ELEKTRONIKA DAYA

KARENA ELECTRICAL ENGINEERING HARUS MENGERTI TENTANG ELEKTRONIKA DAYA

1. Apa yang dimaksud dengan elektronika daya ?

Jawab :

Elektronika daya merupakan cabang ilmu elektronika yang berkaitan dengan pengolahan dan pengaturan daya listrik yang dilakukan secara elektronis (William,Jr, 1977). Apabila sebagian besar bidang elektronika umumnya berkaitan dengan pemrosesan atau pengolahan sinyal, maka elektronika daya berkaitan dengan  pengolahan atau pemrosesan energi listrik, yakni mengubah daya listrik dari satu bentuk ke bentuk lainnya dengan mengendalikan atau memodifikasi bentuk tegangan atau  arusnya menggunakan peranti elektronik.  Dengan demikian peranti elektronika daya bukan benda akhir dalam sistem, tetapi merupakan peranti jembatan antara sumber energi listrik dengan konsumen atau pemakai energi listrik.

2. Sebutkan macam-macam Thyristor !

Jawab :

Thyristor termasuk jenis semikonduktor. Kata Thyristor diambil dari bahasa yunani yang berarti pintu. Fungsi utama Thyristor adalah sebagai saklar. Thyristor yang sering dipakai ada tiga, yaitu SCR , DIAC , dan TRIAC .

Seperti FET,Thyristor pun memiliki bentuk fisik yang mirip dengan transistor
Bentuk fisik Thyristor:

Sedangkan tergantung pada konstruksi fisiknya dan perilaku turn-on dan turn-off, thyristor dapat secara umum diklasifikasikan menjadi Sembilan kategori:

    1.SCR kepanjangan dari Silicon Controlled Rectifier.

SCR berfungsi sebagai saklar arus searah. Struktur SCR terbentuk dari dua buah junction PNP dan NPN. SCR mempunyai 3 kaki yaitu Anoda (A) , Katoda(K) dan Gate (G) . Dalam kondisi normal Antara Anoda dan Katoda tidak menghantar seperti dioda biasa. Anoda dan Katoda akan terhubung setelah pada Gate diberi trigger minimal sebesar 0.6Volt lebih positif dari Katoda. SCR akan tetap menghantar walaupun trigger pada Gate telah dilepas. SCR akan kembali ke kondisi tidak menghantar setelah Masukan tegangan pada Anoda dilepas.

   2. DIAC

Merupakan kepanjangan dari Diode Alternating Current. DIAC tersusun dari dua buah dioda PN dan NP yang disusun berlawanan arah. DIAC memerlukan tegangan breakdown yang relatif tinggi untuk dapat menembusnya. Karena karakteristik inilah DIAC umumnya dipakai untuk memberi trigger pada TRIAC .

   3.Gate-turn-off thyristor (GTO)

GTO merupakan singkatan dari gate turn-off thyristor dan mulai dikembangkan dalam tahun 1960-an. Seperti juga SCR, maka GTO merupakan anggota keluarga thyristor yang dapat di-on-kan dengan menerapkan signal gerbang yang positif, dan dapat dipadamkan dengan pemberian signal gerbang yang negatif.

   4. Bidirectional triode thyristor (TRIAC)

Kepanjangan dari Triode Alternating Current. TRIAC dapat digambarkan seperti SCR yang disusun bolak-balik. TRIAC dapat melewatkan arus bolak-balik. Dalam pemakaiannya TRIAC digunakan sebagai saklar AC tegangan tinggi (diatas 100Volt). TRIAC bisa juga disebut SCR bi-directional. Untuk memberi trigger pada TRIAC dibutuhkan DIAC sebagai pengatur level tegangan yang masuk.

    5. Reverse-conducting thyristor (RCT)

Merupakan suatu piranti tiristor yang dapat konduksi dalam arah balik. RCT diadakan karena seringkali adanya kebutuhanakan jalur arus balik pada beban induktif dan perbaikan kebutuhan pemadaman (turn-off) pada rangkaian komutasi. Jadi RCT terkonstruksi dari sebuah tiristor yang memblok balik (reverse blocking) dan sebuah dioda dalam susunan anti-paralel atau paralel-balik.

    6. Static Induction Thyristor (SITH)

SITH adalah singkatan untuk static induction thyristor. SITH mengadopsi sifat dari SCR dan GTO, yaitu di-on-kan dengan cara menerapkan tegangan gerbang yang positif dan meng-off-kannya dengan cara pemberian tegangan negatif pada gerbang.

    7. Light-activated silicon-controlled rectifier (LASCR)

LASCR merupakan singkatan dari light activated silicon controlled rectifier dan biasa juga disebut light triggered thyristor yang artinya tiristor yang diaktifkan oleh radiasi optik, bukan signal listrik.

    8. FET-controlled thyristor (FET-CTH)

FET-CTH adalah kependekan dari FET-controlled thyristor. Dilihat dari strukturnya, FET-CTH terdiri dari sebuah MOSFET dan sebuah tiristor. Arus penyalaan (triggering current) pada FET-CTH akan dibangkitkan secara internal apabila tegangan yang cukup diterapkan pada gerbang dari MOSFETnya. FET-CTH mempunyai kecepatan Penyaklaran yang tinggi.Kelemahan dari FET-CTH adalah tak dapat dipadamkan dengan kontrol gerbang seperti pada tiristor konvensional (SCR).

     9. MOS-controlled thyristor (MCT)

MCT adalah kependekan dari MOS-controlled thyristor yang artinya tiristor yang dikontrol oleh MOS (metal oxide semiconductor). Dalam MCT terdapat dua struktur yang tergabung yakni tiristor empat lapis dan susunan gerbang MOS. Untuk rangkaian ekivalennya, struktur tiristor diwakili oleh kombinasi dua transistor sambungan dwi-kutub (PNP dan NPN) dan struktur gerbang MOS diwakili oleh dua buah MOSFET (kanal-p dan kanal-n).

Cara kerja thyristor :

Ciri utama thyristor adalah komponen yang terbuat dari bahan semikonduktor silikon. Walaupun bahannya sama, namun struktur P-N junction yang dimilikinya lebih kompleks dibanding transistor bipolar atau MOS. Komponen thyristor lebih digunakan sebagai saklar (switch) daripada sebagai penguat arus atau tegangan seperti halnya transistor.

Struktur dasar thyristor adalah struktur 4 layer PNPN. Jika dipilah, struktur ini dapat dilihat sebagai dua struktur junction PNP dan NPN yang tersambung di tengah seperti pada gambar (b) di atas. Ini tidak lain adalah dua buah transistor PNP dan NPN yang tersambung pada masing-masing kolektor dan base. Jika divisualisasikan sebagai transistor Q1 dan Q2.

Terlihat di sini kolektor transistor Q1 tersambung pada base transistor Q2 dan sebaliknya kolektor transistor Q2 tersambung pada base transistor Q1. Rangkaian transistor yang demikian menunjuk-kan adanya loop penguatan arus di bagian tengah. Seperti yang kita ketahui bahwa IC = ß. IB, atau arus kolektor adalah penguatan dari arus base.

Jika, misalnya, ada arus sebesar IB yang mengalir pada base transistor Q2, maka akan ada arus IB yang mengalir pada kolektor Q2. Arus kolektor ini merupakan arus base IB pada transistor Q1, sehingga akan muncul penguatan pada arus kolektor transistor Q1. Arus kolektor transistor Q1 tidak lain adalah arus base bagi transistor Q2. Demikian seterusnya sehingga makin lama sambungan PN dari thyristor ini di bagian tengah akan mengecil dan hilang yang tertinggal hanyalah lapisan P dan N di bagian luar.

Jika keadaan ini tercapai, maka struktur ini merupakan struktur dioda PN (anoda-katoda) yang sudah dikenal. Pada saat yang demikian, thyristor disebut dalam keadaan ON dan dapat mengalirkan arus dari anoda menuju katoda seperti layaknya sebuah dioda.

Bagaimana kalau pada thyristor ini kita beri beban lampu dc dan diberi suplai tegangan dari nol sampai tegangan tertentu seperti pada gambar di bawah? Apa yang terjadi pada lampu ketika tegangan dinaikkan dari nol? Ya, betul. Tentu saja lampu akan tetap padam karena lapisan N-P yang ada di tengah akan mendapatkan reverse-bias (teori dioda). Pada saat ini thyristor disebut dalam keadaan OFF karena tidak ada arus yang bisa mengalir atau sangat kecil sekali. Arus tidak dapat mengalir sampai pada suatu tegangan reverse-bias tertentu yang menyebabkan sambungan NP ini jenuh dan hilang. Tegangan ini disebut tegangan breakdown. Pada saat itu arus mulai dapat mengalir melewati thyristor sebagaimana dioda umumnya. Tegangan ini disebut tegangan breakover (Vbo).

3. Persyaratan apa yang menyebabkan thyristor mengalirkan arus (turn on) ?

Jawab :

Thyristor menjadi ON pada saat thyristor mulai konduksi. Arus yang terjadi pada saat thyristor konduksi, dapat disebut sebagai arus genggam (IH = Holding Current) yang mempertahankan Thyristor tetap ON, jika arus forward dari anoda menuju katoda harus berada di atas parameter ini. Arus IH ini cukup kecil yaitu dalam orde miliampere. Pada kenyataannya, sekali SCR mencapai keadaan ON maka selamanya akan ON, walaupun tegangan gate dilepas atau di short ke katoda.

Persyaratan yang dapat menyebabkan thyristor mengalirkan arus ( turn on ) juga dapat dicapai dengan salah satu langkah berikut:

1. Dv/dt

Jika kecepatan peningkatan tegangan anode – katode cukup tinggi, arus pengisian kapasitor sambungan mungkin cukup untuk membuat thyristor on. Nilai arus pengisian yang tinggi dapat merusak thyristor; dan devais harus diproteksi melawan dv/dt yang tinggi. Manufaktur pembuat thyristor akan menentukan berapa besar dv/dt yang dapat ditangani oleh suatu thyristor.

2. Arus gerbang

Jika suatu thyristor diberi tegangan bias forward, injeksi arus gerbang dengan menerapkan gerbang positif antara terminal gerbang dan katode akan dapat menbuat thyristor on. Ketika arus gerbang ditingkatkan, tegangan forward blocking akan menurun.

3. Panas

Jika suhu thyristor cukup tinggi, akan terjadi peningkatan jumlah pasangan electron – hole, sehingga arus bocor semakin meningkat. Peningkatan ini akan menyebabkan α₁ dan α₂ meningkat. Karena aksi regenerative (α₁ + α₂) akan menuju ke nilai satuan dan thyristor mungkin akan on. Cara ini dapat menyebabkan thermal runaway dan biasanya dihindari.

4. Cahaya

Jika cahaya diizinkan mengenai sambungan thyristor, pasangan electron – hole akan meningkat; dan thyristor mungkin akan on. Cara ini dilakukan dengan membiarkan cahaya mengenai silicon wafer dari thyristor.

5. Tegangan tinggi

Jika tegangan forward anode ke katode lebih besar dari tegangan maju breakdown V_BO, arus bocor yang dihasilkan cukup untuk membuat thyristor on. Cara ini merusak dan harus dihindari.

4. Bagaimana thyristor dapat turned off ?

Jawab :

Thyristor yang berada dalam keadaan on dapat dimatikan dengan mengurangi arus maju ke tingkat di bawah arus holding I_H. Ada beberapa variasi teknik untuk membuat thyristor off. Pada semua teknik komutasi, arus anode dipertahankan di bawah arus holding cukup lama, sehingga semua kelebihan pembawa muatan pada keempat layer dapat dikeluarkan. Akibat dua sambungan pn, J₁ dan J₃, karakteristik turn – off akan mirip dengan pada diode, berkaitan dengan waktu pemulihan reverse t_rr dan arus pemulihan reverse puncak I_RR. I_RR dapat lebih besar daripada arus blocking baik nominal. Pada rangkaian converter line commutated yang tegangan masukannya bersifat bolak – balik, tegangan balik muncul pada thyristor seketika setelah arus maju menuju ke nol. Tegangan balik ini akan mengakselerasi proses turn – off dengan membuang semua kelebihan muatan dari sambungan pn J₁ dan J₃.Sambungan pn dalam J₂ akan memerlukan waktu yang dikenal sebagai recombination time t_rr untuk merekombinasikan kelebihan pembawa muatan. Tegangan balik negative akan dapat mengurangi waktu rekombinasi ini. T_rr bergantung pada magnitude dari tegangan balik.

5. Apa yang dimaksud dengan komutasi sendiri (line commutated)?

Jawab :

Thyristor dapat mejadi OFF jika terdapat rangkaian eksternal (external crcuit) yang menyebabkan anoda menjadi bias negatif (negatively biased) dan dikenal dengan metode natural. Pada komutasi sendiri tegangan masukannya bersifat bolak – balik, tegangan balik muncul pada thyristor seketika setelah arus maju menuju ke nol.

6. Apa yang dimaksud dengan komutasi paksa (forced commutated)?

Jawab :

Pada beberapa penggunaan pensaklaran (switching) thyristor kedua untuk pengosongan kapasitor di katoda pada thyristor pertama. Metode ini dikenal dengan komutasi paksa (forced commutated).

7. Apa perbedaan antara thyristor dan triac?

Jawab :

Thyristor mempunyai 3 kaki yaitu Anoda (A), Katoda(K) dan Gate (G). Dalam kondisi normal Antara Anoda dan Katoda tidak menghantar seperti dioda biasa. Anoda dan Katoda akan terhubung setelah pada Gate diberi trigger minimal sebesar 0.6Volt lebih positif dari Katoda. Thyristor akan tetap menghantar walaupun trigger pada Gate telah dilepas. Thyristor akan kembali ke kondisi tidak menghantar setelah masukan tegangan pada Anoda dilepas.

TRIAC kepanjangan dari TRIode Alternating Current. TRIAC dapat digambarkan seperti Thyristor (SCR) yang disusun bolak-balik. TRIAC dapat melewatkan arus bolak-balik. Dalam pemakaiannya TRIAC digunakan sebagai saklar AC tegangan tinggi (diatas 100Volt). TRIAC bisa juga disebut SCR bi-directional. Untuk memberi trigger pada TRIAC dibutuhkan DIAC sebagai pengatur level tegangan yang masuk.

Maka dapat disimpulkan bahwa perbedaan mendasar dari Thyristor dan Triac adalah :

Thyristor bersifat uni-directional (satu arah), karena ketika ON hanya bisa melewatkan arus satu arah saja, yaitu dari anoda menuju katoda.Sefangkan TRIAC dapat bersifat konduktif dalam dua arah dan biasanya digunakan untuk pengendalian fasa ac (contohnya: controller tegangan ac). Hal tersebut dapat dianggap sebagai dua buah SCR tersambung secara antiparalel. Karena TRIAC merupakan bidirectional, terminalnya tidak dapat ditentukan sebagai anode / katode.

8. Apakah yang dimaksud dengan converter?

Jawab:

Konverter daya adalah mengkonversi energi listrik  dari satu bentuk ke bentuk lain, konversi Antara AC dan DC , atau hanya mengubah tegangan atau frekuensi , atau beberapa kombinasinya. Converter adalah sebuah Listrik atau perangkat elektromekanis untuk konversi energi listrik. Seperti transformator mengubah tegangan dari AC listrik. Istilah lain juga bisa merujuk seperti mesin Listrik yang digunakan mengkonversi salah satu frekuensi dari arus bolak-balik frekuensi menjadi lain.

1. Konverter AC – DC (Rectifier), 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.

Konversi daya seperti pada kebanyakan catu daya, converter, inverter, dc-dc power supply, regulator dsb, membutuhkan analisa yang rumit. Converter merubah tegangan atau arus input menjadi tegangan atau arus output yang berbeda, dc-dc converter merubah level tegangan input dc menjadi level tegangan output dc yang berbeda sedangkan inverter merubah besaran tegangan dc menjadi besaran tegangan ac. Dalam kenyataan di lapangan, pengaturan tegangan yang besar seperti pada power elektronika diterapkan dc-dc converter.

9. Bagaimana prinsip kerja dari konversi ac ke dc?

Jawab:

Rangkaian penyearah diode mengubah tegangan ac ke tegangan dc tetap. Tegangan masukan  ke penyearah dapat bersifat satu fasa ataupun tiga fasa

•         Penyearah setengah gelombang,  satu phasa

Sebuah penyearah merupakan rangkaian yang mengkonversikan sinyal AC menjadisinyal satu arah. Diode banyak digunakan pada penyearah. Penyearah setengahgelombang satu fasa merupakan jenis yang sederhana tetapi tidak biasa digunakan pada aplikasi industri. Namun demikian, penyearah ini berguna untuk memahami prinsip dari operasi enyearah.

Selama tegangan masukan memiliki siklus setengah positif, diode D1 berkonduksi dan tegangan masukan muncul melalui beban. Selama teganganmasukan memiliki siklus setengah negatif, diode pada kondisi tertahan (blocking condition) dan tegangan keluarannya nol. Bentuk gelombang untuk tegangan masukandan keluaran.

•         Penyearah gelombang penuh, satu phasa

Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan trafo tap tengah (a). Tiap bagian trafo dengan diode yang berhubungan berfungsisebagai penyearah setengah gelombang. Keluaran penyearah gelombang penuh ditunjukkan pada gambar (b) di bawah. Karena tidak ada arus dc yang mengalir melaluitrafo maka tidak ada masalah saturasi dc pada inti trafo.

10. Bagaimana prinsip kerja dari konversi ac ke ac?

Jawab:

Suatu rangkaian yang dapat mengubah tegangan AC tetap menjadi tegangan AC yang dapat dikendalikan/ diatur.

Fungsinya mengubah energi listrik arus bolak balik dengan tegangan dan frekuensi tertentu menjadi arus bolak balik dengan tegangan dan frekuensi yang lain. Ada dua jenis konverter AC, yaitu:
• pengatur tegangan AC (tegangan berubah, frekuensi konstan)
• cycloconverter (tegangan dan frekuensi dapat diatur).

Contoh: tegangan AC 220 V dan frekuensi 50 Hz menjadi tegangan AC 110 V dan frekuensi yang baru 100 Hz.

11. Bagaimana prinsip kerja dari konversi DC-DC?

Konverter DC-DC (Chopper)

Suatu rangkaian yang digunakan untuk mengubah sumber tegangan DC tetap menjadi sumber tegangan DC yang dapat dikendalikan/diatur.

Listrik arus searah diubah menjadi arus searah juga namun dengan besaran yang berbeda.

Contoh: Listrik DC 15V dengan komponen elektronika diubah menjadi listrik DC 5V.

12. Bagaimana prinsip kerja dari konversi DC-AC?

Konverter DC-AC (Inverter)

Suatu rangkaian yang digunakan untuk mengubah sumber tegangan DC tetap menjadi sumber tegangan AC yang dapat dikendalikan/diatur.

Fungsinya mengubah listrik arus searah menjadi listrik arus bolak-balik pada tegangan dan frekuensi yang dapat diatur.

Contoh: Listrik DC 12 V dari akumulator dengan perangkat inverter diubah menjadi listrik tegangan AC 220V, frekuensi 50 Hz.

13. Tahap – tahap yang diperlukan dalam merancang peralatan ELDA ?

- Menentukan komponen – komponen yang akan kita gunakan dalam perancangan alat yang akan kita buat beserta karakteristik atau besarannya.

- Menentukan faktor – faktor kualitas dari komponen – komponen yang akan digunakan.

- Merancang rangkaian schematik dalam perancangannya.

- Merealisasikan schematik dengan rangkain seperti yang kita inginkan.

14. Apa yang dimaksud efek peripheral dari peralatan ELDA?

Suatu cara dalam perancangan Elektronika untuk meningkatkan kegunaannya. Biasanya dengan menambah device lain pada alat elektronika tersebut.

15. Apa perbedaan GTO dengan Thyristor??

Thyristor mempunyai 3 kaki yaitu Anoda (A), Katoda(K) dan Gate (G). Dalam kondisi normal Antara Anoda dan Katoda tidak menghantar seperti dioda biasa. Anoda dan Katoda akan terhubung setelah pada Gate diberi trigger minimal sebesar 0.6Volt lebih positif dari Katoda. Thyristor akan tetap menghantar walaupun trigger pada Gate telah dilepas. Thyristor akan kembali ke kondisi tidak menghantar setelah masukan tegangan pada Anoda dilepas.

GTO merupakan komponen elektronika daya yang memiliki tiga terminal, yaitu: anoda, katoda, dan gerbang (gate). Semikonduktor daya ini termasuk dalam keluarga thyristor. Dalam rangkaian elektronika daya, GTO dioperasikan sebagai sakelar. karakteristik ideal GTO jika dioperasikan sebagai sakelar. 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.

16. Mengapa Catu Daya Switching lebih efisien dibanding catu daya linear? Untuk daya berapa?

Jika dianalogikan dalam pengisian wadah dengan air, teknologi SMPS menerapkan pengisian air on demand (jika wadah sudah penuh keran dimatikan dan sebaliknya), sedangkan LPS menerapkan pengisian air kontinyu (tidak peduli wadah telah penuh atau kosong air akan menyala terus). Dari analogi tersebut jelas SMPS akan lebih efisien dalam penggunaan air dibanding LPS.

Ya, teknologi SMPS lebih efisien dalam proses regulasi energi listrik dibandingkan LPS. Konsekuensinya energi yang diboroskan oleh perangkat SMPS akan lebih rendah, yang berakibat panas perangkat yang lebih rendah pula. Efisiensi dari teknologi SMPS dapat mencapai 90%, yang relatif tinggi jika dibandingkan dengan LPS hanya 50% - 60%.

Keunggulan dari SMPS menyebabkan adopsi teknologi ini sangat pesat, hampir seluruh perangkat elektronik rumahan saat ini memanfaatkan SMPS. Perangkat mobile juga mendapatkan keuntungan yang sangat besar, karena ketahanan penggunaan baterai lebih baik dibanding LPS.

17. Apa yang dimaksud dengan duty cycle??

Duty cycle adalah proporsi waktu dimana komponen, perangkat, atau sistem dioperasikan. Siklus tugas dapat dinyatakan sebagai rasio atau persentase. Misalkan drive disk beroperasi selama 1 detik, kemudian dimatikan untuk 99 detik, kemudian dijalankan selama 1 detik lagi, dan seterusnya. Drive berlangsung selama satu dari 100 detik atau 1 / 100 dari waktu, dan siklus tugasnya 1 / 100 atau 1 persen.