BAB I DASAR TEORI Komponen Elektronika Daya Bahan konduktor memiliki sifat menghantar listrik yang tinggi, bahan konduktor dipakai sebagai konduktor listrik, seperti kawat tembaga, aluminium, besi, baja, dan sebagainya Bahan semikonduktor memiliki sifat bisa menjadi penghantar atau bisa juga memiliki sifat menghambat arus listrik tergantung kondisi tegangan eksternal yang diberikan. Ketika diberikan tegangan bias maju, maka semikonduktor akan berfungsi sebagai konduktor. Tetapi ketika diberikan bias mundur, bahan semikonduktor memiliki sifat sebagai isolator. Beberapa komponen elektronika daya meliputi: Dioda, Transistor, Thyristor, Triac, IGBT dan sebagainya. Dioda yang dipakai elektronika daya memiliki syarat menahan tegangan anoda-katode (VAK) besar, dapat melewatkan arus anoda (IA) yang besar, kemampuan menahan perubahan arus sesaat di/dt serta kemampuan menahan perubahan tegangan sesaat dv/dt. Komponen transistor daya (Gambar 1.1) harus memenuhi persyaratan memiliki tegangan kolektor-emiter (VCEO) yang besar, arus kolektor (IC) terpenuhi, penguatan DC ( yang besar, mampu menahan perubahan ) tegangan sesaat dv/dt. Demikian juga dengan komponen thyristor (Gambar 1.2) mampu menahan tegangan anodakatoda (VAK), mengalirkan arus anoda yang besar (IA), menahan perubahan arus sesaat di/dt, dan mampu menahan perubahan tegangan sesaat dv/dt.

Gambar 1.1 Transistor daya

Gambar 1.2 Thyristor

Dioda Dioda daya merupakan salah satu komponen semikonduktor yang banyak digunakan dalam rangkaian elektronika daya seperti pada rangkaian penyearah, freewheeling (bypass) pada regulatorregulator penyakelaran, rangkaian pemisah, rangkaian umpan balik dari beban ke sumber, dan lain-lain. Dalam penerapannya, seringkali, dioda daya dianggap sebagai saklar ideal walaupun dalam prakteknya ada perbedaan. Konstruksi dioda Konstruksi dioda daya sama dengan dioda-dioda sinyal sambungan pn. Bedanya adalah dioda daya mempunyai kapasitas daya (arus, tegangan) yang lebih tinggi dari dioda-dioda sinyal biasa, namun kecepatan penyaklarannya lebih rendah. Dioda daya merupakan komponen semikonduktor sambungan PN yang mempunyai dua terminal, yaitu terminal anoda (A) dan katoda (K). Dioda memiliki dua kaki, yaitu anoda dan katoda. Perhatikan Gambar 1.3. Dioda hanya dapat melewatkan arus listrik dari satu arah saja, yaitu dari anode ke katoda yang disebut posisi panjar maju (forward). Sebaliknya dioda akan menahan aliran arus atau memblok arus yang berasal dari katode ke anoda, yang disebut panjar mundur (reverse). Perhatikan Gambar 1.4. Namun dioda memiliki keterbatasan menahan tegangan panjar mundur yang disebut tegangan break down. Jika tegangan ini dilewati maka dioda dikatakan rusak dan harus diganti yang baru

Gambar 1.3 Simbol dan fisik dioda

Gambar 1.4 a) Panjar maju (forward) dan b) panjar mundur (reverse)

Pada kondisi panjar maju (forward) dioda mengalirkan arus DC dapat diamati dari penunjukan ampermeter dengan arus If, untuk

tegangan disebut tegangan maju Uf (forward). Dioda silicon akan mulai forward ketika telah dicapai tegangan cut-in sebesar 0,7 Volt, untuk dioda germanium tegangan cut-in 0,3 Volt. Pada kondisi panjar mundur (reverse) dioda dalam posisi memblok arus, kondisi ini disebut posisi mundur (reverse). Karakteristik sebuah dioda 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 negative (reverse) dimulai sumbu negatif ke arah kiri. Karakteristik dioda menggambarkan arus fungsi dari tegangan. Garis arus maju (forward) dimulai dari sumbu nol ke atas dengan satuan ampere. Garis arus mundur (reverse) dimulai sumbu nol ke arah bawah dengan orde mA. Dioda memiliki batas menahan tegangan reverse pada nilai tertentu. Jika tegangan reverse terlampaui maka dioda akan rusak secara permanen, perhatikan Gambar 1.5.

Gambar 1.5 Karakteristik dioda

Dari pengamatan visual karakteristik dioda di atas dapat dilihat beberapa parameter penting, yaitu: tegangan cut-in besarnya 0,6V tegangan reverse maksimum yang diizinkan sebesar 50V, tegangan breakdown terjadi pada tegangan mendekati 75V. Jika tegangan breakdown ini terlewati dipastikan dioda akan terbakar dan rusak permanen. Jenis-jenis dioda Berdasarkan karakteristik dan batasanbatasan dalam penerapannya, dioda diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok, yaitu dioda standard (dioda untuk keperluan umum), dioda kecepatan tinggi, dan dioda Schottky. Dioda standard Dioda standar ini merupakan jenis dioda yang digunakan untuk keperluan umum. Dioda ini digunakan dalam aplikasiaplikasi kecepatan

rendah, seperti penyearah dan konverter dengan frekuensi masukan sampai 1 kHz. Dioda ini mempunyai rating arus dari 1 sampai ribuan ampere dan tegangan dari 50 V sampai 5 kV. Dioda kecepatan tinggi Dioda jenis ini mempunyai kemampuan penyaklaran dengan dengan kecepatan yang lebih tinggi dari dioda standard. Oleh karena itu, dalam penggunaannya biasa diaplikasikan pada rangkaian DCchopper (DC-DC) dan inverter (DC-AC) di mana aspek kecepatan merupakan faktor yang sangat penting. Dioda jenis ini mempunyai rating arus lebih kecil dari 1 A sampai ratusan ampere, dengan dari 50 V sampai 3 kV. Dioda Schottky Dioda Schottky dibangun dengan merekayasa pada sambungan PN sehingga sangat cocok untuk aplikasi-aplikasi catu daya DC dengan arus tinggi dan tegangan rendah. Rating tegangan dibatasi sampai 100 V dengan arus dari 1 300 A. Walaupun begitu, dioda ini juga cocok digunakan untuk catu daya arus rendah untuk meningkatkan efisiensinya. Dioda Zener Pada dasarnya dioda zener memiliki karakteristik yang hampir sama dengan dioda rectifier yaitu memiliki karakteristik maju dan mundur. Pada dioda zener bias maju nilai Vji_0 sedangkan pada bias mundur pada saat terjadi gejala yang serupa breakdown pada dioda rectifier, dioda zener akan menghantarkan tanpa kerusakan, tegangan ini disebut tegangan zener Suatu dioda zener yang dirancang akan menghantar pada tegangan zenernya untuk bias reverse lazimnya dalam kemasan ditulis sebagai xvy misalkan : x=2, y=3 berarti Vz=2,3V atau 2v3. Daya zener maksimal. Pada saat VR=Vz, dioda zener akan menghantar arus Iz yang disebut arus zener. Besaran Iz harus dibatasi agar tidak muncul disipasi yang tidak berlebihan (power) karena hal ini dapat merusak dioda zener. Nilai Iz terbesar, tanpa dioda mengalami kerusakan memenuhi relasi Pz=VzIz disebut Pz maks dan Iz maks.

ThyristorThyristor atau SCR (Silicon-Controlled Rectifier) adalah piranti semikonduktor yang sangat penting dalam aplikasi elektronika daya. Hal

ini tidak lepas dari kemampuan yang dimiliki, yakni kemampuan penyakelarannya yang cepat, kapasitas arus dan tegangan yang tinggi serta ukurannya yang kecil. Komponen ini dioperasikan sebagai saklar dari keadaan tidak konduksi (Off) menjadi konduksi (On). Konstruksi SCR Thyristor merupakan piranti semikonduktor empat lapis pnpn, yang mem-punyai tiga terminal, yaitu Anoda, Katoda dan Gate seperti ditunjukkan pada Gambar 1.6.

Gambar 1.6 Simbol dan konstruksi thyristor

Thyristor dikembangkan oleh Bell Laboratories tahun 1950-an dan mulai digunakan secara komersial oleh General Electric tahun 1960-an. Thyristor atau 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, perhatikan Gambar 1.7.

Gambar 1.7 Bentuk fisik dan simbol thrystor

Fungsi gate pada thyristor menyerupai basis pada transistor, dengan mengatur arus gate IG yang besarnya antara 1 mA sampai

serbesar 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 1.500 A. Karakteristik Thyristor memperlihatkan dua variabel, yaitu tegangan forward UF dan tegangan reverse UR, dan variabel arus forward IF dan arus reverse IR Gambar 1.8. Pada tegangan forward UF, jika arus gate diatur dari 0 mA sampai di atas 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 5 mA.

Gambar 1.8 Karakteristik thrystor

Thyristor TIC 106 D sesuai dengan data sheet memiliki beberapa parameter penting, yaitu: tegangan gate-katode = 0,8 V, arus gate minimal 0,2 mA, agar thyristor tetap posisi ON diperlukan arus holding = 5 mA. Tegangan kerja yang diizinkan pada anoda = 400 V dan dapat mengalirkan arus nominal = 5 A.