< Previous 312 Sistem Pengendalian Dengan adanya gate pada triac me-mungkinkan untuk mengubah karakte-ristik V-I dengan memasukkan atau mengeluarkan arus ke/dari piranti ini sehingga dapat break over pada tegang-an yang lebih rendah dari tegangan break over normalnya (tanpa arus gate). Gambar 4.36 Simbol dan karakteristik Triac Bila thyristor hanya beroperasi pada daerah forward, triac bekerja pada kedua bias-nya, arah maju dan mundur (Gambar 4.36). Sinyal trigger diaplika-sikan antara gate dan A1. Dalam pengoperasian triac, diperlukan pentriggeran sebagai berikut: 1. Apabila A2 positif terhadap A1, begitu juga gatenya, maka triac akan beroperasi pada kuadrant 1; 2. Apabila A2 positif terhadap A1, sedangkan gate negatif terhadap A1 maka triac juga akan beroperasi pada kuadrant 1; 3. Apabila A2 negatif terhadap A1, dan gatenya positif terhadap A1, maka triac akan beroperasi pada kuadrant 3; 4. Apabila A2 negatif terhadap A1, dan gatenya negatif terhadap A1, maka triac akan beroperasi pada kuadrant 3 juga. Catatan: Kondisi 3 biasanya tidak digu-nakan dalam praktek karena kondisi triac kurang sensitif. Gambar 4.37 Contoh spesifikasi triac 4.2.3 Penyearah Penyearah adalah alat yang digunakan untuk mengubah arus AC menjadi DC. Secara umum, penyearah dibagi men-jadi dua, yaitu penyearah tidak terken-dali dan penyearah terkendali. Dari masing-masing kelompok kemudian dibagi berdasarkan sumber tegangan masukannya, yaitu fasa-satu atau fasa-tiga. Penyearah fasa-tiga dimaksudkan untuk daya yang lebih besar. Berikut ini adalah ikhtisar penyearah. Sistem Pengendalian 313 Gambar 4.38 Ikhtisar penyearah dan simbol-simbolnya 4.2.3.1 Penyearah Tidak Terkontrol Dioda digunakan dalam elektronika daya terutama untuk mengubah daya AC menjadi DC. Pengubah daya AC menjadi DC disebut penyearah (rectifier). Penyearah yang menggu-nakan dioda adalah penyearah yang tegangan keluarannya tetap. Untuk memberikan gambaran yang mendasar tentang aplikasi dioda dalam elektronika daya, pada bagian ini akan dibahas tentang rangkaian-rangkaian dioda yang melibatkan jenis-jenis beban dan penyearah tidak terkendali. Rangkaian dioda dengan bermacam-macam beban dimaksudkan untuk memberikan landasan dasar tentang dampak beban dalam rangkaian. Sedangkan jenis-jenis rangkaian penye-arah dimaksudkan untuk memberikan pemahaman tentang perilaku penyearah yang tidak hanya penting untuk aplikasi dioda saja namun sangat diperlukan bagi pengembangan konsep untuk aplikasi-aplikasi elektronika daya selan-jutnya. Untuk mempermudah pemaham-an, pada bahasan ini dioda ditinjau dari sisi idealnya, di mana faktor kecepatan dan jatuh tegangan maju diabaikan. x Penyearah fasa-satu satu pulsa E1U Penyearah fasa-tunggal setengah ge-lombang merupakan jenis penyearah yang paling sederhana, dan tidak biasa digunakan dalam aplikasi industri. Walaupun begitu, konsep yang dimiliki sangat membantu dalam memahami prinsip operasi penyearah. Penyearah fasa-tunggal setengah gelombang atau sering disebut penyearah satu pulsa dengan beban R ditunjukkan pada Gambar 4.39. Gambar 4.39 Penyearah E1U Selama setengah gelombang pertama tegangan masukan, dioda D1 mendapat tegangan bias maju dan menjadi kon-duksi sehingga arus mengalir ke beban dan tegangan masukan muncul pada beban yang disebut tegangan keluaran DC, Vd. Kemudian setengah gelombang berikutnya, D1 mendapat bias mundur membuat dioda dalam keadaan terha-lang (blocking state) sehingga tegangan pada beban atau tegangan keluaran, Vd, adalah nol sebagaimana ditunjukkan 314 Sistem Pengendalian secara leng-kap pada Gambar 4.39. Karena gelombang tegangan yang muncul pada beban hanya satu gelombang atau setengah gelombang penuh, maka penyearah ini sering disebut penyearah satu pulsa atau setengah gelombang. 4.2.3.1.1 Parameter-parameter unjuk kerja penyearah Unjuk kerja suatu penyearah penting untuk diketahui sebagai antisipasi terha-dap dampak negatif yang ditimbul-kannya baik yang terkait dengan hasil penyearahan maupun terhadap kualitas daya pada sisi sumber. Sebagai contoh, terlihat nyata bahwa hasil penyearahan merupakan bentuk gelombang pulsa yang mengandung harmonisa. Harmonisa ini, disamping mempenga-ruhi kualitas hasil penyearahan juga sumber dayanya. Banyak jenis penyearah, namun pada umumnya, unjuk kerja dievaluasi melalui parameter-parameter seperti yang akan dijelaskan berikut ini. x Tegangan keluaran rata-rata, arus keluaran rata-rata, IDC, x Daya keluaran DC: PDC = VDC IDC x Tegangan keluaran efektif (rms), Vrms x Arus keluaran efektif, Irms x Daya keluaran AC: Pac = Vrms Irms x Efisiensi penyearah merupakan hasil bagi antara daya keluaran DC dan daya keluaran AC atau: Ș = PDC/Pac x Tegangan keluaran dari suatu penyearah terdiri atas dua komponen, yaitu komponen DC dan komponen AC atau ripel (denyut). x Harga efektif komponen AC adalah: Vac = ¥(V2rms – V2DC) x Faktor bentuk (form factor) yang merupakan ukuran dari bentuk tegangan keluaran adalah: FF = Vrms/VDC x Faktor ripel (ripple factor) yang merupakan ukuran dari muatan ripel, didefinisikan sebagai: RF = Vac/VDC x Faktor ripel juga dapat dinyatakan dalam bentuk: RF = ¥ ((Vrms/VDC)2-1) =¥(FF2-1) Contoh: Sebuah penyearah seperti pada Gambar 4.39 mempunyai beban resistif murni R. Tentukan (a) efisiensi, (b) faktor bentuk, (c) faktor ripel, dan (d) faktor pemanfaatan trafo. Jawaban: Tegangan keluaran DC: VDC = Vm/ʌ = 0,318 Vm, IDC = VDC/R = 0,318 Vm/R. Tegangan keluaran efektif (rms): Vrms = Vm/2 = 0,5 Vm Irms = Vrms/R = 0,5 Vm/R Daya keluaran DC: PDC=VDC IDC = (0,318 Vm)2/R Daya keluaran AC: Pac = Vrms Irms = (0,5 Vm)2/R Efisiensi Ș =PDC/Pac=VDC. VDC/R =(0,318 Vm)2/(0,5 Vm) = 40,5 % Faktor bentuk FF=Vrms/VDC =0,5 Vm/0,318 Vm = 1,57 atau 157 % Faktor ripel RF = ¥ (FF2-1) = 1,21 atau 121 % 4.2.3.1.2 Penyearah dua-pulsa, rangkaian jembatan B2U Penyearah dua-pulsa atau fasa-satu gelombang penuh dapat dibentuk Sistem Pengendalian 315 dengan menggunakan rangkaian trafo center-tap atau rangkaian jembatan. Penyearah center-tap hanya meng-gunakan trafo center-tap dan dua dioda. Sedangkan penyearah rangkaian jem-batan menggunakan empat dioda. Rangkaian ini merupakan rangkaian penyearah fasa-tunggal gelombang penuh yang paling umum digunakan. Rangkaian selengkapnya ditunjukkan pada Gambar 4.40. 4.2.3.1.3 Prinsip kerja rangkaian Diketahui bahwa tegangan masukan v1 adalah sinusoidal dan arus listrik mengalir dari polaritas tinggi ke polaritas rendah pada sumbernya (dalam hal ini sumber diperoleh dari sekunder tranformator). Gambar 4.40 Penyearah B2U a) Rangkaian; b) tegangan masukan; c) tegangan keluaran Gambar 4.41 Jenis tampilan rangkaian jembatan Pada setengah perioda pertama dari v1, dioda D1 dan D4 sama-sama dalam keadaan bias-maju sehingga kedua dioda menjadi On (konduksi), sebaliknya D3 dan D2 mendapat bias-mundur se-hingga kedua dioda menjadi Off. Dalam keadaan D1 dan D4 On, maka arus IZ1 akan mengalir dari polaritas tinggi sum-ber (trafo) melalui D1 ke beban kemu-dian ke D4 dan kembali ke polaritas ren-dah sumber sehingga tegangan muncul pada sisi keluaran, yang disebut tegang-an keluaran DC, Vd dan arus arus beban Id sama dengan IZ1. Pada setengah perioda berikutnya, pola-ritas sumber berubah yang tadinya ren-dah menjadi tinggi. Dalam keadaan ini D3 dan D2 mendapat bias-maju sehingga kedua dioda tersebut menjadi On, dan sebaliknya D1 dan D4 mendapat bias-mundur sehingga kedua dioda dalam keadaan Off. Arus mengalir dari sumber IZ2 melalui D3 ke beban dan kemudian ke D1 dan kembali ke sumber sehingga tegangan Vd muncul pada sisi keluaran. Untuk rangkaian ini berlaku rumus-rumus sebagai berikut: x Tegangan dan arus keluaran DC: mmmdcVVdttVTV 6336,02 sin2 ³SZRVRVImdcdc 6366,0 316 Sistem Pengendalian x Tegangan dan arus keluaran rms mmTmrmsVVtVTV0707,02)sin(22/12/02 »¼º«¬ª ³Z RVRVImrmsrms707,0 Walaupun sama fungsinya, di pasaran ada beberapa gambar dengan bentuk tampilan yang berbeda seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.41. 4.2.3.1.4 Penyearah fasa-tiga, tiga-pulsa, tidak terkendali M3U Penyearah penyearah fasa-tiga, tiga pulsa, tidak terkendali fasa-tiga, disebut juga penyearah fasa-tiga hubungan bintang tidak terkendali. Tegangan masukan dari penyearah ini adalah tegangan fasa-tiga, yaitu L1, L2, dan L3. Pada masing-masing saluran dipasang satu dioda. Rangkaian dan hubungan antara gelombang tegangan masukan dan keluaran ditunjukkan pada Gambar 4.42. Pada gambar ini memperlihatkan dua rangkaian yang berbeda. Gambar 4.42 a) memperlihatkan bahwa ketiga saluran masukan, masing-masing dihubung ke anoda masing-masing dioda, sedangkan katoda dari ketiga dioda dihubung menjadi satu (dihubung bintang). Karena ujung-ujung katoda yang disatukan, rangkaian ini disebut rangkaian M3UK. Sebaliknya Gambar 4.42 b) anoda dari ketiga dioda yang dihubung menjadi satu, oleh karena itu, rangkaian tersebut disebut M3UA. Gambar 4.42 Rangkaian penyearah M3U Gambar 4.43 Bentuk tegangan keluaran penyearah M3U 4.2.3.1.5 Prinsip kerja rangkaian Apabila rangkaian dihubungkan dengan sumber fasa-tiga sebagaimana yang ditunjukkan oleh Gambar 4.43, maka akan mengalir arus IZ1 melalui D1 mulai sudut fasa 30° selama 120°, sementara D2 dan D3 dalam keadaan off. Kemudian setelah D1 mengalirkan arus selama 120°, D1 kemudian kembali off dan D2 mulai konduksi dan menghantarkan arus IZ2, sementara D3 dan D1 masih dalam keadaan off. Baru setelah D2 menghantarkan arus selama 120°, baru D3 dalam keadaan konduksi dan menghantarkan arus IZ3, D2 kembali Sistem Pengendalian 317 off dan D1 masih dalam keadaan off. Demikian, proses ini terjadi berulang. 4.2.3.1.6 Penyearah fasa-tiga, enam-pulsa, rangkaian jembatan, tidak terkendali B6U Penyearah fasa-tiga jembatan seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.44, sangat umum digunakan dalam aplikasi daya-tinggi. Penyearah ini merupakan penyearah fasa-tiga gelombang penuh. Gambar 4.44 Penyearah B6U Penyearah ini mempunyai tegangan keluaran 6-pulsa. Dioda-dioda diberi penomoran sesuai dengan urutan konduksinya dan masing-masing dioda konduksi selama 120°. Urutan konduksi dioda adalah 12, 23, 34, 45, 56, dan 61. Pasang-dioda yang terhubung dengan dua tegangan saluran yang mempunyai tegangan tertinggi akan konduksi. Tegangan antar saluran adalah ¥3 kali tegangan fasa dari sistem fasa-tiga hubungan bintang. Gambar 4.45 Bentuk gelombang tegangan dan dioda-dioda yang konduksi 318 Sistem Pengendalian Tabel 4.1 Ikhtisar penyearah Jenis Rangkaian Penyearah Satu-Pulsa Penyearah Dua-Pulsa Jembatan Penyearah Tiga-Pulsa, Titik Bintang Penyearah Enam-Pulsa Jembatan Kode E1U B2U M3U B6U Rangkaian Tegangan tanpa beban 1VVdi 0,45 0,9 0,68 1,35 Faktor ripel 1,21 0,48 0,18 0,04 dTPP 3,1 1,23 1,5 1,1 IZ Id 2dI 3dI 3dI Vdi: tegangan DC-tanpa beban, V1: tegangan AC, PT: daya trafo, Pd: daya DC, Vd: tegangan DC-berbeban, Id: arus DC, IZ: arus yang mengalir melalui satu dioda Sistem Pengendalian 319 4.2.3.2 Penyearah Terkendali Seperti yang telah dijelaskan sebelum-nya bahwa, penyearah tak terkendali menghasilkan tegangan keluaran DC yang tetap. Bila dikehendaki tegangan keluaran yang bisa diubah-ubah, digu-nakan thyristor sebagai pengganti dioda. Tegangan keluaran penyearah thyristor dapat diubah-ubah atau dikendalikan dengan mengendalikan delay atau sudut penyalaan, Į, dari thyristor. Penyalaan ini dilakukan dengan memberikan pulsa trigger pada gate thyristor. Pulsa trigger dibangkitkan secara khusus oleh rangkaian trigger. Gambar 4.46 Penyearah E1C Rangkaian trigger dirancang untuk memberikan pulsa dengan ketinggian dan kelebaran tertentu disesuaikan dengan thyristor yang digunakan. Pulsa ini juga dapat digeser-geser sudutnya sehingga penyalaan thyristor dapat dilakukan setiap saat dalam ranah (range)nya. Gambar 4.46 menunjukkan prinsip kerja dari penyearah satu-pulsa terkendali E1C. Jika thyristor dirangkai seperti gambar ini, tegangan masukan berupa tegangan sinusoidal dan beban R, maka pada setengah gelombang pertama thyristor mendapat bias-maju. Bila thyristor disulut pada sudut Į, thyris-tor Q1 akan konduksi maka tegangan keluaran v1 akan muncul pada beban. Keadaan konduksi ini berlangsung hing-ga tegangan kembali ke nol dan mulai negatif (komutasi alamiah). Ketika te-gangan negatif, maka Q1 dalam kea-daan bias-mundur. Waktu dari tegangan mulai beranjak ke arah positif sampai dengan thyristor mulai konduksi disebut sudut penyalaan atau sudut penyulutan Į. Dengan demikian, tegangan keluaran penyearah dapat diatur-atur dengan mengatur sudut penyalaan pulsa gatenya, dalam hal ini, dari 0 - 180°. Bila sudut penyalaan Į kecil, berarti thyristor konduksi secara dini sehingga tegangan (vd) dan daya keluaran akan besar. Sebaliknya, bila sudut Į besar, tegangan dan daya keluarannya akan kecil. 4.2.3.2.1 Hubungan tegangan dan arus keluaran pada beban R dan beban L Dalam kenyataannya sifat beban mem-pengaruhi perilaku suatu penyearah. 320 Sistem Pengendalian Gambar 4.47 Bentuk gelombang arus dan tegangan keluaran pada E1C Bila penyearah pada Gambar 4.46 diberi beban resistif R, maka arus keluaran i dan tegangan keluaran vd mempunyai polaritas yang sama sehingga mempu-nyai kesamaan dalam bentuk gelom-bang seperti ditunjukkan pada Gambar 4.47 untuk beban Resistif. Ketika vd nol maka i juga nol, ketika tegangan vd maksimum maka arus i juga maksimum. Perilaku rangkaian menjadi berbeda ketika dibebani dengan L. Seperti yang terlihat pada Gambar 4.48 untuk beban induktif L, ketika thyristor disulut pada sudut Į, ketika tegangan vd nol arus i juga nol. Namun ketika tegangan vd maksimum, arus i tidak mengikuti tegangan seperti pada beban R, namun mengikuti proses penyimpanan energi pada induktor. Oleh karena itu, ketika tegangan kembali ke nol, induktor melepaskan arus pada arah yang sama sehingga tegangan berubah menjadi negatif. Kejadian ini tidak dikehendaki dalam aplikasi penyearahan. Untuk meng-hilangkan pengaruh induktansi tersebut dipasang dioda free-wheeling seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.48. Dioda ini berfungsi menyalurkan arus balik ke beban lagi (tidak ke sumber) se-hingga peristiwa tegangan negatif bisa dihilangkan. Gambar 4.48 Dioda free-wheeling Jika Vd0 adalah tegangan keluaran ketika Į = 0, dan VdĮ adalah tegangan pada sudut Į, maka karakteristik peng-aturan Vd0/VdĮ untuk beban resistif R dan beban induktif L ditunjukkan pada Gambar 4.49. Gambar 4.49 Karakteristik pengaturan E1C Sistem Pengendalian 321 Dari gambar ini jelas terlihat prubahan tegangan keluaran vdĮ pada sudut penyalaan untuk beban R dan beban L. Di sini terlihat jelas bahwa sudut penga-turan pada beban R dapat dilakukan pada daerah 0-180°, sedangkan pada beban L terbatas dari 0-90° saja. 4.2.3.2.2 Penyearah dua-pulsa terkendali B2C Penyearah dua-pulsa rangkaian jem-batan terkendali, B2C, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 4.50 merupa-kan salah satu tipe penyearah yang banyak diaplikasikan karena keandalan-nya. Prinsip kerja dari penyearah ini, secara prinsip hampir sama dengan penyearah B2U. Bedanya, di sini dibutuhkan unit trigger sebagai sumber pulsa trigger. Rangkaian ini membutuhkan 2 pasang pulsa trigger, yaitu 1 pasang bekerja di daerah setengah gelombang positif dan 1 pasang yang lain pada setengah ge-lombang negatif. Bila penyearah dihu-bung dengan sumber tegangan seperti yang terlihat pada gambar, pada setengah gelombang positif thyristor Q1 dan Q4 mendapat bias-maju. Dalam keadaan ini, bila kedua thyristor tersebut disulut pada sudut Į yang sama maka tegangan masukan akan dikirim ke beban sejak awal sudut penyulutan sampai kedua thyristor mengalami komutasi (tegangan nol). Kemudian pada setengah peiode berikutnya, thyristor Q3 dan Q2 mendapat bias maju. Sama halnya dengan keadaan pada setengah perioda pertama, bila kedua thyristor ini disulut pada sudut Į yang sama, pada daerah negatif terse-but maka tegangan negatif masukan akan ditransfer ke beban sehingga tegangan keluaran VdĮ terlihat seperti yang ditunjukkan oleh Gambar tersebut. Gambar 4.50 Penyearah B2C Gambar 4.50 juga menunjukkan bentuk gelombang tegangan dan arus keluaran, VdĮ dan IdĮ, di mana keduanya mempunyai polaritas yang sama. Kelebihan penyearah ini adalah kemam-puannya dalam mengumpanbalikkan energi beban ke sumber. Dengan beban yang induktansinya tinggi, aliran arus akan kontinyu tidak seperti penyearah-penyearah terkendali fasa-satu lainnya. 4.2.3.2.3 Penyearah fasa-tiga terkendali Penyearah fasa-tiga memberikan tegangan keluaran rata-rata yang lebih tinggi, dan faktor ripelnya lebih rendah dari penyearah fasa-satu sehingga masalah filteringnya juga semakin simpel. Karena itulah, penyearah fasa-tiga terkendali sangat banyak digunakan dalam pengendalian kecepatan motor berdaya tinggi. Salah satu bentuk aplikasi penyearah fasa-tiga terkendali adalah penyearah M3C, penyearah fasa-tiga, tiga-pulsa, terkendali (Gambar 4.51). Tiga thyristor, Next >