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
Semikonduktor
arus
daya
searah)
memiliki
dengan peranan
menggunakan penting
dalam
piranti
semikonduktor
rangkaian
elektronika
daya. 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 kondisiajeg (steady-state). Dioda daya memiliki kapasitas tegangan dan arus hingga 3000 V, 3500 A, dengan waktu pemulihan balik antara 0,1 – 5 µS (detik).
44
Istanto W. Djatmiko, M.Pd. Real
1/Ron
VBR
A
linear
i
Ideal
FB
K
i VTH~ 0
v IR
a
VTH
RB
IR~0
v
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 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.
45
Elektronika Daya 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.
Anode + vAK Cathode
iA Gate iG iA Forward on-state IL
iG increase
IBO iG2 iG1 iG= 0
V’RWM I H
Ideal
VRWM
VH
VBO
vAK
Forward blocking
i VF~ 0
RB
IR~ 0
FB
v
Gambar 2. Karakteristik Thyristor (a) simbol, (b) karakteristik i-v, (c) karakteristik ideal 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 daya umumnya digunakan sebagai konverter dengan kapasitas tegangan dan arus mencapai 1200 V, 400 A, dengan frekuensi pensakelaran di bawah 10 kHz.
46
Istanto W. Djatmiko, M.Pd.
IB B
iC
C+ vCE E-
iC
Ideal on off vCE
Gambar 3. Karakteristik Transistor (a) simbol, (b) karakteristik i-v, (c) karakteristik ideal 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. Drain Gate Source Tipe N
47
Elektronika Daya
VGS4
IDS4
VGS3
IDS3 IDS2 IDS1
Increasing VGS
VDS = VGS-VGS(TH) VDS
V -V GS(TH) GS DS Active region iD Ohmic region VGS5 IDS5
VGS2
iD on
Ideal
VGS1 VGS > VGS(TH) VGS < VGS(TH) Cut-off region
off
BVDSS vDS
vDS
Gambar 4. Karakteristik MOSFET (a) simbol, (b) karakteristik i-v, (c) karakteristik ideal 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 AC ke DC
~
-
Konversi AC
Konversi DC
~
Konversi DC ke AC
-
Gambar 5. Bentuk Konversi Daya Listrik dengan Piranti Semikonduktor Daya
48
Istanto W. Djatmiko, M.Pd. 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 (a) diagram rangkaian
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 (b) bentuk gelombang tegangan
square-rms), Vo, rms :
Jika tegangan masukan (input), Vs. Vs = Vm sin ωt = VMAX sin ωt Gambar 6. Rangkaian Penyearah Tegangan luaran (output) rerata, Vo,DC dan Arus luaran rerata, Io,DC : Satu-fasa
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
dikendalikan/diatur. Komponen semikonduktor daya yang (a) diagram rangkaian
49
Elektronika Daya 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 (a) bentuk gelombang tegangan
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 : Vs = Vm sin ωt = VMAX sin ωt
Jika tegangan masukan (input), Vs.
Tegangan luaran (output) rerata, Vo,DC dan Arus luaran rerata, Io,DC :
Vo , DC = Edc =
Vm (1 + cos α ) 2π
Tegangan luaran (output) efektif, Vo,rms dan Arus luaran efektif, Io,rms :
π −α sin 2α 4π + 8π
1/ 2
Vo ,rms = Erms = Vm
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
dikendalikan/diatur. Komponen semikonduktor daya yang digunakan berupa SCR dan TRIAC yang beroperasi (a) diagram rangkaian
sebagai sakelar dan pengatur.
50
Istanto W. Djatmiko, M.Pd. 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 satufasa unidirectional. Tegangan luaran ac-regulator ini dapat diatur dengan melakukan pengaturan waktu konduksi atau (b). bentuk gelombang Gambar 8 Rangkaian AC Regulator Satu Fasa Unidirectional
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 :
es = Em sin ωt = Es 2 sin ωt
es = Vm sin ωt = Vs ,rms 2 sin ωt
atau
Vo ,avg = Eo ,avg =
maka tegangan luaran (output) rerata, Vo,avg :
Vm (cos α − 1) 2π
sin 2α 1 2π (2π −α + 2 )
1/ 2
Vo ,rms = Es
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
dikendalikan/diatur. Komponen semikonduktor daya yang digunakan dapat berupa SCR, transistor, dan MOSFET yang beroperasi sebagai sakelar dan pengatur. (a) diagram rangkaian
Ditinjau dari proses pengaturan, chopper dapat dibedakan dalam tiga jenis, yaitu : chopper penurun (stepdown), chopper penaik (step-up), dan chopper penurunpenaik (step down-up). Rangkaian chopper
penurun ditunjukkan pada
Gambar 9. Rerata tegangan luaran dapat dikendalikan dengan (b) bentuk gelombang
mengatur
waktu
konduksi
(t1)
komponen
semikonduktor yang digunakan. Jika T merupakan perioda
Gambar 9 Rangkaian Chopper Step-down
51
Elektronika Daya pensakelaran chopper, maka t1 = αT dan α disebut siklus-kerja (duty cycle) dari chopper, sehingga tegangan luaran dapat ditentukan, yaitu :
eo = Edcα 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.
Gambar 10 Rangkaian Inverter Jembatan Halfwave Satu Fasa
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
Istanto W. Djatmiko, M.Pd. 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 Takterkendali (penyearah) merupakan rangkaian yang mengubah sumber tegangan arus bolakbalik (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
