< Previous 302 Sistem Pengendalian Hubungan input-outputnya adalah: dtdVCRRRRVRRRdtdVCRRRRVininoutout33123123311 di mana: KP = R2/(R1+R3), KD = R3C Sudah tentu pengendali ini mempunyai offset dari pengendali proporsional ka-rena pengendali diferensialnya tidak bisa menghilangkan aksi reset. Gambar 4.23 Realisasi pengendali PD 4.1.6.7 Pengendali PID Pengendali yang paling sempurna dari yang telah dibicarakan sebelumnya ada-lah pengendali ini dimana tanggapan pro-porsional, integral dan diferensial diguna-kan secara bersama dalam merespon masukan. Hubungan input-output pengendali ini adalah: ³ dtdEKKdtEKKEKPPDPPIPPP Keadaan error nol tidak menjadi masalah karena pengendali integral akan menga-komodasi secara otomatik untuk offset Sistem Pengendalian 303 x Waktu diferensial TD=0,5 menit=30 s, maka RDCD = 30 s. Jika kita gunakan CD = 50 F, maka RD = 0,6 Mȍ x Kemudian dipilih R3 untuk kestabilan : kFsCTRDD95 50230263SS Jadi, R3 harus dipilih jauh lebih rendah dari 95 kȍ. Implementasi dari pengendali-pengendali ini dapat direalisasi dengan mengguna-kan rangkaian op-amp standard. Sudah tentu disini perlu menentukan skala te-gangan pada daeran operasi dipilih untuk rangkaian. Demikian juga dengan kelu-arannya, yang ada di sini dalam bentuk tegangan. Sinyal ini bisa dikonversikan menjadi sinyal-sinyal standar yang dibutuhkan oleh sistem. Gambar 4.24 Implementasi pengendali PID 304 Sistem Pengendalian 4.2 Sistem Pengendali Elektronika Daya 4.2.1 Pendahuluan Elektronika daya merupakan salah satu bagian bidang ilmu teknik listrik yang berhubungan dengan penggunaan kom-ponen-komponen elektronika untuk pengendalian daya yang besar. Era elektronika daya dimulai dengan tekno-logi tabung daya tinggi seperti thyratron, ignitron dan penyearah merkuri. Dengan ditemukannya kom-ponen-komponen semikonduktor seperti SCR, triac, dan lain-lain membuat elektronika daya menjadi bagian yang sangat penting dalam pengendalian daya listrik yang besar dan sangat luas penggunaannya. Elektronika daya menggabungkan daya, elektronika dan kontrol. Daya terkait de-ngan peralatan-peralatan daya baik yang tidak bergerak maupun yang berputar untuk pembangkitan, transmisi dan distribusi daya listrik. Elektronika terkait dengan piranti-piranti dan rangka-ian solid-state untuk pemrosesan sinyal listrik guna mendapatkan tujuan pengendalian yang dikehendaki. Kontrol menyangkut sistem kontrol operasi peralatan dan sistem agar dapat bero-perasi sesuai yang diharapkan. Jadi, Elektronika daya merupakan apli-kasi dari elektronika solid-state untuk kontrol dan konversi tenaga listrik. Berikut ini adalah gambaran tentang ruang lingkup elektronika daya yang meliputi: penyearah, inverter, DC chop-per, dan regulator AC. Gambar 4.25 Ruang lingkup elektronika daya Sistem Pengendalian 305 4.2.1.1 Penyearah Penyearah adalah suatu alat yang digu-nakan untuk mengubah arus AC men-jadi DC. Pada umumnya, dari sumber tegangan AC dan frekuensi yang tetap menjadi tegangan DC baik tetap mau-pun berubah. Penyearah yang mempu-nyai tegangan keluaran tetap, atau penyearah tak terkontrol, digunakan untuk mencatu daya DC pada peralatan-peralatan yang tidak memerlukan peng-aturan daya masukan dalam opera-sinya. Sedangkan penyearah yang mempunyai tegangan keluaran dapat diubah-ubah, atau penyearah terkontrol, terutama untuk peralatan-peralatan listrik yang dalam operasinya memerlukan penga-turan daya, misalnya untuk kontrol kecepatan pada motor DC. 4.2.1.2 Regulator AC Regulator AC digunakan untuk menda-patkan tegangan keluaran AC yang da-pat diubah-ubah dari sumber tegangan AC yang tetap. Alat ini banyak diguna-kan untuk mengatur pencahayaan lampu, pemanas, dan motor-motor AC. Ada dua macam regulator AC, yaitu kontrol On-Off dan kontrol sudut fasa. 4.2.1.3 Inverter Inverter adalah alat yang digunakan untuk mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC. Jenis-jenis tegangan DC yang dikonversikan ke AC antara lain adalah: x Tegangan DC baterai diubah menjadi tegangan AC dengan frekuensi tetap atau berubah, fasa-satu atau fasa-tiga x Tegangan sumber AC disearahkan, kemudian diubah menjadi AC kembali dengan frekuensi tetap maupun berubah, fasa-satu atau fasa-tiga Aplikasi inverter, antara lain adalah: x Pembangkitan tegangan AC tetap frekuensi 50 Hz dari sumber DC yang diperoleh dari baterai, pembangkit listrik tenaga angin, sel surya. x Kontrol kecepatan motor induksi fasa-tiga dan motor sinkron x Uninterrupted Power Sistems (UPS) x Catu daya standby, dan lain-lain 4.2.1.4 Dc-Chopper Dc-chopper digunakan untuk mengubah tegangan DC tetap menjadi tegangan DC variabel. Dc-chopper digunakan un-tuk mengendalikan kecepatan motor DC dengan sumber dari baterai atau catu daya DC. 4.2.2 Komponen Semikonduktor Daya 4.2.2.1 Dioda Daya Dioda daya merupakan salah satu komponen semikonduktor yang banyak digunakan dalam rangkaian elektronika daya seperti pada rangkaian penyearah, freewheeling (bypass) pada regulator-regulator penyakelaran, rangkaian pemi-sah, rangkaian umpan balik dari beban ke sumber, dan lain-lain. Dalam penera-pannya, seringkali, dioda daya dianggap sebagai saklar ideal walaupun dalam prakteknya ada perbedaan. x Konstruksi dioda Konstruksi dioda daya sama dengan dioda-dioda sinyal sambungan pn. Bedanya adalah dioda daya mempunyai kapasitas daya (arus, tegangan) yang lebih tinggi dari dioda-dioda sinyal biasa, namun kecepatan penyaklarannya lebih rendah. Dioda daya merupakan kompo-nen semikonduktor sambungan PN 306 Sistem Pengendalian yang mempunyai dua terminal, yaitu ter-minal anoda (A) dan katoda (K). Gam-bar 4.26 menunjukkan simbol dan kons-truksi dioda. Gambar 4.26 Simbol dan konstruksi dioda x Karakteristik Dioda Karakteristik dasar dioda dikenal de-ngan karakteristik V-I. Karakterisik ini penting untuk dipahami agar tidak terjadi kesalahan dalam aplikasi dioda. Dalam karakteristik ini dapat diketahui kea-daan-keadaan yang terjadi pada dioda ketika mendapat tegangan bias-maju (forward biased) dan tegangan bias-mundur (reverse biased) seperti ditun-jukkan pada Gambar 4.27. Gambar 4.27 Karakteristik dioda a) Bias-maju, b) Bias-mundur, c) Karakteristik V-I Jika kedua terminal dioda disambung-kan ke sumber tegangan dimana te-gangan anoda lebih positif dibandingkan dengan katoda, dioda dikatakan dalam keadaan bias-maju (forward biased). Sebaliknya, bila tegangan anoda lebih negatif dari katoda, dioda dikatakan dalam keadaan bias-mundur (reverse biased). x Karakteristik bias-maju Bila dioda dihubung dalam keadaan bias-maju, di mana potensial Anoda lebih tinggi dibandingkan Katoda atau VAK > 0 dan bila tegangan VAK lebih be-sar dari tegangan cut-in atau tegangan threshold atau tegangan turn-onnya, Vct (0,7 V untuk silikon, 0,4 V germanium), maka dioda akan konduksi (mengalirkan arus) atau ON. Besar arus yang meng-alir ditentukan oleh tegangan sumber dan beban yang terpasang. Dalam kea-daan konduksi ini ada satu hal yang sangat penting untuk diketahui adalah terjadinya tegangan jatuh maju yang besarnya tergantung pada proses pro-duksi dan temperatur sambungan-nya. Namun bila VAK < Vct, dioda masih Sistem Pengendalian 307 dalam keadaan OFF, walaupun ada arus yang mengalir namun sangatlah kecil. Arus disebut arus bocor arah maju. x Karakteristik bias-mundur dan tegangan dadal Jika VAK < 0 atau anoda lebih negatif da-ri katoda dikatakan dioda dalam kea-daan bias-mundur. Dalam keadaan ini dioda dalam keadaan tidak konduksi atau OFF. Dalam keadaan ini ada arus yang yang mengalir dari arah katoda ke anoda yang sangat kecil, dalam orde mikro atau miliamper. Arus ini disebut arus bocor. Jika tegangan mundur (VKA) melebihi suatu tegangan yang telah ditentukan, yang dikenal dengan tegangan dadal (breakdown voltage), VBR, maka arus arah mundur akan meningkat tajam dengan sedikit perubahan pada tegang-an Vbr. Keadaan ini tidak selalu merusak dioda bila masih terjaga pada level aman seperti yang ditentukan dalam data sheetnya. Bila tidak, maka dioda akan rusak. x Rating dioda Ada dua rating dioda daya yang paling penting untuk diketahui, yaitu tegangan dadal arah-mundur (reverse breakdown voltage), dan arus arah-maju maksi-mumnya (forward current). Harga dioda meningkat dengan semakin tinggi kedua rating ini. Oleh karena itu, dalam aplika-sinya, dioda dioprasikan mendekati tegangan puncak-mundur maksimum dan rating arus majunya. Jadi, dioda akan konduksi bila VAK > Vcut-in. Dioda akan Off bila VAK < Vcut-in atau VAK < 0. 4.2.2.2 Jenis-jenis dioda Berdasarkan karakteristik dan batasan-batasan dalam penerapannya, dioda diklasifikasikan ke dalam tiga kelompok, yaitu dioda standard (dioda untuk keperluan umum), dioda kecepatan tinggi, dan dioda Schottky. x Dioda standard Dioda standar ini merupakan jenis dioda yang digunakan untuk keperluan umum. Dioda ini digunakan dalam aplikasi-aplikasi kecepatan rendah, seperti pe-nyearah dan konverter dengan frekuensi masukan sampai 1 kHz. Dioda ini mem-punyai rating arus dari 1 sampai ribuan ampere dan tegangan dari 50 V sampai 5 kV. x Dioda kecepatan tinggi Dioda jenis ini mempunyai kemampuan penyaklaran dengan dengan kecepatan yang lebih tinggi dari dioda standard. Oleh karena itu, dalam penggunaannya biasa diaplikasikan pada rangkaian DC-chopper (DC-DC) dan inverter (DC-AC) di mana aspek kecepatan merupakan faktor yang sangat penting. Diode jenis ini mempunyai rating arus lebih kecil dari 1 A sampai ratusan ampere, dengan dari 50 V sampai 3 kV. x Dioda Schottky Dioda Schottky dibangun dengan mere-kayasa pada sambungan PN sehingga sangat cocok untuk aplikasi-aplikasi catu daya DC dengan arus tinggi dan tegangan rendah. Rating tegangan dibatasi sampai 100 V dengan arus dari 1 – 300 A. Walaupun begitu, diode ini juga cocok digunakan untuk catu daya arus rendah untuk meningkatkan efisiensinya. 308 Sistem Pengendalian 4.2.2.3 Thyristor Thyristor atau SCR (Silicon-Controlled Rectifier) adalah piranti semikonduktor yang sangat penting dalam aplikasi elektronika daya. Hal ini tidak lepas dari kemampuan yang dimiliki, yakni kemampuan penyakelarannya yang cepat, kapasitas arus dan tegangan yang tinggi serta ukurannya yang kecil. Komponen ini dioperasikan sebagai saklar dari keadaan tidak konduksi (Off) menjadi konduksi (On). x Konstruksi dan Karakteristik SCR Thyristor merupakan piranti semikon-duktor empat lapis pnpn, yang mem-punyai tiga terminal, yaitu Anoda, Katoda dan Gate seperti ditunjukkan pada Gambar 4.28. Gambar 4.28 Simbol dan konstruksi thyristor Jika tegangan anoda dibuat positif terhadap katoda maka sambungan J1 dan J3 mendapat bias maju sebaliknya J2 mendapat bias mundur sehingga ada arus bocor kecil yang mengalir dari katoda ke anoda. Dalam keadaan seperti ini, thyristor dalam keadaan off (terhalang) dan arus bocor keadaan off. Jika tegangan anoda-katoda, VAK dinaikkan terus sampai suatu harga tertentu sehingga mampu menjebol J2, thyristor dikatakan dalam keadaan breakdown bias maju. Tegangan yang menyebabkan breakdown ini disebut VBO. Karena J1 dan J3 dalam keadaan bias maju maka akan mengalir arus yang sangat besar dari anoda ke katoda dan thyristor dikatakan dalam keadaan konduksi atau On. Jatuh tegangan maju merupakan jatuh tegangan akibat resistansi dari keempat-lapisan, yang besarnya, tipikal 1 V. Dalam keadaan On ini arus anoda dibatasi oleh beban luar. Arus anoda harus lebih besar dari arus latchingnya, IL agar piranti ini tetap dalam keadaan On. IL merupakan arus anoda minimum yang diperlukan agar thyristor tetap dalam keadaan On, bila tidak, piranti ini akan kembali pada keadaan Off bila tegangan anoda ke katodanya diturunkan. Karakteristik v-i tipikal thyristor ditunjukkan pada Gambar 4.29. Gambar 4.29 Karakteristik thyristor Sekali thyristor konduksi maka sifatnya sama seperti dioda dalam keadaan kon-duksi dan tidak dapat dikontrol. Namun, apabila arus diturunkan sampai dengan arus holdingnya, IH thyristor akan kem- Sistem Pengendalian 309 bali pada keadaan off. Arus holding ini dalam ukuran miliampere dan lebih rendah dari arus latchingnya. Jadi arus holding IH adalah arus anoda minimum yang menjaga agar thyristor dalam keadaan on. Apabila tegangan katoda lebih tinggi terhadap anoda, sambungan J2 meng-alami bias maju sementara J1 dan J3 mengalami bias mundur. Thyristor akan menjadi dalam keadaan off dan akan ada arus kecil yang mengalir yang disebut arus bocor bias mundur, IR. Namun bila tegangan katoda-anoda dinaikkan terus sampai mencapai tegangan dadalnya, maka akan ada arus yang tinggi mengalir dari arah katoda ke anoda yang mengakibatkan rusaknya thyristor. Dalam operasi normalnya, tegangan VAK selalu ada di bawah VBO, dan VKA selalu di bawah VBD. Dengan VAK yang lebih rendah dari VBO, untuk membuat thyris-tor menjadi on dilakukan dengan mem-berikan tegangan positif pada terminal gate-nya terhadap katoda. Dengan memberikan tegangan positif pada gate sama halnya dengan memberikan arus gate, IG membuat thyristor dari off menjadi on. Semakin besar IG maka tegangan arah maju untuk membuat thyristor konduksi semakin rendah seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.29, karakteristik forward. Sekali arus trigger diberikan akan membuat thyristor on dan selama arus anodanya tidak kurang dari arus holdingnya maka thyristor akan tetap on walaupun arus triggernya dihilangkan. x Rangkaian trigger Ada tiga hal yang penting dalam kaitan-nya dengan rangkaian penyalaan (trigger) suatu thyristor, yaitu: 1. pemilihan rangkaian yang cocok guna mencatu sinyal penyalaan 2. penentuan tegangan dan arus trigger maksimum agar rating gatenya tidak dilampaui 3. penentuan tegangan dan arus gate minimum untuk memastikan bahwa bila sinyal penyalaan diberikan thyristor akan konduksi (on). Banyak model rangkaian yang bisa dipilih sebagai rangkaian trigger untuk menyalakan thyristor. Sebelum rang-kaian dirancang untuk mentrigger suatu thyristor, spesifikasi gate harus diper-hatikan. Spesifikasi gate untuk dapat dilihat dari data sheet pabrik pembuat-nya. x Proteksi thyristor Setiap thyristor akan mengalami pema-nasan akibat arus yang mengalir di dalamnya. Pemanasan ini harus dibatasi untuk mencegah dari panas lebih yang bisa mengakibatkan rusaknya kompo-nen. Untuk menghindari dari pemanas-an lebih, setiap thyristor atau satu ke-lompok thyristor selalu dipasang dengan alat pendinginnya sesuai dengan kapa-sitasnya. Selain itu komponen ini juga harus diamankan dari: (a) arus beban lebih, (b) di/dt dan c) dv/dt). x Proteksi dari arus beban lebih Untuk mengatasi dari arus beban lebih, thyristor diamankan dengan sekering (pengaman lebur). Pemasang-an peng-aman ini bisa dilakukan melalui peng-amanan fasa atau pengamanan cabang seperti ditunjukkan pada Gambar 4.30. 310 Sistem Pengendalian Gambar 4.30 Proteksi dari arus beban lebih: proteksi fasa dan proteksi cabang x Proteksi di/dt di/dt adalah tingkat perubahan arus yang mengalir melalui thyristor ketika terjadi perubahan kondisi dari off ke on. Ketika terjadi perubahan keadaan dari off ke on, maka akan terjadi tingkat perubahan arus di/dt ini. Tingkat peru-bahan arus ini harus dibatasi untuk menghindari pemanasan lebih pada daerah sambungan (junction) yang bisa mengakibatkan rusaknya komponen. Oleh karena itu, di/dt harus di bawah spesifikasi di/dt maksimum komponen. Hal ini dapat dilakukan dengan mema-sang induktor L secara seri dengan komponen. Secara pendekatan, di/dt maksimum dapat dihitung melalui persamaan: di/dtmaks = Vm/L [A/s], di mana Vm adalah tegangan masukan maksimum (V) dan L adalah induktansi (L) induktor yang dipasang seri. x Proteksi dv/dt Proteksi terhadap tegangan lebih dilakukan dengan memasang rangkaian RC secara paralel dengan thyristor seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.31. Gambar 4.31 Proteksi terhadap tegangan lebih Setiap thyristor mempunyai spesifikasi dv/dt maksimumnya. Ketika thyristor berubah dari keadaan off ke on, maka akan terjadi tingkat perubahan tegangan yang sangat cepat yang disebut dengan dv/dt. Tingkat perubahan tegangan ini tidak boleh melebihi dv/dt maksimum-nya. Bila ini terjadi, maka thyristor akan on dengan sendirinya sehingga tidak bisa dikendalikan lagi. Hal ini harus di-cegah, yaitu dengan memasang RC ini paralel dengan thyristor. Rangkaian RC ini dikenal dengan rangkaian Snubber. Secara pendekatan dv/dt dapat dihitung dengan menggunakan persamaan: LCVdtdv dan CLR Jadi, dengan pemilihan L, C, dan R pada rangkaian, dv/dt pada thyristor dapat dibatasi pada harga yang aman. Tipikal, C = 0,1F, R=100 ȍ – 1 k ȍ. Dari uraian yang telah dijelaskan di atas dapat disimpulkan hal-hal sebagai berikut: x Thyristor akan On pada dua kondisi: (1) VAK = VBO; (2) 0 < VAK < BO dan IG > 0; dan dv/dt melebihi spesifikasi dv/dt (data sheet) komponen. x Thyristor dalam keadaan Off pada kondisi: (1) VAK < VBO dan IG = 0; (2) VAK > 0, IG > 0; (3) VAK<0 dengan IG > 0 atau IG <0 Sistem Pengendalian 311 x Diac dan Triac Piranti semikonduktor empat-lapis ha-nya dapat mengalirkan arus pada satu arah saja. Agar dapat mengalirkan arus dua arah dapat diperoleh dengan meng-hubungkan dua piranti empat-lapis secara berlawanan sehingga mem-bentuk struktur lima-lapis seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.32. Gambar 4.32 Dua komponen 4-lapis dihubungkan secara berlawanan Piranti dengan struktur lima-lapis ini dapat dibentuk secara tunggal seperti ditunjukkan pada Gambar 4.33. Gambar 4.33 Komponen semikonduktor lima-lapis: a) tanpa gate, b) dengan gate Apabila terminal A1 positif terhadap A2 sebesar suatu tegangan yang besarnya melampaui tegangan breakovernya, piranti ini akan break over sebagaimana thyristor (P2, N2, P1, N1). Untuk arah terbalik lapisan P1, N2, P2, N3 akan breakover pada arah tegangan yang berlawanan. Piranti lima-lapis tanpa gate dapat diran-cang untuk bermacam-macam tegangan dan arus break over. Bangunan piranti ini ditunjukkan pada gambar 4.33 (a). Piranti ini akan break over pada kuad-rant 1 dan kuadrant 3 sebagaimana ditunjukkan pada Gambar 2.34, dengan rating tegangan dan arus ditentukan se–suai dengan tipenya. Piranti ini disebut Diac. Jadi, diac merupakan piranti semi-konduktor lima-lapis tanpa gate yang bekerjanya pada tegangan break over-nya baik pada arah-maju maupun mun-dur. Karena karakteristik inilah diac digunakan dalam rangkaian trigger guna mentrigger (mengaktifkan) piranti semi-konduktor daya lain. Gambar 4.34 Simbol dan karakteristik diac Gambar 4.35 Contoh diac Piranti semikonduktor lima-lapis dengan gate disebut Triac, yang konstruksinya ditunjukkan pada Gambar 4.33 (b). Next >