INVERTER DENGAN PENGONTROL BEBAN OTOMATIS Mujiman Jurusan Teknik Elektro, FTI, IST AKPRIND Yogyakarta Email: ABSTRACT Along with increasingly fast of technological development lately, hence expansions in area technology always emboldened, not aside from completion of electronics area technology and electricity. Side that, the happening of crisis energy and bounces up it the price of oil a world of induction at the increasing of operating expenses to operate power station managed by electrical company of state (PLN) this which between her using oil fuel as turbine activator. Recently electric current from PLN often is broken by a trouble or caused by division of tension from generating which caused by the many customers, while available power is falling short. To close over financial loss effect the increasing of operating expenses and addition of electrical generating of alternative to can fulfill electrical requirement of customer increasing hence PLN to take policy to increase electrics base tariff which will be charged upon customer. Power feeder inverter is a network which can be application for house to remain, so that if happened extinction or trouble from PLN like the one often we are natural lately, we are not necessarily be busy looks for candle and admits of continues activity as usual during supply of electric current from accumulator still available to providing tension to electrical main is house. Keywords: inverter, electronics area technology, electricity technology INTISARI Seiring dengan semakin pesatnya perkembangan teknologi belakangan ini, maka pengembangan teknologi terus digalakkan, tidak terkecuali penyempurnaan teknologi bidang elektronika dan kelistrikan. Disamping itu, terjadinya krisis energi dan melambungnya harga minyak dunia yang berimbas pada meningkatnya biaya operasional untuk mengoperasikan pembangkit listrik yang dikelola oleh perusahaan listrik negara (PLN) ini yang diantaranya yang menggunakan bahan bakar minyak sebagai penggerak turbin. Akhir-akhir ini aliran listrik dari PLN seringkali terputus karena suatu gangguan atau karena adanya pembagian suplay tegangan dari pembangkit yang disebabkan oleh banyaknya pelanggan, sedangkan daya yang tersedia tidak mencukupi. Untuk menutupi rugi finansial akibat dari meningkatnya biaya operasional dan penambahan pembangkit-pembangkit listrik alternatif agar dapat memenuhi kebutuhan listrik pelanggan yang meningkat maka PLN mengambil kebijakan untuk meningkatkan tarif dasar listrik yang akan dibebankan kepada pelanggan. Inverter penyedia daya adalah sebuah rangkaian yang dapat diaplikasikan untuk rumah tinggal, sehingga bila terjadi pemadaman atau gangguan dari PLN seperti yang sering kita alami belakangan ini, kita tidak perlu repot-repot mencari lilin dan masih dapat meneruskan aktifitas seperti biasa selama persediaan arus listrik dari akumulator masih tersedia untuk menyediakan tegangan ke jala-jala listrik di rumah. Kata kunci: inverter, teknologi bidang elektronika, teknologi kelistrikan PENDAHULUAN Seiring dengan semakin pesatnya perkembangan teknologi belakangan ini, maka pengembangan-pengembangan dibidang teknologi terus digalakkan, tidak terkecuali penyempurnaan teknologi bidang elektronika dan kelistrikan. Disamping itu, terjadinya kerisis energi dan melambungnya harga minyak dunia yang berimbas pada meningkatnya biaya operasional untuk mengoperasikan pembangkit listrik. Inverter penyedia daya adalah sebuah rangkaian yang dapat diaplikasikan untuk rumah tinggal, sehingga bila terjadi pemadaman atau gangguan dari PLN seperti yang sering kita alami belakangan ini, kita tidak perlu repot-repot mencari lilin dan masih dapat meneruskan aktifitas seperti biasa selama persediaan arus listrik dari akumulator masih tersedia untuk menyediakan tegangan ke jala-jala listrik dirumah, Saat ini rangkaian inverter dengan mudah kita jumpai dipasaran dan memiliki keluaran daya yang beraneka ragam, dan belum memiliki indikator tegangan masukkan pada sumber tegangan. Dengan mengetahui sumber tegangan masukkan maka dapat mengontrol beban keluaran secara otomatis.
240
Metode Penelitian Sistem inverter dirancang untuk berbagai kebutuhan dimulai dari yang sederhana yaitu penerangan darurat hingga yang lebih rumit yaitu pembangkit listrik alternatif seperti pembangkit listrik tenaga surya dan mikrohidro. Prinsip dasar dari sistem inverter adalah mengubah arus searah menjadi arus bolak-balik, di dalam inverter terbagi dalam beberapa bagian yaitu multivibrator yang berfungsi sebagai pembangkit frekuensi, penguat awal dan penguat akhir. Multivibrator Multivibrator adalah suatu rangkaian regeneratif dengan dua buah piranti aktif yang dirancang khusus sehingga salah satu piranti menghantar pada saat piranti yang lainnya terpancung. Ketiga jenis dasar multivibrator adalah bistabil, astabil dan monostabil. Multivibrator dapat menyimpan bilangan biner, mencacah pulsa, menyerampakkan operasi aritmatika, serta dapat melaksanakan fungsi-fungsi yang lain dalam sistem digital. 1. Multivibrator astabil Multivibrator astabil adalah suatu tipe osilator elektronik yang menghasilkan tegangan output yang secara terus-menerus dan otomatis di switch dari kondisi tinggi ke kondisi rendah kemudian dari kondisi rendah ke kondisi tinggi dan seterusnya sehingga rangkaian mempunyai dua keadaan, namun tidak stabil pada salah satu diantaranya atau multivibrator akan berada pada salah satu keadaannya selama sesaat kemudian berpindah ke keadan yang lain. Perpindahan ini akan menghasilkan suatu gelombang persegi (gelombang kotak) yang sangat cepat, karena tidak dibutuhkan sinyal masukan untuk memperoleh suatu keluaran. Disini multivibrator menetap untuk sesaat sebelum berpindah kembali ke keadaan semula. Perpindahan pulang pergi yang bersinambungan ini menghasilkan suatu gelombang segiempat dengan waktu bangkit yang sangat cepat. Karena tidak dibutuhkan sinyal masukan untuk memperoleh suatu keluaran, multivibrator astabil kadang disebut multivibrator bekerjabebas. Gambar 1 memperlihatkan sebuah multivibrator astabil transistor. Pada umumnya, salah satu transistor jenuh pada saat lainnya terpancung. Untuk memastikan hal ini, perancang membuat RB/RE lebih kecil daripada βde atau Hfe transistor. Bila syarat ini dipenuhi, salah satu transistor akan jenuh, dan akan mengakibatkan transistor lainnya terpancung (pada gambar 2.1, βde harus lebih besar dari 50). +Vcc
VCC RC
RB
RB
RC
0 C1
C2
Q1
Q2
Gambar 1: Multivibrator astabil transitor Ada kalanya dibutuhkan daur tugas yang bukan 50 persen dan ini dapat diperoleh dengan menggukanan dua buah tahanan basis yang berlainan atau dua buah kapasitor yang berlainan. Jika frekuensi kerja ( f ), konstanta waktu (Tc), resistor eksternal (Rx), kapasitor eksternal (Cx), maka:
1 Tc Tc = 4,40.Rx.cx 2. Multivibrator monostabil f =
Multivibrator monostabil adalah suatu rangkaian yang setiap disulut akan memberikan tegangan output tinggi untuk suatu waktu yang belum ditentukan sebelumnya, kemudian setelah selang waktu tegangan output rangkaian akan kembali ke kondisi normal yaitu tegangan rendah, sehingga dapat
241
dikatakan rangkaian ini akan stabil pada salah satu keadaan lainnya. Multivibrator ini sangat berguna untuk membangkitkan sinyal-sinyal pengendali gerbang, memberikan waktu tunda dan membentuk kembali pulsa-pulsa yang cacat. Multivibrator ini stabil pada salah satu keadaan namun tidak stabil pada keadaan lainnya. Bila dipicu, rangkaian berpindah dari kedaan stabil ke keadaan tak stabil. Rangkaian menetap pada keadaan tidak stabil ini selama sesaat dan selanjutnya kembali ke keadaan stabilnya. Gambar 2. memperlihatkan salah satu cara untuk menyusun sebuah multivibartor monostabil. Keadaan stabil adalah Q1 mati dan Q2 hidup, yang berkaitan dengan keluaran rendah. Pada suatu saat pinggiran pulsa lonceng positif tiba, pinggiran ini dideferensiasi oleh kapasitor masukan guna mendapatkan suatu impuls positif yang sempit pada basis Q1. Impuls ini menghidupkan Q1, menurunkan tegangan kolektor Q1. Penurunan ini dihubungkan ke basis Q2, sehingga mematikan transistor ini. Namun kondisi Q1 hidup Q2 mati hanya berlaku sementara, ketika dengan berubahnya muatan kapasitor, prategangan muncul pada bais Q2 akan hilang. Setelah selang waktu tertentu yang ditentukan oleh tetapan waktu RC pada rangkaian basis Q2, Q2 kembali hidup dan Q1 mati. +Vcc
R1
RL1
R
RL2
C
A
y
Q1
C
A
B
Q2
B
R2 RE
Gambar 2: Multivibrator monostabil transistor Pada saat pulsa positif tiba di basis Q1, tegangan keluaran Y berpindah dari rendah ke tinggi selama sesaat dan selanjutnya kembali ke keadaan rendah. Terdapat sebuah pulsa segiempat bagi setiap pinggiran pulsa positif. Itulah sebabnya multivibrator monostabil kadang disebut multivibrator satu-bidik atau one shot. Multivibrator satu bidik sangat berguna untuk membentuk kembali pulsa-pulsa yang cacat, membangkitkan sinyal-sinyal pengendali gerbang, memberikan tunda waktu, dan sebagainya. Penguat transistor Ada tiga rangkaian dasar penguat transistor. Pada setiap rangkaian, salah satu dari ketiga kaki transistor merupakan acuan terhadap ground dari rangkaian, atau titik bersama. Rangkaian dasar penguat transistor ada tiga, yaitu: 1. Rangkaian emitor bersama. Rangkain emitor bersama paling banyak dan luas penggunaannya. Dalam ragkaian tersebut emitor merupakan elemen bersama, seperti nama yang diberikan. Emitor digunakan bersama sebagai jalur sinyal masukan maupun jalur sinyal keluaran. Sinyal masukan diumpankan ke dalam rangkaian melalui basis dan emitor, sementara sinyal keluaran dilakukan melalui kolektor dan emitor. Rangkaian emitor bersama yang sederhana ditunjukkan dalam gambar 3
242
E2
E1
RC
RB
Keluaran
M asukan
RE
Gambar 3: Rangkaian tipikal emitor bersama Beberapa faktor yang menetukan besarnya arus basis (Ib) meliputi tegangan sumber basis (E1), resistansi basis (Rb), resistansi emitor (Re), dan penurunan tegangan pada sambungan emitor-basis. Penurunan tegangan ini pada umumnya sekitar 0,7 volt untuk transistor silikon. Transistor germanium mempunyai penurunan tegangan yang lebih kecil pada sambungan (umumnya 0,21 sampai 0,3 Volt). 2. Rangkaian basis bersama. Gambar 4 menunjukkan sebuah rangkaian basis bersama. Dalam rangkaian basis bersama, elemen bersama yang digunakan untuk masukan dan keluaran adalah basis. Sinyal masukan diumpankan pada emitor dan basis, dan sinyal keluaran dilakukan pada kolektor dan basis. E
R
C
K e lu a ra n
M asukan
R
E
Gambar 4: Rangkaian basis bersama Di dalam konfigurasi ini, penguatan sinyal ditentukan oleh perbandingan antara arus kolektor (Ic) dan arus emitor (Ie):
Gain =
Ic Ie
Penguatan rangkaian basis bersama adalah sama dengan alfa. Penguatan dari sebuah penguat basis bersama selalu kurang dari satu satuan. Berarti, sinyal keluarannya mempunyai amplitudo yang lebih kecil daripada sinyal masukannya. Alfa hanya menyatakan penguatan arus dari sebuah penguat basis bersama. Penguatan tegangan, sebaliknya dapat lebih besar daripada satu satuan. Penguatan daya (arus kali tegangan) dari sebuah penguat basis bersama sedikit lebih besar daripada penguat daya sebuah emitor bersama yang sebanding. Sinyal keluaran dari rangkaian basis bersama adalah sefase dengan sinyal masukannya. Hanya konfigurasi emitor bersama yang membalik sinyal. 3. Rangkaian kolektor bersama Konfigurasi dasar transistor yang ketiga adalah menggunakan kolektor sebagai elemen bersama. Seperti dalam gambar 5, sinyal masukan diumpankan pada basis dan kolektor, dan sinyal masukannya dilakukan pada emitor dan kolektor.
243
Gambar 5: Rangkaian kolektor bersama Penguatan tegangan dari sebuah rangkaian penguat kolektor bersama selalu kurang dari 1. Penguatan arus cukup tinggi, tetapi penguatan dayanya rendah. Rangkaian kolektor bersama tidak digunakan sebanyak rangkaian emitor bersama atau basis bersama. Sebenarnya, konfigurasi ini tidaklah membentuk suatu penguat yang baik. Penggunaan rangkaian kolektor bersama pada umumnya adalah pencocokan impedansi. Dengan rangkaian emitor bersama dan basis bersama. Impedansi masukan lebih rendah dari pada impedansi keluaran. dengan menggabungkan beberapa tingkat penguat secara seri, didapatkan keluaran impedansi tinggi dibandingkan tingkat sebelumnya yang mengumpani masukan impedansi rendah dari tingkat berikutnya. Hal ini dapat menyebabkan kerja rangkaian tidak efisien dan distorsi bahkan kegagalan rangkaian. Dengan rangkaian kolektor bersama impedansi-impedansi di balik. Impedansi masukan cukup tinggi, dan impedansi keluaran rendah. Dengan meggunakan rangkaian kolektor bersama, suatu sinyal impedansi tinggi dapat diubah menjadi sinyal impedansi rendah. Tipe inverter Tugas utama dari sebuah inverter adalah merubah tegangan DC dari akumulator menjadi tegangan AC yang berupa sinyal sinus setelah melalui pembentukan gelombang dan rangkaian filter. Tegangan output yang dihasilkan harus stabil baik amplitudo tegangan maupun frekuensi tegangan yang dihasilkan, distorsi yang rendah, tidak terdapat tegangan transien serta tidak dapat diinterupsi oleh suatu keadaan. 1. Quasi square wave inverter Inverter dari sistem ini dapat menghasilkan sinyal dengan duty cycle yang bervariasi yang harus dilakukan penyaringan baik dengan menggunakan rangkaian seri atau paralel LC. Dengan adanya filter ini maka sistem inverter akan lambat dalam merespon adanya tegangan transien dan frekunsinya pun akan tetap. Dengan adanya rangkaian ini maka effisiensi inverter pada umumnya mencapai 75%. Selain itu perlu adanya feedback yang menjaga agar didapatkan tegangan konstan, sehingga perlu adanya rangkaian regulator tegangan dengan feedback baik berupa tegangan maupun berupa arus output. Pada bagian inilah yang menjadikan sebuah sistem inverter akan menjadi rumit jika diaplikasikan pada UPS.
244
Gambar 6: Inverter dengan tipe Quasi-Square Wave Tipe inverter quasi square wave hanya mempunyai effisiensi yang tidak terlalu tinggi yaitu 75%, sehingga daya sebesar 25% terbuang untuk regulasi dan pengubahan tegangan DC menjadi tegangan AC. Rangkaian listrik di dalam blok osilator dan kontrol tidaklah sederhana sehingga membutuhkan komponen yang banyak dan biaya pembuatannya menjadi mahal. 2. Pulse width modulation inverter Tipe inverter ini menghasilkan deretan pulsa-pulsa yang memiliki duty cycle bervariasi. Pulsapulsa setelah melalui filter akan dihasilkan sebuah sinyal sinusoidal yang cukup baik. Tipe inverter pulse with modulation, akan meningkatkan respon regulasi dan respon terhadap tegangan transien yang cukup baik. Walapun demikian tipe inverter seperti ini masih kompleks namun jumlah penggunaan komponen untuk kontrol tidak terlalu banyak. Tipe inverter ini banyak dipergunakan pada inverter dengan daya yang besar, sekitar 50KVA.
Gambar 7: Pulse width modulation inverter Sistem inverter PWM ini dapat menghasilkan tegangan output yang baik dengan pengurangan komponen filter sehingga rangkaian filter menjadi lebih sederhana dan penurunan biaya pembuatan. Namun tipe inverter ini digunakan pada inverter dengan kapasitas daya yang besar. 3. Step wave inverter Pada rangkaian step wave inverter ini menggunakan banyak inverter untuk mendapatkan sinyal sinusoidal yang baik dan pengurangan komponen filter. Tipe inverter ini jika diaplikasikan di dalam sebuah sistem UPS mencapai 3 buah tetapi dapat pula berjumlah 6 bahkan 12 (kelipatan 3). Pada tipe regulator ini tegangan DC harus sudah teregulasi sebelum masuk pada bagian inverter agar tidak terjadi pergeseran tegangan kotak yang dihasilkan. Inverter ini mempunyai effisiensi sampai 85% pada beban penuh. Dengan banyaknya inverter akan menghasilkan step yang lebih halus sehingga fungsi filter dapat diminimisasi. Penggunaan inverter dengan tipe ini jarang dipakai untuk aplikasi komputer tetapi pada umumnya digunakan untuk aplikasi 3 fasa dengan kapasitas daya yang besar. Walaupun demikian kelemahan sistem inverter ini adalah dengan banyaknya inverter yang digunakan akan menghasilkan
245
sinyal sinus yang baik namun biaya yang dibutuhkan untuk membuat inverter ini menjadi berlipat-lipat tergantung dari jumlah inverter yang digunakan.
Gambar 8: Step wave inverter Yang menjadi titik berat pada tipe inverter ini adalah pada bagian osilator dan kontrolnya karena pada bagian ini akan menghasilkan trigger-trigger bagi SCR-SCR yang berfungsi sebagai inverter tersebut dengan perioda yang disesuaikan antara yang satu dengan yang lainnya sehingga dapat membentuk sinyal stair case up/down dengan frekuensi yang sesuai dengan frekuensi yang diinginkan. Perancangan perangkat keras Proses perancangan sangat diperlukan dalam pembuatan suatu alat, khususnya dalam perancangan elektronika. Proses perencanaan juga bermanfaat untuk memulai suatu pekerjaan dengan tujuan agar alat yang dihasilkan nanti sesuai dengan yang diharapkan, pemilihan komponenkomponen elektronika yang tepat dan untuk menekan kesalahan (error) dalam proses pembuatan. Agar rancangan yang dibuat nantinya dapat bekerja dengan optimal maka sebelumnya harus dipelajari terlebih dahulu prinsip kerja dari alat yang akan dibuat dan yang tidak kalah pentingnya adalah komponen-komponen yang akan digunakan dalam pembuatan alat tersebut, karena hal ini juga akan berkaitan dengan biaya yang akan digunakan, efisiensi waktu dan tentunya penampilan dari alat yang telah dihasilkan. Perancangan dalam hal ini meliputi perancangan rangkaian, perancangan pemasangan tata letak komponen yang telah dirangkai pada boks praktis. Perancangan awal memerlukan suatu kejelian dan ketelitian, karena perancangan awal akan sangat menentukan hasil akhir dari suatu proses pembuatan alat. Apabila perancangan awal salah maka proses selanjutnya akan mengalami suatu kesalahan pula, sehingga selain ketilitian dan kejelian juga diperlukan ketepatan dalam proses pembelian komponen dipasaran.
246
Gambar 9: Blok diagram sistem Multivibrator Bagian multivibrator berfungsi sebagai sistem pembangkit detak, bagian ini sangat berperan penting didalam rangkaian inverter karena disamping sebagai pembangkit detak juga berfungsi sebagai pembangkit arus bolak-balik dengan cara membalikkan logika keluaran pada rangkaian sehingga arus masukkan awal yang berupa arus searah diubah menjadi arus bolak-balik. Dalam rangkaian inverter ini sistem pembangkit detak menggunakan IC CD4047, IC ini memiliki pengatur frekuensi keluaran dengan cara mengubah nilai resistansi dan kapasitasi inputan pada pin 1 dan 2 yang diumpan balik pada pin 3. Penguat multivibrator dan Penguat awal driver Bagian penguat multivibrator dan penguat awal driver dalam rangkaian inverter menggunakan IC LM358 sebagai penguat detak yang diberikan pada keluaran IC CD4047, bertujuan untuk menstabilkan tegangan dan menyearahkan arus keluaran pada pin 1 dan 7 agar arus umpan balik dari penguat akhir tidak dapat merusak bagian multivibrator dengan cara memasukkan umpan balik pada pin 2 dan 6. Penguat awal driver menggunakan dua buah transistor dengan tipe 2SC1061 dan 2N3055 yang dirangkai darlington, rangkaian penguat awal driver ini dirangkai menjadi penguat inverting. Sinyal dari keluaran rangkaian penguat awal akan membalikkan sinyal masukan dan Sinyal keluaran rangkaian penguat awal akan digunakan untuk mengendalikan basis pada penguat akhir. Penguat akhir Bagian penguat akhir berfungsi sebagai penguat arus bolak-balik dikarenakan setiap setengah gelombang arus bolak-balik dikuatkan dengan transistor yang disusun secara paralel, dan setengah gelombang yang lain juga diperlakukan sama. Transistor disusun secara paralel bertujuan untuk memberikan keluaran daya yang diingankan, semakain banyak transistor maka semakin besar daya yang dihasilkan. Dalam rangkaian inverter ini menggunakan tipe transistor NPN 2N3055.
247
Kontrol beban Bagian kontrol beban berfungsi sebagai pengatur beban pada keluaran inverter, prinsip kerja rangakaian ini adalah memantau tegangan akumulator, apabila tegangan dari akumulator masih terisi penuh maka dapat menghidupkan semua beban. Karena pemakaian beban pada keluaran inverter digunakan secara terus menerus tanpa ada perlakuan khusus terhadap akumulator maka tegangan pada akumulator secara stabil akan mengalami penurunan, dari penurunan tegangan secara stabil pada akumulator maka rangkaian ini dapat memutuskan beban secara satu persatu melalui relai. Akumulator dan transformator Akumulator dan transformator merupakan bagian penting dalam sistem inverter karena mempengaruhi besar kecilnya daya yang dihasilkan dan lama tidaknya inverter berkerja saat diberi beban. Semakin besar nilai arus per jam dari akumulator dan transformator maka semakin lama inverter dapat bekerja untuk mengangkat beban. Proses pembuatan papan rangkaian Setelah kita melakukan perencanaan, langkah selanjutnya adalah membuat papan rangkaian tercetak, karena semua komponen dipasang pada papan ini. Potensio pengatur tidak dipasang pada papan ini tetapi dipasang pada kotak depan, yaitu untuk memudahkan pengoperasiannya. Alat dan bahan yang digunakan dalam pembuatan papan rangkaian tercetak dalam tabel 1. Tabel 1: Alat dan bahan No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
Alat dan Bahan Bor PCB Mata bor berukuran 0,8, 1 dan 3mm Tang pengupas Solder Bahan PCB/ Papan Rangkaian Tercetak (PRT) Ferro Chloride (FeCl3) Lemat solder (lotfet) Tinner Mur baut Timah / tenol Plastik transparan
Proses pembuatan jalur pada papan rangkaian tercetak Untuk pembuatan jalur PCB terdapat berbagai macam cara, penulis memilih cara yang praktis dan mudah, yaitu menggambar jalur menggunakan program komputer PCB Designer. Adapun langkahlangkah pembuatannya sebagai berikut: 1. Menyalakan komputer dan buka program PCB Designer. 2. Menggambar jalur rangkaian dengan ketebalan garis 0.6 mm, jalur PCB diusahakan serapi mungkin. 3. Setelah desain gambar selesai, kemudian gambar dicetak menggunakan printer laser. Gambar PCB yang telah selesai yang akan digunakan dalam suatu perencanaan pada rangkaian DC/AC konverter. 4. Hasil cetakan di foto copy kedalam plastik transparan (copy mika). 5. Hasil foto copy pada plastik mika, ditempelkan pada papan PCB polos yang telah dibersihkan terlebih dahulu, meletakkan PCB di tempat yang datar. 6. PCB yang telah siap dilapisi kertas minyak (untuk menghindari plastik meleleh), lalu menekan dengan setrika yang panas selama 1 menit. 7. Mengangkat setrika dan melihat apakah plastik telah melekat dengan baik, setrika kembali secukupnya agar jalur melekat dengan baik pada PCB. 8. Mendiamkan PCB agar dingin, setelah dingin lepaskan plastik pada PCB. 9. Mengecek apakah ada jalur yang tidak melekat, memperbaikinya menggunakan spidol water proof. Proses pelarutan Ada empat jenis bahan yang dipakai untuk melarutkan tembaga, yaitu amonium persulfat, asam chrom, klorida tembaga dan feriklorida. Dapat juga dipakai larutan-larutan lainnya.
248
Larutan yang paling banyak dipakai adalah larutan jenis fericlorida (FeCl3). Di mana merupakan senyawa kimia yang paling murah dan paling aman serta paling banyak dijual dipasaran. Fericlorida berwarna coklat orange. Amonium sulfat mengandung klorida mercuri. Senyawa ini merupakan racun. Untuk menaruh cairan pelarut ini ditempatkan pada wadah yang khusus agar aman. Pelarut dapat dibeli dalam bentuk cair ataupun padat. Pencampuran larutan dengan air di campur secukupnya. Makin pekat pencampuran makin keras daya larutnya. Amonium persulfat tersedia dalam kantung–kantung plastik Bila dicampur dengan air panas secukupnya maka akan menjadi zat pelarut yang cukup kuat. Setelah gambar layout menempel dipermukaan tembaga PCB, langkah selanjutnya adalah proses pelarutan. Urutan langkah dalam proses pelarutan ini adalah sebagai berikut: 1. Memasukkan larutan FeCl3 ke dalam air hangat yang ditempatkan dalam ember atau baki plastik. 2. Memasukkan PCB kedalam larutan FeCl3 tersebut 3. Mengaduk pelan-pelan secara merata agar permukaan tembaga yang tidak tertutup gambar jalur dapat larut dalam cairan tersebut. 4. Jika proses pelarutan sudah selesai, angkat PCB sudah terbentuk jalur-jalur rangkaiannya. 5. Mencuci PCB dengan air sabun dan amplas permukaan yang tertutup gambar sehingga tinggal jalur-jalur logam sesuai gambar jalur rangkaian. 6. Mengeringkan PCB, dan PCB siap untuk digunakan untuk langkah selanjutnya. Proses pengeboran Tujuan dari pengeboran papan adalah untuk memasang komponen. Ukuran lubang ini meskipun tidak kritis tapi cukup penting. Memaksa memasukkan kaki komponen ke dalam lubang yang terlalu kecil bisa merusakkan papan atau komponennya. Jika lubang terlalu besar, maka akan longgar dan hubungan timah kurang baik. Tabel 2 menunjukan ukuran lubang untuk komponen elektronika. Untuk semua komponen, papan dapat dilubangi dengan beberapa ukuran mata bor. Nomor ukuran mata bor akan naik jika diameter lubang turun. Demikian bor nomor 60 – 65 dapat dipakai untuk memasang dioda, resistor ¼ watt dan transistor-transistor kecil. Komponen-komponen yang lebih besar seperti kapasitor dan resistor 1 dan 2 watt IC memerlukan mata bor yang lebih kecil. Perangkat pemasangan seperti baut dan sebagainya memerlukan ukuran lubang yang beraneka tergantung pada garis tengah tersebut. Lubang untuk trafo catu daya memiliki garis tengah lubang sekrup 3/16 inchi. Untuk ini dapat digunakan mata bor nomor 12. Tabel 2: Ukuran Lubang Untuk Beberapa Komponen Elektronika Komponen
Garis tengah
No: mata Bor
Ukuran desimal inchi
1/8- W resistor ¼ - W resistor ½ - W resistor 1 –W resistor 2 – W resistor Kapasitor piring TO – 5 TO - 18 DO - 14 77 – 02 transistor TO – 99 (8-pin IC) TO – 116 (14-pin DIP)
0,016 0,019 0,027 0,041 0,045 0,030 0,019 0,019 0,022 0,026 0,019 0,023
75 72 66 3/64 in 55 64 72 72 70 67 72 69
0,0250 0,0330 0,0469 0,0520 0,0360 0,0250 0,0250 0,0280 0,0320 0,0250 0,0292
Untuk mendapatkan hasil yang baik, pengeboran dilakukan dengan hati-hati agar tidak merusak jalur-jalur pada rangkaian tercetak. Kemudian membuat lubang pada PCB menggunakan bor PCB untuk tempat menempelkan komponen. Proses-proses pengeboran dilakukan sebagai berikut: 1. Memberikan titik pada suatu papan tercetak untuk memudahkan proses pengeboran dengan ukuran yang telah ada. 2. Kemudian lakukan dengan pengeboran pada titik yang telah ada dengan alat bor PCB dengan putaran yang stabil. 3. Menyesuaikan ukuran mata bor yang digunakan dengan keperluan lobang komponen
249
4. Setelah selesai melakukan pembersihan pada sisi-sisi lubang PCB dari kotoran sekaligus meratakan PCB dengan amplas secara hati-hati. Proses pemasangan komponen Pemasangan komponen dilakukan dengan menempatkan komponen-komponen yang dibutuhkan pada bagian-bagian yang telah ditentukan. Pada waktu pemasangan komponen yang perlu diperhatikan adalah pemasangan komponen dioda dan kapasitor agar tidak terbalik polaritasnya. Untuk pemasangan komponen yaitu dengan melakukan langkah sebagai berikut: 1. Memasangkan komponen-komponen pada PCB, komponen pasif dipasang terlebih dahulu untuk menghindari kerusakan komponen aktif. 2. Menyolder agar komponen menyatu dengan jalur pada PCB. 3. Menguji apakah rangkaian tersebut dapat bekerja dengan baik, dan mengadakan pengecekan kembali. Gambar skematik lengkap dapat dilihat dihalaman lampiran dan daftar komponen rangkaian dapat dilihat pada Tabel 3. Tabel 3: Daftar komponen No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
Komponen R1,R2 R3,R4 R5,R6 R7,R8 R9,R10,R11,R12, R21,R22,R23,R24 R13,R14,R15,R16, R17,R18,R19,20 R25 R26,R27,R28,R29 R30,R31,R32,R33 VAR1 VAR2,VAR6 VAR3 VAR4,VAR5 C1 D1,D2 D3 D4,D5,D6,D7 Q1,Q2 Q3,Q4,Q5,Q6,Q7, Q8,Q9,Q10,Q11,Q12 Q13,Q14,Q15,Q16 Q17,Q18,Q19,Q20 LS1,LS2,LS3,LS4 U1 U2 U3 F1 F2 J1,J2,J3,J4 TRAFO
Jumlah 2 2 2 2
Nilai 4.7K 1/4W 100R 5W 1K 1/4W 100R 1/4W
8
10R 1W
8
0.1R 10W
1 4 4 1 2 1 2 1 2 1 4 2
3.9K 1/4W 470R 1/4W 10K 1/4W 47K 20K 4.7K 2.2K 0.1uF 2A ZENER 5V LED 2SC1061
10
2N3055
4 4 4 1 1 1 1 1 4 1
C828 BD139 10A 12VDC CD4047 LM358 LM324 20A 3A PLUG AC FEMALE CT12V
Cara kerja rangkaian Alat merupakan sistem inverter dengan daya keluaran 500VA. Sistem ini dapat digunakan untuk menghidupkan sistem berbagai macam peralatan listrik yang memerlukan tegangan 220VAC secara konstan. Penggunaan alat ini cukup sederhana karena setelah rangkaian alat dihidupkan, pengguna hanya cukup memasang kabel AC peralatan listrik yang hendak digunakan ke saluran keluaran
250
inverter, rangkaian ini memiliki empat keluaran tegangan AC yang berbeda-beda atau dengan kata lain setiap keluaran inverter memiliki tenggang waktu yang berbeda pada saat menyuplai tegangan. Sistem rangkaian inverter akan memonitor status tegangan sumber baterai dikarenakan pemakaian beban secara terus menerus akan dapat menurunkan tegangan baterai secara konstan, penurunan tegangan baterai ini dimanfaatkan sistem untuk mengontrol keempat keluaran tegangan AC tersebut hingga batas tegangan minimum baterai yang telah ditentukan. Pengambilan data Tujuan pengambilan data adalah untuk mengetahui kebenaran rangkaian dan mengetahui kondisi komponen yang akan diuji. Pengujian yang dilakukan meliputi pengujian perbagian sesuai blok diagram dan pengujian kinerja dari keseluruhan dari alat “Inverter Dengan Pemutus Beban Otomatis”. Dengan adanya pengujian-pengujian tersebut diatas, diharapkan kemungkinan terjadinya kesalahan atau kelemahan yang masih terdapat pada tiap-tiap bagian rangkaian dapat diketahui lebih pasti. Sedangkan pengambilan data secara keseluruhan bertujuan untuk membandingkan hasil perhitungan dan hasil pengukuran dengan standar kerja komponen yang terdapat pada datasheet. Pengambilan data dilakukan di rumah dan di laboratorium, pada bulan September 2008. Alat yang dipergunakan dalam pengambilan data meliputi: 1. Multimeter analog HELES YX-960TR 2. Multimeter digital FLUKE 87 3. Rangkaian inverter 4. Lampu beban sebagai pengganti peralatan listrik 5. Kabel listrik 6. Konektor Dalam perancangan ini dilakukan pengujian perbagian agar lebih mudah dalam menganalisa. pengujian yang dilakukan dilakukan dibagian multivibrator, penguat awal dan penyearah, penguat akhir dan kontrol beban.
Pengujian bagian multivibrator Pengujian bagian ini digunakan untuk mengetahui kemampuan IC CD4047 dalam menghasilkan arus bolak-balik melalui pengaturan frekuensi dengan menggunakan resistor dan kapasitor yang dihubung paralel pada pin 1 dan 2 yang mendapat masukkan dari pin 3. Pengujian penguat multivibrator dan penguat awal driver Pengujian bagian penguat multivibrator dan penguat awal driver digunakan untuk mengetahui tegangan dan frekuensi yang dihasilkan oleh IC LM358 untuk di teruskan pada penguat awal driver. Pengujian bagian penguat awal driver digunakan untuk mengetahui tegangan dan frekuensi yang dihasilkan oleh dua buah transistor yang dihubungkan secara darlington untuk mendapatkan tegangan yang stabil kemudian di teruskan pada penguat akhir. Pengujian bagian penguat akhir Pengujian bagian penguat akhir berfungsi untuk mengetahui nilai tegangan dan frekuensi yang dihasilkan dari keluaran bagian ini. Rangkaian penguat akhir merupakan inti dari rangkaian inverter untuk perhitungan kapasitas daya yang dihasilkan. Rangkaian ini menggunakan transistor jenis NPN yang keluarannya dihubungkan langsung dengan masukkan transformator, terdiri dari lima buah transistor 2N3055 yang di rangkai secara paralel pada setiap masukkan. Pengujian bagian control beban Pengujian bagian kontrol beban berfungsi untuk mengetahui bekerjanya sistem pengontrolan beban. Komponen inti dari bagian ini adalah IC LM324 yang mendapat masukkan dari akumulator, IC LM324 memantau level tegangan pada akumulator secara kontinyu dan keluarannya mendriver relai untuk menghubungkan atau memutuskan arus beban terhadap keluaran inverter. IC LM324 hanya memiliki empat keluaran logika sehingga bagian ini hanya dapat mengontrol beban sebanyak empat beban.
251
Pengujian lengkap Dalam pengujian lengkap ini digunakan beberapa buah lampu untuk digunakan sebagai beban, akumulator basah 12V dengan laju arus keluaran maksimal 60 Ah. Bentuk skematik pemasangan alat ukur, baterai dan lampu beban dalam pengujian ini dapat dilihat pada gambar 10.
Gambar 10: Skematik pengujian lengkap Nilai tegangan masukan, nilai arus masukan dan nilai tegangan keluaran alat akan berubah sesuai dengan nilai beban lampu beban yang terpasang disaluran keluaran alat. Tegangan keluaran alat akan jatuh jika beban yang terpasang terlalu besar karena komsumsi arus lampu beban yang besar akan mempengaruhi nilai tegangan tersebut. Dengan mengasumsikan terlebih dahulu bahwa nilai hambatan setiap lampu beban tidak akan berubah, maka konsumsi arus beban dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut: Sebagai contoh digunakan lampu beban sebesar 50W, dan tegangan keluaran alat sebesar 220VAC, maka nilai resistansi lampu 50W adalah:
Jika nilai tegangan keluaran alat untuk beban tersebut ternyata turun menjadi sebesar 198V, maka konsumsi daya beban adalah:
Dalam langkah pengujian ini digunakan lampu beban sebesar 5W sampai dengan 400W. Dengan mengamati perubahan nilai arus masukan, nilai tegangan DC masukan dan nilai tegangan AC keluaran alat, hasil pengujian lengkap ditabulasikan dalam Tabel 4. Tabel 4: Karateristik arus dan tegangan inverter No.
Inverter
1 2 3 4 5 6 7 8
Hidup Hidup Hidup Hidup Hidup Hidup Hidup Hidup
Baterai (A) 0.06 0.1 0.17 0.25 0.35 4.75 5.95 7.06
(V) 12.80 12.74 12.70 12.68 12.62 12.33 12.21 12.06
Keluaran Inverter (VAC) 219 203 198 193 186 178 169 160
Beban Cos Q =1 (W) Tanpa beban 5 10 25 40 60 75 100
Konsumsi Daya (W) 0 4.12 9.32 23.40 37.75 56.23 66.46 85.74
Pengamatan Hasil Pengujian Pembangkit Frekuensi dan Keluaran dari Transformator
252
Pengujian pembangkit frekuensi digunakan untuk mengetahui tegangan dan bentuk gelombang keluaran rangkaian osilator, dan keluaran rangkaian penguat awal. Hasil pengujian bagian ini ditabulasikan dalam Tabel 5. Tabel 5: Hasil pengujian bagian pembangkit frekuensi No
Posisi Pengukuran
1 2
Keluaran pembangkit frekuensi Keluaran penguat awal
∆V (Volt) 6.50 10.3
Osciloscope ∆t Volt/Div (ms) (mV) 18.72 200 18.72 500
Sec/Div (ms) 5 5
Dari hasil pengujian di atas dapat dilihat bahwa pengukuran dengan menggunakan oscilloscope didapat frekuensi yang tepat. Untuk data hasil pengukuran dapat dilihat pada Gambar 4.2. Dimana frekuensi standar dari PLN adalah 50Hz – 60Hz. Ketepatan frekuensi ini didapat dari perhitungan sebagai berikut: Dimana: Jadi:
∆t: 18,72 ms = 0,01872 s
f =
1 = 53,41Hz 0,01872
Gambar 11: Bentuk gelombang keluaran pembangkit frekuensi
Gambar 12: Bentuk gelombang keluaran penguat awal
253
KESIMPULAN Berdasarkan hasil analisis dan pengujian yang telah dilakukan, dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Dari hasil perbandingan konsumsi daya keluaran inverter pada saat tanpa beban dan pada saat diberi beban menunjukkan bahwa alat memiliki kestabilan yang cukup baik meskipun memiliki batasan kemampuan daya keluaran pada saat diberi beban berlebih. 2. Semakin besar beban yang dipakai, maka semakin kecil tegangan keluaran serta semakin besar arus yang keluar. 3. Inverter sebaiknya tidak digunakan untuk mencatu beban statis yang bersifat resistif maupun induktif karena sistem ini bersifat seperti catudaya mode saklar (switching). Jadi beban idealnya harus berupa sistem yang menggunakan catudaya mode saklar seperti komputer, monitor, printer dan televisi. 4. Dengan memanfaatkan sistem pemutus beban secara otomatis dapat mengontrol beban yang lebih diprioritaskan untuk hidup lebih lama dibandingkan dengan beban yang lain.
Saran Untuk meningkatkan performa sistem, modifikasi alat dapat dilakukan dibagian penguat akhir dengan mengganti dan mempararel jenis transistor NPN menjadi MOSFET dari tipe IRF 630 atau IRF 3205 (atau varian lainnya yang memiliki arus ID lebih dari 98A). Sedangkan untuk meningkatkan kemampuan arus transfer dari transformator inverter, dapat ditingkatkan dengan mengganti transformator 10A double sekunder dengan jenis transformator double sekunder yang lebih besar. Untuk mendapatkan gelombang sinus pada keluaran inverter agar dapat mencatu beban statis yang bersifat resistif maupun induktif diperluhkan penambahan kapasitor bank dan dioda diac yang dirangkai secara paralel terhadap keluaran inverter. Dengan gelombang sinus pada keluaran inverter dapat digunakan rangkaian pemutus beban otomatis dengan komponen IC MOC3021 untuk mendriver thiristor BT137.
DAFTAR PUSTAKA Braithwaite, Clive, Jeffrey, Hall, dkk. 1988. Pengantar Ilmu Teknik Elektronika. PT Gramedia. Jakarta. Djamain, Martin, 2000, Strategi Penerapan Energi Surya di Indonesia, seminar Peran dan Perkembangan Energi Surya Sebagai Energi Alternatif, Univ. Gajayana. Frank D. Petruzella, 2001, Elektronika Industri, Andi Offset, Yogyakarta. Kadir. A, 1987, Energi, Universitas Indonesia (UI) Press, Jakarta. Wasito S., 2001, Vademekum Elektronika Edisi Kedua, PT. Gramedia Pustaka Utama, Jakarta. Wiranto. A, 1995, Teknologi Rekayasa Surya, Pradnya Paramita, jakarta. Widodo Sri. T, 2002, Elektronika Dasar , Salemba Teknika, Jakarta. Zuhal, 1998, Dasar Teknik Tenaga Listrik dan Elektronika Daya, PT. Gramedia, Jakarta.
254
