T1_612005018_BAB II

7
BAB II
DASAR TEORI
2.1. Dioda
Dioda merupakan piranti dua terminal yang berfungsi untuk menghantarkan /
menahan arus. Dioda mempunyai simbol seperti yang dapat dilihat pada Gambar 2.1.
Gambar 2.1. Simbol Dioda.
Dioda memiliki tiga daerah kerja:
a. Daerah bias maju (forward bias)
Pada daerah bias maju, V D
0 . Arus dioda I D akan bernilai sangat kecil bila
tegangan dioda V D kurang dari nilai tegangan buka dioda VTD (tegangan buka
adalah tegangan minimal yang dibutuhkan oleh dioda agar dapat mulai
menghantar, dalam penghitungan biasanya digunakan nilai 0.7V). Dioda akan
sepenuhnya menghantar jika VD
b. Daerah bias balik (reverse bias)
Pada daerah bias balik, V D
c. Daerah dadal
0.
VTD .
8
Pada daerah dadal, tegangan balik bernilai sangat tinggi. Besar tegangan balik
melebihi nilai tegangan yang disebut breakdown voltage (VBR). Arus balik
meningkat dengan cepat untuk tiap perubahan kecil pada tegangan balik.
Dioda ideal seharusnya langsung menghantar pada saat diberi bias maju
(tegangan jatuh sama dengan nol) dan tidak melewatkan arus sama sekali saat diberi
bias balik. Gambar grafik karakteristik V – I dioda ideal diberikan pada Gambar 2.2.
Gambar 2.2. Grafik Karakteristik V – I Dioda Ideal.
Namun pada kenyataannya, dioda tidak ideal. Dioda tidak dapat langsung menghantar
bila tegangan dioda tersebut tidak lebih besar daripada tegangan buka. Selain itu,
9
pada saat diberi bias balik, ada arus bocor walaupun sangat kecil yang mengalir
melewati dioda tersebut. Gambar grafik karakteristik V – I dioda tak ideal diberikan
pada Gambar 2.3.
Gambar 2.3. Grafik Karakteristik V – I Dioda Tak Ideal.
Selain tegangan buka, dioda juga memiliki karakteristik penting lain, yaitu
waktu pemulihan balik (reverse recovery time). Reverse recovery time adalah waktu
yang dibutuhkan oleh dioda untuk dapat off ketika tegangan yang melewatinya
10
berubah dari bias maju ke bias balik. Idealnya waktu pemulihan balik bernilai nol,
namun kenyataannya tidak demikian. Ada dua jenis reverse recovery time, yaitu soft
dan abrupt. Gambar grafik soft reverse recovery time dan abrupt reverse recovery
time diberikan pada Gambar 2.4 dan Gambar 2.5.
Gambar 2.4. Grafik Soft Reverse Recovery Time.
Gambar 2.5. Grafik Abrupt Reverse Recovery Time.
Berdasarkan Gambar 2.4 dan 2.5, besarnya reverse recovery time dapat dihitung
dengan menggunakan Persamaan 2.1.
t rr
ta
tb
(2.1)
11
Dengan:
t rr adalah reverse recovery time,
t a adalah waktu yang dibutuhkan untuk mencapai titik terendah
setelah
grafik melewati sumbu nol, dan
t b adalah waktu yang dibutuhkan dari titik terendah untuk mencapai
0.25 I RR .
2.2. Transistor
Transistor sambungan dua kutub (Bipolar Junction Transistor / BJT)
merupakan suatu piranti yang terdiri dari tiga daerah semikonduktor, yaitu daerah
emiter, daerah basis, dan daerah kolektor. Ada dua jenis transistor, yaitu transistor
npn dan transistor pnp. Transistor npn memiliki daerah emiter jenis n, daerah basis
jenis p, dan daerah kolektor jenis n. Sedangkan transistor pnp memiliki daerah emiter
jenis p, daerah basis jenis n, dan daerah kolektor jenis p. Struktur transistor npn dan
pnp dapat dilihat pada Gambar 2.6 dan Gambar 2.7.
12
Gambar 2.6. Struktur Transistor npn.
Gambar 2.7. Struktur Transistor pnp.
Simbol transistor npn dan pnp dapat dilihat pada Gambar 2.8 dan Gambar 2.9
berikut.
13
Gambar 2.8. Simbol Transistor npn.
Gambar 2.9. Simbol Transistor pnp.
Transistor memiliki dua buah persambungan (junction), yaitu persambungan emiterbasis (EBJ) dan persambungan kolektor-basis (CBJ). Dengan mengatur kondisi bias
maju atau bias balik pada kedua persambungan tersebut akan diperoleh berbagai
mode pengoperasian transistor. Transistor memiliki tiga mode operasi, yaitu mode
pancung (cut-off), aktif (active), dan jenuh (saturation). Pada mode pancung, kedua
persambungan diberi bias balik. Pada mode aktif, EBJ diberi bias maju dan CBJ
14
diberi bias balik. Pada mode jenuh, kedua persambungan diberi bias maju. Yang
dimaksud dengan bias maju adalah kondisi yang mana arus mengalir dari daerah tipe
p menuju ke daerah tipe n. Sebaliknya untuk bias balik adalah kondisi yang mana
arus mengalir dari daerah tipe n menuju ke daerah tipe p. Ketiga mode operasi dan
bias persambungannya dapat dilihat pada Tabel 2.1.
Tabel 2.1. Tiga Mode Operasi Transistor dan Bias Persambungannya.
Mode
EBJ
CBJ
Pancung
Balik
Balik
Aktif
Maju
Balik
Jenuh
Maju
Maju
Pada mode operasi pancung, arus basis tidak cukup besar untuk mengalirkan arus
kolektor, sehingga tegangan kolektor-emiter sangat besar (mendekati Vcc ). Pada
mode operasi aktif, perubahan yang terjadi pada arus basis akan semakin
memperbesar arus yang mengalir melewati kolektor dan akan memperkecil tegangan
kolektor-emiter. Pada mode operasi aktif, transistor dapat digunakan sebagai penguat
(amplifier). Persamaan 2.2 digunakan untuk menghitung bati (gain) transistor.
hFE
Dengan:
IC
IB
(2.2)
hFE adalah bati transistor,
I C adalah arus kolektor, dan
15
I B adalah arus basis.
Pada mode operasi jenuh, arus yang melewati kolektor sudah maksimal, sehingga
dengan memperbesar arus basis tidak akan berpengaruh banyak terhadap arus
kolektor. Pada saat transistor berada pada mode jenuh, nilai tegangan kolektor-emiter
sangat kecil. Mode operasi pancung dan jenuh biasanya digunakan dalam pensaklaran
(switching). Gambar 2.10 memperlihatkan grafik karakteristik IC - IB transistor
beserta tiga mode operasi transistor.
Gambar 2.10. Karakteristik IC - IB Transistor dengan VCE sebagai Parameter.
16
2.3. SCR
SCR adalah singkatan dari Silicon Controlled Rectifier (Penyearah Terkendali
Silikon). SCR memiliki tiga buah pin, yaitu pin gerbang, pin anoda, dan pin katoda.
SCR hampir sama dengan dioda. Bedanya dari dioda, SCR memiliki pin gerbang
yang digunakan untuk memicu SCR agar dapat on.
SCR merupakan piranti semikonduktor struktur pnpn dengan tiga buah
persambungan pn. SCR hanya dapat menghantarkan arus satu arah, yaitu arus dari pin
anoda ke pin katoda. Gambar 2.11 dan Gambar 2.12 menunjukkan simbol dan
struktur pnpn SCR.
Gambar 2.11. Simbol SCR.
17
Gambar 2.12. Struktur pnpn SCR.
SCR dapat dibuat dari sebuah transistor pnp dan sebuah transistor npn seperti yang
dapat dilihat pada Gambar 2.13 berikut.
18
Gambar 2.13. SCR dari Dua Buah Transistor.
SCR dapat diaktifkan dengan cara memberikan arus positif pada pin
gerbangnya dan tegangan pada pin anoda harus lebih positif daripada tegangan pada
pin katoda. Tanpa memberi tegangan positif pada pin gerbangnya, SCR juga tetap
dapat diaktifkan dengan cara memberi tegangan anoda-katoda yang sangat besar
melebihi tegangan dadalnya (Breakover Voltage / V BO ). Namun cara pengaktifan
seperti itu dapat merusak SCR.
Sekali SCR menghantar, SCR akan terus menghantar seperti dioda. Tetapi
jika arus anoda dikecilkan hingga di bawah nilai yang disebut arus holding (holding
current), SCR akan off. Jadi, arus holding adalah arus SCR minimum yang
diperlukan untuk menjaga agar SCR tetap dalam keadaan on tanpa adanya tegangan
19
gerbang. Selain arus holding, ada juga arus latching (latching current). Arus latching
adalah arus SCR minimum yang diperlukan agar SCR tetap dalam keadaan on saat
gerbang dipicu sesaat (dinyalakan lalu langsung dimatikan). Arus latching lebih besar
daripada arus holding. Grafik karakteristik V – I SCR dapat dilihat pada Gambar 2.14.
Gambar 2.14. Grafik Karakteristik V – I SCR.
20
2.4. TRIAC
TRIAC merupakan singkatan dari Triode for Alternating Current (trioda
untuk arus bolak-balik). TRIAC memiliki fungsi dan karakteristik yang hampir sama
dengan SCR, hanya bedanya TRIAC dapat menghantar dua arah. Karena dapat
menghantar dua arah, maka TRIAC tidak mengenal anoda dan katoda, melainkan
Main Terminal (MT). TRIAC memiliki tiga pin yaitu pin gerbang, pin Main Terminal
1 ( MT1 ), dan pin Main Terminal 2 ( MT2 ). Simbol TRIAC diberikan pada Gambar
2.15.
Gambar 2.15. Simbol TRIAC.
Sama seperti SCR, TRIAC dapat diaktifkan dengan cara memberikan arus
pada pin gerbangnya. Namun karena TRIAC dapat menghantar dua arah, maka pin
gerbang dapat diberi arus positif atau arus negatif sesuai dengan kebutuhan. Apabila
pin MT2 lebih positif daripada pin MT1 , maka TRIAC dapat diaktifkan dengan
memberikan arus positif pada pin gerbang. Sebaliknya apabila pin MT1 lebih positif
daripada pin MT2 , maka TRIAC dapat diaktifkan dengan memberikan arus negatif
21
pada pin gerbangnya. TRIAC beroperasi pada dua buah kuadran, yaitu kuadran I dan
kuadran III. TRIAC beroperasi pada kuadran I apabila tegangan dan arus pada pin
gerbang positif terhadap pin MT1 . Sebaliknya, TRIAC beroperasi pada kuadran III
apabila tegangan dan arus pada pin gerbang negatif terhadap pin MT1 . Grafik
karakteristik V – I TRIAC diberikan pada Gambar 2.16.
Gambar 2.16. Grafik Karakteristik V – I TRIAC.
22
Sebuah TRIAC dapat dibuat dari dua buah SCR seperti yang dapat dilihat
pada Gambar 2.17 berikut.
Gambar 2.17. Rangkaian Ekivalen TRIAC.
2.5. MOSFET
MOSFET adalah singkatan dari Metal Oxyde Semiconductor Field Effect
Transistor. MOSFET memiliki tiga pin, yaitu pin gerbang (gate), pin penguras
(drain), dan pin sumber (source). MOSFET adalah piranti terkendali tegangan. Arus
masukan yang sangat kecil, dalam orde nanoampere. Ada dua jenis MOSFET, yaitu
depletion dan enhancement. Yang digunakan dalam tugas akhir ini adalah MOSFET
jenis enhancement. MOSFET enhancement dibagi menjadi dua lagi, yaitu tipe n dan
tipe p. Simbol MOSFET enhancement tipe n dan tipe p dapat dilihat pada Gambar
2.18 dan Gambar 2.19.
23
Gambar 2.18. Simbol MOSFET Enhancement Tipe n.
Gambar 2.19. Simbol MOSFET Enhancement Tipe p.
Ada tiga daerah kerja MOSFET, yaitu daerah cut-off ( VGS
atau triode ( VDS
VGS
VT ), daerah linier
VT ), dan daerah saturasi atau pinch-off ( VDS
VGS
VT ).
Pada daerah cut-off, MOSFET tidak dalam keadaan on, karena tegangan gerbangsumber tidak cukup besar sehingga arus tidak dapat mengalir dari pin penguras
menuju ke sumber. Pada daerah linier, besarnya arus penguras berubah sesuai dengan
besar tegangan penguras-sumber. Karena tingginya arus penguras dan rendahnya
24
tegangan penguras-sumber, maka MOSFET yang beroperasi pada daerah linier
digunakan sebagai saklar. Pada daerah saturasi, apabila nilai tegangan pengurassumber diperbesar, arus penguras relatif tetap. Pada daerah pinch-off, MOSFET
digunakan sebagai penguat tegangan. Gambar 2.20 memperlihatkan gambar grafik
karakteristik VDS – ID MOSFET dan tiga daerah operasinya.
Gambar 2.20. Karakteristik VDS – ID MOSFET dengan VGS sebagai Parameter.
25
2.6. IGBT
IGBT adalah singkatan dari Insulated Gate Bipolar Transistor. IGBT
memiliki tiga pin, yaitu pin gerbang, pin kolektor, dan pin emiter. Ada dua tipe
IGBT, yaitu tipe n dan tipe p. Simbol IGBT tipe n dan tipe p dapat dilihat pada
Gambar 2.21 dan Gambar 2.22.
Gambar 2.21. Simbol IGBT Tipe n.
Gambar 2.22. Simbol IGBT Tipe p.
26
IGBT menggabungkan kelebihan yang dimiliki oleh MOSFET dan BJT.
IGBT memiliki hambatan masukan yang sangat besar seperti MOSFET dan memiliki
rerugi yang rendah saat keadaan on seperti BJT. Oleh karena itu, sebuah IGBT dapat
dibuat dari sebuah MOSFET dan sebuah transistor BJT seperti yang dapat dilihat
pada Gambar 2.23.
Gambar 2.23. Rangkaian Ekivalen IGBT Tipe n.
Karena IGBT adalah keluarga transistor, maka IGBT juga memiliki tiga daerah kerja,
yaitu cut-off ( VGE
VT ), aktif ( VCE
VGE
VT ), dan saturasi ( VCE
VGE
VT ).
Gambar 2.24 memperlihatkan grafik karakteristik VCE – IC IGBT dan daerah
kerjanya.
27
Gambar 2.24. Karakteristik VCE – IC IGBT dengan VGE sebagai Parameter.