BAB II LANDASAN TEORI
2.1 Inverter Konverter DC - AC atau biasa disebut Inverter adalah suatu alat elektronik yang berfungsi menghasilkan keluaran AC Sinusoidal dari masukan DC dimana magnitudo dan frekuensinya dapat diatur. Inverter biasanya banyak digunakan pada kendali mesin AC dan UPS (Uninterruptible Power Supply). Dilihat dari masukannya, inverter dibagi menjadi dua macam yaitu VSI (Voltage Source Inverter) dimana masukannya adalah sumber tegangan DC dan CSI (Current Source Inverter) dimana masukannya adalah sumber arus DC. Pada umumnya, inverter yang lebih sering digunakan adalah VSI sedangkan CSI penggunaannya terbatas pada kontrol Motor AC dengan daya yang sangat besar.
5
6
Gambar 2.1. Topologi inverter full-bridge Untuk menghasilkan keluaran AC sinusoidal, inverter bekerja dengan mengatur penyaklaran masukan sumber DC. Dalam satu lengan, transistor yang boleh ON hanya satu karena apabila dua transistor dalam satu lengan ON maka sumber tegangan DC akan terhubung singkat. Dengan demikian pada saat maka
akan off, hal yang sama terjadi pada Pada saat
).Pada saat
dan dan
dan
.
on, maka beban akan merasakan tegangan
–
on
on maka beban akan merasakan tegangan
(
( = =-
).
Bentuk sinyal tegangan keluaran dari gambar 2.2 adalah sebagai berikut :
Gambar 2.2 Bentuk keluaran inverter Keluaran inverter dengan penyaklaran seperti diatas adalah gelombang persegi. Gelombang seperti ini memiliki kandunagan harmonisa yang besar. Biasanya keluaran inverter yang diinginkan adalah bentuk gelombang sinus murni
7
karena gelombang sinus murni tidak mengandung harmonisa. Untuk mendapatkan bentuk gelombang sinusoidal maka teknik penyaklaran transistor harus diatur salah satu teknik yang paling umum digunakan dalam mengatur penyaklaran transistor dalam inverter adalah PWM (Pulse Width Modulation).
2.1.1 Pulse Width Modulation Pulse Width Modulation (PWM) adalah salah satu teknik untuk mengatur penyaklaran transistor dalam inverter. Teknik ini pada dasarnya adalah membandingkan dua sinyal untuk mendaptkan pola penyaklaran transistor. Sinyal pertama adalah sinyal repetitif sebagai sinyal yang carrier dan biasanya adalah sinyal segitiga
. Sinyal kedua adalah sinyal yang akan dimodulasi untuk
mendapatkan bentuk keluaran yang diinginkan dan biasa disebut sinyal referensi . Apabila sinyal referensi
lebih besar (kecil) dari sinyal carrier
maka lengan atas ( ) akan menerima sinyal on (off).
Gambar 2.3 Pulse Width Modulation
8
Perbandingan antara amplitudo sinyal referensi carrier
dan amplitudo sinyal
disebut indeks modulasi m.
...............................................................................................................(2.1)
Pada saat amplitudo sinyal referensi
sama dengn sinyal carrier
maka
indeks modulasi maksimum. Rentang antara indeksi modulasi minimum (nol) sampai indeks modulasi maksimum adalah rentang besarnya keluaran yang dapat diatur oleh inverter. Apabila amplitudo sinyal referensi amplitudo sinyal segitiga
lebih tinggi dari
maka inverter berada pada daerah operasi over-
modulation. Pada daerah ini hubungan antara keluaran inverter dengan indeks modulasi tidak lagi linear. Jika m besaran sehingga sinyal referensi berpotongan dengan sinyal segitiga pada titik zero crossing (Gambar 2.3) maka pola penyaklaran adalah penyaklaran sinyal persegi. Daerah ini bisa disebut daerah saturasi PWM karena indeks modulasi m sudah tidak lagi berpengaruh terhadap besaranya keluaran. Salah satu keutungan operasi penyaklaran persegi adalah setiap lengan berubah keadaannya hanya satu kali dalam satu periode.hal ini penting untuk level dengan daya besar dimana biasannya respon saklar semikonduktor pada level ini rendah. Karena inverter tidak dapat mengatur besarannya keluaran maka satu-satunya cara untuk mengatur besarannya keluaran adalah dengan mengatur masukannya. Dalam aplikasi industri, biasannya keluaran inverter harus bisa diatur. Pengaturan ini biasanya ditunjukan untuk mengatsi masalah variasi tegangan masukan sumber DC, pengaturan keluaran inverter agar sesuai denagn kebutuhan,
9
dan untuk kebutuhan pengaturan volt/frekuensi yang tetap. Dengan demikian maka inverter harus diusahakan bekerja pada daerah linearnya. Denagn sinyal referensi sinus bisa didapat
adalah 1. Banyak penelitian yang telah
dilakukan untuk memperbesar daerah liner inerter. Penelitian biasanya dilakuakan pada kontrol pada penyaklaran inverter atau modifikasi PWM yang sudah ada.
Gambar 2.4 Pengaturan tegangan dengan m.
a.
Parameter Peformasi Inverter Teknik PWM dapat menghasilkan keluaran yang mendekati bentuk
sinusoidal dibandingkan dengan teknik penyaklarannya. Akan tetapi, keluaran inverter dengan menggunakan teknik PWM tetap mengandung riak, terutama pada daerah indeks mudulasi yang tinggi.
10
b.
Riak Riak atau ripple atau distorsi adalah gelombang repetitif yang merupakan
perbedaan antara nilai sesaat suatu gelombang dengan nilai fundamental gelombang tersebut. Riak dapat diturunkan dari deret fourier yaitu: ĩ(t) = i(t) – i1(t).................................................................. (2.2) Dimana, ĩ(t) = riak, i(t) = nilai sesaat dan i1(t) = nilai fundamental atau dalam bentuk nilai RMS. √
..........................................................................................(2.3)
Dimana: Ĩ = nilai RMS riak, I = nilai RMS gelombang dan I 1= nilai RMS fundamental gelombang. Selain itu riak biasa dinyatakan sebagai THD yaitu perbandingan antara riak dengan komponen fundamental.
(∑
) ................................................... (2.4)
Riak yang dihasilkan oleh inverter dapat mengakibatkan:
c.
1.
efek pemanasan (rugi-rugi motor, trafo, kabel)
2.
efek harmonisa torka (motor)
3.
kesalahan pembacaan meter
Rugi-rugi Penyaklaran Rugi-rugi penyaklaran berasal dari karakteristik transistor sebagai saklar.
Apabila karakteristik transistor mendekati karakteristik saklar ideal maka rugirugi akibat penyaklaran akan berkurang. Rugi-rugi akibat penyaklaran berhubungan juga dengan frekuensi penyaklaran yang dioperasikan pada saklar.
11
rugi-rugi penyaklaran sebanding dengan frekuensi penyaklaran yang digunakan artinya semakin sering saklar digunakan pada penyaklaran maka rugi-ruginya akan semakin tinggi. Rugi-rugi penyaklaran dinyatakan sebagai : (
(
)
(
)
)............................................................(2.5)
Dimana :
2.2
VD
= Tegangan masukan
I0
= Arus yang mengalir pada saklar
Fs
= Frekuensi penyaklaran
tc(on)
= Waktu hidup saklar
tc(off)
= Waktu mati saklar
Resistor
Gambar 2.5 Resistor Resistor menentukan aliran arus dalam rangkaian listrik.Dimana ada resistansi yang besar di rangkaian aliran arus kecil, dan resistansi rendah aliran arus besar.
12
2.3
Kapasitor
Gambar 2.6 Kapasitor Kapasitor adalah komponen yang digunakan untuk menyimpan muatan listrik dan digunakan dalam rangkaian timer.Sebuah kapasitor dapat digunakan dengan resistor untuk menghasilkan timer. Kadang-kadang kapasitor digunakan untuk memperhalus arus dalam sebuah rangkaian karena mereka dapat memotong spike dari komponen lain seperti relay. Bila daya dipasok ke sirkuit yang mengandung kapasitor – Kapasitor mengisi daya.Bila daya dimatikan kapasitor mulai pembuangan muatan listrik secara perlahan-lahan.
2.4
Dioda
Gambar 2.7 Dioda
13
Sebuah dioda memungkinkan listrik mengalir dalam satu arah saja dan menghalangi aliran ke arah yang berlawanan.Mereka dapat dianggap sebagai katup satu arah dan mereka digunakan dalam berbagai sirkuit, biasanya sebagai bentuk perlindungan. Ada berbagai jenis dioda namun fungsi dasar mereka adalah sama. 2.5
Transistor Ada dua macam transistor yaitu transistor BJT (Bipolar Junction
Transistor) dan transistor efek medan FET (Field – Efect Transistor). Disini hanya membahas tentang transistor bipolar yang selanjutnya cukup disebut sebagai transistor.. Sebuah transistor memiliki tiga daerah doped, seperti yang terlihat pada gambar 2.8. Ketiga daerah tersebut diberi nama kolektor (collector), basis (base), dan emitor (emitter). Jika yang di tengah adalah jenis-p maka disebut transistor npn dan jika jenis-n maka disebut transistor pnp.
Gambar 2.8 (a) Transistor NPN, (b) Transitor PNP Gambar 2.8 menunjukkan simbol skematik transistor npn dan pnp. Anak panah selalu ditempatkan pada emitor, pada transistor npn menunjukkan arah arus
14
konvensional (arah muatan listrik positif) dan pada transistor pnp menunjukkan aliran elektron (arah muatan listrik negatif).
Gambar 2.9(a) Simbol Transistor NPN (b) Transitor PNP (Malvino, 2003)
Pada gambar 2.9 terdapat tiga arus yang berbeda pada transistor : Arus emiter IE, arus basis IB dan arus kolektor IC. Perbandingan arus pada transistor npn dengan pnp, pada transistor npn, arus mengalir dari B ke E dan dari C ke E. Ini berarti VB > VE dan VC > VE. Sebaliknya, pada transistor pnp, arus mengalir dari E ke B dan dari E ke C. Ini berarti VE > VB dan VE > VC. Hubungan arus – arus, hukum arus kirchoff mengatakan bahawa semua arus yang masuk pada suatu titik percabangan sama dengan jumlah arus yang keluar pada titik tersebut. Jika diterapkan pada arus transistor maka dapat dibuat rumus (Malvino, 2003) :
IE = IC + IB............................................................................................................................................. (2.6)
Persamaam tersebut mengatakan bahwa arus emiter adalah jumlah arus kolektor dan basis. Karena arus basis sangat kecil, arus kolektor kira – kira sama
15
dengan arus emiter, dan besar arus basis jauh lebih kecil daripada arus kolektor dapat dibuat rumus sebagai berikut (Malvino, 2003):
IB << IC ...........................................................................................................................................(2.7) Alpha (αdc). Tetapan αdc pada transitor daya tinggi lebih besar dari pada 0,99 dan daya rendah lebih besar dari pada 0,95 (Malvino, 2003) :
α dc =
.................................................................................................(2.8)
Beta (βdc) sebuah transistor didefenisikan sebagai rasio arus kolektor DC dengan arus basis DC (Malvino, 2003) :
βdc =
...................................................................................................(2.9)
Beta juga dikenal dengan gain arus karena arus basis yang kecil dapat menghasilkan arus kolektor yang jauh lebih besar. Tetapan βdc pada transistor daya tinggi memiliki arus gain 20-100 dan daya rendah 100-300.
16
2.5.1 Hubungan Transistor
Ada tiga cara untuk menghubungkan pada sebuah transistor : dengan CE (common emitter), CC (mommon collector) dan CB (common base), di sini hanya membahas hubungan CE karena hubungan ini banyak digunakan.
Common Emitter (CE)
Pada gambar 2.10 sisi Common atau ground pada tiap sumber tegangan dihubungkan dengan emiter. Karena itulah, rangkaian ini disebut dengan koneksi common – emiter (CE). Rangkaian ini memiliki dua kalang : kalang kiri (kalang basis) dan kanan (kalang kolektor).
Gambar 2.10 Hubungan CE. (a) Rangkaian Dasar (b) Rangkaian dengan Ground (Malvino, 2003) Pada gambar 2.10(b) tegangan antara titik yang disubskripkan dengan ground. Tegangan VB adalah tegangan antara basis dengan ground, VC adalah tegangan antara kolektor dengan ground dan VEadalah tegangan antara emiter
17
dengan ground. (Pada rangkaian ini VE = 0). Dapat dibuat rumus sebagai berikut (Malvino, 2003):
VCE = VC - VE VCB = VC – VB
VBE = VB - VE
Dari rumus tegangan di atas dapat di sederhanakan :
VCE = VC............................................................................................................................. ................... (2.9) VCB = VC – VB ................................................................................................................................ (2.10)
VBE = VB.............................................................................................................................................. (2.11)
Dengan menerapkan hukum Ohm terhadap resistor basis pada gambar 2.10 akan memberikan rumus (Malvino, 2003):
.................................................................................(2.11)
18
VBE = 0,7 V seperti yang terlihat pada gambar 2.11 berikut :
Gambar 2.11 Kurva Dioda
Kurva Kolektor
Kita dapat mengubah VBB dan VCC pada gambar 2.10 untuk menghasilkan tegangan dan arus transistor yang berbeda. Dengan menghitung I C dan VCE, kita dapat memperoleh data untuk menggambar kurva I C vs VCE seperti beikut :
Gambar 2.12 Kurva Kolektor (Malvino, 2003)
19
Jika nilai VCE 0, dioda kolektor tidak terbias balik. Inilah mengapa grafik menunjukan besarnya arus kolektor 0. Jika besar VCE besar dari 0 maka arus kolektor naik dengan tajam pada grafik.
Tegangan dan Daya Kolektor pada transistor :
Hukum tegangan kirchhoff mengatakan bahwa jumlah tegangan pada rangkaian tertutup sama dengan 0. Jika diterapkan pada rangkaian kolektor pada gambar 2.10 maka hukum tegangan kirchhoff menghasilkan (Malvino, 2003): VCE = VCC - IC RC ................................................................................(2.12) Ini berarti bahwa tegangan kolektor-emitor sama dengan tegangan sumber kolektor dikurangi dengan tegangan pada resistor kolektor. Pada gambar 2.10 transistor memiliki disipasi daya (PD) kira-kira: PD = VCE IC............................................................................................................................. ............(2.13)
Daerah Operasi Transistor
Kurva pada gambar 2.10 memilik daerah yang berbeda di mana kerja transistor berubah. Secara grafis daearah aktif adalah bagian horizontal dari kurva. Dengan kata lain, arus kolektor konstan pada daerah ini. Daerah operasi yang lain adalah daerah breakdown. Transistor tidak boleh beropersi pada daerah ini karena akan rusak. Daerah saturasi adalah bagian yang miring pada kurva. Pada daerah ini arus basis IB lebih besar dari pada normalnya dan gain arus (βdc) lebih kecil dari pada normalnya. Perhatikan kurva gambar 2.11 : besar arus basis adalah nol, tetap terdapat arus kolektor yang kecil (arus Cutoff kolektor), daerah inilah yang disebut Cutoff .
20
2.5.2 Transistor sebagai Penguat
Terdapat dua cara untuk mengatur titik operasi sebuah transistor, yaitu dengan bias basis dan bias emiter. Bias basis menghasilkan sebuah nilai tetap dari arus basis, sedangkan bias emiter menghasilkan sebuah nilai tetap dari arus emiter. Bias basis paling berguna dalam rangkain saklar, sedangkan bias emiter lebih dominan dalam rangkaian penguat karena mempunyai titik kerja Q stabil.
Transistor sebagai penguat arus
Jika kuat arus masuk IB dan kuat arus keluaran IC, maka diperoleh hasil bahwa IC jauh lebih besar dari pada IB, seperti ditunjukkan pada persamaan (2.14). βdc didefinisikan sebagai nilai perbandingan antara kuat I C sebagai keluaran dan kuat IB sebagai masukan dapat dibuat rumus sebagai berikut (Malvino, 2003) IC = βdc IB ................................................................................(2.14)
Transistor sebagai penguat tegangan
Pada gambar 2.13
memperlihatkan sebuah penguat bias pembagi
tegangan, bati tegangan didepenisikan sebagai tegangan keluaran AC yang terbagi oleh tegangan input AC.
21
Gambar 2.13 (a) Penguat CE, (b) Ekuivalen Pada Basis dan (b) Ekuivalen Pada Kolektor (Malvino, 2003) Dalam rangkaian kolektor, sumber arus mengeluarkan arus AC (ic) melalui hubungan paralel RC dan RL (Rp) karena itu, tegangan keluaran AC adalah (Malvino, 2003) : VOUT = ic (Rp) = βib (Rp) ......................................................................(2.15)
Sekarang dapat membagi V out oleh Vin untuk memperoleh penguat tegangan (A)
A=
=
( A=
) ..............................................................................................(2.16)
Keterangan :
A = Penguat Tegangan βib = Arus Basis Ac βr ,e= Ipedansi masukan dari basis Titik Q memiliki arus kolektor dan tegangan kolektor –emiter, karena bias pembagi tegangan di turunkan dari bias emiter, titik Q tidak terpengaruh terhadap perubahan pada penguat arus. Salah satu cara untuk memindahkan titik Q menjadi
22
QH pada gambar 2.13 (b) adalah dengan mengubah hambatan emiter, maka arus kolektor turun.
2.5.3 Transistor Sebagai Saklar Bias basis berguna dalam rangkaian-rangkaian digital karena rangkaian tersebut biasanya dirancang untuk beroperasi di daerah jenuh dan cutoff. Oleh sebab itu rangkaian ini memiliki tegangan keluaran rendah ataupun tinggi. Dengan kata lain, tidak ada titik Q (titik perpotongan antara garis beban dengan kurva kolektor) yang di gunakan antara titik jenuh dan cutoff. Untuk alasan ini, variasi titik Q tidak jadi masalah, karena transistor tetap dalam kondisi jenuh atau cutoff ketika pengutan arus berubah. Untuk lebih jelas dapat di lihat pada gambar 2.14 berikut ini :
Gambar 2.14 (a) Daerah Saturasi (b) Garis Beban (Malvino, 2003)
Ketika saklar terbuka,. Arus basis turun menjadi nol. Oleh sebab itu, arus kolektor turun memjadi nol. Dengan tidak adanya arus yang melalui resistor 1 Kohm, semua tegangan catu kolektor akan melalui terminal kolektor-emiter. Oleh
23
sebab itu, tegangan keluaran akan naik menjadi + 10 V. Sekarang, titik Q berada di ujung bawah garis beban lihat gambar 2.12b. Berarti rangkaian ini hanya memiliki dua tegangan keluaran : 0 atau + 10 V.
2.6
Rangkaian Oscilator Osilator berfungsi untuk membangkitkan pulsa-pulsa tegangan DC
maupun pulsa-pulsa tegangan AC. Perubahan tegangan dalam siklus perdetik disebut frekuensi osilator. Ada empat macam bentuk gelombang dasar osilator, yaitu: persegi, segitiga, gigi gergaji dan sinus. Oscilator dapat dibuat dengan menggunakan
piranti
Transistor,
Op-Amp
dan
IC
( Integrate Circuit ). Oscilator yang dibahas pada Proyek Tugas Akhir ini adalah oscilator yang menghasilkan gelombang kotak dengan menggunakan IC CMOS logic inverter yang digunakan untuk menghasilkan frekuensi 50/60 Hz. Rangkaian pembangkit pulsa ini dapat ditunjukan pada gambar 2.15 dibawah ini.
Gambar 2.15 Gambar Rangkaian Pembangkit Pulsa
24
Untuk mendapatkan frekuensi dengan nilai 50 Hz diperoleh melalui perhitungan sebagai berikut :
Selang waktu penundaan keluaran tinggi untuk pengisian kapasitor dari 1/3 Vcc sampai dengan 2/3 Vcc adalah :
t1 = 0,693 (R1 + R2)C1
Sedangkan selang waktu penundaan keluaran rendah untuk pengosongan kapasitor dari 2/3 Vcc sampai dengan 1/3 Vcc adalah:
t2 = 0,693 (R2)C1
Jadi jumlah waktu isolasi (T) untuk pengisian dan pengosongan kapasitor adalah :
T = t1 + t2
Sehingga Frekuensi untuk gelombang keluaran adalah kebalikan dari waktu perioda isolasi total :
(
)
.......................................................................... (2.17)
25
Keterangan :
f = frekuensi ( Hertz)
R1 = Besarnya tahanan pada Resistor R1 ( Ohm )
R2 = Besarnya tahanan pada Resistor R2 ( Ohm )
C1 = Kapasitor ( Farad ) 2.7
MOSFET ( Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor ) MOSFET adalah singkatan dari Metal Oxida Semikonduktor FET, dan
sering juga disebut InsulatedGate FET ( IGFET ). Hal ini disebabkan karena gate pada MOSFET tidak langsung berhubungan dengan saluran, tetapi diisolasi oleh suatu lapisan oksida logam yang tipis ( biasanya Silikon Oksida ).MOSFET mempunyai kaki-kaki : Sumber (Source) = S, Cerat (Drain) = D, Gerbang (Gate) = G
1.
Depletion Enhanchement MOSFET ( DE-MOSFET )
2.
Enhanchement MOSFET ( E-MOSFET )
2.7.1 DE-MOSFET
MOSFET jenis ini prinsip kerjanya hampir sama dengan J-FET yaitu beroperasi dengan aksi pengosongan ( depletion action ) dan aksi peningkatan ( enhanchement action ). Yaitu pada saat tegangan gate nol dan tegangan drain tetap, arus akan maksimum dan kemudian menurun dengan diberikan potensial gate dengan polaritas yang benar ( piranti normally on ).
26
Simbol DE-MOSFET
Simbol DE-MOSFET dapat dilihat pada gambar 2.15 dibawah ini.
Gambar 2.16 Susunan dan Simbol DE-MOSFET
Prinsip Kerja DE-MOSFET
Prinsip kerja DE-MOSFET diperlihatkan pada gambar 2.17.
Gambar 2.17 Prinsip Kerja DE-MOSFET
27
Gambar 2.17 di atas merupakan rangkaian kerja DE MOSFET Kanal N, dengan kerja sebagai berikut:
a
Tegangan positif maupun negatif yang diberikan pada gate tidak akan menyebabkan adanya metal oxida antara gate dan saluran.
b
Bila gate diberi tegangan negatif, maka muatan negatif pada gate ini akan menolak elektron-elektron yang ada pada saluran, sehingga arus drain Id akan berkurang.
c
Pada tegangan gate tertentu, semua elektron bebas pada saluran akan terusir, sehingga menyebabkan tidak mengalirnya arus drain Id. Karena itu operasi dengan tegangan gate negatif disebutdepletion action (aksi pengosongan ).
d
Bila gate diberi tegangan positif, maka muatan positif ini akan menarik elektronelektron bebas pada saluran antara gate dan substrat. Hal ini akan meningkatkan
arus
drain
Id
,
karena
itu
operasi
ini
dinamakan enhanchement action ( aksi peningkatan ). e
Karena MOSFET ini dapat beroperasi dengan depletion action dan enhanchement action, maka MOSFET ini dikatakan DE-MOSFET (Depletion Enhanchement MOSFET).
Kesimpulannya adalah bahwa DE-MOSFET dapat beroperasi ( bekerja ) dengan memberikan tegangangate positif maupun negatif. Penjabaran di atas merupakan prinsip/cara kerja DE-MOSFET kanal N, sedangkan untuk DEMOSFET kanal P semua polaritas baik tegangan maupun arus adalah kebalikan dari DE-MOSFET kanal N.
28
Kurva drain DE-MOSFET
Analisa
kurva
drain
dilakukan
dengan
mencoba
beberapa
tegangan gate Vgs konstan, lalu dibuat grafik hubungan antara arus drain Id terhadap tegangan Vds.
Gambar 2.18Kurva drain DE-MOSFET
Dari kurva ini terlihat jelas bahwa transistor DE-MOSFET dapat bekerja (ON) mulai dari tegangan V gs negatif sampai positif. Terdapat dua daerah kerja, yang pertama adalah daerah ohmic dimana resistansi drain-source adalah fungsi dari:
Rds(on) = Vds/Ids....................................................................................................... (2.18)
Jika tegangan Vgs tetap dan Vds terus dinaikkan, transistor selanjutnya akan berada pada daerah saturasi. Jika keadaan ini tercapai, arus Ids adalah konstan. Tentu saja ada tegangan Vgs(max), yang diperbolehkan. Karena jika
29
lebih dari tegangan ini akan dapat merusak isolasi gate yang tipis alias merusak transistor itu sendiri.
2.7.2 E-MOSFET E-MOSFET
adalah
MOSFET
yang
hanya
beroperasi
dengan
enhanchement action ( aksi peningkatan ) saja. Yaitu tidak ada arus yang mengalir pada saat tengangan gate nol
Simbol E-MOSFET
Simbol E-MOSFET dapat dilihat pada gambar 2.18.
Gambar 2.19 Susunan dan Simbol E-MOSFET
30
Prinsip Kerja E-MOSFET
Gambar 2.20 Prinsip Kerja E-MOSFET
Substrat
(St)
menutup
seluruh
jalan
(saluran)
antara Source (S)
dan Drain (D). E-MOSFET ini adalah sejenis MOSFET yang hanya bekerja dengan aksi peningkatan saja. Pada saat Vgs = nol, tidak ada arus drain Id yang mengalir walaupun Vdd ada tegangannya, karena bahan P tidak mempunyai pembawa muatan. Apabila Gate diberi tegangan positif yang cukup besar, maka akan mengalirlah arus drain Id.
Bila gate mendapat tegangan positif maka akan terinduksikan muatan negatif pada substrat. Muatan negatif ini adalah berupa ion-ion negatif yang ada pada bahan P tersebut. Selanjutnya bila tegangan positif pada gate dinaikkan hingga mencapai suatu harga tertentu, maka elektron-elektron bebas akan
31
membentuk lapisan tipis yang berfungsi sebagai pembawa muatan yang mengakibatkan arus drain Id naik.
Kurva drain E-MOSFET
Mirip seperti kurva DE-MOSFET, kurva drain transistor E-MOSFET adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar 2.21 berikut. Namun di sini VGS semua bernilai positif. Garis kurva paling bawah adalah garis kurva dimana transistor
mulai
ON.
Tegangan
VGS pada
garis
kurva
ini
disebut
tegangan threshold VGS(th).
Gambar 2.21 Kurva drain E-MOSFET Dari kurva di atas, MOSFET bekerja pada daerah ohmic, sehingga diperoleh hubungan:
..............................................................................................(2.19)
Karena transistor MOSFET umumnya digunakan sebagai saklar (switch), parameter yang penting pada transistor E-MOSFET adalah resistansi drain-
32
source. Biasanya yang tercantum pada datasheet adalah resistansi pada saat transistor ON. Resistansi ini dinamakan RDS(on). Besar resistansi bervariasi mulai dari 0.3 Ohm sampai puluhan Ohm. Untuk aplikasi power switching, semakin kecil resistansi RDS(on) maka semakin baik transistor tersebut. Karena akan memperkecil rugi-rugi disipasi daya dalam bentuk panas. Juga penting diketahui parameter arus drain maksimum ID(max) dan disipasi daya maksimum PD(max).
2.8
Transformator
Gambar 2.22 Transformator Step Down Transformator atau transformer atau trafo adalah komponen elektromagnet yang dapat mengubah taraf suatu tegangan AC ke taraf yang lain. Transformator bekerja berdasarkan prinsip induksi elektromagnetik. Tegangan masukan bolakbalik yang membentangi primer menimbulkan fluks magnet yang idealnya semua bersambung dengan lilitan sekunder.
33
Gambar 2.23 Ilustrasi Fluks pada Transformator
Fluks bolak-balik ini menginduksikan GGL dalam lilitan sekunder. Jika efisiensi sempurna, semua daya pada lilitan primer akan dilimpahkan ke lilitan sekunder. Rumus untuk fluks magnet yang ditimbulkan lilitan primer adalah ...................................................................................(2.20) dan rumus untuk GGL induksi yang terjadi di lilitan sekunder adalah
...........................................................................................(2.21) Karena kedua kumparan dihubungkan dengan fluks yang sama, maka
..............................................................................(2.22) dimana dengan menyusun ulang persamaan akan didapat
................................................................................................(2.23)
34
sedemikian hingga . .................................................................................(2.24) Dengan kata lain, hubungan antara tegangan primer dengan tegangan sekunder ditentukan oleh perbandingan jumlah lilitan primer dengan lilitan sekunder. Transformator step-down memiliki lilitan sekunder lebih sedikit daripada lilitan primer, sehingga
berfungsi sebagai penurun tegangan.
Transformator jenis ini sangat mudah ditemui, terutama dalam adaptor AC-DC.
2.9 Baterai Aki Baterai aki, atau bisa juga accu adalah sebuah sel listrik dimana di dalamnya berlangsung proses elektrokimia yang reversibel (dapat berbalikan) dengan efisiensinya yang tinggi. Yang dimaksud dengan proses elektrokimia reversibel, adalah di dalam baterai dapat berlangsung proses pengubahan kimia menjadi tenaga listrik (proses pengosongan), dan sebaliknya dari tenaga listrik menjadi tenaga kimia, pengisian kembali dengan cara regenerasi dari elektrodaelektroda yang dipakai, yaitu dengan melewatkan arus listrik dalam arah (polaritas) yang berlawanan di dalam sel. Didalam baterai terdapat elektrolit asam sulfat, elektroda positif dan negatif dalam bentuk plat. Plat plat tersebut dibuat dari timah atau berasal dari timah. Karena itu baterai tipe ini sering disebut baterai timah, Ruangan didalamnya dibagi menjadi beberapa sel dan didalam masing masing sel terdapat beberapa elemen yang terendam didalam elektrolit.
35
Gambar 2.24. Battery Accu Jumlah tenaga listrik yang disimpan dalam baterai dapat digunakan sebagai sumber tenaga listrik tergantung pada kapasitas baterai dalam satuan amper jam (AH). Jika pada kotak baterai tertulis 12 volt 60 AH, berarti baterai baterai tersebut mempunyai tegangan 12 volt dimana jika baterai tersebut digunakan selama 1 jam dengan arus pemakaian 60 ampere, maka kapasitas baterai tersebut setelah 1 jam akan kosong (habis). Kapasitas baterai tersebut juga dapat menjadi kosong setelah 2 jam jika arus pemakaian hanya 30 ampere. Disini terlihat bahwa lamanya pengosongan baterai ditentukan oleh besarnya pemakaian arus listrik dari baterai tersebut. Semakin besar arus yang digunakan, maka akan semakin cepat terjadi pengosongan baterai, dan sebaliknya, semakin kecil arus yang digunakan, maka akan semakin lama pula baterai mengalami pengosongan. Besarnya kapasitas baterai sangat ditentukan oleh luas permukaan plat atau banyaknya plat baterai. Jadi dengan bertambahnya luas plat atau dengan bertambahnya jumlah plat baterai maka kapasitas baterai juga akan bertambah.
36
Sedangkan tegangan accu ditentukan oleh jumlah daripada sel baterai, dimana satu sel baterai biasanya dapat menghasilkan tegangan kira kira 2 sampai 2,1 volt. Tegangan listrik yang terbentuk sama dengan jumlah tegangan listrik tiap-tiap sel. Jika baterai mempunyai enam sel, maka tegangan baterai standar tersebut adalah 12 volt sampai 12,6 volt. Biasanya setiap sel baterai ditandai dengan adanya satu lubang pada kotak accu bagian atas untuk mengisi elektrolit aki.
