Contoh Soal Elektronika Daya

Artikel ini berisi tentang pertanyaan dan jawaban yang merupakan tugas mata kuliah Elektronika Daya. Semua jawaban dan gambar dibawah saya dapatkan bersumber dari buku Elektronika Daya “Power Electronics: Circuits, Devices, and Applications, 2^nd Ed. Edisi Bahasa Indonesia Jilid 1, Muhammad H. Rashid.”

• Apa yang dimaksud dengan elektronika daya?

Jawab:

Elektronika daya dapat didefinisikan sebagai penerapan elektronika solid-state untuk pengendalian dan konversi tenaga listrik. Elektronika daya berstandar terutama pada proses pensaklaran pada peralatan – peralatan semi kondunduktor. Dengan pengembangan tenologi semikonduktor daya, batas daya yang dapat ditangani dan kecepatan pensaklaran dari peralatan daya meningkat pesat.

• Sebutkan macam – macam thyristor dan jelaskan dengan gambar cara kerjanya!

Jawab:

Thyristor berasal dari bahasa Yunani yang berarti ‘pintu’. Sifat dan cara kerja komponen ini memang mirip dengan pintu yang dapat dibuka dan ditutup untuk melewatkan arus listrik. Thyristor merupakan salah satu tipe devais semikonduktor daya yang paling penting dan telah banyak digunakan secara ekstensif pada rangkaian daya. Thyristor biasanya digunakan sebagai saklar/bistabil, beroperasi antara keadaan non konduksi ke konduksi. Pada banyak aplikasi, thyristor dapat diasumsikan sebagai saklar ideal, akan tetapi dalam prakteknya thyristor memiliki batasan karakteristik tertentu.

Tergantung pada konstruksi fisiknya dan perilaku turn-on dan turn-off, thyristor dapat secara umum diklasifikasikan menjadi Sembilan kategori:

1.      Phase-control thyristor (SCR)

2.      Fast-switching thyristor (SCR)

3.      Gate-turn-off thyristor (GTO)

4.      Bidirectional triode thyristor (TRIAC)

5.      Reverse-conducting thyristor (RCT)

6.      Static Induction Thyristor (SITH)

7.      Light-activated silicon-controlled rectifier (LASCR)

8.      FET-controlled thyristor (FET-CTH)

9.      MOS-controlled thyristor (MCT)

Thyristor merupakan devais seikonduktor 4 lapisan berstruktur pnpn dengan tiga pn-junction. Devais ini memiliki tiga terminal : anode, katode dan gerbang.

 

Thyristor dibuat melalui proses difusi.

 

Ketika tegangan anode dibuat lebih positif dibandingkan dengan tegangan katode, sambungan J₁ dan J₃ berada pada kondisi forward bias. Sambungan J₂ berada pada kondisi reverse bias, dan akan mengalir arus bocor yang kecil antara anode dan katode. Pada kondisi ini thyristor dikatakan pada kondisi forward blocking dan kondisi off-state, dan arus bocor dikenal sebagai arus off-state I_D. Jika tegangan anode ke katode V_AK ditingkatkan hingga suatu tegangan tertentu, sambungan J₂ akan bocor. Hal ini dikenal dengan avalanche breakdown dan tegangan V_AK tersebut dikenal sebagai forward breakdown voltage, V_BO. Dan karena J₁ dan J₃ sudah berada pada kondisi forward-bias, maka akan terdapat lintasan pembawa muatan bebas melewati ketiga sambungan, yang akan menghasilkan arus anode yang besar. Thyristor pada kondisi ini disebut berada pada keadaan konduksi atau keadaan hidup. Tegangan jatuh yang terjadi dikarenakan oleh tegangan ohmic antara empat layer dan biasanya cukup kecil sekitar 1 V. Pada keadaan on, arus anode dibatasi oleh resistansi atau impedansi  luar, R_L.

 

Arus anode harus lebih besar dari suatu nilai yang disebut latching current I_L, agar diperoleh cukup ban, agar diperoleh cukup banyak aliran pembawa muatan bebas yang melewati sambungan – sambungan; jika tidak devais akan kembali ke kondisi blocking ketika tegangan anode ke katode berkurang. Latching current I_L adalah arus anode minimum yang diperlukan agar dapat membuat thyristor tetap hidup begitu suatu thyristor telah dihidupkan dan sinyal gerbang dihilangkan. Karakteristik v-I umum dari suatu thyristor diberikan pada gambar berikut.  

 

Ketika berada pada kondisi on, thyristor akan bertindak seperti diode yang tidak dapat dikontrol. Devais ini akan terus berada pada kondisi on karena tidak adanya lapisan deplesi pada sambungan J₂ karena pembawa – pembawa muatan yang bergerak bebas. Akan tetapi, jika arus maju anode berada di bawah suatu tingkatan yang disebut hoding current I_H daerah deplesi akan terbentuk di sekitar J₂ karena adanya pengurangan banyak pembawa muatan bebas dan thyristor akan berada pada keadaan blocking. Holding current terjadi pada orde milliamper dan lebih kecil dari latching current I_L, I_H > I_L. Holding current I_H adalah arus anode minimum untuk mempertahankan thyristor pada kondisi on.

• Persyaratan apa yang menyebabkan thyristor mengalirkan arus (turned on)?

Jawab:

Suatu thyristor dihidupkan dengan meningkatkan arus anode. Hal ini dapat dicapai dengan salah satu langkah berikut:

1.      Panas. Jika suhu thyristor cukup tinggi, akan terjadi peningkatan jumlah pasangan electron – hole, sehingga arus bocor semakin meningkat. Peningkatan ini akan menyebabkan α₁ dan α₂ meningkat. Karena aksi regenerative (α₁ + α₂) akan menuju ke nilai satuan dan thyristor mungkin akan on. Cara ini dapat menyebabkan thermal runaway dan biasanya dihindari.

2.      Cahaya. Jika cahaya diizinkan mengenai sambungan thyristor, pasangan electron – hole akan meningkat; dan thyristor mungkin akan on. Cara ini dilakukan dengan membiarkan cahaya mengenai silicon wafer dari thyristor.

3.      Tegangan tinggi. Jika tegangan forward anode ke katode lebih besar dari tegangan maju breakdown V_BO, arus bocor yang dihasilkan cukup untuk membuat thyristor on. Cara ini merusak dan harus dihindari.

4.      Dv/dt. Jika kecepatan peningkatan tegangan anode – katode cukup tinggi, arus pengisian kapasitor sambungan mungkin cukup untuk membuat thyristor on. Nilai arus pengisian yang tinggi dapat merusak thyristor; dan devais harus diproteksi melawan dv/dt yang tinggi. Manufaktur pembuat thyristor akan menentukan berapa besar dv/dt yang dapat ditangani oleh suatu thyristor.

5.      Arus gerbang. Jika suatu thyristor diberi tegangan bias forward, injeksi arus gerbang dengan menerapkan gerbang positif antara terminal gerbang dan katode akan dapat menbuat thyristor on. Ketika arus gerbang ditingkatkan, tegangan forward blocking akan menurun.

• Bagaimana thyristor dapat “turned off”?

Jawab:

Thyristor yang berada dalam keadaan on dapat dimatikan dengan mengurangi arus maju ke tingkat di bawah arus holding I_H. Ada beberapa variasi teknik untuk membuat thyristor off. Pada semua teknik komutasi, arus anode dipertahankan di bawah arus holding cukup lama, sehingga semua kelebihan pembawa muatan pada keempat layer dapat dikeluarkan.

Akibat dua sambungan pn, J₁ dan J₃, karakteristik turn – off akan mirip dengan pada diode, berkaitan dengan waktu pemulihan reverse t_rr dan arus pemulihan reverse puncak I_RR. I_RR dapat lebih besar daripada arus blocking baik nominal. Pada rangkaian converter line commutated yang tegangan masukannya bersifat bolak – balik, tegangan balik muncul pada thyristor seketika setelah arus maju menuju ke nol. Tegangan balik ini akan mengakselerasi proses turn – off dengan membuang semua kelebihan muatan dari sambungan pn J₁ dan J₃.

Sambungan pn dalam J₂ akan memerlukan waktu yang dikenal sebagai recombination time t_rr untuk merekombinasikan kelebihan pembawa muatan. Tegangan balik negative akan dapat mengurangi waktu rekombinasi ini. T_rr bergantung pada magnitude dari tegangan balik.

• Apa yang dimaksud dengan komutasi sendiri (line commutated)?

Jawab:

tegangan masukannya bersifat bolak – balik, tegangan balik muncul pada thyristor seketika setelah arus maju menuju ke nol.

 

• Apa yang dimaksud dengan komutasi paksa (forced commutated)?

Jawab:

 

• 1Apa perbedaan antara thyristor dan triac?

Jawab:

TRIAC dapat bersifat konduktif dalam dua arah dan biasanya digunakan untuk pengendalian fasa ac (contohnya: controller tegangan ac). Hal tersebut dapat dianggap sebagai dua buah SCR tersambung secara antiparalel. Karena TRIAC merupakan devais bidirectional, terminalnya tidak dapat ditentukan sebagai ande / katode. Sedangkan pada thyristor hanya satu arah.

2Apakah yang dimaksud dengan converter?

Jawab:

converter adalah suatu alat untuk mengkonversikan daya listrik dari satu bentuk ke bentuk daya listrik lainnya.

Converter terbagi menjadi 5 jenis:

1.      Konverter AC – DC (Rectifier)

2.      Konverter AC – AC (Cycloconverter)

3.      Converter DC – DC (DC Chopper)

4.      Konverter DC – AC (Inverter)

5.      Penyearah: rangkaian penyearah diode mengubah tegangan ac ke tegangan dc tetap. Tegangan masukan ke penyearah dapat bersifat satu fasa ataupun tiga fasa dan diperlihatkan pada gambar berikut

e.1 Penyearah setengah gelombang,  satu phasa