Elektronika Daya

Elektronika Daya (Power Electronics) didefinisikan sebagai sebuah aplikasi elektronika yang menitikberatkan pada pengaturan peralatan listrik yang berdaya besar dengan cara melakukan  pengubahan parameter-parameter  listrik (arus, tegangan, daya listrik). Aplikasi elektronika disini dimaksudkan rangkaian yang menggunakan peralatan elektronika terutama semikonduktor yang difungsikan sebagai saklar (switching) untuk melakukan pengaturan dengan cara melakukan pengubahan tipe sumber dari AC  – AC, AC  – DC, DC  – DC dan DC  – AC. Peralatan semikonduktor yang digunakan adalah solid-state electronics  untuk melakukan pengaturan yang lebih efesien pada sistem yang mempunyai daya dan energy yang besar. Aplikasi elektronika daya memiliki karakteristik sebagai berikut:

1. Aplikasi teknik kontrol untuk mendapatkan

2. Elektronika daya merupakan gabungan dari berbagai disiplin ilmu yaitu Teknik Tenaga Listrik, Elektronika dan teknologi sistem kontrol.

3. Elektronika daya menggunakan komponen elektronika daya (solid-state) untuk mengontrol dan mengkonversi tenaga listrik

4. Rangkaian elektronika daya terdiri dari input dan beban (load).

5. Rangkaian elektronika daya dapat terdiri dari satu atau lebih converter untuk melakukan perubahan parameter listrik.

Thyristor

Thyristor merupakan salah satu devais semikonduktor daya yang paling penting dan telah digunakan secara ekstensif pada rangkaian elektronika daya.Thyristor biasanya digunakan sebagai saklar/bistabil,beroperasi antara keadaan non konduksi ke konduksi.Pada banyak aplikasi,thyristor dapt diasumsikan sebagai saklar ideal akan tetapi dalam prakteknya thyristor memiliki batasan dan karakteristik tertentu.

Macam-macam Thyristor

Terdiri dari beberapa macam diantaranya :

• SCR (Silicon Controlled Rectifier)
• DIAC
• TRIAC (Triode AC Switch)
• PUT (Programmable Uni-junction Transistor)
• UJT (Uni-Junction Transistor )
• GTO (Gate Turn Off Thyristor)
• DB-GTO (Distributed Buffer – Ggate Turn-off Thyristor)
• LASCR (Light Activated Silicon Controlled Rectifier)
• RCT (Reverse Conduction Thyristor)
• SITH (Static Induction Thyristor)
• MOS-Controlled Thyristor (MCT)
• IGCT (Integrated Gate Commutated Thyristor)
• MOS Composite Static Induction Thyristor/CSMT
• MCT (MOS Controlled Thyristor)

Cara Kerja:

Simulasi Cara Kerja

Terdiri dari sebuah resistor R on, sebuah induktor Lon, sebuah sumber tegangan DC V yang terhubung seri dengan Switch (SW). SW dikontrol oleh signal Logic yang yang bergantung pada tegangan Vak, arus Iak  dan signal Gate (G).

atau,

Thyristor, jika dalam transistor

Dapat dilihat,

1. Kolektor transistor Q1 tersambung pada base transistor Q2 dan sebaliknya kolektor transistor Q2 tersambung pada base transistor Q1.
2. Rangkaian transistor yang demikian menunjukkan adanya loop penguatan arus di bagian tengah. Dimana diketahui bahwa Ic = BIb, yaitu arus kolektor adalah penguatan dari arus base.
3. Jika misalnya ada arus sebesar Ib yang mengalir pada base transistor Q2, maka akan ada arus Ic yang mengalir pada kolektor Q2. Arus kolektor ini merupakan arus base Ibpada transistor Q1, sehingga akan muncul penguatan pada pada arus kolektor transistor Q1.
4. Arus kolektor transistor Q1 tidak lain adalah arus base bagi transistor Q2.
5. Demikian seterusnya sehingga makin lama sambungan PN dari thyristor ini di bagian tengah akan mengecil dan hilang. Tertinggal hanyalah lapisan P dan N di bagian luar.
6. Thyristor menjadi ON saat diberi arus trigger lapisan P yang dekat dengan katoda.  Karena letaknya yang dekat dengan katoda, pin gate ini bisa juga disebut pin gatekatoda (cathode gate).

alu, bagaimanakah Thyristor dapat ON atau OFF ?

Karakteristik Thyristor

I. Thyristor sama seperti diode, dimana pada keadaan ini tidak ada arus yang mengalir sampai dicapainya batas tegangan tembus (Vr) atau Vbr.

II. Arus tetap tidak akan mengalir sampai dicapainya batas tegangan penyalaan (Vbo). Apabila tegangan mencapai tegangan penyalaan, maka tiba – tiba tegangan akan jatuh menjadi kecil dan ada arus mengalir.Maka Thyristor menjadi ON.

III. Pada saat ini thyristor mulai konduksi. Arus yang terjadi pada saat thyristor konduksi, dapat disebut sebagai arus genggam (IH = Holding Current) yang mempertahankan Thyristor tetap ON, jika arus forward dari anoda menuju katoda harus berada di atas parameter ini. Arus IH ini cukup kecil yaitu dalam orde miliampere. Pada kenyataannya, sekali SCR mencapai keadaan ON maka selamanya akan ON, walaupun tegangan gatedilepas atau di short ke katoda.

Untuk membuat thyristor kembali OFF, dapat dilakukan dengan menurunkan arus thyristor tersebut dibawah arus genggamnya (IH) dan selanjutnya diberikan tegangan penyalaan. Pada gambar kurva , jika arusforward berada di bawah titik I_h, maka Thyristor kembali pada keadaan OFF. Berapa besar arus holding ini? Umumnya ada di dalam datasheet.

Thyristor menjadi OFF dengan menurunkan tegangan anoda-katoda ke titik nol. Karena inilah Thyristor atau SCR pada umumnya tidak cocok digunakan untuk aplikasi DC. Komponen ini lebih banyak digunakan untuk aplikasi tegangan AC, karena SCR bisa OFF pada saat gelombang tegangan AC berada di titik nol.

Line Commutated dan Forced Commutated

Thyristor dapat mejadi OFF jika terdapat rangkaian eksternal (external crcuit) yang menyebabkan anoda menjadi bias negatif (negatively biased) dan dikenal dengan metode natural atau komutasi sendiri (line commutated).

Pada beberapa penggunaan pensaklaran (switching) thyristor kedua untuk pengosongan kapasitor di katoda pada thyristor pertama. Metode ini dikenal dengan komutasi paksa (forced commutated).

Perbedaan Thyristor dan TRIAC

Thyristor mempunyai 3 kaki yaitu Anoda (A), Katoda(K) dan Gate (G). Dalam kondisi normal Antara Anoda dan Katoda tidak menghantar seperti dioda biasa. Anoda dan Katoda akan terhubung setelah pada Gate diberi trigger minimal sebesar 0.6Volt lebih positif dari Katoda. Thyristor akan tetap menghantar walaupun trigger pada Gate telah dilepas. Thyristor akan kembali ke kondisi tidak menghantar setelah masukan tegangan pada Anoda dilepas.

TRIAC kepanjangan dari TRIode Alternating Current. TRIAC dapat digambarkan seperti Thyristor (SCR) yang disusun bolak-balik. TRIAC dapat melewatkan arus bolak-balik. Dalam pemakaiannya TRIAC digunakan sebagai saklar AC tegangan tinggi (diatas 100Volt). TRIAC bisa juga disebut SCR bi-directional. Untuk memberi trigger pada TRIAC dibutuhkan DIAC sebagai pengatur level tegangan yang masuk.

Triac

Sehingga perbedaan mendasarnya adalah

• Boleh dikatakan SCR adalah thyristor yang uni-directional (satu arah), karena ketika ON hanya bisa melewatkan arus satu arah saja, yaitu dari anoda menuju katoda.
• Struktur TRIAC sebenarnya sama dengan dua buah SCR yang arahnya bolak-balik dan kedua gate-nya disatukan.  TRIAC biasa juga disebut thyristor bi-directional (dua arah).

Kurva karakteristik

TRIAC bekerja mirip seperti SCR yang paralel bolak-balik, sehingga dapat melewatkan arus dua arah.

Converter

Konverter daya adalah mengkonversi energi listrik  dari satu bentuk ke bentuk lain, konversi Antara AC dan DC , atau hanya mengubah tegangan atau frekuensi , atau beberapa kombinasinya. Converter adalah sebuah Listrik atau perangkat elektromekanis untuk konversi energi listrik. Seperti transformator mengubah tegangan dari AC listrik. Istilah lain juga bisa merujuk seperti mesin Listrik yang digunakan mengkonversi salah satu frekuensi dari arus bolak-balik frekuensi menjadi lain.

Konversi daya seperti pada kebanyakan catu daya, converter, inverter, dc-dc power supply, regulator dsb, membutuhkan analisa yang rumit. Converter merubah tegangan atau arus input menjadi tegangan atau arus output yang berbeda, dc-dc converter merubah level tegangan input dc menjadi level tegangan output dc yang berbeda sedangkan inverter merubah besaran tegangan dc menjadi besaran tegangan ac. Dalam kenyataan di lapangan, pengaturan tegangan yang besar seperti pada power elektronika diterapkan dc-dc converter.

Konversi AC-DC, AC-AC, DC-DC, DC-AC

Konverter AC-DC (Penyearah)

Suatu rangkaian yang mengubah tegangan AC menjadi tegangan DC yang dapat dikendalikan/ diatur.

Fungsinya menyearahkan listrik arus bolak-balik menjadi listrik arus searah. Energi mengalir dari sistem listrik AC satu arah ke sistem DC.

Contoh: Listrik AC 220 V/50 Hz diturunkan melewati trafo menjadi 12VAC dan kemudian disearahkan oleh Diode menjadi tegangan DC 12V.

Konverter AC-AC (Cycloconverter/Matrix)

Suatu rangkaian yang dapat mengubah tegangan AC tetap menjadi tegangan AC yang dapat dikendalikan/ diatur.

Fungsinya mengubah energi listrik arus bolak balik dengan tegangan dan frekuensi tertentu menjadi arus bolak balik dengan tegangan dan frekuensi yang lain. Ada dua jenis konverter AC, yaitu:
• pengatur tegangan AC (tegangan berubah, frekuensi konstan)
• cycloconverter (tegangan dan frekuensi dapat diatur).

Contoh: tegangan AC 220 V dan frekuensi 50 Hz menjadi tegangan AC 110 V dan frekuensi yang baru 100 Hz.

Konverter DC-DC (Chopper)

Suatu rangkaian yang digunakan untuk mengubah sumber tegangan DC tetap menjadi sumber tegangan DC yang dapat dikendalikan/diatur.

Listrik arus searah diubah menjadi arus searah juga namun dengan besaran yang berbeda.

Contoh: Listrik DC 15V dengan komponen elektronika diubah menjadi listrik DC 5V.

Konverter DC-AC (Inverter)

Suatu rangkaian yang digunakan untuk mengubah sumber tegangan DC tetap menjadi sumber tegangan AC yang dapat dikendalikan/diatur.

Fungsinya mengubah listrik arus searah menjadi listrik arus bolak-balik pada tegangan dan frekuensi yang dapat diatur.

Contoh: Listrik DC 12 V dari akumulator dengan perangkat inverter diubah menjadi listrik tegangan AC 220V, frekuensi 50 Hz.

Bagaimanakah Rectifier untuk 1 Fasa, 3 Fasa, dan bagaimanakah untuk setengah gelombang, gelombang penuh?

Penyearah adalah rangkaian elektronika yang berfungsi menyearahkan gelombang arus listrik. Arus listrik yang semula berupa arus bolak-balik (AC) jika dilewatkan rangkaian Penyearah akan berubah menjadi arus searah (DC).

berikut adalah perhitungan gelombang keluaran dan perhitungannya:

Rectifier Setengah Gelombang 1 Fasa

perhitungan :

Gelombang Masukan dan Gelombang Keluaran :