ELEKTRONIKA DAYA

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, fun, kompresor, pompa, conveyor dan aplikasi-aplikasi lainnya.

Thyristor

Thyristor merupakan peralatan elektronik yang terdiri dari empat lapisan semikonduktor pnpn dan memiliki tiga sambungan-pn. Thyristor memiliki 3 terminal, yaitu anoda, katoda, dan gate (gerbang). Thyristor disebut juga dengan penyearah terkendali, karena memiliki gate yang berfungsi untuk mengendalikan arus.

Cara Kerja Thyristor :

Thyristor ini akan bekerja atau menghantar arus listrik dari anoda ke katoda jika pada kaki gate diberi arus kearah katoda, karenanya kaki gate harus diberi tegangan positif terhadap katoda. Pemberian tegangan ini akan menyulut thyristor, dan ketika tersulut thyristor akan tetap menghantar. Thyristor akan terputus jika arus yang melalui anoda ke katoda menjadi kecil atau gate pada Thyristor terhubung dengan ground.

Macam-macam Thyristor :

1. Phase-control thyristor (SCR)
2. Fast-switching thyristor (SCR)
3. Gate-turn-off thyristor (GTO)
4. Bidirectional triode thyristor (TRIAC)
5. Reverse-conducting thyristor (RCT)
6. Static Induction Thyristor (SITH)
7. Light-activated silicon-controlled rectifier (LASCR)
8. FET-controlled thyristor (FET-CTH)
9. MOS-controlled thyristor (MCT)

Persyaratan yang menyebabkan Thyristor mengalirkan arus (Turned On) :

1. 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.
2. 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.
3. 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. 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.
5. 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.

Bagaimana Thyristor Turned Off :

Cara membuat SCR menjadi OFF dengan menurunkan tegangan anoda-katoda ke titik nol. Karena inilah SCR atau thyristor pada umumnya tidak cocok digunakan untuk aplikasi DC. Komponen ini lebih banyak digunakan untuk aplikasi tegangan AC, karena SCR bisa OFF pada saat gelombang tegangan AC berada di titik nol.

Komutasi sendiri (line commutated) :

Komutasi sendiri (line commutated), teknik alami yang digunakan, karena tegangan kerja yang digunakan adalah ac. Pada tegangan ac setiap satu perioda akan melewati dua kali titik nol volt yaitu 0 derajat dan 180 derajat. Setelah tegangan melewati titik-titik (trigger) tersebut maka triac secara otomatis akan mengalami komutasi. Inilah salah satu keuntungan bila menggunakan triac pada tegangan kerja ac.

Komutasi paksa (forced commutated) :

Komutasi yang dipaksakan (Forced commutation), Komutasi ini digunakan untuk aplikasi tegangan kerjanya adalah dc (linier), dikarenakan triac setelah dipicu akan melalukan arus dc secara terus menerus. Untuk mengkondisikan terjadinya tegangan nol pada triac maka perlu dibuat rangkaian khusus yang terdiri dari susunan kapasitor dan induktor bahkan menggunakan triac lebih dari satu buah.

Perbedaan antara Thyristor dan Triac :

Triac berbeda dengan thyristor, dimana triac dapat mengontrol arus dalam dua arah. Triac merupakan dua buah Thyristor yang dihubungkan secara paralel berkebalikan dengan terminal gate bersama. Berbeda dengan Thyristor yang hanya melewatkan tegangan dengan polaritas positif saja, tetapi Triac dapat dipicu dengan tegangan polaritas positif dan negatif, serta dapat dihidupkan dengan menggunakan tegangan bolak-balik pada Gate. Triac banyak digunakan pada rangkaian pengedali dan pensaklaran. Triac hanya akan aktif ketika polaritas pada Anoda lebih positif dibandingkan Katodanya dan gate-nya diberi polaritas positif, begitu juga sebaliknya.  Triac dapat bersifatkonduktif dalam dua arah. Dalam hal ini dapat dianggap sebagai dua buah thyristor tersambung secara antiparalel dengan koneksi gerbang. Karena triac merupakan komponen bidirectional, terminalnya tidak dapat ditentukansebagai anode/katode.

I. Phase-Control Thyristor (Thyristor kontrol fase)

Tipe thyristor ini secara umum beroperasi pada line-frequency dan dimatikan dengan komutasi natural. Turn off time, tq, berada dalam orde 50 sampai 100 ms. Devais ini sangat cocok untuk aplikasi pensaklaran kecepatan rendah dan biasa dikenal sebagai thyristor konverter. Karena thyristor sebenarnya merupakan divais yang dikontrol yang dibuat dari silikon, akibatnya thyristor jenis ini dikenal sebagai silicon-controlled rectifier (SCR).  Tegangan keadaan on, bervariasi di sekitar 1.15 V untuk devais 600 V hingga 2,5 V untuk devais 4000V; dan untuk thyristor 5500A, 1200V, sekitar 1,25V. Penguat gerbang menghasilkan karakteristik dinamik yang umum dv/dt sebesar 1000V/ms dan di/dt sebesar 500 A/ms dan menyederhanakan perancangan rangkaian dengan mengurangi atau meminimasi induktor pembatas di/dt dan rangkaian proteksi dv/dt.

2. Fast-Switching Thyristor

Biasanya thyristor ini digunakan pada penerapan teknologi pensaklaran kecepatan tinggi dengan force-communication(misalnya. Thyristor jenis ini memiliki waktu turn off yang cepat, umumnya dalam daerah 5 sampai 50 ms bergantung pada daerah tegangannya. Tegangan  jatuh forward pada keadaan on bervariasi kira-kira seperti fungsi invers dari turn-off time tq. Tipe thyristor ini juga dikenal sebagai thyiristor inversion.

Thyristor ini memiliki dv/dt yang tinggi  biasanya 1000V/ms dan di/dt sebesar 1000V/ms. Turn-off yang cepat dan di/dt yang tinggi akan sangat penting untuk mengurangi ukuran dan berat dari komponen rangkaian reaktif dan untuk commutating. Tegangan keadaan on dari thyristor 2200A, 1800 V biasanya sekitar 1,7 V. Thyristor inverter dengan kemampuan reverse blocking sangat terbatas, kira-kira 10 V, dan waktu turn-off sangat cepat, sekitar 3 sampai 5 ms, biasa dikenal sebagai Asymmetrical Thyristor (ASCR).

3. Gerbang-Turn-Off Thyristor

Gerbang-Turn-Off Thyristor seperti SCR dapat dihidupkan dengan memberikan sinyal gerbang positif. Akan tetapi GTO dapat dimatikan dengan memberikan sinyal gerbang negatif. GTO juga merupakan devais latching dan dapat dibangun dengan rating arus dan tegangan yang mirip dengan SCR, GTO dihidupkan dengan memberikan sinyal pulsa pendek positif pada gerbang dan dimatikan dengan memberikan sinyal pulsa pendek negatif di gerbang. GTO yang memiliki beberapa keuntungan dibandingkan SCR:

a. Eliminasi komponen commutating pada forced-commutation, yang menghasilkan   pengurangan biaya, berat dan volume.

b. Pengurangan   akustik dan elektromagnetik karena hilangnya commutation chokes.

c.   Turn-off yang cepat, memungkinkan frekuensi pensaklaran yang tinggi  

d.    Meningkatkan efisiensi konverter.

Pada aplikasi daya rendah, GTO memiliki keuntungan dibandingkan bipolar transistor adalah:

(1)   Kemampuan blocking tegangan yang lebih tinggi;

(2)   Rasio arus puncak yang dapat dikontrol dengan arus rata-rata yang lebih tinggi;

(3)    Rasio arus surge puncak terhdap arus rata-rata tinggi, umumnya 10:1;

(4)    Penguatan keadaan on tinggi (arus anode/arus gerbang), umumnya 600; dan

(5)   Durasi sinyal gerbang pulsa. Pada kondisi surge, GTO cenderung akan masuk kesaturasi lebih dalam karena adanya aksi regeneratif. Sedangkan, bipolar transistor cenderung akan keluar dari keadaan saturasi.

GTO memiliki penguatan rendah selama turn-off, umumnya 6, dan memerlukan pulsa arus negatif yang relatif besar untuk turn-off. Tegangan jatuh saat on juga relatif lebih besar dibanding SCR. Tegangan keadaan on untuk rata rata GTO 550 A, 1200 V besarnya 3,4 V. Controllable peak on state I_TGO  adalah nilai puncak keadaan on yang dapat dimatikan oleh kontrol gerbang, tegangan off-state diberikan seketika setelah turn-off dan dv/dt hanya akan dibatasi oleh kapasitansi snubber. Begitu GTO dimatikan , arus beban IL yang dialirkan melalui dan mengisi kapasitor snubber, menentukan dv/dt yang terjadi dengan Cs adalah kapasitansi snubber.

4. Bidirectional Triode Thyristor ( TRIAC)

TRIAC dapat bersifat konduktif dalam dua arah dan biasanya digunakan untuk pengendalian fase ac (contohnya controller tegangan ac). Hal tersebut dapat dianggap dua buah thyristor tersambung secara antiparalel dengan koneksi gerbang.

            Karena TRIAC merupakan devais bidirectional , terminalnya tidak dapat ditentukan sebagai anode/katode. Jika terminal MT2 positif terhadap terminal MT1, TRIAC dapat dimatikan dengan memberikan sinyal gerbang positip antara gerbang G dan MT1. Jika terminal MT2 negatif terhadap MT1, maka TRIAC akan dapat dihidupkan dengan memberikan sinyal pulsa negatif antara gerbang G dan terminal MT1. Tidak perlu untuk memiliki kedua sinyal gerbang positif dan negatif dan TRIAC dapat dihidupkan baik oleh sinyal gerbang positif maupun negatif.

5. Reverse Conducting Thyristor (RCT)

Pada banyak rangkaian chopper atau inverter, diode anti paralel dihubungkan sepanjang SCR untuk memperbolehkan aliran arus reverse karena beban induktif dan untuk meningkatkan kinerja saat turn-off dari rangkaian komutasi. Diode memotong tegangan balik blocking dari SCR ke –1 atau 2 V pada kondisi tunak. Akan tetapi pada kondisi transien , tegangan balik dapat meningkat hingga 30 V karena tegangan induksi pada rangkaian karena induktansi stray dalam devais.

Suatu RCT dapat dipandang sebagai suatu kompromi antara karakteristik devais dan kebutuhan dari rangkaian RCT dapat dianggap sebagai thyristor dengan built-in diode antiparalel. RCT juga dikenal sebagai Asymmetrical Thyristor (ASCR). Tegangan forward blocking bervariasi antara 400 sampai dengan 2000V dan rating arus bergerak hingga 500A. Tegangan blocking reverse biasanya sekitar 30 sampai dengan 40 V. Karena rasio arus maju yang melaui thyristor terhadap arus reverse dari diode tetap untuk suatu devais, aplikasinya dibatasi oleh perancangan tertentu.

6. Static Induction Thyristor

Karakteristik dari SITH mirip dengan karakteristik dari MOSFET. SITH biasanya dihidupkan dengan memberikan tegangan gerbang positif seperti thyristor biasa dan dimatikan dengan memberikan tegangan negatif pada gerbangnya. SITH merupakan devais dengan pembawa muatan minoritas. Akibatnya SITH memiliki resistansi/jatuh tegangan keadaan on yang rendah dan dapat dibuat dengan rating tegangan dan arus yang lebih tinggi.

            SITH memiliki kecepatan switching yang tinggi dengan kemampuan dv/dt dan di/dt yang tinggi. Waktu switchingnya berada pada orde 1 sampai 6 ms. rating tegangan dapat mencapai 2500 V dan rating arus dibatasi 500 A. Devais ini sangat sensitif terhadap proses produksi, gangguan kecil pada  proses produksi akan menghasilkan perubahan yang besar pada karaktristik devais.

7. Light Activated Silicon Controlled Rectifier (LASCR)

            Devais ini dihidupkan dengan memberikan radiasi cahaya langsung ke wafer silikon. Pasangan elektron hole yang terbentuk selama proses radiasi akan menghasilkan arus trigger pada pengaruh medan elektris. Struktur gerbang dirancang untuk menghasilkan sensitivitas gerbang yang cukup untuk triggering dengan sumber cahaya praktis. LASCR digunakan untuk pemakaian arus dan tegangan yang tinggi. (contoh untuk transmisi tegangan tinggi dc dan kompensasi daya reaktif statis atau reaktif voltampere). LASCR menyediakan isolasi elektris penuh antara sumber cahaya pentrigger dan devais switching dari konverter daya., dengan potensial mengambang tinggi hingga beberapa kilo volt. Rating tegangan dari LASCR dapat setinggi 4 kV, 1500 A dengan daya cahaya pentrigger kurang dari  100 mW. di/dt yang umum  adalah 250 A/m s dan dv/dt  dapat  setinggi   2000 V/m s.

8. FET Controlled Thyristor

Devais FET-CHT mengkombinasi MOSFET dan thyristor secara paralel . Jika tegangan tertentu diberikan pada gerbang dari MOSFET , biasanya 3 V, arus pentrigger dari thyristor akan dibangkitkan secara internal. FET – CHT memiliki kecepatan swtching tinggi, di/dt dan dv/dt  yang tinggi.

Devais ini dapat dihidupkan seperti thyristor konvensional, akan tetapi dapat dimatikan oleh kendali gerbang. Hal ini sangat diperlukan pada aplikasi yang optical firing digunakan untuk menghasilkan isolasi elektrik antara masukan atau sinyal kontrol dan devais pensaklaran daya.

9. MOS- Controled Thyristor

            MOS-Controlled Thyristor (MCT) mengkombinasikan sifat – sifat regeneratif thyristor dan struktur gerbang MOS. MCT dapat beroperasi sebagai devais yang dikontrol oleh gerbang jika arusnya lebih kecil dari arus maksimum yang dapat dikontrol. Usaha untuk dapat membuat MCT off pada arus yang melebihi nilai itu akan mengakibatkan kerusakan devais. Untuk nilai arus yang tinggi MCT harus dimatikan seperti thyristor biasa. Lebar pulsa gerbang tidak kritis untuk arus devais yang lebih kecil. Untuk arus besar, lebar dari pulsa turn off harus lebih besar. Lebih jauh gerbang akan mengalirkan arus maksimum selama turn – off. Pada banyak aplikasi, termasuk inverter dan chopper, pulsa gerbang kontinyu selama periode on/off diperlukan untuk menghindari kerancuan.

Suatu MCT  memiliki :

1.      Tegangan jatuh forward selama keadaan on yang rendah

2.      Waktu turn off yang cepat (0,4 m s) dan waktu yang cepat  biasanya 1.25 m s untuk MCT 300A, 500V

3.      Disipasi daya switching rendah

4.      Kemampuan tegangan blocking rendah

5.      Impedansi masukan dari gerbang tinggi, yang akan menyederhanakan rangkaian drive

MCT dapat secara efektif dipasang paralel untuk proses pensaklaran arus besar dengan hanya perubahan rating sederhana dengan rating arus perdevais yang ada. MCT tidak dapat digerakan dengan transformer pulsa jika bisa kontinyu yang diperlukan untuk menghindari kerancuan.

 Uni Junction Transistor (UJT)

Transistor Unijunction (UJT) biasanya digunakan untuk membangkitkan sinyal trigger untuk SCR. Rangkaian triggering UJT dasar seperti tampak pada gambar II.6 . UJT memiliki tiga terminal, disebut emiter E, base-1 B1 dan base-2 B2. Antara B₁ dan B₂, UJT memiliki karakteristik resistansi biasa. Resistansi ini disebut resistansi interbase RBB dan nilainya berada pada daerah 4,7 sampai 9,1 K ohm.

Ketika tegangan sumber  dc Vs diberikan, kapasitor C akan diisi melalui resistor R karena rangkaian emiter dari UJT berada pada kondisi terbuka. Konstanta waktu dari rangkaian pengisi t₁ = RC. Ketika tegangan emiter V_E,

Gambar 6  Bentuk gelombang keluaran rangkaian trigger UJT

yang sama dengan tegangan kapasitor V_C, mencapai tegangan puncak Vp, UJT akan on dan kapasitor akan dikosongkan melalui R_B1 dengan kecepatan yang ditentukan oleh konstanta waktu  t₂  =  R_B1C.   t₂  harus  jauh  lebih  kecil  dari  t₁.  Ketika  tegangan  emiter  V_E    berkurang ke titik lembah V_V, emiter akan kembali tidak tersambung, UJT menjadi off, dan siklus pengisian akan berulang kembali. Bentuk gelombang tegangan emiter dan triggering diberikan pada gambar 6.

            Bentuk gelombang tegangan triggering V_B1 akan identik dengan pengosongan kapasitor C. Tegangan pen-trigger V_B1 harus dirancang agar cukup besar untuk membuat SCR on. Periode osilasi T akan cukup independen terhadap tegangan sumber dc, Vs dan diberikan oleh :

Dengan parameter h dikenal sebagai intrinsic stand – off ratio. Nilai dari h terletak antara 0,51 sampai dengan 0,82. Resistor R terbatas nilainya antara 3 kOhm sampai 3 Mohm. Batas atas dari R ditentukan oleh kebutuhan jalur beban yang dibentuk oleh R dan Vs berpotongan karakteristik devais disebelah kanan titik puncak Vp dan kiri titik Vv. Jika jalur beban gagal melewati karakteristik devais disebelah kanan titik puncak. UJT tidak akan on. Kondisi ini dipenuhi jika Vs – IpR>Vp yaitu

Pada titik lembah I_E = I_V dan V_E = Vv sehingga kondisi pada batas bawah berada di R untuk memastikan proses turn off yaitu  V_S –I_VR<V_V       Yaitu :

Daerah tegangan sumber yang direkombinasikan adalah 10 sampai dengan 35 V. Untuk nilai tetap h , tegangan puncak Vp akan bervariasi dengan tegangan antara dua base, V_BB. Vp diberikan oleh:

Dengan V_D adalah tegangan jatuh forward dari satu diode. Lebar tg untuk pulsa trigger adalah

Tg = R_B1C

Secara umum R_B1 dibatasi nilai dibawah 100 ohm, walaupun nilai 2 sampai dengan 3 kohm dimungkinkan pada beberapa penerapan. Resistor R_B2 secara umum dihubungkan secara serial dengan base-2 untuk mengkompensasi penurunan Vp karena peningkatan suhu melindungi UJT dari kemungkinan termal runway.

CONVERTER

Converter adalah suatu alat untuk mengkonversikan daya listrik dari satu bentuk ke bentuk daya listrik lainnya.

Konverter AC-DC (Penyearah) :

Suatu rangkaian yang mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC yang dapat dikendalikan/ diatur. Fungsinya menyearahkan listrik arus bolak-balik menjadi listrik arus searah. Energi mengalir dari sistem listrik AC satu arah ke sistem DC. Contoh: Listrik AC 220 V/50 Hz diturunkan melewati trafo menjadi 12VAC dan kemudian disearahkan oleh Diode menjadi tegangan DC 12V.

Rangkaian penyearah diode mengubah tegangan ac ke tegangan dc tetap. Tegangan masukan ke penyearah dapat bersifat satu fasa ataupun tiga fasa dan diperlihatkan pada gambar berikut :

1. Penyearah setengah gelombang,  satu fasa

2. Penyearah gelombang penuh, tiga fasa

3. Penyearah setengah gelombang, tiga fasa

Konverter AC-AC (Cycloconverter) :

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.

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.

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.