Komponen switching

     Sebelum memahami lebih dalam mengenai Elektronika Daya, mari kita pahami terlebih dahulu tentang komponen-komponen yang nantinya akan dipakai pada rangkaian-rangkaian Elektronika Daya. Komponen-komponen yang digunakan pada umumnya adalah komponen semikonduktor yang dapat dioperasikan sebagai pensakelar, pengubah, dan pengatur sinyal arus/tegangan. Seperti karakteristik sekelar pada umumnya, karakteristik semikonduktor daya yang dioperasikan sebagai sakelar 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 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 sekaligus proses pengubahan atau proses pengaturan. Karena keistimewaan inilah semikonduktor daya banyak  digunakan dalam pengaturan daya listrik.

     Ada banyak komponen-komponen yang digunakan pada rangkaian-rangkaian Elektronika Daya dengan masing-masing karakteristiknya. Berikut adalah nama komponen-komponennya :

1. Dioda
Dioda merupakan  semikonduktor (komponen)  elektronika daya yang memilki dua terminal, yaitu: anoda dan katoda. Dalam rangkaian elektronika daya, dioda difungsikan sebagai sakelar.  Gambar 1.1  (a), (b), dan (c) masing-masing ditunjukkan simbol dioda, karakteristik diode, karakteristik ideal dioda jika dioperasikan sebagai sakelar.  Sebagai sakelar, sebagaimana Gambar 1 (c), dioda akan konduksi (ON) jika potensial pada anode lebih positif daripada potensial pada katoda, dan dioda akan memblok (OFF) jika potensial pada anoda lebih negatif daripada potensial pada katoda. 
 

  

Jika diode dalam kondisi ideal, ketika dioda dalam kondisi ON memiliki karakteristik tegangan pada dioda sama dengan nol dan arus yang mengalir  pada diode  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. 

2. 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. Gambar 1.2 (a), (b), dan (c) masing-masing ditunjukkan simbol SCR, karakteristik SCR, karakteristik ideal SCR jika dioperasikan sebagai sakelar. 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 gatediputus. 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.

3. Gate Turn-off  (GTO) Thyristor 
GTO merupakan komponen elektronika daya yang memiliki tiga terminal, yaitu: anoda, katoda, dan gerbang  (gate).  Semikonduktor daya  ini  termasuk dalam keluarga thyristor.  Dalam rangkaianelektronika daya, GTO dioperasikan sebagai sakelar. Gambar  1.3  (a), (b), dan (c) masing-masing ditunjukkan simbol GTO, karakteristik GTO, karakteristik ideal GTO jika dioperasikan sebagai sakelar. Seperti SCR, GTO  akan konduksi (ON) jika potensial pada anoda lebih positif daripada potensial pada katoda dan pada terminal gerbang dialirkan pulsa arus positif dan akan terus ON.  GTO akan OFF jika terminal gerbang dan katoda diberi tegangan yang lebih negatif atau dialiri pulsa arus negatif. 

4. Transistor
Transistor merupakan komponen elektronika daya yang memiliki tiga terminal, yaitu: basis, emitor, dan kolektor. Dalam  rangkaian elektronika daya, transistor umumnya dioperasikan sebagai sakelar dengan konfigurasi emitor-bersama. Transistor bekerja atas dasar prinsip  kendali-arus  (current driven).  Gambar 1.4 (a), (b), dan (c) masing-masing ditunjukkan simbol transistor, karakteristik transistor, dan karakteristik ideal transistor sebagai sakelar.  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. 

5. MOSFET

MOSFET merupakan komponen semikonduktor daya yang memiliki tiga terminal, yaitu: gerbang, sumber  (source), dan pengalir  (drain). MOSFET bekerja atas dasar prinsip kendali-tegangan  (voltage-driven). Gambar  1.5  (a), (b), dan (c) masing-masing ditunjukkan simbol MOSFET, karakteristik MOSFET, dan karakteristik ideal MOSFET sebagai sakelar. 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.

 

Jika  MOSFET  dalam kondisi ideal, ketika  MOSFET  dalam kondisi ON memiliki karakteristik tegangan pada terminal pengalir dan sumber (VDS)  sama dengan nol dan arus yang mengalir sama dengan arusbebannya. Sebaliknya, ketika  MOSFET  dalam kondisi OFF memiliki karakteristik tegangan pada  MOSFET  sama dengan tegangan sumbernya (VDD)   dan arus yang mengalir sama dengan nol. Dalam kondisi MOSFET ON dan OFF ini dapat dinyatakan tidak terjadi kerugian daya pada MOSFET sebagai sakelar. 

6. Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)

IGBT merupakan komponen elektronika daya yang memiliki karakteristik gabungan antara MOSFET, transistor, dan GTO.  Seperti MOSFET, IGBT memiliki impedansi gerbang yang tinggi sehingga hanya memerlukan arus yang kecil untuk mengaktifkannya. Serupa dengan transistor, IGBT memiliki tegangan kondisi-ON yang kecil meskipun komponen ini mempunyai rating tegangan yang besar dan mampu memblok tegangan negatif seperti halnya GTO.  Gambar  1.6 (a), (b), dan (c) masing-masing ditunjukkan simbol  IGBT, karakteristik  IGBT, dan karakteristik ideal  IGBT  sebagai sakelar. Seperti halnya semikonduktor daya di muka,  IGBT  dalam kondisi ON dan OFF tidak terjadi kerugian daya pada IGBT sebagai sakelar.

Referensi sumber :

http://staff.uny.ac.id/sites/default/files/Materi%20Elektronika%20Daya%20(Komponen%20Elektronika%20Daya%202).pdf