Chopper Pengubah DC to DC Tipe Peralihan

Chopper DC to DC Tipe Peralihan 

1. Pengertian
      Untuk lebih memahami keuntungan dari tipe peralihan, kita lihat kembali prinsip pengubahan daya DC-DC tipe linier seperti terlihat pada Gambar 1. 

Gambar 1. Pengubah tipe linier  

       Pada tipe linier, pengaturan tegangan keluaran dicapai dengan menyesuaikan arus pada beban yang besarannya tergantung dari besar arus pada base-nya transistor:

        V0 = IL . RL

     Dengan demikian pada tipe linier, fungsi transistor menyerupai tahanan yang dapat diubah ubah besarannya seperti yang juga terlihat dalam Gambar 1. Lebih jauh lagi, transistor yang digunakan hanya dapat dioperasikan pada batasan liniernya (linear region) dan tidak melebihi batasan cutoff dan selebihnya (saturation region). Maka dari itu tipe ini dikenal dengan tipe linier. Walau tipe linier merupakan cara termudah untuk mencapai tegangan keluaran yang bervariasi, namun kurang diminati pada aplikasi daya karena tingginya daya yang hilang (power loss) pada transistor (VCE*IL) sehingga berakibat rendahnya efisiensi. Sebagai alternatif, maka muncul tipe peralihan yang pada prinsipnya dapat dilihat pada Gambar 2. 

Gambar 2. Pengubah tipe peralihan

        Pada tipe peralihan, terlihat fungsi transistor sebagai electronic switch yang            dapat dibuka (off) dan ditutup (on). Dengan asumsi bahwa switch tersebut             ideal, jika switch ditutup maka tegangan keluaran akan sama dengan tegangan       masukan, sedangkan jika switch dibuka maka tegangan keluaran akan menjadi       nol. Dengan demikian tegangan keluaran yang dihasilkan akan berbentuk pulsa       seperti pada Gambar 3

Gambar 3. Tegangan keluaran

         Parameter f adalah frekuensi peralihan (switching frequency) yang digunakan dalam mengoperasikan switch. Berbeda dengan tipe linier, pada tipe peralihan tidak ada daya yang diserap pada transistor sebagai switch. Ini dimungkinkan karena pada waktu switch ditutup tidak ada tegangan yang jatuh pada transistor, sedangkan pada waktu switch dibuka, tidak ada arus listrik mengalir. Ini berarti semua daya terserap pada beban, sehingga efisiensi daya menjadi 100%. Namun perlu diingat pada prakteknya, tidak ada switch yang ideal, sehingga akan tetap ada daya yang hilang sekecil apapun pada komponen switch dan efisiensinya walaupun sangat tinggi, tidak akan pernah mencapai 100%.

2. Pengubah BUCK

Gambar 4. Pengubah Buck 

        Gambar 4 menunjukkan rangkaian dasar dalam metoda Buck. Dalam metoda ini, tegangan keluaran akan lebih rendah atau sama dengan tegangan masukan. Disamping itu, jika pada pengoperasiannya arus yang mengalir melalui induktor selalu lebih besar dari nol (CCM - Continuous Conduction Mode), maka hubungan antara tegangan keluaran dengan tegangan masukan adalah sebagai berikut:

      V0 = D . Vin (4).

        Keuntungan pada konfigurasi Buck antara lain adalah efisiensi yang tinggi, rangkaiannya sederhana, tidak memerlukan transformer, tingkatan stress pada komponen switch yang rendah, riak (ripple) pada tegangan keluaran juga rendah sehingga penyaring atau filter yang dibutuhkan pun relatif kecil. Kekurangan yang ditemukan misalnya adalah tidak adanya isolasi antara masukan dan keluaran, hanya satu keluaran yang dihasilkan, dan tingkat ripple yang tinggi pada arus masukan. Metoda Buck sering digunakan pada aplikasi yang membutuhkan sistim yang berukuran kecil.

3. Pengubah Boost

          Jika tegangan keluaran yang dinginkan lebih besar dari tegangan masukan, maka rangkaian Boost dapat dipakai. Topologi Boost terlihat pada Gambar 5. Pada operasi CCM, tegangan keluaran dan tegangan masukan diekspresikan seperti: 

Gambar 5. Pengubah boost 

         Boost juga memiliki efisiensi tinggi, rangkaian sederhana, tanpa transformer dan tingkat ripple yang rendah pada arus masukan. Namun juga Boost tidak memiliki isolasi antara masukan dan keluaran, hanya satu keluaran yang dihasilkan, dan tingkatan ripple yang tinggi pada tegangan keluaran. Aplikasi Boost mencakup misalnya untuk perbaikan faktor daya (Power Factor), dan untuk penaikan tegangan pada baterai.

4. Pengubah BUCK-Boost

       Metoda Buck-Boost tidak lain adalah kombinasi antara Buck dan Boost, seperti terlihat pada Gambar 6, dimana tegangan keluaran dapat diatur menjadi lebih tinggi atau lebih rendah dari tegangan masukan. Dalam operasi CCM, persamaan tegangan yang dipakai adalah:

Gambar 6. Pengubah Buck-Boost 

Read more

Keluarga Thyristor

1. SCR (silicon controlled rectifier)

SCR merupakan saklar elektronik yang bisa mengendalikan arus AC atau DC. Bahwa untuk membuat thyristor menjadi ON adalah dengan memberi arus trigger lapisan P yang dekat dengan katoda. Yaitu dengan membuat kaki gate pada thyristor PNPN seperti pada gambar-4a. Karena letaknya yang dekat dengan katoda, bisa juga pin gate ini disebut pin gate katoda (cathode gate). Berikut ini adalah struktur SCR dan simbol SCR. SCR dalam banyak literatur disebut Thyristor saja.

Gambar- 4: a) Struktur SCR

                 b) Simbol   SCR

1. Trigger SCR

Melalui pin gate tersebut memungkinkan komponen ini di trigger menjadi ON, yaitu dengan memberi arus gate (Ig). Ternyata dengan memberi Ig >> dapat menurunkan tegangan breakover (Vbo) sebuah SCR. Dimana tegangan ini adalah tegangan minimum yang diperlukan SCR untuk menjadi ON. Sampai pada suatu besar Ig tertentu, ternyata akan sangat mudah membuat SCR menjadi ON. Bahkan dengan tegangan forward yang kecil sekalipun. Misalnya 1 volt saja atau lebih kecil lagi. Kurva tegangan dan arus dari sebuah SCR adalah seperti yang ada pada gambar-5 yang berikut ini.

Gambar -  5 : 
karakteristik Thyristor

2. Karakteristik SCR

Tegangan breakover Vbo, yang jika tegangan forward SCR mencapai titik ini, maka SCR akan ON. Arus Ig yang menyebabkan tegangan Vbo turun menjadi lebih kecil. Pada gambar ditunjukkan beberapa arus Ig dan korelasinya terhadap tegangan breakover. Pada datasheet SCR, arus trigger gate ini sering ditulis dengan notasi IGT (gate trigger current). Arus holding (Ih) mempertahankan SCR tetap ON.  Jadi agar SCR tetap ON maka arus forward dari anoda menuju katoda harus berada di atas parameter ini.

3. Cara untuk membuat Reverse SCR

Cara untuk membuat SCR menjadi OFF adalah dengan membuat arus anoda-katoda (I_AK) turun dibawah arus Ih. Pada gambar-5 kurva I-V SCR, jika arus forward berada dibawah titik Ih, maka SCR kembali pada keadaan OFF. Berapa besar arus holding ini, umumnya ada di dalam datasheet SCR.  Cara lain membuat SCR menjadi OFF tersebut adalah dengan menurunkan tegangan anoda-katoda ke titik nol. Karena inilah SCR atau thyristor pada umumnya tidak cocok digunakan untuk aplikasi DC. Komponen ini lebih banyak digunakan untuk aplikasi-aplikasi tegangan AC, dimana SCR bisa OFF pada saat gelombang tegangan AC berada di titik nol.

4. Parameter Penting dalam SCR

Gambar -  6 : 
Rangkaian SCR

Parameter penting lain dari SCR, yaitu V_GT. Parameter ini adalah tegangan trigger pada gate yang menyebabkab SCR ON. Kalau dilihat dari model thyristor pada gambar-2, tegangan ini adalah tegangan Vbe pada transistor Q2. VGT seperti halnya Vbe, besarnya kira-kira 0.7 volt. Seperti contoh rangkaian gambar-6 berikut ini sebuah SCR diketahui memiliki IGT = 10 mA dan VGT = 0.7 volt. Maka dapat dihitung tegangan Vin yang diperlukan agar SCR ini ON adalah sebesar :

Vin = Vr + VGT

Vin = IGT(R) + VGT = 4.9 volt

2. TRIAC

Struktur TRIAC sebenarnya adalah sama dengan dua buah SCR yang arahnya bolak-balik dan kedua gate-nya disatukan. Simbol TRIAC ditunjukkan pada gambar-6. TRIAC biasa juga disebut thyristor bi-directional.

Gambar -  7 : 
Simbol TRIAC

1. Cara Kerja TRIAC

TRIAC bekerja mirip seperti SCR yang paralel bolak-balik, sehingga dapat melewatkan arus dua arah. Kurva karakteristik dari TRIAC adalah seperti pada gambar-7 berikut ini.

Gambar -  8  : 
Karakteristik TRIAC

Pada datasheet akan lebih detail diberikan besar parameter-parameter seperti  Vbo dan -Vbo, lalu IGT dan -IGT, Ih serta -Ih dan sebagainya. Umumnya besar parameter ini simetris antara yang plus dan yang minus. Dalam perhitungan desain, bisa dianggap parameter ini simetris sehingga lebih mudah di hitung

3.DIAC

Kalau dilihat strukturnya seperti gambar-8a, DIAC bukanlah termasuk keluarga thyristor, namun prisip kerjanya membuat ia digolongkan sebagai thyristor. DIAC dibuat dengan struktur PNP mirip seperti transistor. Lapisan N pada transistor dibuat sangat tipis sehingga elektron dengan mudah dapat menyeberang menembus lapisan ini. Sedangkan pada DIAC, lapisan N di buat cukup tebal sehingga elektron cukup sukar untuk menembusnya. Struktur DIAC yang demikian dapat juga dipandang sebagai dua buah dioda PN dan NP, sehingga dalam beberapa literatur DIAC digolongkan sebagai dioda.

Gambar -  9  : 
Struktur DIAC

1. Karakteristik DIAC :

Hanya dengan tegangan breakdown tertentu barulah DIAC dapat menghantarkan arus. Arus yang dihantarkan tentu saja bisa bolak-balik dari anoda menuju katoda dan sebaliknya. Kurva karakteristik DIAC sama seperti TRIAC, tetapi yang hanya perlu diketahui adalah berapa tegangan breakdown-nya. Simbol dari DIAC adalah seperti yang ditunjukkan pada gambar-8b. DIAC umumnya dipakai sebagai pemicu TRIAC agar ON pada tegangan input tertentu yang relatif tinggi. 

Read more