2.1
BAB II TINJAUAN PUSTAKA
Inverter Kedudukan inverter pada sistem pembangkit listrik tenaga surya atau PLTS adalah
sebagai peeralatan yang mengubah listrik arus searah (DC) menjadi listrik arus bolak-balik
(AC). Kualitas inverter merupakan penentu dari kualitas daya yang dihasilkan oleh sutau sistem. Inverter berfungsi mengubah listrik arus searah (DC, Direct Current) baterai atau rangkaian rectifier-charger menjadi arus bolak-balik (AC, Alternating Current). Sinyal atau gelombang output berbentuk kotak setelah melalui pembentukan gelombang dan
rangkaian filter. Tegangan output yang dihasilkan harus stabil baik amplitudo tegangan maupun frekuensinya. Inverter yang digunakan secara umum ada dua macam, yaitu : 1. Inverter dengan frekuensi dan tegangan konstan atau CVCF (Constant Voltage Constant Frequency) yang bnayak digunakan untuk peralatan-peralatan lektronika atau peralatan listrik satu fasa. 2. Inverter dengan tegangan dan frekuensi berubah-ubah yang biasa digunakan pada pemakaian khusus seperti pada motor listrik tiga fasa dengan sumber tegangan DC. 2.1.1
Prinsip Kerja Inverter 1 Phasa Gambar di bawah menunjukkan prinsip kerja dari sebuah inverter satu fasa.
Komponen gambar di atas terdiri dari empat buah transistor (TR1, TR2, TR3, dan TR4), empat buah dioda, R sebagai beban, dan sumber tegangan DC. Empat buah transistor bertindak sebagai saklar dimana TR1 dikendalikan secara bersamaan dengan TR4 dan TR2 dikendalikan secara bersamaan dengan TR3. Jika TR1 dan TR4 dioperasikan (on) maka akan ada arus yang mengalir dari sumber tegangan DC melalui TR1 menuju beban yang kemudian akan kembali ke sumber tegangan DC melalui TR4. Jika TR1 dan TR4 off sementara TR2 dan TR3 on maka akan ada arus yang mengalir dari sumber tegangan DC melalui TR2 menuju beban dan kembali ke sumber tegangan DC melalui TR3. Begitu seterusnya sehingga diperoleh output dengan gelombang AC.
4
5
Gambar 2.1 Prinsip Kerja Inverter
2.1.2
H-Bridge Inverter Sebuah inverter dengan konfigurasi H-Bridge adalah sabuah konfigurasi switching
dari empat buah switch dalam satu rangkaian yang menyerupai huruf H. Dengan pengontrolan switches yang berbeda dalam bridge, positif, negatif, atau potensial tegangan nol dapat ditempatkan sebuah beban. Ketika beban ini adalah sebuah motor, keadaan ini berhubungan dengan forward, reverse, dan off.
Gambar 2.2 Konfigurasi H-Bridge using N-Channel MOSFETs
Sumber : http://www.wpi.edu/
Gambar 2.2 di atas memperlihatkan rangkaian H-Bridge dari empat buahswitch berhubungan dnegan sisi kiri tinggi (high side left), sisi kanan tinggi (high side right), sisi kiri rendah (low side left), dan sisi kanan rendah (low side right). Ada empat kemungkinan posisi switch yang dapat digunakan untuk mendapatkan tegangan agar sampai ke beban.
6
Tabel 1 Posisi Switch H-Bridge
High Side
High Side
Low Side
Low Side
Tegangan di
Left
Right
Right
Right
Beban
On
Off
Off
On
Off
On
On
Off
On
On
Off
Off
Potensial Nol
Off
Off
On
Off
Potensial Nol
Positif (+ Vdc) Negatif (Vdc)
Untuk memperoleh kualitas tegangan dan arus yang bagus, diterapkan teknik
Sinusoidal Pulse Width Modulation (SPWM). Teknik ini menggunakan dua buah sinyal
segitiga dengan frekuensi yang sama dan satu buah sinyal sinusoida atau dua buah sinyal sinusoida sebagai referensi dan sebuah sinyal segitiga. Frekuesnsi penyaklaran dari inverter ditentukan oleh frekuensi dari sinyal segitiga dan frekuensi output inverter ditentukan oleh frekuensi dari sinyal referensi (sinusoidal). Jika amplitudo sinyal segitiga adalah Vcr dan tegangan dari sinyal referensi adalah Vm, maka indeks modulasi (M) dari inverter ditentukan dengan persamaan :
Inverter H-Bridge biasa disebut inverter Full-Bridge. Inverter satu fasa full-bridge terdiri atas empat buat transistor. Prinsip kerjanya adalah arus dari sumber Vs akan mengalir ke beban melalui Q1 jika Q1 dan Q4 dalam keadaan on dan Q3 dan Q2 dalam keadaan off. Arus dari beban akan kembali ke sumber Vs melalui Q4. Ketika Q1 dan Q4 off, Q2 dan Q3 on. Arus dari sumber Vs akan mengalir menuju ke beban melalui Q3 dan akan kembali ke sumber Vs melalui Q2.
7
Gambar 2.3 Rangkaian Inverter Satu Fasa Full-Bridge
2.1.3
Inverter Half-Bridge
Gambar 2.4 Inverter Half-Bridge
Gambar 2.5 Inverter Half-Bridge Saklar Elektronik
Rangkaian inverter half-bridge menggunakan dua buah saklar, yaitu saklar S1 dan saklar S2 yang bekerja secara bergantian. Pada saat saklar S1 ON, arus mengalir dari – S1 – beban BA -
(+)
(-) sedangkan S2 dalam keadaan terbuka (OFF). Pada saatsaklar S2
ON, saklar S1 dalam keadaan terbuka dan arus mengalir
(+) – S1 – beban AB -
(-).
Dengan demikian, dalam satu periode beban merasakan adanya arus yang mengalir dalam dua arah (bolak-balik). Jika saklar S1 dan S2 diganti dengan saklar elektronik yang dapat memenuhi kriteria di atas, misalnya dengan dua buah MOSFET, maka rangkaiannya seperti pada Gambar 2.5.
8
2.2
Osilator Osilator merupakan sebuah rangkaian yang menghasilkan suatu bentuk gelombang
berulang pada keluarannya dengan tegangan supply DC sebagai inputnya. Tegangan output
dapat berupa gelombang sinus maupun nonsinus, tergantung dari jenis osilatornya. Biasanya, cara kerja osilator berdasarkan pada prinsip umpan balik positif (positive feedback).
Osilator dapat merubah listrik dari DC menjadi AC dan terdiri dari suatu penguat
transistor untuk pengatan dan suatu rangkaian umpan balik positif yang menghasilkan
pergeseran fasa serta menyediakan attenuasi.
Gambar 2.6 Elemen dasar daro Osilator
Osilator dapat menghasilkan berbagai macam bentuk gelombang seperti terlihat pada Gambar 2.7.
Gambar 2.7 Macam-Macam Gelombang Output Osilator
2.2.1
Umpan Balik Positif pada Osilator Umpan balik positif (positive feedback) merupakan umpan balik dimana sinyal
pengembalian dibantu atau menambah efek tegangan masukan dengan kondisi bagian dari
9
tegangan output yang berasal dari penguat diumpan balik ke masukan tanpa adanya
pergeseran fasa (phase sift) yang mengakibatkan penguatan pada sinyal keluaran.
Gambar 2.8 Osilasi Hasil Umpan Balik Positif
Pada Gambar 2.8 di atas terlihat bahwa tegangan umpan balik (Vfb) pada kondisi satu fasa dikuatkan untuk menghasilkan tegangan keluaran (Vout). Dalam hal ini dibuat sebuah loop yang menghasilkan keluaran gelombang sinusoida yang berkelanjutan (osilasi). Osilasi menunjukkan tidak berfungsinya suatu penguat. Jika sebuah penguat mempunyai umpan balik positif, dimungkinkan terjadinya osilasi, dimana ada sinyal frekuensi tinggi yang tidak diinginkan sehingga osilasi mengganggu sinyal yang diinginkan. Oleh karena itu, digunakan kaasitor pada suatu penguat untuk mencegah terjadinya osilasi. Terdapat dua kondisi yang diperlukan untuk terjadinya osilasi terus menerus, yaitu : 1. Pergeseran fasa di sekitar loop umpan balik harus 0.
Gambar 2.9 Pergeseran Fasa di Sekitar Loop
2. Penguatan tegangan di sekitar loop umpan balik harus sama dengan 1.
10
Gambar 2.10 Gain Tegangan di Sekitar Loop
Penguatan tegangan di sekitar loop umpan balik tertutup (Acl) adalah hasil
perkalian dari amplifier gain (Av) dengan atenuasi (B) dari rangkaian umpan balik : 2.2.2
Kondisi Awal Osilator Sebuah osilator untuk dpat menghasilkan keluaran gelombang sinusoida yang
berulang-ulang dimulai pada waktu tegangan catu daya DC diberikan. Pada waktu osilasi dimulai, penguatan tegangan di sekitar loop umpan balik positif harus lebih besar dari 1 sehingga amplitudo pada keluaran dapat menambah tingkatan yang diinginkan.
Gambar 2.11 Kondisi Awal Osilasi
Ketika osilasi dimulai pada saat t 0, kondisi Acl> 1 menyebabkan amplitudo tegangan keluaran sinusoida mengalami peningkatan untuk suatu tingkat yang diinginkan. Pada waktu Acl mengalami penurunan sampai 1 maka amplitudo yang diinginkan harus dipertahankan. Ketika catu daya dinyalakan, suatu tegangan laju umpan balik positif timbul dari derau broad band yang menghasilkan panas pada resistor atau komponen lainnya. Rangkaian feedback hanya memperbolehkan tegangan dengan frekuensi yang sama dengan frekuensi osilasi yang dipilih untuk menampilkan fasa pada input amplifier.
11
2.2.3
Jenis-jenis Osilator
2.2.3.1 Bubba Oscillator
Bubba Oscillator adalah rangkaian penghasil gelombang sinusoida yang dapat diatur besarnya frekuensi yang diinginkan dengan mengatur konfigurasi dari resistor dan kapasitor yang ada pada rangkaian. Konfigurasi dari resistor dan kapasitor ini bertindak
sebagai filter pada Bubba Oscillator. Bubba Oscillator dibuat dari empat buah op-amp untuk memeperkuat sinyal. Bubba Oscillator adalah salah satu jenis osilator pergeseran fasa. Bubba Oscillator hanya membutuhkan 450 agar dapat berfungsi karena empat buah op-amp yang ditempatkan
secara seri akan menghasilkan pergeseran sebesar 180 0.
Empat buah filter yang identik pada Bubba Oscillator memasing-masing menggeser sinyal 450. Yang menyebabkan pergeseran fasa 1800 yang nanti akan kembali ke pergeseran fasa nol derajat dengan penguat pembalik yang diletakkan di op-amp pertama.persamaan matematis :
Gambar 2.12 RC Filter Schematic
Dimana,
12
Efek dari filter adalah akan memperlemah sinyal sehingga sinyal harus diperkuat
agar osilator bekerja. Osilator hanya akan bekerja jika sinyal dolewatkan kembali ke dalam sistem yang besarnya sama dengan sinyal output pertama.
| |
|
|
(
√
√
)
Persamaan di atas menunjukkan redaman total dari sistem sebesar 1/4 dari sinyal asli. Oleh akrena itu amplifikasi penguat pembalik besarnya harus 4. Masalah yang ada pada osilator adalah sulit mendapatkan amplifkasi yang tepat dari sinyal.
2.2.3.2 Osilator Gelombang Segitiga
Osilator gelombang segitiga adalah rangkaian yang terdiri dari gabungan antara rangkaian schmitt dan rangkaian integrasi dan menggunakan IC TL 082 untuk penguat operasional.
Gambar 2.13 Rangkaian Osilator Gelombang Segitiga
IC 1 adalah rangkaian schmitt dan IC 2 adalah rangkaian integrasi. Pada saat penyalaan, keluaran pada titik A dari rangkaian schmitt menjadi tegangan saturasi (Jenuh) positif. Arus listrik dari catu daya mengalir ke kapasitor C melalui resistor R1 pada saat titik A menjadi positif. Ketika arus listrik mulai tersimpan di dalam kapasitor maka tegangan pada kedua sisi kapasitor mulai bangkit. Karena terminal masukan negatif dari IC 2 adalah ± 0 volt, maka tegangan keluaran pada titik B dari rangkaian integrasi turun secara perlahan. Tegangan terminal masukan positif pada IC 1 adalah suatu tegangan jatuh yang mengakibatkan perbedaan sinyal diantara titik A dan titik B dengan resistor R2 dan R3.
13
Tegangan pada titik C juga turun ketika tegangan pada titik B mulai turun. Persentase
turunnya tergantung pada rasio dari resistor R2 dan R3. Ketika tegangan pada titik C mulai turun dibawah 0 volt, maka tegangan keluaran pada titik A dari rangkaian schmitt berganti
menjadi tanda “minus” secara cepat. Untuk tegangan pada titik C hngga turun dibawah 0 volt maka kondisi R2 > R3 diperlukan. Kemudian mengalir arus listrik ke kapasitor C
secara terbalik dan arus listrik mengalir dengan arah pada titk A melalui resistor R1. Dengan cara ini, tegangan pada titik B naik secara perlahan. Pada saat itu, titik C berganti arah negatif dan naik seperti titik B. Ketika tegangan pada titik C melebihi 0 volt maka keluaran pada titik A dari rangkaian schmitt berganti menjadi “plus” dengan cepat. Hal ini
menyebabkan perubahan dari titik B ke arah negatif.
Jika operasi ini dilakukan secara berulang maka akan diperoleh gelombang output segiempat pada titik A dan gelombang output segitiga pada titik B.
Gambar 2.14 Prinsip Kerja Osilator Gelombang Segitiga
Frekuensi osilasi dari osilator gelombang segitiga ditentukan dengan persamaan : ( 2.3
)
Modulasi Lebar Pulsa atau Pulse Width Modulation Modulasi lebar pulsa adalah pengaturan lebar pulsa berdasarkan teknik modulasi
durasi atau waktu tunda positif maupun waktu tunda negatif pulsa persegi. Pada modulasi PWM, lebar pembawa pulsa diubah-ubah sesuai dengan besarnya tegangan sinyal pemodulasi. Semakin besar tegangan sinyal pemodulasi, semakin lebar pulsa yang dihasilkan PWM.
14
Metode PWM digunakan untuk mengatur tegangan keluaran, informasi yang
dibawa oleh pulsa-pulsa persegi merupakan tegangan rata-rata.besarnya tegangan rata-rata dapat diperoleh :
Semakin lebar durasi waktu tunda positif pulsa dari sinyal PWM yang dihasilkan maka tegangan semakin tinggi.
Sinyal PWM pada umumnya mempunyai amplitudo dan frekuensi yang tetap tetapi
lebar pulsanya bervariasi. Lebar pulsa PWM berbanding lurus dengan amplitudo sinyal asli yang belum termodulasi. Dengan kata lain, sinyal PWM frekuensinya konstan tetapi duty
cycle-nya bervariasi menurut amplitudo sinyal aslinya.
2.3.1
Prinsip Dasar PWM Modulasi lebar pulsa (PWM) diperoleh dengan bantuan sebuah gelombang kotak
dengan siklus kerja yang dapat diubah-ubah untuk mendapatkan sebuah tegangan keluaran yang bervariasi.
Gambar 2.15 Bentuk Gelombang Kotak dengan Kondisi High 5 V dan Low 0 V
Sumber : lontar.ui.ac.id
Ton adalah waktu dimana tegangan keluaran berada pada posisi high dan Toff adalah
waktu dimana tegangan keluaran berada pada posisi low. Ttotal adalah waktu satu siklus atau biasa dikenal dengan istilah periode gelombang : Siklus kerja atau duty cycle (D) dapat dirumuskan :
Tegangan keluaran dapat bervariasi bergantung dari duty cycle dan dirumuskan :
15
Dari rumus di atas dapat disimpulkan bahwa tegangan keluaran dapat diubah-ubah secara
langsung dengan mengubah Ton.
PWM bekerja sebagai switching catu daya untuk mengontrol waktu on dan off. Tegangan DC dikonversi menjadi sinyal kotak bolak-balik. Pada saat on, tegangan mendekati puncak dan pada saat off tegangan menjadi nol.
2.4
MOSFET
MOSFET merupakan singkatan dari Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor. MOSFET tersusun dari logam oksida dan semikonduktor. Ada dua jenis
MOSFET yaitu tipe NPN (N channel) dan PNP (P channel).
Gambar 2.16 Konfigurasi Dasar MOSFET
Gambar 2.17 Simbol MOSFET
Sumber : http://www.scribd.com/doc/88373996/Mosfet-Buku
2.4.1
Prinsip kerja MOSFET Untuk tipe NPN, ketika gatediberi tegangan positif, elektron-elektron dari
semikonduktor N dari drain dansourcetertarik oleh gatemenuju semikonduktor tipe P yang berada diantaranya. Dengan adanya elektron-elektron pada semikonduktor P, maka akan menjadi suatu jembatan yang memungkinkan pergerakan elektron-elektron dari sourceke drain.
Gambar 2.18 Prinsip Kerja MOSFET Tipe NPN Sumber : http://www.scribd.com/doc/88373996/Mosfet-Buku
Untuk tipe PNP, ketika tegangan negatif diberikan ke gate, hole dari
semikonduktor tipe P dari sourcedandraintertarik ke semikonduktor tipe N yang berada
16
diantaranya. Dengan adanya jembatan hole ini maka arus listrik dapat mengalir dari
sourceke drain. Gambar 2.19 Prinsip Kerja MOSFET Tipe PNP Sumber : http://www.scribd.com/doc/88373996/Mosfet-Buku
Karena adanya lapisan oksida abtara gatedan semikonduktor, maka arus listrik
tidak mengalir menuju gate. Arus listrik mengalir diantara draindan sourceyang dikendalikan oleh tegangan gate. MOSFET sebagai komponen elektronika daya memiliki beberapa kelebihan, diantaranya : 1.
Terminal gateMOSFET secara elektrik terisolasi dari sumber oleh lapisan oksida sehingga MOSFET mempunyai impedansi masukan yang sangat tinggi. Dengan begitu, penggunaan MOSFET tidak akan membebani rangkaian sebelumnya.
2.
Kecepatan switching-nya sangat tinggi (dalam orde nano detik) sehingga rugi-rugi akibat aksi switching dapat dibuat sekecil mungkin.
3.
Sangat cocok digunakan untuk aplikasi rangkaian yang menggunakan tegangan rendah.
4.
MOSFET tidak memerlukan interface berupa rangkaian buffer apabila dihubungkan dengan rangkaian logika.
2.4.2
Tipe MOSFET
2.4.2.1 MOSFET Depletion-Mode MOSFET depleton-modedapat bekerja dalam modus pengisian (pemberian tegangan positif pada gate) dan modus pengosongan (pemberian tegangan negartif pada gate). Apabila tegangan positif diterapkan pada gate MOSFET, maka jumlah elektron bebas yang mengalir antara sourcedan drain akan mengalami peningkatan. Dengan kata lain, suatu tegangan gateyang positif akan meningkatkan konduktivitas saluran. Semakin positif tegangan gate, semakin besar arus konduksi dari source ke drain. Sebaliknya, apabila tegangan negatif diberikan pada gate MOSFET, maka tegangan ini akan menolak
17
elektron dan mencoba mendorongnya kembali ke source. Ini berarti bahwa tegangan gate
yang negatif akan mengurangi aliran elektron antara source dan drain. Semakin negatif tegangan gate, semakin kecil arus yang melalui saluran. Tegangan yang cukup negatif pada
gate dapat memutus aliran arus antara source dan drain.
Gambar 2.20 Kurva Drain MOSFET Depletion-Mode Sumber : http://www.scribd.com/doc/88373996/Mosfet-Buku
Dari kurva di atas terlihat bahwa MOSFET depletion-mode dapat bekerja (ON) mulai dari tegangan VGS negatif sampai positif. Terdapat dua daerah kerja : a. Daerah OhmicI, dimana resistansi drain-source adalah fungsi dari VDS dan IDS. Persamaan resistansi :
b. Daerah saturasi, terjadi jika tegangan V GStetap dan tegangan VDS terus dinaikkan. Jika keadaan ini tercapai, arus IDS konstan. 2.4.2.2 MOSFET Enhancement-Mode MOSFET enhancement-mode hanya bekerja pada mode pengisian. MOSFET jenis ini cocok digunakan pada rangkaian digital. Apabla tegangan gate melebihi tegangan ambang, MOSFET akan tersambung (ON) seperti sebuah saklar (switch).
Gambar 2.21 Kurva Drain MOSFET Enhancement-Mode
18
Garis kurva paling bawah adalah garis kurva dimana MOSFET mulai ON.
Tegangan VGS pada garis kurva disebut tegangan Threshold VGS(th(. Tegangan VGS(th) adalah tegangan minimum dimana lapisan inversion mulai n terbentuk.
Karena MOSFET umumnya digunakan sebagai saklar (switch), parameter yang penting pada transistor E-MOSFET adalah resistansi drain-source. Untuk aplikasi power
switching , semakin kecil resistansi RDS(ON), maka semakin baik MOSFET tersebut. 2.4.2.2.1 Karakteristik Keluaran E-MOSFET Karakteristik keluaran dari MOSFET kanal-n enhancement-mode terdiri dari tiga daerah : 1. Daerah cut-off, dimana VGS ≤ VT. VT adalah tegangan threshold (tegangan ambang). V T
merupakan VGSminimum yang dapat menciptakan lapisan tipis tipe-n. bila VGS lebih
besar dari nilai VGS (min), lapisan tipis tipe-n akan menghubungkan source dengan drain, dan akan ada arus yang mengalir. 2. Daerah pinch-off (saturasi), dimana VDS ≥ VGS – VT. Pada daerah operasi ini, arus drain mencapai hampir konstan untuk setiap pertambahan nilai dari V DS. MOSFET pada daerah ini digunakan sebagai penguat tegangan. 3. Daerah linier, dimana VDS ≤ VGS – VT. Pada daerah operasi ini, nilai ID berubah terhadap perubahan nilai dari VDS. Selama arus drain tinggi dan tegangan drain rendah, MOSFET beroperasi sebagai switch.
Gambar 2.22 Karakteristik Keluaran E-Mosfet Sumber : http://www.scribd.com/doc/88373996/Mosfet-Buku
19
2.4.2.2.2 Karakteristik switching Tanpa adanyan sinyal gate, E-MOSFET dapat dianggap sebagai dioda yang saling membelakangi atau sebagai transistor NPN. Struktur gate mempunyai kapasitansi parasitis
terhadap source (CGS) dan ke drain (CGD). Gambar 2.23 Pemodelan Switchng Sumber : http://www.scribd.com/doc/88373996/Mosfet-Buku
Turn-on delay, tD
(ON),
merupakan waktu yang dibutuhkan untuk mengisi
kapasitansi input ke level tegangan ambang. Rise time, tr, merupakan waktu charging gate dari level threshold
ke tegangan gate penuh, VGSP, yang dibutuhkan untuk memicu
MOSFET ke daerah linier. Turn-off delay, td(off), merupakan waktu yang dibuthkan oleh kapasitansi input unuk mengeluarkan energi dari level tegangan threshold. Jika VGS ≤ VT, MOSFET akan OFF.
Gambar 2.24 Bentuk Gelombang Switching Sumber : http://www.scribd.com/doc/88373996/Mosfet-Buku
20
