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, 0DV . Arus dioda DI akan bernilai sangat kecil bila

tegangan dioda DV kurang dari nilai tegangan buka dioda TDV (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 TDD VV .

b. Daerah bias balik (reverse bias)

Pada daerah bias balik, 0DV .

c. Daerah dadal

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.

barr ttt (2.1)

11

Dengan: rrt adalah reverse recovery time,

at adalah waktu yang dibutuhkan untuk mencapai titik terendah

setelah grafik melewati sumbu nol, dan

bt adalah waktu yang dibutuhkan dari titik terendah untuk mencapai

RRI25.0 .

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 emiter-

basis (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 ccV ). 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.

B

C

FEI

Ih (2.2)

Dengan: FEh adalah bati transistor,

CI adalah arus kolektor, dan

15

BI 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 / BOV ). 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 ( 1MT ), dan pin Main Terminal 2 ( 2MT ). 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 2MT lebih positif daripada pin 1MT , maka TRIAC dapat diaktifkan dengan

memberikan arus positif pada pin gerbang. Sebaliknya apabila pin 1MT lebih positif

daripada pin 2MT , 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 1MT . Sebaliknya, TRIAC beroperasi pada kuadran III

apabila tegangan dan arus pada pin gerbang negatif terhadap pin 1MT . 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 ( TGS VV ), daerah linier

atau triode ( TGSDS VVV ), dan daerah saturasi atau pinch-off ( TGSDS VVV ).

Pada daerah cut-off, MOSFET tidak dalam keadaan on, karena tegangan gerbang-

sumber 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 penguras-

sumber 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 ( TGE VV ), aktif ( TGECE VVV ), dan saturasi ( TGECE VVV ).

Gambar 2.24 memperlihatkan grafik karakteristik VCE – IC IGBT dan daerah

kerjanya.

27

Gambar 2.24. Karakteristik VCE – IC IGBT dengan VGE sebagai Parameter.