempermudah kita dalam mempelajari prinsip dasar kerja komponen dan rangkaian elektronika. Termasuk elektronika daya (power electronics).

Dalam artikel ini sudut yang dibahas adalah sudut 90°, sekedar supaya bisa cepat untuk membandingkan dengan pemaparan pada artikel sebelumnya. Tetapi hasil pemahaman dan persamaan-persamaan dari tulisan ini bisa dipergunakan untuk nilai tegangan catu daya yang berbeda dan juga untuk sudut penyulutan (firing angle) yang berbeda.

Selain contoh untuk sudut yang berbeda, lain waktu jika memungkinkan akan dibahas rangkaian penyearah setengah gelombang terkendali dengan SCR, tetapi dengan metode penyulutan berbeda yaitu RC dan pulsa menggunakan optocoupler. Lain waktu juga akan didokumentasikan uji lanjutan dengan komponen riil. Untuk sementara silahkan dibaca beberapa sumber bacaan lanjut berikut:

  1. https://www.pantechsolutions.net/power-electronics/r-triggering-circuit
  2. http://www.circuitstoday.com/scr-control-circuits
  3. http://www.completepowerelectronics.com/scr-triggering-turn-on-methods/
  4. littelfuse.com

Menurut Littelfuse:

Gate Trigger Voltage (VGT) − Gate voltage required to produce the gate trigger current

Gate Trigger Current (IGT) − Minimum gate current required to maintain the Thyristor in the on state

Principal Current − Generic term for the current through the collector junction (the current through main terminal 1 and main terminal 2 of a Triac or anode and cathode of an SCR)

Holding Current (IH) − Minimum principal current required to maintain the Thyristor in the on state

Latching Current (IL) − Minimum principal current required to maintain the Thyristor in the on state immediately after the switching from off state to on state has occurred and the triggering signal has been removed

On-state Current (IT) − Principal current when the Thyristor is in the on state
On-state Voltage (VT)
Principal voltage when the Thyristor is in the on state

font cache: Ψ α β π θ μ Φ φ ω Ω ° ~ ±  ≈ ≠ ≡ ≤ ≥  ∞    

Written by sunupradana

January 5, 2015 at 1:09 am

One Response

Subscribe to comments with RSS.

  1. […] akan dipaparkan simulasi dari persamaan yang dibahas di artikel ini, sebagai contoh akan tetap dipakai sudut sebesar […]


Leave a Reply

Fill in your details below or click an icon to log in:

WordPress.com Logo

You are commenting using your WordPress.com account. Log Out / Change )

Twitter picture

You are commenting using your Twitter account. Log Out / Change )

Facebook photo

You are commenting using your Facebook account. Log Out / Change )

Google+ photo

You are commenting using your Google+ account. Log Out / Change )

Connecting to %s

%d bloggers like this: