KONVERTER { kuliah ELKTRONIKA INDUSTRI }

Arus listrik terdiri atas dua macam, yaitu arus searah (direct current) dan arus bolak balik(alternating current). Kebutuhan sumber listrik yang dibutuhkan bisa jadi berbeda dengan sumber listrik yang tersedia, termasuk juga pengaturan karakteristik sumber listrik tersebut. Oleh karena itu dalam bab keenam ini membahas tentang konverter. Konverter berfungsi untuk mengubah sinyal listrik dari satu bentuk ke bentuk lain yang dibutuhkan. Terdapat empat macam konverter, yaitu:

1.      Chopper (konverter DC ke DC)

2.      Rectifier (konverter AC ke DC)

3.      Inverter (konverter DC ke AC)

4.      Cycloconverter (konverter AC ke AC)

Hasil konversi terdiri atas dua macam, yaitu fix output dan variable output.

CHOPPER

Chopper digunakan untuk mengatur atau mengubah tegangan searah menjadi tegangan searah dengan tegangan masukan yang tetap sedangkan tegangan keluarannya dapat di atur. Penggunaan:

1. pengendalian motor DC untuk peralatan pemindah yang cepat
2. kendaraan listrik
3. pengaturan eksitasi mesin-mesin listrik
4. pengendalian tegangan searah masukan untuk inverter

Ada dua macam cara pengolahan daya dari DC ke DC, yaitu tipe linier dan tipe peralihan (switching). Tergantung dari jenis aplikasinya, masing masing tipe memiliki kelebihan dan kekurangan. Namun dalam perkembangannya, tipe peralihan semakin populer terutama karena kelebihannya dalam mengubah daya secara jauh lebih efisien dan pemakaian komponen yang ukurannya lebih kecil. Dalam pembahasan ini, akan dibahas beberapa metodologi yang termasuk dalam tipe peralihan, khususnya yang digunakan untuk mengubah daya DC-DC. Untuk lebih memahami keuntungan dari tipe peralihan, kita lihat kembali prinsip pengubahan daya DC-DC tipe linier seperti terlihat pada Gambar 1.

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

Gambar 1. Pengubah tipe linier

transistor:

V₀ = I_L . R_L

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 (V_CE*I_L) sehingga berakibat rendahnya efisiensi.

Sebagai alternatif, maka muncul tipe peralihan yang pada prinsipnya dapat dilihat pada Gambar2.

Pada tipe peralihan, terlihat fungsi transistor sebagai electronic switch yang dapat dibuka (off) dan ditutup (on). Dengan asumsi bahwa switch tersebut

Gambar 2. Pengubah tipe peralihan

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 Gambar3.

Besaran rata rata atau komponen DC dari tegangan keluaran dapat diturunkan dari persamaan berikut:

Gambar 3. Tegangan keluaran

Dari persamaan diatas terlihat bahwa tegangan keluaran DC dapat diatur besarannya dengan menyesuaikan parameter D. Parameter D dikenal sebagai Duty ratio yaitu rasio antara lamanya waktu switch ditutup (t_on) dengan perioda T dari pulsa tegangan keluaran, atau (lihat Gambar 3):

dengan 0 ≥ D ≥ 1. 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%.

Pengubah daya DC-DC (DC-DC Converter) tipe peralihan atau dikenal juga dengan sebutan DC Chopper dimanfaatkan terutama untuk penyediaan tegangan keluaran DC yang bervariasi besarannya sesuai dengan permintaan pada beban. Daya masukan dari proses DC-DC tersebut adalah berasal dari sumber daya DC yang biasanya memiliki tegangan masukan yang tetap. Pada dasarnya, penghasilan tegangan keluaran DC yang ingin dicapai adalah dengan cara pengaturan lamanya waktu penghubungan antara sisi keluaran dan sisi masukan pada rangkaian yang sama. Komponen yang digunakan untuk menjalankan fungsi penghubung tersebut tidak lain adalah switch (solid state electronic switch) seperti misalnya Thyristor, MOSFET, IGBT, GTO. Secara umum ada dua fungsi pengoperasian dari DC Chopper yaitu penaikan tegangan dimana tegangan keluaran yang dihasilkan lebih tinggi dari tegangan masukan, dan penurunan tegangan dimana tegangan keluaran lebih rendah dari tegangan masukan.

Bentuk untai chopper elementer dapat dilihat pada gambar di samping ini:

saklar S dapat diganti dengan SCR atau transistor yang dioperasikan sebagai sakelar. Untai ini hanya cocok untuk beban resistif di mana arus keluarannya yang halus tidak diutamakan, atau untuk pemakaian berdaya kecil di mana

Gambar xx

penapis/filter yang efisien tidak begitu penting. Untuk untai chopper dengan menggunakan SCR, saklar S adalah SCR yang secara bergantian dibuka dan ditutup 100 kali atau lebih tiap detiknya. Tegangan beban rata-rata Vo dinyatakan sebagai berikut

Operasi dasar chopper

1. modulasi frekuensi pulsa : t_on konstan, T variabel
2. modulasi lebar pulsa : t_on variabel, T konstan
3. gabungan kedua cara di atas

gambar berikut ini memperlihatkan bentuk gelombang tegangan untuk modulasi frekuensi pulsa

gambar berikut ini memperlihatkan bentuk gelombang untuk modulasi lebar pulsa

pengontrolan lebar pulsa dengan frekuensi yang tetap cukup mudah dibuat dengan menggunakan teknik “logika” untai terintegrasi digital, sedangkan untai lebar pulsa variabel dengan frekuensi tetap lebih komplek dan agak sulit dibuat, namun mempunyai beberapa keuntungan yaitu :

1. penapisan lebih efisien ;
2. tanggapan transien jauh lebih baik

gambar berikut ini memperlihatkan komponen tambahan untuk untai chopper elementer, yang memungkinkan pemberian arus searah yang halus (smooth) untuk beban dalam praktek. Dioda free wheeling (Dfw) memberi jalan bagi arus beban ketika saklar S terbuka (open). Untai ini juga memperlihatkan pemakaian tapis induktans Lf untuk memberikan arus beban DC yang cukup halus untuk beberapa pemakaian tertentu.

Bila frekuensi switching di dalam jangkauan kilohertz, maka induktans yang cukup kecil sering dianggap sudah mencukupi untuk mengurangi riak (riple). Untuk pemakaian yang menghendaki riak yang sangat kecil, digunakan tapis L-C. bila daya keluaran cukup besar dan menghendaki operasi paralel, maka dimungkinkan penggunaan untai chopper paralel.

Jenis-jenis Chopper

Secara umum chopper dibagi menjadi empat jenis, yaitu:

1.      Konverter/Chopper Buck

2.      Konverter/chopper Boost

3.      Pengubah Buck-Boost

4.      Pengubah Boost-Buck atau Cuk

Konverter/Chopper 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),

Gambar 4. Pengubah Buck

maka hubungan antara tegangan keluaran dengan tegangan masukan adalah sebagai berikut:

V₀ = D . V_in (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.

Konverter/chopper 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

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

Yang menarik untuk dicatat dari Buck-Boost adalah bahwa tegangan keluaran memiliki tanda berlawanan dengan tegangan masukan. Oleh karena itu metoda ini pun ditemui pada aplikasi yang memerlukan pembalikan tegangan (voltage inversion) tanpa transformer. Walaupun memiliki rangkaian sederhana, metoda Buck-Boost memiliki kekurangan seperti tidak adanya isolasi antara sisi masukan dan keluaran, dan juga tingkat ripple yang tinggi pada tegangan keluaran maupun arus keluaran.

Pengubah Boost-Buck atau Cuk

Cara lain untuk mengkombinasikan metoda Buck dan Boost dapat dilihat pada Gambar 7 dan dikenal dengan nama Boost-Buck atau Cuk. Seperti halnya metoda Buck-Boost, tegangan keluaran yang dihasilkan dapat diatur menjadi lebih tinggi atau lebih rendah dari tegangan masukan. Persamaan tegangan yang berlaku

Gambar 7. Pengubah

pada CCM pun sama dengan Buck-Boost (persamaan 6). Metoda Cuk juga digunakan pada aplikasi yang memerlukan pembalikan tegangan (voltage inversion) tanpa transformer, namun dengan kelebihan tingkatripple yang rendah pada arus masukan maupun arus keluar.

Aplikasi Chopper Mengatur Kecepatan Motor DC

Pengendalian kecepatan putar motor DC dapat dilakukan dengan mengubah besar tegangan terminal motor. Sistem pencincang tegangan DC (chopper) adalah cara yang sederhana dan efisien dalam mengubah besar tegangan DC.

Motor DC dapat diatur kecepatan berdasarkan persamaan sbb :

Dengan N : kecepatan putar motor

V : tegangan terminal motor

Ia : arus jangkar

Ra : hambatan jangkar

k : konstanta

φ : banyaknya fluksi

Dalam kasus pengendalian kecepatan putar motor, tegangan terminal motor (V) merupakan variabel yang dapat diatur untuk menghasilkan putaran yang diinginkan. Dalam penelitian ini pengaturan besarnya dilakukan dengan proses Chopper. Proses chopper dapat digambarkan sbb :

Gambar 1. Proses pengubahan tegangan DC ke DC dengan metode Chopper.

Besarnya tegangan output dinyatakan sebagai :

 

Dengan mensubstitusi dua persamaan di atas didapatkan :

Besaran T dibuat tetap, dan besaran T_on diatur sesuai kebutuhan kecepatan putaran N. Dalam mengendalikan kecepatan motor digunakan besaran masukan yang berupa selisih kecepatam motor dengan kecepatan yang diinginkan, biasa disebut dengan error, dan laju perubahan kecepatan itu sendiri, biasa disebut change of error. Terhadap kedua besaran ini dilakukan fuzifikasi. Algoritma fuzi digunakan untuk menentukan besarnya T_on berdasarkan hasil fuzifikasi masukan tadi. Sinyal kendali terbut dihasilkan setelah dilakukan defuzifikasi dengan menetapkan aturan keanggotaan keluaran tertentu.

RANGKAIAN PENYEARAH (RECTIFIER CIRCUIT)

Bagian utama atau boleh dikatakan jantung suatu catudaya adalah rangkaian penyearah yang mengubah gelombang sinus AC menjadi deretan pulsa DC. Ini merupakan dasar atau langkah awal untuk memperoleh arus DC halus yang dibutuhkan oleh suatu peralatan elektronik.

Gambar A

  

Gambar B

  

Penyearah setengah gelombang (halfwave rectifier)

Hampir sebagian besar peralatan elektronik menggunakan sumber daya listrik 220 volt/ 50 Hz dari PLN. Bentuk gelombang arus listrik AC dari PLN berbentuk gelombang sinus. Nilai rata-rata (average value) dari gelombang sinus adalah nol karena nilai positif dan negatipnya sama dan bergantian. Untuk memperoleh nilai positip atau negatip yang rata maka salah satu gelombang sinus itu, positip atau negatip harus di cancel.

Bentuk dasar rangkaian penyearah setengah gelombang seperti terlihat pada gambar C. Beban yang membutuhkan sumber tenaga listrik searah diwakili oleh

Gambar C

resistor. Sebuah dioda diletakkan seri atau berderet dengan beban sehingga arus listrik hanya mengalir ke satu arah saja.

Gambar D menunjukkan apa yang terjadi dalam circuit selama periode setengah gelombang positip dari arus listrik bolak-balik.

Gambar D

Anoda dari Katoda memperoleh gelombang positip, akibatnya dioda konduksi, arus listrik mengalir melalui beban. Pada beban timbul tegangan positip setengah gelombang. Jalannya arus listrik dari negatip AC menuju beban, dari beban menuju ke katoda dioda dan kembali ke terminal positip AC.

Gambar E menunjukkan setengah gelombang sinus berikutnya dari AC. Di sini anoda D1 menerima tegangan negatip akibatnya dioda menyumbat

Gambar E

sehingga arus listrik tidak dapat mengalir dan pada beban tidak timbul tegangan.

Dari gambar C, D, E jelas bahwa pada rangkaian penyearah setengah gelombang arus listrik AC diubah menjadi arus pulsa DC. Sudah barang tentu arus listrik pulsa DC tidak sesuai sebagai sumber energi bagi kebanyakan alat elektronik. Yang dibutuhkan adalah arus listrik DC yang rata dan stabil.

Rangkaian penyearah setengah gelombang hanyalah merupakan prinsip dasar catudaya. Pada paragraf berikutnya akan diketahui pengembangan prinsip dasar catudaya diantaranya penyearah gelombang penuh (fullwave), penyearah jembatan (ridge), penghalusan (filtering).

Gambar xx a. gelombang AC, b. hasil penyearah setengah gelombang

Penyearah gelombang penuh (fullwave rectifier)

Kelemahan dari halfwave rectifier adalah arus listrik yang mengalir ke beban hanya separuh dari setiap satu cycle. Hal ini akan menyulitkan dalam proses filtering (penghalusan). Untuk mengatasi kelemahan ini adalah penyearah gelombang penuh.    

Rangkaian dasar penyearah gelombang penuh seperti terlihat pada gambar. Menggunakan dua dioda dan satu center tape transformer. Jika titik tengah transformer ditemukan maka tegangan di kedua ujung lilitan sekunder berlawanan fasa 180

Gambar F

derajat. Jadi ketika misalnya tegangan dititik A mengayun kearah positip diukur dari titik tengah lilitan sekunder maka tegangan dititik B mengayun ke arah negatif diukur dari titik yang sama. Mari kita lihat prinsip kerja penyearah gelombang penuh ini. Gambar G menunjukkan ketika anoda D1 mendapat tegangan positip, Anoda D2 mendapat tegangan negatip.

Pada kedudukan ini hanya D1 saja yang konduksi atau terhubung singkat. Arus listrik mengalir dari titik tengah sekunder melalui beban, kemudian melalui D1 dan kembali ketitik tengah melalui lilitan atas sekunder.

Gambar G

Padahal  D1 berfungsi seperti saklar atau switch yang menutup sehingga arus listrik mengalir melalui beban disaat perioda positip dari gelombang sinus AC. Gambar B menunjukkan apa yang terjadi selama setengah periode berikutnya ketika polaritas berganti.

Anoda D1 mengayun kearah negatip sementara anoda D2 mengayun kearah positip. Akibatnya D1 menyumbat, sebaliknya D2 konduksi atau terhubung singkat. Pada keadaan ini arus listrik mengalir dari titik

Gambar H

setengah sekunder melalui beban dan D2 kembali ketitik tengah setelah melalui lilitan bawah sekunder.

Perhatikan bahwa dalam rangkaian penyearah gelomang arus listrik mengalir sepanjang satu perioda. Sedangkan dalam rangkaian penyearah setengah gelombang arus listrik hanya mengalir selama setengah perioda saja.

Jadi penyearah gelombang penuh (fullwave rectifier) lebih baik dari penyearah setengah gelombang (halfwave rectifier).

Penyearah type jembatan (bridge rectifier)

Rangkaian dasar penyearah type jembatan seperti terlihat pada gambar. Terdiri atas satu transformer dan 4 (empat) dioda yang disusun sedemikian rupa sehingga arus listrik hanya mengalir kesatu arah saja melalui beban. Circuit ini tidak memerlukan sekunder bersenter tapi sebagaimana pada rangkaian penyearah gelombang penuh. Bahkan transformator tidak diperlukan jika tegangan DC yang dibutuhkan relatif sama dengan tegangan jaringan PLN, misalnya. Artinya titik A dan B dapat dihubungkan langsung dengan jaringan yang tersedia di rumah.

Transformator digunakan bila tegangan DC yang dibutuhkan lebih kecil atau lebih besar dari tegangan jaringan. Selain itu adakalanya transformator digunakan sebagai isolator antara tegangan jaringan dengan tegangan rangkaian.

Gambar I

Gambar I menunjukkan jalannya aliran arus listrik selama periode positip AC (sine wave). D1 an D2 konduksi. Arus listrik mengalir dari ujung lilitan bawah sekunder melalui beban, D1, D2, dan kembali ke lilitan bawah sekunder.

Setengah perioda berikut polaritas sinewave berganti seperti terlihat pada gambar B. Ujung lilitan atas sekunder sekarang menjadi negatip, ujung lilitan bawah menjadi positif.D3 dan D4 konduksi. Pada kedudukan ini arus listrik		Gambar J
mengalir dari ujung lilitan atas sekunder melalui beban, D3, D4 dan kembali lilitan bawah sekunder. Dari gambar A dan B nampak jelas arus listrik yang mengalir melalui beban selalu dalam arah yang sama.	Gambar K

Filtering (penghalusan)

Sebagaimana telah kita lihat pada bab sebelumnya bahwa arus listrik DC yang keluar dari dioda masih berupa deretan pulsa-pulsa.

Tentu saja arus listrik DC semacam ini tidak cocok atau tidak dapat digunakan oleh perangkat elektronik apapun.

Untuk itu perlu dilakukan suatu cara filtering agar arus listrik Dc yang masih berupa deretan pulsa itu menjadi arus listrik DC yang halus/ rata. Ada beberapa cara yang dapat dilakukan diantaranya dengan C filter, RC filter dan LC filter. Pada bagian berikut hanya akan dibahas C filter (basic). Sedangkan RC maupun LC filter merupakan pengembangan C filter yang fungsinya lebih menghaluskan tegangan output dioda.

Capacitor sebagai filter

Filtering atau penghalusan yang paling sederhana ialah dengan menggunakan capacitor yang dihubungkan seperti terlihat pada gambar. Tegangan input rata-rata (average) 115 volt. Tegangan puncak 162 volt. mari kita lihat apa yang terjadi ketika suatu capasitor ditambahkan pada output dioda.

Pada saat anoda D1 mendapat pulsa positip, D1 langsung konduksi dan capacitor mulai mengisi. Ketika capacitor telah mencapai tegangan puncak D1 menyumbat karena katodanya lebih positip daripada anodanya. Kapasitor harus

Gambar L

membuang (discharge) muatannya melalui beban yang mempunyai resistan tertentu. Oleh karenanya waktu discharge capacitor lebih lama dibanding waktu yang dibutuhkan AC untuk melakukan satu periode (cycle). Akibatnya sebelum capacitor mencapai nol volt diisi kembali oleh pulsa berikutnya.

Bagaimana bentuk tegangan DC setelah difilter dengan capacitor dapat dilihat pada gambar M. Gambar atas menunjukkan output penyearah setengah gelombang tanpa capacitor. Tampak jelas tegangan rata-ratanya (E average) hanya sitar 31% dari tegangan puncak.

Gambar M

Ketika suatu capacitor ditambahkan maka bentuk tegangan outputnya seperti terlihat pada gambar B. Di sini capacitor mencegah tegangan output mencapai nol volt. Sehingga tegangan output rata-ratanya naik dibanding sebelumnya (no capacitor).

Jika nilai capacitornya dibesarkan atau ditambah maka bentuk tegangan outputnya seperti terlihat pada gambar C. Tampak jelas tegangan rata-ratanya (E ave) meningkat dibandingkan sebelumnya (nilai capacitor yang lebih besar diperlukan bila arus listrik yang

dibutuhkan beban relatif besar.

Tegangan rata-rata (E ave)

Jika kita mengatakan tegangan AC ini 115 V, sesungguhnya yang kita sebutkan adalah tegangan efektif (E rms). Sedangkan tegangan puncaknya (Epeak) adalah: E peak = E rms x 1,414 E peak = 115 V x 1,414 = 162,6 V

Gambar x

Sedangkan tegangan rata-ratanya adalah 0 v karena positip dan negatip bergantian (alternate). Yang dibutuhkan rangkaian elektronika adalah tegangan rata-rata atau E ave. Untuk mendapatkan E ave maka salah satu gelombang AC (positip / negatip) harus di clip / dipotong (lihat gambar).

E ave = E peak x 0,0318

E ave = 162,6 v x 0,318 = 51,7 v.

Output E ave pencatudaya setengah gelombang sukar difilter karena mengandung ripple 50Hz

Pada catudaya type jembatan (bridge rectifier) hubungan antara tegangan puncak E peak dengan tegangan rata-rata E ave sebagai berikut:

E peak = E rms x 1,414

E peak = 115v x 1,414 = 162,6v.

E ave = E peak x 0,636

E ave = 1,62,6v x 0,636 = 103,4v.

Dari perbandingan di atas tampak jelas bahwa output tegangan DC catudaya type jembatan lebih besar dari type setengah gelombang. Walaupun ripple frequency catudaya jembatan 120Hz, secara teknis mudah difilter atau disaring dibanding ripple frequency 60Hz dari pencatudaya type setengah gelombang.

Penyearah terkendali

Kita ambil sebuah contoh rangkaian berikut.

Di sini, suatu SCR diposisikan sebagai sirkuit untuk mengendalikan daya ke suatu beban dari suatu sumber arus bolak balik menjadi searah (satu jalan), paling banyak kita hanya dapat mengirim setengah-gelombang daya ke beban, dalam setengah putaran arus AC di mana polaritas sumber tegangan adalah positif diatas dan negatif dibawah. Bagaimanapun, untuk mempertunjukkan konsep dasar kendali waktu-sebanding sirkuit sederhana ini menjadi lebih baik daripada  sebuah pengendalian   daya gelombang penuh (dimana diperlukan dua SCR).

Dengan tidak adanya pemicu pada gerbang dan sumber tegangan AC yang baik pada SCR yang melampaui nilai tegangan maka SCR tidak akan menyala. Hubungkan gerbang SCR pada kutub positif melalui suatu dioda pengoreksi

yang normal (untuk mencegah arus balik yang melalui  gerbang SCR, yang ada didalam gerbang katoda resistor), akan memberikan SCR untuk dipicu dengan seketika pada permulaan  positif setengah-putaran.

Kita dapat menunda pemicu SCR dengan menyisipkan beberapa resistansi ke dalam gerbang sirkuit, serta meningkatkan  jumlah penurunan sumber tegangan yang diperlukan sebelum adanya arus gerbang secukupnya untuk memicu SCR tersebut. Dengan kata lain, jika kita membuat pemicu SCR yang lebih tinggi untuk elektron mengaliri sepanjang gerbang dengan menambahkan suatu resistansi, Sumber tegangan

AC akan menjangkau suatu yang lebih tinggi menunjuk pada siklus sebelumnya  akan adanya arus gerbang mencukupi untuk menyalakan SCR yang terpasang. Hasilnya terlihat seperti gambar disamping  ini:
Dengan setengah gelombang sinus memotong sampai ke suatu tingkat derajat yang lebih besar dengan menunda pemicu SCR, daya rata-rata menerima  beban lebih sedikit (daya yang diberikan lebih sedikit waktunya dalam suatu  siklus). Dengan adanya variabel rangkaian gerbang resistor seri, kita dapat membuat

penyesuaian pada waktu perpotongan daya. Kenyataannya, rencana kendali ini mempunyai suatu pembatasan yang penting. Dalam menggunakan sumber AC, bentuk gelombang untuk SCR yang memicu isyarat dibatasi

kendalinya  pada awal setengah putaran  bentuk gelombang. Dengan kata lain, tidak ada cara lain untuk untuk menunggu sampai puncak gelombang untuk memicu SCR itu. Alat-alat ini dapat melawan daya hanya untuk titik dimana SCR menghidupkan pada semua puncak gelombang :

Tingkat ambang picu pintu apapun   akan menyebabkan sirkuit ke pemicu sama, bahkan saat puncak sumber tegangan AC menggerakkan cukup untuk memicu SCR tersebut. Hasilnya tidak akan ada daya ke beban.

 Suatu solusi ingenious pada dikendala kendali ini ditemukan di penambahan suatu kapasitor yang bergeser ke sirkuit:

Bentuk gelombang yang lebih kecil pada grafik menunjukkan adalah sumber tegangan ke seberang kapasitor tersebut. Untuk kepentingan menggambarkan pergeseran fasa, kita sedang mengumpamakan suatu kondisi tentang perlawanan kendali maksimum di mana

SCR sama sekali tidak memicu arus beban, jadi untuk apa menyimpan arus kecil sebagai kendali kapasitor dan resistor. Tegangan kapasitor akan menjadi phase-shifted dari 0^o ke 90^o  laju di belakang sumber daya arus bolak balikbentuk gelombang. Ketika tegangan phase-shifted ini menjangkau suatu tingkatan cukup tinggi maka SCR akan terpicu.

Diumpamakan pada waktu tertentu tegangan yang cukup menyeberang ke kapasitor untuk memicu SCR dan menghasilkan arus beban bentuk gelombang yang akan terlihat seperti dibawah ini:

Sebab bentuk gelombang kapasitor akan meningkat setelah daya AC bentuk gelombang yang utama telah mencapai puncaknya, itu terjadi karena untuk memicu SCR pada suatu ambang pintu pengukur di luar puncak tersebut begitu diberikan arus beban

gelombang lebih lama dibanding kenyataannya dengan sirkiut yang lebih sederhana tersebut. Pada kenyataannya, bentuk tegangan gelombang kapasitor sedikit lebih rumit dari apa yang ditunjukkan disini, bentuk sinusoidal nya disimpangkan setiap kali SCR terpasang mengunci. Bagaimanapun, apa yang sedang digambarkan di sini menjadi tindakan pemicu yang tertunda oleh phase-shifting jaringan RC dengan demikian suatu bentuk gelombang disederhanakan,  tidak disimpang seperti  yang minta  dengan baik.

SCR boleh juga dipicukan atau “ditembak" dengan sirkuit yang lebih rumit. Sedangkan sirkuit  sebelumnya adalah suatu aplikasi yang cukup sederhana seperti suatu kendali lampu, pengendali motor industri besar sering bersandar pada metoda pemicu yang lebih canggih. Kadang-Kadang, denyut trafo digunakan untuk memasangkan suatu sirkuit yang memicu pada katode dan gerbang dari suatu SCR untuk menyediakan isolasi elektrik antara pemicu dan rangkaian daya :

Ketika beberapa SCR digunakan untuk mengendalikan daya, katode sering tidak terhubung secara elektris secara bersama-sama.

Contoh ini menjadi penyearah jembatan yang dikendalikan seperti dibawah ini :

Dimanapun penyearah jembatan sirkuit dan ralat dioda ( atau dalam hal ini, ralat SCR) harus terpasang terbalik. SCR1 dan SCR3 harus ditembak; tertembak secara serempak, dan demikian juga SCR2 dan SCR4 harus dipasangkan secara bersama sebagai pasangan. Sebagai catatan, meskipun penghembus SCR ini tidak membagi koneksi katode yang sama,  maksudnya tidak akan bekerja pada  koneksi gerbang parallel yang masing-masing  menghubungkan sumber  tegangan tunggal untuk memicu keduanya.

Walaupun sumber tegangan yang dipicu ditunjukkan pada pemicu SCR4 dan  tidak pada pemicu SCR2, sebab keduanya thyristors tidak membagi suatu koneksi katode umum ke acuan yang memicu tegangan. Denyut trafo yang menghubungkan keduanya thyristor gerbang ke suatu sumber tegangan  memicu untuk bekerja secara umum.

Ingat bahwa sirkit ini hanya menunjukkan koneksi gerbang untuk kedua keluaran dari empat SCR. Denyut trafo dan sumber pemicu untuk SCR1 dan SCR3 dari  denyut nadi sumber tegangan  yang dihilangkan untuk lebih sederhana.
Penyearah jembatan yang dikendalikan tidaklah membatasi pada desain phasa-tunggal. dalam sistem kontrol industri, Daya AC yang tersedia dalam format tiga phase secara efisiensi lebih maksimum sedangkan solid-state kendali sirkuit dibangun untuk mengambil keuntungan.

Suatu sirkuit arus pengoreksi yang dikendalikan oleh tiga phase dibangun dengan SCR, tanpa denyut nadi trafo atau untaian pemicu yang akan terlihat seperti gambar di atas.

INVERTER

Fungsi sebuah inverter adalah untuk merubah tegangan input DC menjadi tegangan output AC dengan tegangan tetap maupun tegangan variabel, bahkan dimungkinkan mengatur frekuensi outputnya. Pengaturan besar tegangan dapat dilakukan dengan 2 cara. Pertama, dengan mengatur tegangan input DC dari luar tetapi lebar waktu penyaklaran tetap. Kedua, mengatur lebar waktu penyaklaran dengan tegangan input DC tetap. Pada cara yang kedua besar tegangan AC efektif yang dihasilkan merupakan fungsi dari pengaturan lebar pulsa penyaklaran. Cara inilah yang disebut dengan Pulse Width Modulation (PWM). Secara garis besar, rangkaian inverter dapat dikelompokkan menjadi dua, yaitu:

 (a) Inverter sumber arus dan (b) Inverter sumber tegangan. Inverter sumber arus disuplai langsung dari sumber arus. Idealnya sumber arus tersebut memiliki impedansi internal tak terhingga. Inverter sumber tegangan disuplai langsung dari sumber tegangan. Idealnya, sumber tegangan yang digunakan memiliki impedansi dalam nol yang akan mengantarkan arus konstan tak terbatas.

Tegangan bolak-balik pada terminal A-B (gambar 10) dihasilkan dari kombinasi penyaklaran komponen penyaklaran daya yang bersilangan. Dengan asumsi penomoran komponen penyaklaran daya seperti gambar 10, maka ketika g1 dan g2 berlogika “1”

Gambar Model Inverter

 (Q1 dan Q2 “ON”), arus akan mengalir dari Q1 ke Q2 melewati beban sehingga tegangan antara terminal A dan B akan positif (VAB = +VDC). Ketika g3 dan g4 berlogika “1” (Q3 dan Q4 “ON”), arus mengalir dari Q3 ke Q4 melalui beban sehingga VAB = -VDC. Hubungan kombinasi penyaklaran komponen dan penyaklaran daya terhadap tegangan keluaran inverter ditunjukkan pada tabel. Tabel 1 dibawah ini Kombinasi penyaklaran komponen penyaklaran daya dan tegangan keluaran inverter.

Pasangan 1		Pasangan 2		Tegangan keluaran
Q1	Q4	Q2	Q3	VAB
ON	OFF	ON	OFF	+ VDC
OFF	ON	OFF	ON	- VDC
OFF	ON	ON	OFF	0
ON	OFF	OFF	ON	0

Tiap pasangan komponen penyaklaran daya yang dirangkai seri tidak boleh “ON”

bersamaan karena akan menyebabkan hubungan pendek pada inverter. Inverter sumber tegangan menjadi tiga macam, yaitu:

1. Inverter dengan tegangan penyearah terkontrol

2. Inverter dengan tegangan searah berubah melalui chopper

3. Inverter PWM dengan tegangan penyearah tetap

Hal  ini dimaksudkan untuk membangkitkan sinyal PWM untuk mengajarkan   inverter sumber tegangan jenis ketiga di atas. Konfigurasi inverter sumber tegangan ketiga menggunakan sumber tegangan DC konstan dari penyearah tetap. Besar tegangan AC efektif (Vrms) dikendalikan oleh inverter dengan PWM melalui pengubahan indeks modulasi. Konfigurasi ini mempunyai tingkat kerumitan lebih tinggi dibandingkan konfigurasi lainnya karena memerlukan rangkaian pembangkit sinyal PWM dengan frekuensi dan tegangan yang dapat diubah. inverter dapat dikelompokkan dalam dua kelompok utama, yaitu inverter sumber tegangan (VSI=Voltage Source Inverter) dan inverter sumber arus (CSI=Current Source Inverter). Inverter VSI adalah inverter yang dicatu dari sumber tegangan searah. Idealnya sumber ini mempunyai impedansi dalam nol dan memberi arus tak terbatas pada tegangan terminal tetap. Inverter CSI dicatu dari sumber arus searah. Idealnya sumber ini mempunyai impedansi dalam tak berhingga dan memberi tegangan tak terbatas pada arus keluaran tetap.

Pada dasarnya Inverter VSI dapat digunakan untuk mencatu motor AC dengan pengaturan tegangan dan frekuensi. Inverter sumber tegangan menjadi tiga macam, yaitu:

1. Inverter dengan tegangan penyearah terkontrol

2. Inverter PWM dengan tegangan penyearah tetap

3. Inverter dengan tegangan searah berubah melalui chopper.

Inverter menjadi tiga kelompok utama, yaitu:

a. Inverter tegangan berubah (VVI=Variable Voltage Inverter)

b. Inverter sumber arus (CSI)

c. Inverter PWM

Ketiga inverter tersebut mempunyai karakteristik keluaran berbeda-beda. Khusus

untuk inverter PWM mempunyai karakteristik sebagai berikut:

a.      Penyearah memberikan tegangan DC tetap. Karena inverter menerima tegangan tetap, maka amplitudo keluarannya juga tetap. Inverter mengatur lebar pulsa tegangan keluaran sebagaimana halnya frekuensi.

b.      Bentuk gelombang yang baik memerlukan sedikit penapisan (filtering).

c.       Motor berjalan secara halus pada kecepatan rendah dan tinggi.

d.      Inverter PWM dapat menjalankan beberapa motor secara jajar.

Ketiga kelompok tersebut masing-masing menghasilkan faktor daya yang berbeda. Faktor daya pada inverter VVI dan CSI menurun mengikuti kecepatan, sedangkan pada inverter PWM mempunyai faktor daya mendekati satu pada seluruh tingkat kecepatan.

Inverter berdasarkan pada jenis penyearah dan inverter yang digunakan, sebagai berikut:

a.      Inverter sumber tegangan modulasi lebar pulsa (PWM VSI) dengan penyearah dioda

b.      Inverter sumber tegangan gelombang persegi dengan penyearah thyristor.

c.       Inverter sumber arus (CSI) dengan penyearah thyristor.

Bahwa banyak penerapan dalam industri sering memerlukan pengaturan tegangan. Hal ini dapat diatasi dengan teknik sebagai berikut:

a.      Tegangan searah masukan bervariasi

b.      Regulasi tegangan inverter

c.       Syarat volt/frekuensi tetap

Metode yang paling efisien untuk mengatur tegangan keluaran adalah memasukkan pengaturan PWM ke dalam inverter (karena inverter PWM mempunyai faktor daya mendekati satu pada seluruh tingkat kecepatan motor AC). Teknik yang umum digunakan adalah:

a.      PWM tunggal (single pulse width modulation)

b.      PWM jamak (multiple pulse width modulation)

c.       PWM sinusoida

d.      PWM modifikasi sinusodia

e.      Pengaturan penempatan fasa (phase displacement)

Pembangkitan Sinyal PWM Sinusoida Satu Fasa Secara Analog

Indeks modulasi adalah perbandingan antara amplitudo maksimum sinus (Ar) dan amplitudo maksimum segitiga (Ac). Indeks modulasi dirumuskan:

M = Ar/Ac (1)

dengan M = Indeks modulasi

Ar = Amplitudo maksimum sinus

Ac = Amplitudo maskimum segitiga

Indeks modulasi yang nilainya antara 0 sampai 1 akan menentukan lebar pulsa

tegangan rata-rata dalam satu periode.

Prinsip kerja pembangkitan sinyal PWM sinusoida satu fasa (gambar 1) adalah mengatur lebar pulsa mengikuti pola gelombang sinusoida. Sinyal sinus dengan frekuensi fr dan amplitudo maksimum Ar sebagai referensi digunakan untuk memodulasi sinyal pembawa segitiga dengan frekuens i fc dan amplitudo maksimum Ac. Sebagai sinyal pembawa, frekuensi sinyal segitiga harus lebih tinggi dari pada sinyal pemodulasi (sinyal sinus). Frekuensi sinyal referensi menentukan frekuensi keluaran inverter. Sinyal pembangkit yang bersesuaian dengan gambar 1 dan gambar 2 diperoleh dengan cara sebagai berikut:

a.      Sinyal g1 diperoleh dengan membandingkan sinyal referensi sin(ωt) dan sinyal

pembawa sgt(ωt):

b.      Sinyal g3 diperoleh dengan membandingkan sinyal referensi -sin(ωt) dan sinyal pembawa sgt(ωt):

atau

c. Sinyal g2 = -g3

d. Sinyal g4 = -g1

Gambar 2. Pembangkitan PWM sinusoida satu fasa secara analog.

Sedangkan tegangan sesaat keluaran inverter PWM sinusoida satu fasa adalah sebagai berikut:

1. Pada setengah periode positif, keluaran tegangan ditentukan oleh sinyal g1 dan g2.

2. Pada setengah periode negatif, keluaran tegangan ditentukan oleh sinyal g3 dan g4.

Berdasarkan persamaan (3) dan (5), maka pembangkitan sinyal PWM sinusoida satu fasa dapat dilakukan dengan menggunakan 2 buah sinyal sinus (sin(t) dan -sin(t)) dan 1 sinyal segitiga. Sedangkan berdasarkan bersamaan (3) dan (8), pembangkitan sinyal PWM sinusoida satu fasa dapat dilakukan dengan menggunakan 1 sinyal sinus (sin(t)) dan 2 sinyal segitiga (sgt(t) dan –sgt(t). Metode kedua akan digunakan pada tesis ini.

Besar tegangan AC efektif yang dihasilkan tergantung pada lebar pulsa. Nilai tegangan efektifnya dirumuskan sebagai berikut:

Cycloconverter (AC to AC)

Cycloconverter atau bisa juga disebut dengan cycloinverter berfungsi untuk konversi suatu bentuk gelombang AC, menjadi gelombang AC yang lain untuk frekuensi lebih tinggi atau yang lebih rendah. Cycloconverter yang telah dirancang sebagian besar untuk aplikasi tiga fasa, sekalipun bisa juga dibuat untuk satu fasa. Kelebihan utama cycloconverter adalah kehilangan daya konduksi maju (forward conduction) yang rendah. Hal ini karena konverter tegangan AC frekuensi tinggi ke tegangan AC frekuensi rendah tidak memerlukan filter cycloconverter.

Problem utama  cycloconverter adalah sangat tidak praktis, sehingga praktis jarang digunakan di lapangan. Problem yang lain adalah munculnya noise atau harmonik pada penggunaan switch gelombang AC, yang besarnya dipengaruhi oleh frekuensi input gelombang. Munculnya harmonik yang nilainya variabel ini menyulitkan desain filternya.

Input cycloconverter di buat tetap, baik amplitudo tegangan maupun frekuensi, sedangkan outputnya dibuat variabel (amplitudo dan frekuensi). Output cycloconverter umumnya didesain berdaya besar (orde Megawatt). Komponen utama yang digunakan sebagai pengendali umumnya menggunakan SCR, sekalipun dalam beberapa aplikasi daya rendah lebih dipilih TRIAC.

Ilustrasi cycloconverter terdiri dari 6 group untuk rangakian setengah gelombang tiga phasa. Setengah untuk tiga grup adalah menghubungi “grup positif “ A+,B+,C+, dan setengah lainnya menghubungi “grup negatif“ A-,B-,C-. fungsi grup positif untuk membawa arus pembawa selama setengah cycle positif untuk keluaran gelombang frekuensi, dan grup negatif membawa arus pembawa selama setengah cycle negatif untuk keluaran gelombang frekuensi.

Gambar-gambar di bawah ini menunjukkan konsep Cycloconverter 1 fasa ke 1 fasa.

Gambar a menunjukan rangkaian utama daya untuk sebuah cycloconverter 1 fasa ke 1 fasa. Dalam  efek ini dua macam converter yaitu dua pengontrol rectifier dan memakai common center tapp trafo seperti sumber.		Gambar a
Gambar b adalah rangkaian cycloconverter 1 fasa ke 1 fasa dengan menggunakan dua sumber tegangan yang tadinya merupakan sebuah trafo.	Gambar b

Gambar-gambar di bawah ini menunjukkan konsep Cycloconverter 3 fasa ke 1 fasa.

Rangkaian untuk cycloconverter 3 fasa ke 1 fasa ditunjukkan dalam gambar 8.11a dimana dapat dilihat dua bentuk pengontrol rectifier membentuk dua macam converter yaitu jembatan 3 fasa rectifier . Sepasang tanda terminal a dan a’, b dan b’, c dan c’ saling berhubungan dan berkoneksi ke suplay 3 fasa. Rangkaian ekuivalennya ditunjukkan dalam gambar 8.11b.

Gambar a Gambar b

Penelitian cycloconverters yang baru adalah, cycloconverter digunakan pada langkah kedua, yaitu dengan input berupa DC. Langkah pertama adalah mengkonversi DC ke gelombang AC kotak. Masukan DC yang tersedia dikonversi ke gelombang AC kotak frekuensi tinggi (orde 10 kHz atau yang lebih tinggi). Gelombang kotak ini akan terisolasi dengan trafo frekuensi tinggi. Frekuensi tinggi Gelombang kotak AC tersebut menginduksi di trafo sekunder dan digunakan untuk manyatukan frekuensi rendah AC. Sebagai ilustrasi dapat dilihat pada gambar berikut ini.

Gambar x. Inverter terpisah trafo frekuensi tinggi jenis cycloconverter

Gambar gelombang fasa ditunjukkan pada gambar di samping. Rangkaian DC-AC frekuensi tinggi beroperasi dengan beda fasa 180° dan menghasilkan tegangan keluaran gelombang square. Pada bagian cycloconverter dua bagian sinyal pemacu (positif dan negatif) untuk menjaga SA1, SB1, SA2 dan SB2 pada tegangan keluaran positif ,Vo, Pasangan (SA1+, SB2+) dan (SB1+,SA2+) akan beroperasi dengan beda fasa 180° untuk menghasilkan setengah gelombang PWM positif. Pasangan (SA1-, SB2-) dan (SB1-,SA2-) akan beroperasi dengan beda fasa 180° untuk menghasilkan setengah gelombang PWM negatif.

Sinyal dan tegangan keluaran cycloconbverter

Posted in: ELKTRONIKA