ELEKTRONIKA DAYA

PENDAHULUAN SEMIKONDUKTOR DAYA

            Rangkaian elektronika daya merupakan suatu  rangkaian listrik yang dapat mengubah sumber daya listrik dari bentuk gelombang tertentu menjadi sumber daya listrik dengan bentuk gelombang lain dengan menggunakan piranti semikonduktor daya. Semikonduktor daya memiliki peran penting dalam rangkaian elektronika daya. Contohnya, seperti bentuk gelombang sinusoida menjadi gelombang nonsinusoida.  Semikonduktor daya dalam rangkaian elektronika daya umumnya dioperasikan sebagai :

1.      pensakelar (switching)

Fungsi utama semikonduktor pada aplikasi elektronika daya adalah sebagai saklar atau switching. Proses switching merupakan dasar dari materi pada elektronika daya sehingga perlu difahami dengan baik. Switching dilakukan secara elektronik dengan kecepatan tinggi yang dapat diatur sesuai dengan kebutuhan.

2.      pengubah (converting)

Fungsi yang kedua dari peralatan semikonduktor elektronika daya adalah untuk melakukan pengubahan atau converting dari tipe sumber. Konversi dapat dilakukan dari AC ke DC, AC ke AC, DC ke DC maupun dari DC ke AC. Proses pengubahanbesaran meliputi pengubahab bentuk gelombang arus, tegangan maupun besaran lainnya.

3.      pengatur (controlling)

Fungsi yang ketiga dari peralatan semikonduktor elektronika daya adalah untukm elakukan pengaturan aplikasi elektronika industri sesuai dengan yang diinginkan. Contoh pengaturan adalah pengaturan tegangan, pengaturan arus, pengaturan daya listrik dan pengaturan besaran-besaran lainnya. Dengan melakukan pengaturan besaran listrik akan berpengaruh pada sistem kerja pada sistem yang bekerja di industri seperti kecepatan putaran, tekanan, suhu, kecepatan gerak, dan sistem kerja lainnya.

Penggunaan semikonduktor dalam rangkaian elektronika daya memiliki keuntungan:

a.       Menaikkan efesiensi dan performansi rangkaian.

b.      Rugi-rugi daya relatif kecil

c.       Kegunaannya seperti sakelear berupa ON atau OFF bisa sekaligus sebagai pengubah dan atau pengontrol.

 Aplikasi rangkaian elektronika biasanya digunakan pada peralatan konversi daya listrik yang besar; seperti : transmisi daya listrik, pengaturan motor listrik secara elektronis di industri; hingga peralatan listrik keperluan sehari-hari dengan daya yang rendah ( Pengaturan lampu (dimmer) dan Uninterutable Power Supply (UPS)). Di samping itu, rangkaian elektronika daya dapat mengubah beberapa bentuk rangkaian listrik pengubah, antara lain: rangkaian listrik yang mengubah sumber listrik arus bolak-balik (alternating current – AC) menjadi sumber listrik arus searah (direct current – DC), mengubah sumber listrik arus searah (direct current – DC) menjadi sumber listrik arus bolak-balik (alternating current – AC), mengubah tegangan DC tetap menjadi tegangan DC yang dapat diatur, dan mengubah sumber AC dengan frekuensi tertentu menjadi sumber AC dengan frekuensi baru.

KARAKTERISTIK SEMIKONDUKTOR DAYA

Beberapa karakteristi semikonduktor daya yaitu :

1.      DIODA

Dioda merupakan semikonduktor (komponen) elektronika daya yang memilki dua terminal, yaitu: anoda dan katoda. Diode digunakan sebagai pansekalar akan ON jika potensial pada anode lebih positif daripada potensial pada katoda, dan dioda akan memblok (OFF) jika potensial pada anoda lebih negatif daripada potensial pada katoda.

 Dalam keadaan ideal, saat keadaan ON diode akan memilii tegangan sama denga nol dan memiliki arus yang mengalir sama dengan arus bebanya, sedangkan keadaan OFF, diode akan memiliki tegangan sama dengan tegangan sumbernya dan arusnya yang mengalir sama dengan nol.

2.      THYRISTOR

Dalam keluarga thyristor memiliki beberapa macam yaitu:

a.       SCR (silicon-controlled retifier)

SCR memiliki tiga terminal, yaitu anoda, katoda, dan gate. Penggunaan SCR dalam inputnya dapat berupa tegangan bolak-balik (AC) maupun tegangan searah (DC). Ketika sumber masukan berupa searah (DC) jika anoda lebih positif dari pada katoda dan terminal gate dialiri arus pulsa positif, SCR akan ON terus walaupun Gate diputus atau dialiri pulsa negative. Agar SCR menjadi OFF pada katodanya harus dibuat lebih potensial daripada anodanya.

            Sedangkan untuk sumber masukan berupa tegangan bolak-balik (AC) SCR akan ON ketika tegangan bolak-balik pada polaritas positif dan akan OFF pada polaritas negatif, tetapi pada terminal gate harus selalu dialirkan arus pulsa positif. Berbeda dengan karakteristik sebelumnya, SCR akan OFF ketika arus pulsa pada gate diputus. Hal ini berarti, arus pulsa pada gate harus selalu dihubungkan dengan terminal gate agar rangkaian dapat bekerja sebagaimana yang diharapkan.

b.      GTO (gate turn-off thyristor)

GTO merupakan komponen elektronika daya yang memiliki tiga terminal, yaitu: anoda, katoda, dan gerbang (gate). Karakteristik GTO seperti SCR, GTO akan konduksi (ON) jika potensial pada anoda lebih positif daripada potensial pada katoda dan pada terminal gerbang dialirkan pulsa arus positif dan akan terus ON. GTO akan OFF jika terminal gerbang dan katoda diberi tegangan yang lebih negatif atau dialiri pulsa arus negatif.

c.       TRIAC.

TRIAC adalah Bidirectional Triode Thyristor. Ini menunjukkan sakelar dua arah yang dapat mengalirkan arus listrik ke kedua arah ketika dipicu (dihidupkan). TRIAC dapat dinyalakan baik dengan tegangan positif ataupun negatif pada elektrode gerbang. TRIAC akan aktif ketika polaritas pada anoda lebih positif daripada katodanya. Dan gatenya diberi polaritas positif, begitu juga sebaliknya. Setelah terkonduksi, sebuah TRIAC akan tetap bekerja selama arus yang mengalir pada TRIAC (IT) lebih besar dari arus penahan (IH) walaupun arus gate dihilangkan. Satu-satunya cara untuk membuka (meng-offkan) TRIAC adalah dengan mengurangi arus IT di bawah arus IH.

3.      TRANSISTOR

Transistor merupakan komponen elektronika daya yang memiliki tiga terminal, yaitu: basis, emitor, dan kolektor. Dalam rangkaian elektronika daya, transistor umumnya dioperasikan sebagai sakelar dengan konfigurasi emitor-bersama. Transistor dengan jenis NPN akan ON jika pada terminal kolektor-emitor diberi panjar (bias) dan pada basis memiliki potensial lebih positif dari pada emitor dan memiliki arus basis yang mampu mengendalikan transistor pada daerah jenuh. Sebaliknya, transistor akan OFF jika arus basis dikurangi hingga pada kolektor tidak dapat mengalirkan arus listrik.

      Jika dilihat Transistor dalam kadaan ideal, ketika transistor dalam kondisi ON memiliki karakteristik tegangan pada terminal emitor dan kolektor (VCE) sama dengan nol dan arus yang mengalir sama dengan arus bebannya. Sebaliknya, ketika transistor dalam kondisi OFF memiliki karakteristik tegangan pada transistor sama dengan tegangan sumbernya (VCC) dan arus yang mengalir sama dengan nol. Dalam kondisi transistor ON dan OFF ini dapat dinyatakan tidak terjadi kerugian daya pada transistor sebagai sakelar.

4.      MOSFET

MOSFET merupakan komponen semikonduktor daya yang memiliki tiga terminal, yaitu: gerbang, sumber (source), dan pengalir (drain). MOSFET bekerja atas dasar prinsip kendali-tegangan (voltage-driven). Jika pada terminal gerbang-sumber dicatu tegangan yang cukup besar maka piranti akan ON, sehingga menghasilkan tegangan yang kecil antara terminal pengalir-sumber. Dalam kondisi ON, perubahan tegangan pada terminal pengalir-sumber berbanding lurus dengan arus pada terminal pengalirnya. Jadi, terminal pengalir-sumber memiliki resistansi sangat kecil pada saat kondisi ON.

Jika dilihat dalam keadaan ideal, ketika MOSFET dalam kondisi ON memiliki karakteristik tegangan pada terminal pengalir dan sumber (VDS) sama dengan nol dan arus yang mengalir sama dengan arus bebannya. Sebaliknya, ketika MOSFET dalam kondisi OFF memiliki karakteristik tegangan pada MOSFET sama dengan tegangan sumbernya (VDD) dan arus yang mengalir sama dengan nol. Dalam kondisi MOSFET ON dan OFF ini dapat dinyatakan tidak terjadi kerugian daya pada MOSFET sebagai sakelar

5.      INSULATED GATE BIPOLAR TRANSISTOR (IGBT)

IGBT merupakan komponen elektronika daya yang memiliki karakteristik gabungan antara MOSFET, transistor, dan GTO. Seperti MOSFET, IGBT memiliki impedansi gerbang yang tinggi sehingga hanya memerlukan arus yang kecil untuk mengaktifkannya. Serupa dengan transistor, IGBT memiliki tegangan kondisi-ON yang kecil meskipun komponen ini mempunyai rating tegangan yang besar dan mampu memblok tegangan negatif seperti halnya GTO.

PRINSIP DASAR RANGKAIAN ELEKTRONIKA DAYA

Pengaturan daya listrik dapat dilakukan dengan cara melakukan konversi bentuk gelombang besaran tertentu menjadi bentuk lain dengan menggunakan suatu rangkaian elektronika dengan prinsip kerja yang memanfaat karakteristik pensakelaran dari piranti semikonduktor daya sebagai diuraikan di muka.

Rangkaian elektronika daya dapat diklasifikasikan dalam lima jenis, yaitu :

1. Penyearah tak-terkendali, yakni suatu rangkaian yang mengubah tegangan arus bolak-balik (AC) menjadi tegangan arus searah (DC) tetap/ diatur.

2. Penyearah terkendali (konverter AC-DC), yakni suatu rangkaian yang mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC yang dapat dikendalikan/ diatur.

3. Pengatur tegangan arus bolak-balik (konverter AC-AC), yakni suatu rangkaian yang dapat mengubah tegangan AC tetap menjadi tegangan AC yang dapat dikendalikan/ diatur.

4. Pemangkas arus searah (chopper DC), yakni suatu rangkaian yang digunakan untuk mengubah sumber tegangan DC tetap menjadi sumber tegangan DC yang dapat dikendalikan/diatur.

5. Inverter (konverter DC-AC), yakni suatu rangkaian yang digunakan untuk mengubah sumber tegangan DC tetap menjadi sumber tegangan AC yang dapat dikendalikan/diatur.