Karakteristik Berbagai Jenis Komponen Elektronika Daya

 

Gambar diode, salah satu komponen elektronika daya

Elektronika daya merupakan istilah yang berkaitan erat dengan teknologi konverter daya listrik. Konverter daya listrik dapat berupa rangkaian penyearah (rectifier), inverter, dc-to-dc converter (choppers) dan ac-to-ac converter (cycloconverters). Adapun berbagai prinsip elektronika daya tersebut, sangat berperan penting pada berbagai aspek kelistrikan, seperti pada sistem transmisi, sistem kendali, sistem charging energy, hingga peran krusial pada kemajuan teknologi mobil listrik dan renewable energy.

 

Rectifier adalah sebuah rangkaian elektronika daya yang berfungsi mengubah listrik ac (alternating current) menjadi listrik dc (direct current). Inverter merupakan kebalikan dari rectifier, yaitu mengubah listrik dc menjadi listrik ac. Choppers merupakan rangkaian elektronika daya yang mengubah tegangan dc pada satu nilai tertentu menjadi tegangan dc pada nilai yang lain. Sedangkan cycloconverters dapat mengubah tegangan ac pada frekuensi tertentu menjadi tegangan ac pada nilai frekuensi yang lain.

 

Untuk melakukan fungsinya, rangkaian elektronika daya tentu ditunjang oleh suatu jenis komponen elektronika daya. Pada artikel kali ini, kami ingin membahas mengenai karakteristik berbagai jenis komponen elektronika daya, dimana komponen-komponen tersebut dapat kita klasifikasikan menjadi tiga, yaitu diode, thyristor, dan transistor. Untuk lebih detailnya, berikut penjelasannya.

 

Diode

 

Diode merupakan komponen semikonduktor yang didesain untuk menghantarkan arus listrik hanya pada satu arah. Diode memiliki 2 elektroda, yaitu anoda (+) dan katoda (-). Arus listrik dapat mengalir dari anoda menuju katoda, namun tidak dengan sebaliknya. Berikut adalah symbol dan kurva karakteristik dari komponen diode.

 

Simbol diode

Kurva karakteristik diode

Dari kurva karakteristik diode tersebut, terlihat bahwa ketika tegangan diode (V_D) bernilai positif, maka diode akan bersifat konduksi, dan arus listrik (i_D) mengalir dari anoda menuju katoda. Namun, bila V_D bernilai negative, arus i_D akan sangat kecil dan bisa dianggap nol (tidak mengalir daya listrik). Namun demikian, bila tegangan negative tersebut bernilai cukup besar, pada nilai tertentu, diode akan breakdown dan arus listrik akan mengalir berbalik arah dari katoda menuju anoda. Nilai tegangan negative yang dapat menyebabkan sebuah diode breakdown biasa disebut dengan istilah peak inverse voltage (PIV).

 

Spesifikasi penting diode berkenaan dengan ratingnya meliputi tiga hal, pertama adalah kapasitas daya disipasi, kedua adalah nilai PIV, dan ketiga adalah switching time. Daya disipasi pada diode merupakan perkalian antara drop tegangan pada diode dan arus yang mengalir. Sehingga, semakin besar kapasitas daya disipasi, maka pada drop tegangan yang sama, diode dapat menghantarkan arus listrik yang lebih besar pula. Kemudian, PIV seperti yang sudah dibahas, berkenaan dengan tegangan negative (reverse voltage) maksimal yang dapat diterima diode agar tidak rusak. Terakhir, switching time bermakna kecepatan diode dalam berubah keadaan dari non konduktif (open) menjadi konduktif (close), dan juga sebaliknya.

 

Umumnya, switching time semua jenis diode cukup cepat untuk bekerja pada frekuensi daya listrik 50 – 60 Hz. Namun pada aplikasi frekuensi tinggi, seperti pada sistem PWM (pulse-width modulators), yang dapat mencapai frekuensi kerja lebih tinggi dari 10.000 Hz, dapat digunakan diode special yang disebut fast-recovery high-speed diodes (FHD).

 

Thyristor

 

Berbeda dengan diode yang tersusun atas tiga lapisan semikonduktor, thyristor merupakan sebutan untuk komponen semikonduktor yang tersusun atas empat lapisan semikonduktor. Ada 5 jenis thyristor dalam bidang elektronika daya, yaitu PNPN Diode, SCR, GTO, DIAC, dan TRIAC. Berikut kami bahas satu per satu.

 

1. PNPN Diode

PNPN Diode ini biasa disebut juga dengan nama two-wire thyristor, atau juga dalam standard IEEE disebut sebagai reverse-blocking diode-type thyristor. Berikut adalah symbol dan kurva karakteristik dari PNPN diode.

 

Simbol PNPN diode

Kurva karakteristik PNPN diode

Dari kurva karakteristik tersebut, terlihat bahwa prinsip kerja PNPN diode mirip dengan diode, yang membedakan adalah adanya nilai breakover voltage (V_BO), dimana PNPN diode tidak akan konduktif (close) meskipun diberi tegangan positif, kecuali nilai tegangan positif tersebut lebih besar atau sama dengan V_BO. Pada saat tegangan breakover tercapai, thyristor ini akan menghantarkan arus dari anoda menuju katoda, dengan drop tegangan yang kecil seperti halnya pada diode. Kemudian setelah thyristor on/close, ia akan tetap close kecuali bila arus yang mengalir (i_D) turun pada nilai holding currentnya (I_H) atau lebih rendah.

 

Spesifikasi dalam penentuan rating PNPN diode meliputi sama halnya dengan diode, yaitu kapasitas daya disipasi, PIV, switching time, dan dengan tambahan rating berupa nilai breakover voltage dan juga holding current.

 

2. Silicon Controlled Rectifier (SCR)

Thyristor jenis kedua ini sering juga disebut sebagai three-wire thyristor. Berikut adalah symbol dan kurva karakteristik dari SCR.

 

Simbol SCR

Kurva karakteristik SCR

Berbeda dengan diode dan PNPN diode yang hanya memiliki 2 kali (anoda dan katoda), SCR memiliki tambahan kaki yang disebut gate, dimana gate ini akan disuplai arus gate (i_G), yang dapat mengontrol nilai breakover voltage pada SCR. Jadi, singkatnya, karakteristik SCR sama dengan PNPN diode, namun nilai V_BO nya dapat dikontrol dengan nilai arus gate, semakin besar nilai arus gate, akan semakin kecil nilai V_BO nya. Lalu berkenaan dengan PIV, holding current, beroperasi sama halnya dengan PNPN Diode.

 

Sebagai info tambahan, bahwa tegangan drop pada SCR tipikalnya 1,2 – 1,5 kali lebih tinggi dari pada voltage drop pada diode atau PNPN diode. Namun demikian, SCR merupakan komponen elektronika daya yang paling banyak digunakan dalam rangkaian kontrol daya, seperti pada aplikasi switching dan rangkaian penyearah, dan dapat dijumpai dalam rating mulai dari beberapa ampere hingga mencapai 3000A.

 

3. Gate Turn-Off (GTO) Thyristor

Baik pada PNPN diode maupun SCR, ketika mereka sedang dalam kondisi on/close/konduktif, mereka akan tetap on selama arus yang mengalir lebih besar dari arus holdingnya. Pada dasarnya, GTO thyristor memiliki karakteristik sangat mirip dengan SCR, yang membedakan adalah pada GTO, ketika ia sedang on/close, ia dapat dirubah menjadi kondisi off/open dengan cara memberikan arus impulse negative yang cukup besar (20 – 50 A/microsecond) pada elektroda gatenya, meskipun dalam kondisi arus yang mengalir pada GTO lebih besar dari arus holdingnya. Berikut adalah symbol untuk GTO thyristor.

 

Simbol GTO thyristor

4. DIAC

DIAC adalah satu jenis thyristor yang memiliki karakteristik mirip PNPN diode, namun dapat bekerja pada tegangan positif maupun negative. Oleh karen itu, selain ada tegangan breakover dan arus holding, pada DIAC terdapat juga tegangan breakover negative dan arus holding negative. Untuk lebih jelas, berikut adalah symbol dan kurva karakteristik dari thyristor jenis DIAC.

 

Simbol DIAC thyristor

Kurva karakteristik DIAC thyristor

5. TRIAC

Thyristor jenis ini memiliki karakteristik mirip SCR, namun dapat bekerja pada tegangan positif maupun negative. Ketika arus gate bernilai positif, maka TRIAC akan bekerja pada zona positif, dan ketika arus gate yang disuplay bernilai negative, maka ia akan bekerja pada zona negatifnya. Berikut adalah symbol dan kurva karakteristik untuk thyristor jenis TRIAC.

 

Simbol TRIAC thyristor

Kurva karakteristik TRIAC thyristor

Transistor

 

Selain diode dan thyristor, komponen elektronika daya terakhir yang akan kami bahas disini adalah transistor, dimana transistor disini dapat kita bagi menjadi dua jenis, yang pertama adalah Power Transistor (PTR), dan yang kedua adalah IGBT. Berikut pembahasan mengenai karakteristik keduanya.

 

1. Power Transistor (PTR)

PTR memiliki 3 kaki, yang disebut sebagai collector, emitter, dan base. Berikut adalah symbol dan kurva karakteristik dari PTR.

 

Simbol PTR

Kurva karakteristik PTR

Dapat kita lihat dari kurva di atas, nilai arus collector (I_C) yang mengalir dari collector menuju emitter, hanya dipengaruhi dan berbanding lurus dengan arus base (I_B), pada rentang nilai tegangan V_CE yang besar. Semakin besar suplai arus base, maka arus collector akan semakin besar pula. Selain itu, bila arus base nol (tidak disuplai), maka PTR akan berlaku off/open/non konduktif.

 

Pada aplikasinya, PTR kerap digunakan pada kontrol mesin sebagai switch on-off arus listrik. Dimana bila diinginkan on, base akan disuplai arus dengan nilai tertentu, tergantung besar arus collector yang diinginkan, dan bila dibutuhkan off, arus base dibuat menjadi nol (tidak ada suplai). Selain itu, PTR juga paling sering digunakan pada rangkaian inverter, yaitu rangkaian untuk merubah listrik dc menjadi listrik ac.

 

2. Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

IGBT memiliki 3 kaki, yaitu collector, emitter dan gate. IGBT mirip dengan PTR, yang membedakan, bila pada PTR, proses switching dikontrol oleh arus base, namun pada IGBT proses switching tersebut dikontrol oleh tegangan gate. IGBT juga kerap dianaloginakan sebagai kombinasi antara MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor) dan PTR.

 

Karena IGBT dikontrol oleh tegangan, sehingga arus yang mengalir dari sisi kontrol sangat kecil, maka IGBT dapat melakukan proses switching jauh lebih cepat dibandingkan PTR konvensional. Oleh karena itu, IGBT lebih cocok digunakan pada aplikasi daya tinggi dan frekuensi lebih tinggi dari pada PTR. Berikut adalah symbol untuk IGBT.

 

Simbol IGBT

Demikian penjelasan yang dapat kami sampaikan tentang karakteristik berbagai jenis komponen elektronika daya. Silahkan tinggalkan komentar kalian untuk melengkapi pembahasan seputar topik ini.

 

Penulis : ER

Share this post