7
BAB II DASAR TEORI
2.1. Dioda Dioda merupakan piranti dua terminal yang berfungsi untuk menghantarkan / menahan arus. Dioda mempunyai simbol seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Simbol Dioda. Dioda memiliki tiga daerah kerja: a. Daerah bias maju (forward bias) Pada daerah bias maju, V D
0 . Arus dioda I D akan bernilai sangat kecil bila
tegangan dioda V D kurang dari nilai tegangan buka dioda VTD (tegangan buka adalah tegangan minimal yang dibutuhkan oleh dioda agar dapat mulai menghantar, dalam penghitungan biasanya digunakan nilai 0.7V). Dioda akan sepenuhnya menghantar jika VD b. Daerah bias balik (reverse bias) Pada daerah bias balik, V D c. Daerah dadal
0.
VTD .
8
Pada daerah dadal, tegangan balik bernilai sangat tinggi. Besar tegangan balik melebihi nilai tegangan yang disebut breakdown voltage (VBR). Arus balik meningkat dengan cepat untuk tiap perubahan kecil pada tegangan balik. Dioda ideal seharusnya langsung menghantar pada saat diberi bias maju (tegangan jatuh sama dengan nol) dan tidak melewatkan arus sama sekali saat diberi bias balik. Gambar grafik karakteristik V – I dioda ideal diberikan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Grafik Karakteristik V – I Dioda Ideal. Namun pada kenyataannya, dioda tidak ideal. Dioda tidak dapat langsung menghantar bila tegangan dioda tersebut tidak lebih besar daripada tegangan buka. Selain itu,
9
pada saat diberi bias balik, ada arus bocor walaupun sangat kecil yang mengalir melewati dioda tersebut. Gambar grafik karakteristik V – I dioda tak ideal diberikan pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3. Grafik Karakteristik V – I Dioda Tak Ideal. Selain tegangan buka, dioda juga memiliki karakteristik penting lain, yaitu waktu pemulihan balik (reverse recovery time). Reverse recovery time adalah waktu yang dibutuhkan oleh dioda untuk dapat off ketika tegangan yang melewatinya
10
berubah dari bias maju ke bias balik. Idealnya waktu pemulihan balik bernilai nol, namun kenyataannya tidak demikian. Ada dua jenis reverse recovery time, yaitu soft dan abrupt. Gambar grafik soft reverse recovery time dan abrupt reverse recovery time diberikan pada Gambar 2.4 dan Gambar 2.5.
Gambar 2.4. Grafik Soft Reverse Recovery Time.
Gambar 2.5. Grafik Abrupt Reverse Recovery Time. Berdasarkan Gambar 2.4 dan 2.5, besarnya reverse recovery time dapat dihitung dengan menggunakan Persamaan 2.1. t rr
ta
tb
(2.1)
11
Dengan:
t rr adalah reverse recovery time, t a adalah waktu yang dibutuhkan untuk mencapai titik terendah
setelah
grafik melewati sumbu nol, dan
t b adalah waktu yang dibutuhkan dari titik terendah untuk mencapai
0.25 I RR .
2.2. Transistor Transistor sambungan dua kutub (Bipolar Junction Transistor / BJT) merupakan suatu piranti yang terdiri dari tiga daerah semikonduktor, yaitu daerah emiter, daerah basis, dan daerah kolektor. Ada dua jenis transistor, yaitu transistor npn dan transistor pnp. Transistor npn memiliki daerah emiter jenis n, daerah basis jenis p, dan daerah kolektor jenis n. Sedangkan transistor pnp memiliki daerah emiter jenis p, daerah basis jenis n, dan daerah kolektor jenis p. Struktur transistor npn dan pnp dapat dilihat pada Gambar 2.6 dan Gambar 2.7.
12
Gambar 2.6. Struktur Transistor npn.
Gambar 2.7. Struktur Transistor pnp. Simbol transistor npn dan pnp dapat dilihat pada Gambar 2.8 dan Gambar 2.9 berikut.
13
Gambar 2.8. Simbol Transistor npn.
Gambar 2.9. Simbol Transistor pnp. Transistor memiliki dua buah persambungan (junction), yaitu persambungan emiterbasis (EBJ) dan persambungan kolektor-basis (CBJ). Dengan mengatur kondisi bias maju atau bias balik pada kedua persambungan tersebut akan diperoleh berbagai mode pengoperasian transistor. Transistor memiliki tiga mode operasi, yaitu mode pancung (cut-off), aktif (active), dan jenuh (saturation). Pada mode pancung, kedua persambungan diberi bias balik. Pada mode aktif, EBJ diberi bias maju dan CBJ
14
diberi bias balik. Pada mode jenuh, kedua persambungan diberi bias maju. Yang dimaksud dengan bias maju adalah kondisi yang mana arus mengalir dari daerah tipe p menuju ke daerah tipe n. Sebaliknya untuk bias balik adalah kondisi yang mana arus mengalir dari daerah tipe n menuju ke daerah tipe p. Ketiga mode operasi dan bias persambungannya dapat dilihat pada Tabel 2.1. Tabel 2.1. Tiga Mode Operasi Transistor dan Bias Persambungannya. Mode
EBJ
CBJ
Pancung
Balik
Balik
Aktif
Maju
Balik
Jenuh
Maju
Maju
Pada mode operasi pancung, arus basis tidak cukup besar untuk mengalirkan arus kolektor, sehingga tegangan kolektor-emiter sangat besar (mendekati Vcc ). Pada mode operasi aktif, perubahan yang terjadi pada arus basis akan semakin memperbesar arus yang mengalir melewati kolektor dan akan memperkecil tegangan kolektor-emiter. Pada mode operasi aktif, transistor dapat digunakan sebagai penguat (amplifier). Persamaan 2.2 digunakan untuk menghitung bati (gain) transistor. hFE
Dengan:
IC IB
(2.2)
hFE adalah bati transistor, I C adalah arus kolektor, dan
15
I B adalah arus basis.
Pada mode operasi jenuh, arus yang melewati kolektor sudah maksimal, sehingga dengan memperbesar arus basis tidak akan berpengaruh banyak terhadap arus kolektor. Pada saat transistor berada pada mode jenuh, nilai tegangan kolektor-emiter sangat kecil. Mode operasi pancung dan jenuh biasanya digunakan dalam pensaklaran (switching). Gambar 2.10 memperlihatkan grafik karakteristik IC - IB transistor beserta tiga mode operasi transistor.
Gambar 2.10. Karakteristik IC - IB Transistor dengan VCE sebagai Parameter.
16
2.3. SCR SCR adalah singkatan dari Silicon Controlled Rectifier (Penyearah Terkendali Silikon). SCR memiliki tiga buah pin, yaitu pin gerbang, pin anoda, dan pin katoda. SCR hampir sama dengan dioda. Bedanya dari dioda, SCR memiliki pin gerbang yang digunakan untuk memicu SCR agar dapat on. SCR merupakan piranti semikonduktor struktur pnpn dengan tiga buah persambungan pn. SCR hanya dapat menghantarkan arus satu arah, yaitu arus dari pin anoda ke pin katoda. Gambar 2.11 dan Gambar 2.12 menunjukkan simbol dan struktur pnpn SCR.
Gambar 2.11. Simbol SCR.
17
Gambar 2.12. Struktur pnpn SCR. SCR dapat dibuat dari sebuah transistor pnp dan sebuah transistor npn seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.13 berikut.
18
Gambar 2.13. SCR dari Dua Buah Transistor. SCR dapat diaktifkan dengan cara memberikan arus positif pada pin gerbangnya dan tegangan pada pin anoda harus lebih positif daripada tegangan pada pin katoda. Tanpa memberi tegangan positif pada pin gerbangnya, SCR juga tetap dapat diaktifkan dengan cara memberi tegangan anoda-katoda yang sangat besar melebihi tegangan dadalnya (Breakover Voltage / V BO ). Namun cara pengaktifan seperti itu dapat merusak SCR. Sekali SCR menghantar, SCR akan terus menghantar seperti dioda. Tetapi jika arus anoda dikecilkan hingga di bawah nilai yang disebut arus holding (holding current), SCR akan off. Jadi, arus holding adalah arus SCR minimum yang diperlukan untuk menjaga agar SCR tetap dalam keadaan on tanpa adanya tegangan
19
gerbang. Selain arus holding, ada juga arus latching (latching current). Arus latching adalah arus SCR minimum yang diperlukan agar SCR tetap dalam keadaan on saat gerbang dipicu sesaat (dinyalakan lalu langsung dimatikan). Arus latching lebih besar daripada arus holding. Grafik karakteristik V – I SCR dapat dilihat pada Gambar 2.14.
Gambar 2.14. Grafik Karakteristik V – I SCR.
20
2.4. TRIAC TRIAC merupakan singkatan dari Triode for Alternating Current (trioda untuk arus bolak-balik). TRIAC memiliki fungsi dan karakteristik yang hampir sama dengan SCR, hanya bedanya TRIAC dapat menghantar dua arah. Karena dapat menghantar dua arah, maka TRIAC tidak mengenal anoda dan katoda, melainkan Main Terminal (MT). TRIAC memiliki tiga pin yaitu pin gerbang, pin Main Terminal 1 ( MT1 ), dan pin Main Terminal 2 ( MT2 ). Simbol TRIAC diberikan pada Gambar 2.15.
Gambar 2.15. Simbol TRIAC. Sama seperti SCR, TRIAC dapat diaktifkan dengan cara memberikan arus pada pin gerbangnya. Namun karena TRIAC dapat menghantar dua arah, maka pin gerbang dapat diberi arus positif atau arus negatif sesuai dengan kebutuhan. Apabila pin MT2 lebih positif daripada pin MT1 , maka TRIAC dapat diaktifkan dengan memberikan arus positif pada pin gerbang. Sebaliknya apabila pin MT1 lebih positif daripada pin MT2 , maka TRIAC dapat diaktifkan dengan memberikan arus negatif
21
pada pin gerbangnya. TRIAC beroperasi pada dua buah kuadran, yaitu kuadran I dan kuadran III. TRIAC beroperasi pada kuadran I apabila tegangan dan arus pada pin gerbang positif terhadap pin MT1 . Sebaliknya, TRIAC beroperasi pada kuadran III apabila tegangan dan arus pada pin gerbang negatif terhadap pin MT1 . Grafik karakteristik V – I TRIAC diberikan pada Gambar 2.16.
Gambar 2.16. Grafik Karakteristik V – I TRIAC.
22
Sebuah TRIAC dapat dibuat dari dua buah SCR seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.17 berikut.
Gambar 2.17. Rangkaian Ekivalen TRIAC.
2.5. MOSFET MOSFET adalah singkatan dari Metal Oxyde Semiconductor Field Effect Transistor. MOSFET memiliki tiga pin, yaitu pin gerbang (gate), pin penguras (drain), dan pin sumber (source). MOSFET adalah piranti terkendali tegangan. Arus masukan yang sangat kecil, dalam orde nanoampere. Ada dua jenis MOSFET, yaitu depletion dan enhancement. Yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah MOSFET jenis enhancement. MOSFET enhancement dibagi menjadi dua lagi, yaitu tipe n dan tipe p. Simbol MOSFET enhancement tipe n dan tipe p dapat dilihat pada Gambar 2.18 dan Gambar 2.19.
23
Gambar 2.18. Simbol MOSFET Enhancement Tipe n.
Gambar 2.19. Simbol MOSFET Enhancement Tipe p. Ada tiga daerah kerja MOSFET, yaitu daerah cut-off ( VGS atau triode ( VDS
VGS
VT ), daerah linier
VT ), dan daerah saturasi atau pinch-off ( VDS
VGS
VT ).
Pada daerah cut-off, MOSFET tidak dalam keadaan on, karena tegangan gerbangsumber tidak cukup besar sehingga arus tidak dapat mengalir dari pin penguras menuju ke sumber. Pada daerah linier, besarnya arus penguras berubah sesuai dengan besar tegangan penguras-sumber. Karena tingginya arus penguras dan rendahnya
24
tegangan penguras-sumber, maka MOSFET yang beroperasi pada daerah linier digunakan sebagai saklar. Pada daerah saturasi, apabila nilai tegangan pengurassumber diperbesar, arus penguras relatif tetap. Pada daerah pinch-off, MOSFET digunakan sebagai penguat tegangan. Gambar 2.20 memperlihatkan gambar grafik karakteristik VDS – ID MOSFET dan tiga daerah operasinya.
Gambar 2.20. Karakteristik VDS – ID MOSFET dengan VGS sebagai Parameter.
25
2.6. IGBT IGBT adalah singkatan dari Insulated Gate Bipolar Transistor. IGBT memiliki tiga pin, yaitu pin gerbang, pin kolektor, dan pin emiter. Ada dua tipe IGBT, yaitu tipe n dan tipe p. Simbol IGBT tipe n dan tipe p dapat dilihat pada Gambar 2.21 dan Gambar 2.22.
Gambar 2.21. Simbol IGBT Tipe n.
Gambar 2.22. Simbol IGBT Tipe p.
26
IGBT menggabungkan kelebihan yang dimiliki oleh MOSFET dan BJT. IGBT memiliki hambatan masukan yang sangat besar seperti MOSFET dan memiliki rerugi yang rendah saat keadaan on seperti BJT. Oleh karena itu, sebuah IGBT dapat dibuat dari sebuah MOSFET dan sebuah transistor BJT seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.23.
Gambar 2.23. Rangkaian Ekivalen IGBT Tipe n. Karena IGBT adalah keluarga transistor, maka IGBT juga memiliki tiga daerah kerja, yaitu cut-off ( VGE
VT ), aktif ( VCE
VGE
VT ), dan saturasi ( VCE
VGE
VT ).
Gambar 2.24 memperlihatkan grafik karakteristik VCE – IC IGBT dan daerah kerjanya.
27
Gambar 2.24. Karakteristik VCE – IC IGBT dengan VGE sebagai Parameter.
