TUGAS KESATU

KOMPONEN-KOMPONEN ELEKTRONIKA DAYA

Nama : Irfan Dwi Setiadi

NM : 5301413042

Prodi : Pendidikan Teknik Elektro

Mata Kuliah : Elektronika Daya

Dosen : Dr. Ir. Subiyanto, MIEEE

PTE, TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS NEGERI SEMARANG

2016

1. Definisi Elektronika Daya

Elektronika Daya (Power Electronics) didefinisikan sebagai sebuah

aplikasi elektronika yang menitikberatkan pada pengaturan peralatan listrik

yang berdaya besar dengan cara melakukan pengubahan parameter-

parameter listrik (arus, tegangan, daya listrik). Aplikasi elektronika disini

dimaksudkan rangkaian yang menggunakan peralatan elektronika terutama

semikonduktor yang difungsikan sebagai saklar (switching) untuk melakukan

pengaturan dengan cara melakukan pengubahan tipe sumber dari AC – AC,

AC – DC, DC – DC dan DC – AC. Peralatan semikonduktor yang digunakan

adalah solid-state electronics untuk melakukan pengaturan yang lebih efesien

pada sistem yang mempunyai daya dan energy yang besar.

2. Komponen Elektronika Daya

a. Dioda

Gambar Dioda

Simbol Dioda

Dioda merupakan semikonduktor (komponen) elektronika daya

yang memilki dua terminal, yaitu: anoda dan katoda. Dalam rangkaian

elektronika daya, dioda difungsikan sebagai sakelar. Sebagai sakelar,

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.

Karakteristik Dioda sebagai berikut. Bagian kiri bawah dari grafik

pada Gambar dibawah merupakan kurva karakteristik dioda saat

mendapatkan bias mundur. Disini juga terdapatdua kurva, yaitu untuk

dioda germanium dan silikon. Besarnya arus jenuhmundur (reverse

saturation current) Is untuk dioda germanium adalahdalam orde mikro

amper dalam contoh ini adalah 1 A. Sedangkan untukdioda silikon Is

adalah dalam orde nano amper dalam hal ini adalah 10 nA.

Apabila tegangan VA-K yang berpolaritas negatip

tersebut dinaikan terus, maka suatu saat akan mencapai tegangan

patah (breakdown) dimana arus Is akan naik den gan tiba-tiba. Pada

saat mencapai tegangan break-down ini, pembawa minoritas

dipercepat hingga mencapai kecepatan yang cukup tinggi untuk

mengeluarkan elektron valensi dari atom. Kemudian elektron ini juga

dipercepat untuk membebaskan yang lainnya sehingga arusnya

semakin besar. Pada dioda biasa pencapaian tegangan break-down ini

selalu dihindari karena dioda bisa rusak.

b. Thyristor

Gambar Thyristor

Thyristor adalah komponen semikonduktor untuk

pensaklaran yang berdasarkan pada strukturPNPN. Komponen ini

memiliki kestabilan dalam dua keadaan yaitu on dan off serta memiliki

umpan-balik regenerasi internal. Thyristor memiliki kemampuan untuk

mensaklar arus searah (DC) yaitu jenis SCR, maupun arus bolak-balik

(AC), jenis TRIAC.

- Silicon Controlled Rectifier (SCR)

SCR merupakan jenis thyristor yang terkenal dan paling tua,

komponen ini tersedia dalam rating arus antara 0,25 hingga ratusan

amper, serta rating tegangan hingga 5000 volt. Struktur dan simbol

dari SCR dapat digambarkan seperti pada gambar dibawah :

Gambar struktur dan simbol dari SCR

Sedangkan jika didekati dengan struktur transistor, maka struktur

SCR dapat digambarkan seperti pada gambar dibawah :

Gambar Struktur SCR jika didekati dengan struktur transistor.

Kondisi awal dari SCR adalah dalam kondisi OFF (A dan K tidak

tersambung). Salah satu cara untuk meng-ON kan

(menyambungkan antara A dan K) adalah dengan memberikan

tegangan picu terhadap G (gate). Sekali SCR tersambung maka

SCR akan terjaga dalam kondisi ON (dapat dilihat pada struktur

transistor Gambar 2). Untuk mematikan sambungan A-K, maka yang

perlu dilakukan adalah dengan memberikan tegangan balik pada A-

K-nya, atau dengan menghubungkan G ke K.

Gambar Karakteristik SCR.

- Triac

Triac dapat dianggap sebagai dua buah SCR dalam struktur

kristal tunggal, dengan demikian maka Triac dapat digunakan untuk

melakukan pensaklaran dalam dua arah (arus bolak balik, AC).

Simbol dan struktur Triac adalah seperti ditunjukan dalam gambar

dibawah :

Gambar simbol dan struktur Triac.

Karena secara prinsip adalah ekivalen dengan dua buah SCR

yang disusun secara paralel dengan salah SCR dibalik maka Triac

memiliki sifat-sifat yang mirip dengan SCR. Gambar dibawah adalah

gambar karakteristik volt-amper dan skema aplikasi dari Triac.

Gambar Karakteristik Triac

Jika TRIAC sedang OFF, arus tidak dapat mengalir diantara

terminal-terminal utamanya (saklar terbuka). Jika TRIAC sedang

ON, maka dengan tahanan yang rendah arus mengalir dari satu

terminal ke terminal lainnya dengan arah aliran tergantung dari

polaritas tegangan yang digunakan (saklar tetutup). Arus rata-rata

yang dialirkan pada beban dapat bervariasi oleh adanya perubahan

harga waktu setiap perioda ketika TRIAC tersebut ON. Jika porsi

waktu yang kecil saat kondisi ON, maka arus rata-ratanya akan

tinggi.

Kondisi suatu TRIAC pada setiap perioda tidak dibatasi hingga

180o, dengan pengaturan picu dia dapat menghantarkan hingga 360o

penuh. Tegangan gate untuk pemicu buasanya diberi notasi VGT ,

dan arus gate pemicu dinotasikan dengan IGT.

Gambar Rangkaian picu TRIAC

Selama setengah perioda negative, muatan negative akan

berada pada plat bagian atas kapasitor dan jika tegangan yang

berada pada kapasitor telah mencukupi, maka TRIAC akan ON.

Kecepatan pengisian kapasitor diatur oleh hambatan R2, dimana

jika R2 bernilai besar, maka pengisisannya akan lambat sehingga

terjadi penundaan penyalaan yang panjang dan arus rata-ratanya

kecil. Jika R2 bernilai kecil, maka pengisian kapasitor akan cepat

dan arus bebannya tinggi.

Gambar DIAC sebagai pengendali TRIAC

Rangkaian tersebut menggunakan DIAC sebagai pengen dali

picu. Prinsip kerjanya, jika tegangan input berada pada setengah

periode positif, maka kapasitor akan terisi muatan melebihi beban

dan hambatan R. jika tegangan kapasitor mencapai tegangan

breakover DIAC, maka kapasitor mulai mengosongkan muatan

melalui DIAC ke gerbang (gate) TRIAC. Pulsa trigger TRIAC akan

menghantarkan TRIAC pada setengah perioda tadi dan untuk

setengah perioda berikutnya (negative) prinsipnya sama. Sekali

TRIAC dihidupkan, maka dia akan menghantarkan sepanjang arus

yang mengalir melaluinya tetap dipertahankan. TRIAC tidak dapat

dimatikan oleh arus balik layaknya suatu SCR. TRIAC dapat

dimatikan dan kembali pada kondisi menghambat, ketika arus beban

AC yang melewatinya berharga nol (0), sebelum setengah perioda

lainnya digunakan. Faktor ini akan membatasi frekuensi respon yang

dimiliki oleh TRIAC tersebut.

Bagi beban-beban resitif, waktu yang tersedia guna mematikan

suatu TRIAC akan lebih panjang dari titik ketika arus bebannya jatuh

hingga waktu dimana tegangan balik mencapai nilai yang dapat

menghasilkan arus latching yang dibutuhkan.

Sedangkan bagi beban-beban induktif komutasinya akan lebih

rumit lagi, dimana jika arus beban jatuh dan TRIAC berhenti

menghantar, maka tegangan masih ada pada piranti tersebut. Jika

tegangannya muncul terlalu cepat, maka akibat yang dihasilkan oleh

persambungan kapasitansi adalah tetap menghantarnya TRIAC

tersebut. Untuk itu maka sering digunakan rangkaian pengaman

yang dapat mengubah nilai perubahan (Range of Change) tegangan

TRIAC.

c. Transistor

Simbol Transistor

Gambar Transistor

Transistor merupakan komponen aktif dan dibuat dari bahan semi

konduktor, yang menggunakan aliran electron sebagai prinsip kerjanya

didalam bahan Transistor merupakan pengembangan dari Tabung

Hampa (Vacuum Tube). Fungsi utama dari sebuah transistor adalah

penguat sinyal dan sebagai saklar elektronik, mixer (pencampur) yaitu

pencampur sinyal yang ditangkap oleh penala dan frekuensi yang

dihasilkan oleh oscillator, yang terdapat pada televisi dan radio fm.

Sebuah transistor memiliki tiga daerah doped yaitu daerah emitter,

daerah basis dan daerah disebut kolektor. Transistor ada dua jenis yaitu

NPN dan PNP. Transistor memiliki dua sambungan: satu antara emitter

dan basis, dan yang lain antara kolektor dan basis. Karena itu, sebuah

transistor seperti dua buah dioda yang saling bertolak belakang yaitu

dioda emitter-basis, atau disingkat dengan emitter dioda dan dioda

kolektor-basis, atau disingkat dengan dioda kolektor, Bagian emitter-

basis dari transistor merupakan dioda, maka apabila dioda emitter-basis

dibias maju maka kita mengharapkan akan melihat grafik arus terhadap

tegangan dioda biasa. Saat tegangan dioda emitter-basis lebih kecil dari

potensial barriernya, maka arus basis (Ib) akan kecil. Ketika tegangan

dioda melebihi potensial barriernya, arus basis (Ib) akan naik secara

cepat.

Karakteristik Kolektor Transistor

Gambar Kurva Karakteristik Kolektor Transistor

Kurva karakteristik kolektor merelasikan IC dan VCE dengan

IB sebagai parameter. Parameter-parameter transistor tidaklah konstan,

meskipun tipe sama namun parameter dapat berbeda. Kurva kolektor

terbagi menjadi tiga daerah yaitu jenuh, aktif dan cut- off. Daerah jenuh

(saturasi) adalah daerah dengan VCE kurang dari tegangan lutut (knee)

VK.

Daerah jenuh terjadi bila sambungan emiter dan sambungan

basis berprasikap maju. Pada daerah jenuh arus kolektor tidak

bergantung pada nilai IB. Tegangan jenuh kolektor – emiter, VCE(sat) untuk

transistor silikon adalah 0,2 volt sedangkan untuk transistor germanium

adalah 0,1 volt.

Daerah aktif adalah antara tegangan lutut VK dan tegangan dadal

(break down) VBR serta di atas IBICO. Daerah aktif terjadi bila sambungan

emiter diberi prasikap maju dan sambungan kolektor diberi prasikap

balik. Pada daerah aktif arus kolektor sebanding dengan arus balik.

Penguatan sinyal masukan menjadi sinyal keluaran terjadi pada saat

aktif.

Daerah cut-off (putus) terletak dibawah IB = ICO. Sambungan

emiter dan sambungan kolektor berprasikap balik. Pada daerah ini IE =

0 ; IC = ICO = IB

d. GTO (Gate Turn Off) Thyristor

Gambar dan simbol GTO Thyristor

GTO merupakan anggota keluaran thyristor yang dapat di-on kan

dengan menerapkan signal gerbang yang positif da dapat dipadamkan

dengan pemberian signal gerbang yang negatif. GTO adalah perangkat

pembawa minoritas yg mengontrol arus (yaitu bipolar). GTO berbeda

dari thyristor konvensional, GTO dirancang untuk mematikan ketika arus

negatif megalir melewati gate (sehingga menyebabkan pembalikan arus

gate.

Secara relatif saat arus gate tinggi maka perlu untuk mematikan

perangkat dengan penguatan pada kisaran 4-5 Selama konduksi, pada

sisi lain, kerja perangkat seperti halnya sebuah thyristor dengan kondisi

ON yg sangat rendah serta drop tegangan stabil.

Seperti halnya thyristor, GTO juga terdiri dari empat lapisan p-n-

p-n dan tiga junction. Dalam rangka untuk mendapatkan efisiensi tinggi

emitor pada ujung katoda, lapisan katoda n+ dibuat dengan doped.

Akibatnya, fungsi tegangan breakdown terhadap J3 (junction ketiga)

rendah (biasanya 20-40V). Untuk menjaga efisiensi emitor tetap baik

pada tingkat doping ini , maka Lapisan harus rendah. Di sisi lain, dari

sudut pandang yang baik maka properties harus dimatikan. Secara

resistif lapisan ini harus serendah mungkin unyuk memenuhi tingkat

doping pada wilayah ini agar menjadi tinggi.

Oleh karena itu, tingkat doping lapisan ini sangat diperhitungkan.

Selain itu, dalam rangka mengoptimalkan kapasitas arus yg diputus,

junction gate katoda harus diubah menjadi lebih tinggi. 3000 Amp GTO

dapat terdiri dari hingga 3000 segmen katoda individu yang diakses

melalui kontak utama.

(a) Arus yg terpicu dari GTO jauh lebih tinggi daripada thyristor

dgn rating serupa. Arus bocor juga jauh lebih tinggi. Perlu

dicatat bahwa GTO dapat menghalangi tegangan forward

hanya saat gate membias negatif terhadap katoda.

(b) Zona antara kurva min dan max mencerminkan variasi

parameter antara masing-masing GTO. Karakteristik ini

berlaku untuk DC dan arus gate AC berfrekuensi rendah.

Pulsa ON dan OFF untuk GTO yang dikomunikasikan ke unit

masing-masing gate melalui kabel serat optik. Sinyal-sinyal optik

dikonversikan ke sinyal listrik oleh konverter sinyal optik-listrik. Sinyal-

sinyal listrik melalui kontrol logika kemudian menghasilkan keluaran

sinyal ON dan OFF yang berupa arus gate positif dan negatif yg mengalir

ke GTO.

Logika kontrol juga dapat mengawasi konduksi GTO dengan cara

memantau tegangan gate-katoda. Setiap kesalahan dikirim kembali

melalui kabel serat optik ke kontrol utama. Suplai daya untuk unit drive

gate berasal dari catu daya utama melalui frekuensi tinggi pengaturan

SMPS (Blok A, B & C).

Blok diagram, Rangkaian diagram keluaran

e. IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor)

IGBT atau Transistor dwikutub gerbang-terisolasi adalah piranti

semikonduktor merupakan gabungan antara BJT dan MOSFET. Biasa

berfungsi sebagai komponen saklar untuk sebuah aplikasi daya. IGBT

merupakan komponen utama yang aplikasinya ada pada AC drive,

seperti Inverter, VSD, servo drive, vector drive, stepper drive, bahkan

sebagian besar power supply switching menggunakan komponen ini.

IGBT memiliki kesamaan dengan Transistor bipolar,

perbedaannya pada Transistor bipolar arus basis IB yang diatur.

Sedangkan pada IGBT yang diatur adalah tegangan gate ke emitor

UGE. Dari gambar karakteristik IGBT, pada tegangan UCE = 20 V dan

tegangan gate diatur dari minimum 8 V, 9 V dan maksimal 16 V, arus

Collector IC dari 2 A sampai 24 A.

f. MOSFET

Simbol Mosfet

Gambar Mosfet

MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)

adalah salah satu jenis transistor efek medan merupakan salah satu

jenis transistor yang memiliki impedansi masukan (gate) sangat tinggi.

Poin penting dalam prinsip pengoperasian MOSFET adalah alat

pengontrol tegangan mayoritas. Sesuai namanya, perpindahan

pembawa mayoritas dalam MOSFET yang dikontrol adalah tegangan

dengan menggunakan kontrol eletroda.

Pada daerah saturasi MOSFET mendapatkan bias input (Vgs)

secara maksimum sehingga arus drain pada MOSFET juga akan

maksimum dan membuat tegangan Vds = 0V. Pada kondisi saturasi ini

MOSFET dapat dikatakan dalam kondisi ON secara penuh (Fully-ON).

Pada daerah Cut-Off MOSFET tidak mendapatkan tegangan

input (Vin = 0V) sehingga tidak ada arus drain Id yang mengalir. Kondisi

ini akan membuat tegangan Vds = Vdd. Dengan beberapa kondisi diatas

maka pada daerah cut-off ini MOSFET dikatakan OFF (Full-Off). Kondisi

cut-off ini dapat diperoleh dengan menghubungkan jalur input (gate) ke

ground, sehingga tidaka ada tegangan input yang masuk ke rangkaian

saklar MOSFET

MOSFET pada kondisi saturasi (ON) dan kondisi cut-off (OFF).

Membuat tegangan Vds = 0 v. Pada kondisi saturasi ini MOSFET dapat

dikatakan dalam kondisi ON secara penuh (Fully-ON). Membuat

tegangan Vds = Vdd. Dengan kondisi diatas maka pada daerah cut-off

ini MOSFET dikatakan OFF (Full-Off).

DAFTAR PUSTAKA

http://www.artikel.abajadun.com/2012/08/igbt-insulated-gate-bipolar-transistor.html

https://fahmizaleeits.wordpress.com/tag/karakteristik-transistor/

http://www.learnabout-electronics.org/Semiconductors/diodes_20.php

http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/Materi%20Elektronika%20Daya%20(Kompone

n%20Elektronika%20Daya%202).pdf

https://henryranu.files.wordpress.com/2007/12/karakteristik-transistor.pdf

http://www.slideshare.net/recouner/modul-5-111910201039rohmat-khoirul-sidiq

http://www.slideshare.net/Yazid-kho-anwar/ppt-modul-6

http://www.slideshare.net/jajakustija/igbt-38236758