KOMPONEN ELEKTRONIKA DAYA

KOMPONEN ELEKTRONIKA DAYA

1.     Pendahuluan

Elektronika Daya merupakan salah satu bidang ilmu yang mempelajari dan membahas aplikasi elektronika yang berkaitan dengan peralatan listrik yang berdaya cukup besar. Berbagai macam peralatan dan aplikasi nyata di industri yang menggunakan sumber listrik memiliki kapasitas daya yang sangat besar seperti motor listrik, pemanas, pendingin, fan, kompresor, pompa, conveyor dan aplikasi-aplikasi lainnya. Elektronika daya mulai populer setelah berbagai pengaturan secara konvensional kurang dapat memenuhi kebutuhan industri. Pengaturan berbagai aplikasi di industri secara konvensional tidak efektif dan menimbulkan rugi-rugi yang cukup besar sehingga diperlukan mekanisme pengaturan yang lebih baik. Salah satu pilihan adalah dengan menggunakan perangkat elektronika.

Elektronika daya menggabungkan daya, elektronika dan kontrol. Daya terkait dengan peralatan-peralatan daya baik yang tidak bergerak maupun yang berputar untuk pembangkitan, transmisi dan distribusi daya listrik. Elektronika terkait dengan piranti-piranti dan rangkaian solid-state untuk pemrosesan sinyal listrik guna mendapatkan tujuan pengendalian yang dikehendaki. Kontrol menyangkut sistem kontrol operasi peralatan dan sistem agar dapat beroperasi sesuai yang diharapkan. Jadi, Elektronika daya merupakan aplikasi dari elektronika solid-state untuk kontrol dan konversi tenaga listrik. Berikut ini adalah gambaran tentang ruang lingkup elektronika daya yang meliputi: penyearah (konverter), inverter, DC chopper, dan regulator AC.

2.      Fungsi Peralatan Semi Konduktor

1. Switching adalah fungsi utama semikonduktor pada aplikasi elektronika daya. 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. Converting 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 pengubahan besaran meliputi pengubahan bentuk gelombang arus, tegangan maupun besaran lainnya.
3. Fungsi yang ketiga dari peralatan semikonduktor elektronika daya adalah untuk melakukan 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.

3.   Saklar Semi Konduktor

1.      Dioda

Dioda merupakan semikonduktor (komponen) elektronika daya yang memilki dua terminal, yaitu: anoda dan katoda. Dalam rangkaian elektronika daya, dioda difungsikan sebagai sakelar. Gambar 1.2 (a), (b), dan (c) masing-masing ditunjukkan bentuk fisik, simbol dioda, karakteristik dioda. Sebagai sakelar, sebagaimana Gambar 1 (c), dioda akan konduksi (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.

Gambar 1.2a. Bentuk fisik dioda

Gambar 1.2b. Simbol Dioda

Gambar 1.2c Kurva karakterisitk dioda

Gambar 1.3 a) Panjar maju (forward bias) dan b) Panjar mundur (reverse bias)

Pada kondisi panjar maju (forward) Diode mengalirkan arus DC dapat diamati
dari penunjukan ampermeter dengan arus If, untuk tegangan disebut tegangan
maju Uf (forward). Diode silikon akan mulai forward ketika telah dicapai
tegangan cut-in sebesar 0,7 Volt, untuk Diode germanium tegangan cut-in 0,3
Volt.

Pada kondisi panjar mundur (reverse) Diode dalam posisi memblok arus, kondisi ini disebut posisi mundur (reverse). Karakteristik sebuah Diode
digambarkan oleh sumbu horizontal untuk tegangan (Volt). Sumbu vertikal
untuk menunjukkan arus (mA sampai Amper). Tegangan positif (forward)
dihitung dari sumbu nol ke arah kanan. Tegangan negatif (reverse) dimulai
sumbu negatif ke arah kiri.

Gambar 1.4. Karakteristik Dioda

Karakteristik Diode menggambarkan arus fungsi dari tegangan. Garis arus
maju (forward) dimulai dari sumbu nol keatas dengan satuan Amper. Garis
arus mundur (reverse) dimulai sumbu nol ke arah bawah dengan orde mA.
Diode memiliki batas menahan tegangan reverse pada nilai tertentu. Jika
tegangan reverse terlampaui maka Diode akan rusak secara permanen.

Dari pengamatan visual karakteristik diode diatas dapat dilihat beberapa
parameter penting, yaitu : Tegangan cut-in besarnya 0,6V tegangan reverse
maksimum yang diijinkan sebesar 50V, tegangan breakdown terjadi pada
tegangan mendekati 75V. Jika tegangan breakdown ini terlewati dipastikan
diode akan terbakar dan rusak permanen.

2.                  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 bekerja atas dasar prinsip kendali-arus (current driven). Gambar 1.5 (a) dan (b) masing-masing ditunjukkan simbol transistor dan karakteristik transistor. Transistor dengan jenis NPN akan ON jika pada terminal kolektor-emitor diberi panjar (bias) dan pada basis memiliki potensial lebih positif daripada 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.

Gambar 1.5 a) Simbol transistor     b) Karakteristik transistor

Jika transistor dalam kondisi 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.

Transistor Sebagai Saklar

Transistor dapat difungsikan sebagai saklar elektronik, yaitu dengan mengatur arus basis IB dapat menghasilkan arus kolektor IC yang dapat menghidupkan lampu P1 dan mematikan lampu Dengan tegangan supply UB = 12V dan pada tegangan basis U1, akan mengalir arus basis IB yang membuat Transistor cut-in dan menghantarkan arus kolektor IC, sehingga lampu P1 menyala. Jika tegangan basis U1 dimatikan dan arus basis IB=0, dengan sendirinya Transistor kembali mati dan lampu P1 akan mati. Dengan pengaturan arus basis IB Transistor dapat difungsikan sebagai saklar elektronik dalam posisi ON atau OFF.

Gambar 1.6 Transistor sebagai saklar

Ketika Transistor sebagai saklar kita akan lihat tegangan kolektor terhadap emitor UCE. Ada dua kondisi, yaitu ketika Transistor kondisi ON, dan Transistor kondisi OFF. Saat Transistor kondisi ON tegangan UCE saturasi. Arus basis IB dan arus kolektor maksimum dan tahanan kolektor emitor RCE mendekati nol, terjadi antara 0 sampai 50 mdetik. Ketika Transistor kondisi OFF, tegangan UCE mendekati tegangan UB dan arus basis IB dan arus kolektor IC mendekati nol, pada saat tersebut tahanan RCE tak terhingga

Gambar 1.7 Tegangan transistor sebagai saklar

Karakteristik output Transistor memperlihatkan garis kerja Transistor dalam tiga kondisi. Pertama Transistor kondisi sebagai saklar ON terjadi ketika tegangan UCE saturasi, terjadi saat arus basis IB maksimum pada titik A3. Kedua Transistor berfungsi sebagai penguat sinyal input ketika arus basis IB berada diantara arus kerjanya A2 sampai A1. Ketiga ketika arus basis IB mendekati nol, Transistor kondisi OFF ketika tegangan UCE sama dengan tegangan suply UB titik A

Gambar 1.8 Garis beban transistor

Contoh perhitungan transistor

Transistor BC 107 difungsikan gerbang NAND = Not And, tegangan sinyal 1 U1 = 3,4 V, tegangan LED UF = 1,65 V, arus mengalir pada LED IF = 20 mA, tegangan UBE = 0,65 V, dan Bmin = 120, tegangan saturasi UCEsat = 0,2 V dan faktor penguatan tegangan U = 3.

Tentukan  : (a) Besarnya tahanan RC  (b) Besar tahanan RV

Gambar 1.9 Transistor sebagai gerbang NAND

Jawab :

U     = Faktor penguatan tegangan

IB     = Arus basis

IBmin     = Arus basis minimum

Bmin     = Faktor penguatan Transistor (β)

IC    =  Arus kolektor

RV     = Tahanan depan basis

U1     = Tegangan input

UBE     = Tegangan basis emitor

3.                  Thyristor

SCR (Silicone Controlled Rectifier)

Gambar 1.10 Bermacam jenis thyristor dan simbolnya

SCR dikembangkan oleh Bell Laboratories tahun 1950-an dan mulai digunakan secara komersial oleh General Electric tahun 1960an. SCR (Silicon Controlled Rectifier) termasuk dalam komponen elektronik yang banyak dipakai dalam aplikasi listrik industri, salah satu alasannya adalah memiliki kemampuan untuk bekerja dalam tegangan dan arus yang besar. Thyristor memiliki tiga kaki, yaitu Anoda, Katoda dan Gate. Juga dikenal ada dua jenis Thyristor dengan P-gate dan N-gate seperti pada gambar 1.11. SCR juga dapat diibaratkan dengan 2 buah transistor yang digabungkan.

Gambar 1.11 Bentuk fisik dan simbol thyristor

Fungsi Gate pada Thyristor menyerupai basis pada Transistor, dengan mengatur arus gate IG yang besarnya antara 1 mA sampai terbesar 100 mA, maka tegangan keluaran dari Anoda bisa diatur. Tegangan yang mampu diatur mulai dari 50 Volt sampai 5.000 Volt dan mampu mengatur arus 0,4 A sampai dengan 1500 A.

Karakteristik Thyristor memperlihatkan dua variabel, yaitu tegangan forward UF dan tegangan reverse UR, dan variabel arus forward IF dan arus reverse IR gambar-10.15. Pada tegangan forward UF, jika arus gate diatur dari 0 mA sampai diatas 50 mA, maka Thyristor akan cut-in dan mengalirkan arus forward IF. Tegangan reverse untuk Thyristor UR sekitar 600 Volt. Agar Thyristor tetap  ON, maka ada arus yang tetap dipertahankan disebut arus holding IH sebesar 5mA.

Gambar 1.12. Kurva karakteristik SCR

DIAC (Diode Alternating Current)

Gambar 1.13  Bentuk, struktur dan simbol DIAC

Diode Alternating Current atau sering disingkat dengan DIAC adalah komponen aktif Elektronika yang memiliki dua terminal dan dapat menghantarkan arus listrik dari kedua arah jika tegangan melampui batas breakover-nya. DIAC merupakan anggota dari keluarga Thyristor, namun berbeda dengan Thyristor pada umumnya yang hanya menghantarkan arus listrik dari satu arah, DIAC memiliki fungsi yang dapat menghantarkan arus listrik dari kedua arahnya atau biasanya disebut juga dengan “Bidirectional Thyristor”.

DIAC biasanya digunakan sebagai Pembantu untuk memicu TRIAC dalam rangkaian AC Switch, DIAC juga sering digunakan dalam berbagai rangkaian seperti rangkaian lampu dimmer (peredup) dan rangkaian starter untuk lampu neon (florescent lamps).

Ditinjau dari segi strukturnya, DIAC terdiri dari 3 lapis semikonduktor yang hampir mirip dengan sebuah Transistor PNP. Berbeda dengan Transistor PNP yang lapisan N-nya dibuat dengan tipis agar elektron mudah melewati lapisan N ini, Lapisan N pada DIAC dibuat cukup tebal agar elektron lebih sulit untuk menembusnya terkecuali tegangan yang diberikan ke DIAC tersebut melebihi batas Breakover (V_BO) yang ditentukannya. Dengan memberikan tegangan yang melebihi batas Breakovernya, DIAC akan dapat dengan mudah menghantarkan arus listrik dari arah yang bersangkutan. Kedua Terminal DIAC biasanya dilambangkan dengan A1 (Anoda 1) dan A2 (Anoda 2) atau MT1 (Main Terminal 1) dan MT2 (Main Terminal 2).

Apabila tegangan yang memiliki polaritas diberikan ke DIAC, dioda yang disebelah kiri akan menghantarkan arus listrik jika tegangan positif yang diberikan melebihi tegangan breakover DIAC. Sebaliknya, apabila DIAC diberikan tegangan positif yang melebih tegangan breakover DIAC dari arah yang berlawanan, maka dioda sebelah kanan akan menghantarkan arus listrik.

Setelah DIAC dijadikan ke kondisi “ON” dengan menggunakan tegangan positif ataupun negatif, DIAC akan terus menghantarkan arus listrik sampai tegangannya dikurangi hingga 0 (Nol) atau hubungan pemberian listrik diputuskan.

TRIAC

Gambar 1.14  Bentuk, konstruksi fisik dan simbol TRIAC

TRIAC merupakan komponen yang sangat cocok untuk digunakan sebagai AC Switching (Saklar AC) karena dapat megendalikan aliran arus listrik pada dua arah siklus gelombang bolak-balik AC.  Kemampuan inilah yang menjadi kelebihan dari TRIAC jika dibandingkan dengan SCR. Namun TRIAC pada umumnya tidak digunakan pada rangkaian switching yang melibatkan daya yang sangat tinggi. Salah satu alasannya adalah karena karakteristik Switching TRIAC yang non-simetris dan juga gangguan elektromagnetik yang diciptakan oleh listrik yang berdaya tinggi itu sendiri.

Beberapa aplikasi TRIAC pada peralatan-peralatan Elektronika maupun listrik diantaranya adalah sebagai berikut :

1.      Pengatur pada Lampu Dimmer.

2.      Pengatur Kecepatan pada Kipas Angin.

3.      Pengatur Motor kecil.

4.      Pengatur pada peralatan-peralatan rumah tangga yang berarus listrik AC.

Gambar 1.15  Karakteristik TRIAC

Contoh Aplikasi TRIAC

Gambar 1.16 Contoh aplikasi TRIAC

Gambar diatas adalah Rangkaian dasar dari aplikasi TRIAC yang digunakan sebagai Switching (Saklar). Pada saat SW1 terbuka, tidak ada arus listrik yang mengalir ke terminal Gate TRIAC dan Lampu dalam kondisi OFF (mati). Saat SW1 tertutup/dihubungkan, Terminal Gate pada TRIAC akan dialiri oleh arus listrik melalui Resistor (R) dari sumber daya DC atau Baterai (V_G). Hal ini akan menggerakkan TRIAC menjadi Konduktor yang menghubungkan Lampu dengan sumber arus listrik AC. Lampu akan berubah menjadi ON (Nyala).