Dasar Elektronika Daya - bagian 1

Pada Sistem Tenaga Listrik terdapat penggunaan komponen elektronika yang umumnya dipakai dalam rangkaian pengaturan motor-motor listrik. Komponen-komponen elektronika yang dipergunakan pada sistem tenaga listrik pada prinsipnya harus mampu menghasilkan daya yang besar atau mampu menahan disipasi daya yang besar.

Elektronika daya meliputi switching, pengontrolan dan pengubah (konversi) blok-blok yang besar dari daya listrik dengan menggunakan sarana peralatan semikonduktor. Dengan demikian elektronika daya secara garis besar terbagi menjadi 2 (dua) bagian yaitu :

1. Rangkaian Daya
2. Rangkaian kontrol

Pada gambar berikut menunjukkan hubungan antara kedua rangkaian diatas yang terintegrasi menjadi satu, dimana keduanya banyak memanfaatkan peralatan semikonduktor.



Rangkaian daya terdiri dari komponen Dioda, Thyristor dan Transistor Daya. Sedangkan rangkaian kontrol terdiri atas Dioda, Transistor dan rangkaian terpadu (Integrated Circuit / IC).

Dengan menggunakan peralatan-peralatan yang serupa keandalan dan kompatibilitas dari perlengkapan (sistem) akan dapat diperbaiki. Elektronika daya merupakan bagian yang penting dalam industri-industri, yaitu dalam pengontrolan daya pada sistem, proses elektronika dan lain-lain.

I. DIODA

Dioda merupakan penyatuan dari lapisan P dan N sebagaimana gambar struktur dan simbol lapisan.



Syarat dioda dalam keadaan ON adalah Vak positip sedangkan untuk OFF adalah Vak negatif.



Karateristik tersebut menggambarkan hubungan antara arus dioda (IR dan IF) agar Vak dalam kondisi menahan arus (OFF) maupun dalam keadaan mengalir (ON). Dalam keadaan OFF, Vak = Vr = negatif, maka dioda menahan arus namun terdapat arus bocor Ir yang kecil.

Dalam keadaan ON, Vak = Vf = positif, dioda mengalirkan arus namun terdapat tegangan jatuh pada dioda = ∆ Vf, dan jika ∆ Vf ini makin besar untuk arus dioda yang makin tinggi, berarti rugi konduksi If * ∆ Vf naik. Terlihat pula pada karateristik dioda diatas bahwa bila Vr terlalu tinggi dioda akan rusak.

Karateristik Switching

Karateristik ini menggambarkan sifat kerja dioda dalam perpindahan keadaan ON ke OFF dan sebaliknya.



Dioda akan segera melalukan arus jika Vr telah mencapai lebih dari Vf minimum dioda kondusif dan pada saat OFF terjadi kelambatan dari dioda untuk kembali mempunyai kemampuan memblokir tegangan reverse. Dari gambar diatas tgerlihat adanya arus balik sesaat pada dioda, dimana arus balik ini terjadi pada saat peralihan keadaan dioda dari kondisi ON ke kondisi membloking tegangan reverse.

Dengan adanya sifat arus balik, maka diperoleh dua jenis penggolongan dioda yaitu :
1. Dioda Cepat, yaitu dioda dengan kemapuan segera mampu membloking
tegangan reverse yang cepat, orde 200 ns terhitung sejak arus forward dioda
sama dengan 0 (nol).

2. Dioda Lambat, yaitu untuk hal yang sama dioda memerlukan waktu lebih lama,
Q32 > Qs1.

Terminologi karateristik dioda

Trr : Reverse Recovery Time, waktu yang diperlukan dioda untuk bersifat membloking tegangan forward.
Tjr : Waktu yang diperlukan oleh Juction P-N untuk bersifat membloking.
Tbr : Waktu yang diperlukan daerah perbatasan Junction untuk membentuk zone bloking.
Qs : Jumlah muatan yang mengalir dalam arah reverse selama perpindahan status dioda ON ke OFF.

Dioda jenis lambat banyak digunakan pada rangkaian konverter dengan komutasi lambat/natural, seperti rangkaian penyearah. Sedangkan Dioda jenis Cepat dipergunakan pada konverter statis dengan komutasi sendiri seperti misalnya pada DC Chopper, konverter komutasi sendiri dll.

Kemampuan Tegangan

Dioda bersifat memblokir tegangan reverse, ternyata mampu menahan tegangan tersebut tergantung pada karateristik tegangan itu sendiri.



VRWM = Puncak tegangan kerja normal.
VRRM = Puncak tegangan lebih yang terjadi secara periodik.
VRSM = Puncak tegangan lebih tidak periodik.

Kemampuan Arus Dioda

Adanya tegangan jatuh konduksi ∆ Vf menyebabkan rugi daya pada dioda yang keluar dalam bentuk panas. Temperatur junction maksimum terletak antara 110°C - 125°C. Panas yang melebihi dari temperatur ini akan menyebabkan dioda rusak. Temperatur maksimum ini dapat dicapai oleh bermacam-macam pembebanan arus terhadap dioda.



If (AV) : Arus rata-rata maksimum yang diijinkan setiap harga arus rata-rata akan menghasilkan suatu harga temperatur akhir pada junction dioda. Batas If (AV) ini juga tergantung pada temperatur ruang dan jenis sistem pendinginan (Heat-sink).

If (RMS) : Harga effektif maksimum arus dioda. Harga rata-rata yang di bawah If (∆V) maksimum, belum menjamin keamanan operasi dioda terutama arus beban dioda dengan form factor yang tinggi. ( Rate Mean Square )

If (RM) : Harga puncak arus lebih periodik yang diijinkan.

If (SM) : Harga puncak arus lebih non periodik yang diijinkan

T : Batas integral pembebanan arus dimana dioda masih mampu mengalaminya.

Besaran ini berlaku untuk ½ cycles atau 1 ms dan merupakan pedoman dalam pemilihan pengaman arus.

Contoh data Fast Dioda Type MF 70
Maximum repetitive peak reverse voltage, Vdrm = 1200 Volt.
Mean forward current, If (AV) = 70 A
RMS forward current, Irms max = 110 A
Non repetitive forward current, If (ms) = 700 A
Forward V-Drop, Vfm=V, pada Ifm = 210 A
Peak reverse current, Irm = 5 mA
Reverse recovery time, trr = 200 ns
Stored, charger, Qrr = T µc (Qs)
Thermal resistance, Rth-jc = 0,37°C/w

Pada artikel lanjutan akan dibahas mengenai: SCR (Silicon Controlled Rectifier), TRIAC (Trioda Alternating Current Switch), DIAC (Bilateral Trigger Dioda) dan UJT (Uni-Juntion Transistor).

Semoga bermanfaat,

Terima kasih kepada Kontributor: Ir. A. Muid Fabanyo, MMT (Elektronika Daya-Elektro S1)