1.4 Elektronika Daya Sertifikasi (Rev)

Istanto W. Djatmiko, M.Pd.

ELEKTRONIKA DAYA

A. KOMPETENSI YANG DIHARAPKAN

Setelah mengikuti materi ini diharapkan peserta memiliki kompetensi antara lain sebagai

berikut:

1. Menguasai karakteristik komponen elektronika daya sebagai sakelar elektronik.

2. Menguasai prinsip kerja rangkaian penyearah daya, penyearah terkendali (konverter), ac

regulator, chopper, dan inverter.

3. Melakukan analisis sederhana rangkaian penyearah daya, konverter, ac regulator, chopper,

dan inverter dengan beban resistif.

B. INDIKATOR

Pencapaian kompetensi materi ini ditunjukkan dengan indikator :

1. Peserta dapat menjelaskan karakteristik komponen elektronika daya sebagai sakelar

elektronik, antara lain : dioda, SCR, transistor, dan MOSFET.

2. Peserta dapat menjelaskan prinsip kerja rangkaian penyearah daya, konverter, ac regulator,

chopper, dan inverter melalui performansi bentuk gelombang tegangan dan arus masukan

dan luaran dari masing-masing rangkaian elektronika daya.

3. Peserta dapat menyelesaikan perhitungan sederhana dari rangkaian penyearah daya,

konverter, ac regulator, chopper, dan inverter dengan beban resistif.

C. MATERI

1. Pendahuluan

Rangkaian elektronika daya merupakan suatu rangkaian listrik yang dapat mengubah

sumber daya listrik dari bentuk gelombang tertentu (seperti bentuk gelombang sinusoida)

menjadi sumber daya listrik dengan bentuk gelombang lain (seperti gelombang nonsinusoida

atau gelombang arus searah) dengan menggunakan piranti semikonduktor daya.

Semikonduktor daya memiliki peranan penting dalam rangkaian elektronika daya.

Semikonduktor daya dalam rangkaian elektronika daya umumnya dioperasikan sebagai sakelar

(switching), pengubah (converting), dan pengatur (controlling) sesuai dengan unjuk kerja

rangkaian elektronika daya yang diinginkan.

Seperti karakteristik sekelar pada umumnya, karakteristik semikonduktor daya yang

dioperasikan sebagai sakelar elektronik memiliki dua keadaan; yaitu kondisi ’ON’ dan kondisi

’OFF’. Hal ini berarti, rangkaian dalam keadaan ’tertutup’ atau ’terbuka’. Dalam kondisi ideal,

semikonduktor daya yang dioperasikan sebagai sekelar elektronik hanya menyerap daya yang

relatif kecil, baik saat kondisi ’ON’ maupun ’OFF’ atau bahkan dalam kondisi tertentu daya yang

diserap dapat diabaikan (nol). Keuntungan lain dari proses pensakelaran ini dapat dilakukan

43

Elektronika Daya

sekaligus proses pengubahan (converting) dan atau proses pengaturan (controlling) dari suatu

rangkaian elektronika daya. Proses pengubahan dimaksudkan dapat mengubah bentuk

sumber listrik tertentu menjadi bentuk sumber listrik lain, seperti sumber listrik arus bolak-balik

(alternating current-AC) menjadi sumber listrik arus searah (direct current-DC). Proses

pengaturan berarti dapat melakukan variasi besaran luaran yang dihasilkan dari rangkaian

elektronika daya tertentu.

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. Sebagai contoh, pengaturan lampu (dimmer) dan

Uninterutable Power Supply (UPS) merupakan aplikasi rangkaian elektronika daya yang sering

dijumpai dalam pemakaian sehari-hari.

Umumnya, rangkaian elektronika daya dapat mengubah beberapa bentuk sumber listrik,

antara lain berupa rangkaian listrik yang : mengubah sumber listrik arus bolak-balik (AC)

menjadi sumber listrik arus searah (DC), mengubah sumber listrik DC menjadi sumber listrik

AC, mengubah tegangan DC tetap menjadi tegangan DC yang dapat diatur, dan mengubah

sumber listrik AC dengan frekuensi tertentu menjadi sumber listrik AC dengan frekuensi baru.

2. KARAKTERISTIK SEMIKONDUKTOR DAYA SEBAGAI SAKELAR

a. DIODA

Dioda merupakan komponen elektronika daya yang memilki dua terminal, yaitu:

anoda (A) dan katoda (K). Jika sebuah dioda difungsikan sebagai sakelar elektronis dalam

suatu rangkaian tertutup, maka dioda akan konduksi (ON) jika potensial pada anoda lebih

positif daripada potensial pada katoda. Kondisi ini biasanya disebut dalam keadaan bias

maju (forward bias – FB). Sebaliknya, dioda akan memblok (OFF) jika potensial pada anoda

lebih negatif daripada potensial pada katoda. Kondisi ini disebut dalam keadaan bias

mundur (reversed bias – RB).

Jika diode dalam kondisi ideal, ketika dioda dalam kondisi ON memiliki karakteristik

tegangan pada dioda sama dengan nol dan arus yang mengalir sama dengan arus

bebannya. Sebaliknya, dioda dalam kondisi OFF memiliki karakteristik tegangan pada dioda

sama dengan tegangan sumbernya dan arus yang mengalir sama dengan nol. Dalam

kondisi dioda ON dan OFF ini dapat dinyatakan tidak terjadi kerugian daya pada dioda.

Gambar 1 merupakan simbol, karakteristik i-v, dan karakteristik ideal dioda pada kondisi-

ajeg (steady-state). Dioda daya memiliki kapasitas tegangan dan arus hingga 3000 V, 3500

A, dengan waktu pemulihan balik antara 0,1 – 5 S (detik).

44


K

a

A

VTH~ 0

v

i

IR~0

Ideal

VTH~ 0

v

i

IR~0

Ideal

Gambar 1. Karakteristik Diode

(a) simbol, (b) karakteristik i-v, (c) karakteristik ideal

b. THYRISTOR

Semikonduktor daya yang termasuk dalam keluarga thyristor ini, antara lain : SCR

(silicon-controlled retifier), GTO (gate turn-off thyristor), dan TRIAC. SCR banyak digunakan

dalam rangkaian elektronika daya. SCR memiliki tiga terminal, yaitu anoda, katoda, dan

gate. SCR dapat digunakan dengan sumber masukan dalam bentuk tegangan bolak-balik

(AC) maupun tegangan searah (DC). SCR dalam rangkaian elektronika daya dioperasikan

sebagai sakelar elektronik.

Jika sumber tegangan masukan yang digunakan tegangan searah, SCR akan

konduksi (ON) jika potensial pada anoda lebih positif daripada potensial pada katoda dan

pada terminal gate dialirkan arus pulsa positif. Kondisi ON SCR ini ditentukan oleh besar

arus pulsa positif pada gate. Tetapi, SCR akan terus ON meskipun arus pulsa pada gate

diputus. SCR akan putus (OFF) dengan cara membuat potensial pada anoda sama dengan

katoda. Proses pengaliran arus listrik pada terminal gate ini disebut penyulutan/ pemicu

(triggering), sedangkan proses pemutusan (OFF) dari kondisi ON ini disebut komutasi

(commutation).

Selanjutnya, jika sumber tegangan masukan yang digunakan tegangan bolak-balik,

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.

Jika SCR dalam kondisi ideal, ketika SCR dalam kondisi ON memiliki karakteristik

tegangan pada SCR sama dengan nol dan arus yang mengalir sama dengan arus

bebannya. Sebaliknya, SCR dalam kondisi OFF memiliki karakteristik tegangan pada SCR

45

v

i

VBR1/Ron

VTHIR

Real linear

FB

RBv

i

VBR1/Ron

VTHIR

Real linear

FB

RB

Elektronika Daya

sama dengan tegangan sumbernya dan arus yang mengalir sama dengan nol. Dalam

kondisi SCR ON dan OFF ini dapat dinyatakan tidak terjadi kerugian daya pada SCR.

SCR yang digunakan untuk konversi daya besar umumnya memiliki kapasitas

tegangan dan arus mencapai 5000 V, 5000 A, dengan frekuensi pensakelaran dari 10 – 20

kHz. Gambar 2 menunjukkan simbol, karakteristik i-v, dan karakteristik ideal dari SCR.

Cathode

Anode

Gate

iG

iA

vAK

+

-Cathode

Anode

Gate

iG

iA

vAK

+

-

vAK

iA

VH

IH

Forward blocking

Forward on-state

IBO

VBO

iG2 iG1 iG= 0

iG increase

VRWM

IL

V’RWM

vAK

iA

VH

IH

Forward blocking

Forward on-state

IBO

VBO

iG2 iG1 iG= 0

iG increase

VRWM

IL

V’RWM

v

i

VF~ 0

IR~ 0

Ideal

FBRB

v

i

VF~ 0

IR~ 0

Ideal

FBRB

Gambar 2. Karakteristik Thyristor


c. TRANSISTOR

Transistor memiliki tiga terminal : basis, emitor, dan kolektor. Pada rangkaian

elektronika daya, transistor umumnya dioperasikan sebagai sakelar dengan konfigurasi

emitor-bersama. Transistor bekerja atas dasar prinsip kendali-arus (current driven). Gambar

3 merupakan simbol, karakteristik i-v, dan karakteristik ideal dari 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.

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

46


daya umumnya digunakan sebagai konverter dengan kapasitas tegangan dan arus

mencapai 1200 V, 400 A, dengan frekuensi pensakelaran di bawah 10 kHz.

+vCE

-

iCC

EB

IB +vCE

-

iCC

EB

IB

vCE

iC

on

off

Ideal

vCE

iC

on

off

Ideal

Gambar 3. Karakteristik Transistor


d. MOSFET

MOSFET merupakan piranti semikonduktor daya yang memiliki tiga terminal : gate

(gerbang), sumber (source), dan pengalir (drain). MOSFET bekerja atas dasar prinsip

kendali-tegangan (voltage-driven). Gambar 4 merupakan simbol, karakteristik i-v, dan

karakteristik ideal dari MOSFET. Rangkaian pengaturan ON dan OFF dengan piranti

MOSFET lebih mudah dibandingkan piranti transistor. 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. MOSFET

daya umumnya digunakan sebagai konverter dengan kapasitas tegangan dan arus

mencapai 1000 V, 50 A, dengan frekuensi pensakelaran di atas 100 kHz.

Gate

Drain

Source

Tipe N

Gate

Drain

Source

Gate

Drain

Source

Tipe N

47

Elektronika Daya

vDS

IDS5

VDS = VGS-VGS(TH)

Ohmic region

Active region

Cut-off region

iD

BVDSS

VGS1

VGS5

VGS4

VGS3

VGS2

VGS < VGS(TH)

Incr

easi

ng V

GS

VDS<VGS-VGS(TH)

VGS > VGS(TH)

VDS > VGS-VGS(TH)

IDS4

IDS3

IDS2

IDS1

vDS

IDS5

VDS = VGS-VGS(TH)

Ohmic region

Active region

Cut-off region

iD

BVDSS

VGS1

VGS5

VGS4

VGS3

VGS2

VGS < VGS(TH)

Incr

easi

ng V

GS

VDS<VGS-VGS(TH)

VGS > VGS(TH)

VDS > VGS-VGS(TH)

IDS4

IDS3

IDS2

IDS1

vDS

iD

on

off

Ideal

vDS

iD

on

off

Ideal

Gambar 4. Karakteristik MOSFET


3. JENIS RANGKAIAN ELEKTRONIKA DAYA

Pengaturan daya listrik dapat dilakukan dengan cara melakukan konversi bentuk

gelombang besaran tertentu menjadi bentuk lain dengan menggunakan karakteristik

pensakelaran dari piranti semikonduktor daya. Gambar 5 menunjukkan fungsi dasar dari

konversi daya listrik dengan piranti semikonduktor daya. Dengan acuan konversi daya seperti

ditunjukkan pada Gambar 5, rangkaian elektronika daya dapat diklasifikasikan dalam lima jenis

rangkaian, yaitu :

a. Penyearah tak-terkendali (penyearah)

b. Penyearah terkendali (konverter).

c. Pengatur tegangan arus bolak-balik (AC Regulator).

d. Pemangkas arus searah (Chopper).

e. Inverter.

Konversi DC

Konversi AC ke DC

- ~ Konversi DC ke AC

Konversi AC

- ~

Gambar 5. Bentuk Konversi Daya Listrik dengan Piranti Semikonduktor Daya

48


a. RANGKAIAN PENYEARAH TAK-TERKENDALI (PENYEARAH)

Rangkaian penyearah merupakan rangkaian yang

mengubah sumber tegangan arus bolak-balik (AC) menjadi

sumber tegangan arus searah (DC) tetap seperti

ditunjukkan pada Gambar 6. Komponen semikonduktor

daya yang digunakan berupa dioda yang beroperasi

sebagai sakelar dan pengubah.

Tegangan masukan dari penyearah ini dapat

berbentuk tegangan arus bolak-balik satu-fasa maupun

tiga-fasa. Selanjutnya, proses penyearahan dapat

dibedakan dalam dua jenis proses, yaitu penyearah

setengah gelombang (halfwave) dan penyearah

gelombang penuh (fullwave).

Gambar 6 merupakan rangkaian penyearah satu

fasa dengan proses penyearahan setengah gelombang.

Ditinjau dari tegangan luaran yang dihasilkan, terdapat dua

jenis komponen tegangan, yaitu : (1) tegangan searah

rerata (Vo,dc) dan tegangan searah efektif (root mean

square-rms), Vo, rms :

Jika tegangan masukan (input), Vs. Vs = Vm sin ωt = VMAX sin ωt

Tegangan luaran (output) rerata, Vo,DC dan Arus luaran rerata, Io,DC :

Tegangan luaran (output) efektif, Vo,rms dan Arus luaran efektif, Io,rms :

Dengan demikian, daya luaran rerata (Po,dc) dan daya luaran efektif adalah:

Po,rms = Vo,rms Io,rms

b. PENYEARAH TERKENDALI (KONVERTER)

Rangkaian penyearah terkendali (konverter)

merupakan rangkaian yang mengubah sumber tegangan

AC menjadi sumber tegangan DC yang dapat

49

(b) bentuk gelombang tegangan

Gambar 6. Rangkaian Penyearah Satu-fasa

,

(a) diagram rangkaian

(b) bentuk gelombang tegangan

Gambar 7. Rangkaian Konverter Satu-fasa


Elektronika Daya

dikendalikan/diatur. Komponen semikonduktor daya yang

digunakan umumnya berupa SCR yang beroperasi

sebagai sakelar, pengubah, dan pengatur.

Rangkaian konverter satu fasa ditunjukkan pada

Gambar 7. Nilai tegangan keluaran dapat diatur dengan

melakukan pengaturan waktu konduksi atau sudut

pemicuan (α) dari SCR, yaitu dengan cara memberi arus

picu pada terminal gate. Tegangan masukan dari konverter

ini dapat berbentuk tegangan arus bolak-balik satu-fasa

maupun tiga-fasa. Selanjutnya, proses penyearahan dapat

dibedakan dalam tiga jenis proses, yaitu konverter

setengah gelombang (halfwave), konverter gelombang

penuh (fullwave), dan semikonverter.

Gambar 7 merupakan rangkaian konverter satu fasa setengah gelombang. Ditinjau

dari tegangan luaran yang dihasilkan, terdapat dua jenis komponen tegangan, yaitu : (1)

tegangan searah rerata (Vo,dc) dan tegangan searah efektif (root mean square-rms), Vo, rms :

Jika tegangan masukan (input), Vs. Vs = Vm sin ωt = VMAX sin ωt

Tegangan luaran (output) rerata, Vo,DC dan Arus luaran rerata, Io,DC :

Tegangan luaran (output) efektif, Vo,rms dan Arus luaran efektif, Io,rms :

c. PENGATUR TEGANGAN AC (AC-REGULATOR)

AC-regulator merupakan suatu rangkaian yang

digunakan untuk mengubah sumber tegangan AC tetap

menjadi sumber tegangan AC yang dapat


digunakan berupa SCR dan TRIAC yang beroperasi

sebagai sakelar dan pengatur.

50

(a) bentuk gelombang tegangan



Tegangan masukan dari AC-regulator ini dapat

berbentuk tegangan arus bolak-balik satu-fasa maupun

tiga-fasa. Selanjutnya, proses pengaturan dapat dibedakan

dalam dua jenis proses, yaitu pengaturan searah

(unidirectional) dan pengaturan dua-arah (bidirectional).

Gambar 8 merupakan rangkaian ac-regulator satu-

fasa unidirectional. Tegangan luaran ac-regulator ini dapat

diatur dengan melakukan pengaturan waktu konduksi atau

sudut pemicuan (α) dari SCR, yaitu dengan cara memberi

arus picu pada terminal gate dari TRIAC.

Gambar 8 merupakan rangkaian konverter satu fasa setengah gelombang. Ditinjau

dari tegangan luaran yang dihasilkan, terdapat dua jenis komponen tegangan, yaitu : (1)

tegangan rerata (Vo,avg) dan tegangan searah efektif (root mean square-rms), Vo, rms :

Jika tegangan masukan (input), es :

atau

maka tegangan luaran (output) rerata, Vo,avg :

Tegangan luaran (output) efektif, Vo,rms :

d. PEMANGKAS ARUS SEARAH (CHOPPER)

Chopper merupakan suatu rangkaian yang

digunakan untuk mengubah sumber tegangan DC tetap

menjadi sumber tegangan DC yang dapat


digunakan dapat berupa SCR, transistor, dan MOSFET

yang beroperasi sebagai sakelar dan pengatur.

Ditinjau dari proses pengaturan, chopper dapat

dibedakan dalam tiga jenis, yaitu : chopper penurun (step-

down), chopper penaik (step-up), dan chopper penurun-

penaik (step down-up).

Rangkaian chopper penurun ditunjukkan pada

Gambar 9. Rerata tegangan luaran dapat dikendalikan

dengan mengatur waktu konduksi (t1) komponen

semikonduktor yang digunakan. Jika T merupakan perioda

51

(b). bentuk gelombang

Gambar 8 Rangkaian AC RegulatorSatu Fasa Unidirectional


(b) bentuk gelombang

Gambar 9 Rangkaian Chopper Step-down

Elektronika Daya

pensakelaran chopper, maka t1 = T dan disebut siklus-kerja (duty cycle) dari

chopper, sehingga tegangan luaran dapat ditentukan, yaitu :

e. INVERTER

Inverter merupakan suatu rangkaian yang digunakan untuk mengubah sumber

tegangan DC tetap menjadi sumber tegangan AC. Komponen semikonduktor daya yang

digunakan dapat berupa SCR, transistor, dan MOSFET yang beroperasi sebagai sakelar

dan pengubah.

Ditinjau dari proses konversi, inverter dapat dibedakan dalam tiga jenis, yaitu inverter :

seri, paralel, dan jembatan. Inverter jembatan dapat dibedakan menjadi inverter jembatan

setengah-gelombang (halfwave) dan jembatan gelombang-penuh (fullwave). Tegangan

luaran yang dihasilkan dapat berbentuk satu fasa atau tiga fasa.

Rangkaian inverter jembatan setengah-gelombang satu fasa ditunjukkan pada

Gambar 9. Dari Gambar 9, tegangan luaran polaritas positif dikendalikan dengan mengatur

waktu konduksi (T1) komponen semikonduktor yang digunakan, dan polaritas negatif

dikendalikan dengan mengatur waktu konduksi (T2). Nilai tegangan puncak polaritas positif

dihasilkan sebesar Edc/2 dan nilai tegangan puncak polaritas negatif dihasilkan sebesar -

Edc/2.

D. LATIHAN

1. Jelaskan kapan diode ON dan OFF !

2. Jelaskan kapan transistor ON dan OFF !

3. Mengapakah transistor disebut piranti current driven ?

4. Jelaskan kapan MOSFET ON dan OFF !

5. Mengapakah MOSFET disebut piranti voltage driven ?

6. Jelaskan kapan SCR ON dan OFF !

7. Apakah yang dimaksud dengan rangkaian penyearah (rectifier) ?

8. Apakah yang dimaksud dengan rangkaian konverter ?

52

Gambar 10 Rangkaian Inverter Jembatan Halfwave Satu Fasa


9. Apakah yang dimaksud dengan rangkaian ac regulator ?

10.Apakah yang dimaksud dengan rangkaian chopper ?

11.Apakah yang dimaksud dengan rangkaian inverter ?

E. RANGKUMAN

Semikonduktor daya dalam rangkaian elektronika daya berfungsi sebagai sekelar (switching)

sekaligus sebagai pengubah (converting) dan atau pengatur (controlling). Penyearah Tak-

terkendali (penyearah) merupakan rangkaian yang mengubah sumber tegangan arus bolak-

balik (AC) menjadi sumber tegangan arus searah (DC) tetap. Penyearah terkendali

(konverter) merupakan rangkaian yang mengubah sumber tegangan AC menjadi sumber

tegangan DC yang dapat dikendalikan/diatur. Pengatur tegangan AC (AC-regulator)

merupakan suatu rangkaian yang digunakan untuk mengubah sumber tegangan AC tetap

menjadi sumber tegangan AC yang dapat dikendalikan/diatur. Pemangkas arus searah

(chopper) merupakan suatu rangkaian yang digunakan untuk mengubah sumber tegangan DC

tetap menjadi sumber tegangan DC yang dapat dikendalikan/diatur. Inverter merupakan suatu

rangkaian yang digunakan untuk mengubah sumber tegangan DC tetap menjadi sumber

tegangan AC yang dapat dikendalikan/diatur.

F. DAFTAR PUSTAKA

Hart, DW. (1997). Introduction to Power Electronics. Indiana: Prentice-Hall International, Inc.

Rashid, MH. (1988). Power Electronics: Circuits, devices and application. New Jersey:

Prentice-Hall, Inc.

Singh, MD. (1998). Power Electronics. New Delhi: Tata McGraw-Hill Publishing Company

Limited.

53

Elektronika Daya

54

1.4 Elektronika Daya Sertifikasi (Rev)

Documents

Transcript of 1.4 Elektronika Daya Sertifikasi (Rev)