SISTEM KONVERTER DC
Desain Rangkaian Elektronika Daya
Oleh :
Mochamad Ashari Profesor, Ir., M.Eng., PhD.
Edisi I : cetakan I tahun 2012
Diterbitkan oleh: ITS Press. Hak Cipta dilindungi Undang‐undang Dilarang mencetak dan menerbitkan sebagian atau seluruh isi buku ini dengan cara dan dalam bentuk apapun tanpa persetujuan tertulis penerbit
ISBN 978‐602‐9494‐13‐6
3
KATA PENGANTAR Alhamdulillah, penulis memanjatkan puji syukur kehadlirat Allah SWT atas terselesaikannya buku “Sistem Konverter DC, Desain Rangkaian Elektronika Daya”. Buku ini diterbitkan sebagai serial yang pertama, yaitu berfokus pada sistem konverter dc atau konverter yang menghasilkan keluaran dc. Buku serial berikutnya Insya Allah akan diterbitkan dalam waktu yang tidak terlalu lama, membahas tentang sistem konverter ac. Buku ini sangat bermanfaat bagi mahasiswa, peneliti, maupun praktisi di industri dalam mengetahui sistem, prinsip kerja dan perancangan konverter dc. Bagi mahasiswa, buku ini digunakan sebagai buku pegangan mata kuliah Elektronika Daya, khususnya bagi mahasiswa semester 5 di Jurusan Teknik Elektro – Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS), Surabaya. Para peneliti dan praktisi di industri atau badan riset pengembangan dapat memanfaatkan buku ini sebagai buku pegangan, serta memanfaatkan untuk melakukan verifikasi terhadap data-data yang dikeluarkan oleh vendor atas suatu perangkat. Dalam buku ini dibahas 2 macam konverter dc, yaitu ac-ke-dc, dan dc-ke-dc. Namun, sebelumnya didahului dengan pembahasan hal-hal pendukung, seperti saklar semikonduktor, kondisi peralihan beban-beban listrik, dan karakteristik sistem dengan saklar yang bekerja periodik. Penulis menyampaikan penghargaan yang tinggi kepada pihakpihak yang telah berkontribusi dalam penyusunan buku ini, 4
termasuk anggota Lab Konversi Energi dan kolega Jurusan Teknik Elektro ITS. Penulis menyadari segala keterbatasan dan kekurangan, sehingga umpan balik atau koreksi dari pembaca sangat diharapkan demi penyempurnaan buku ini.
Surabaya,
Juli 2012
Prof.Ir.Mochamad Ashari, M.Eng, PhD.
5
Daftar Isi BAB 1 REKAYASA ELEKTRONIKA DAYA
8
1.1. Saklar Elektro Mekanik
15
1.2. Saklar Semikonduktor: Transistor
16
1.3. Saklar Semikonduktor: Thyristor
20
1.4. Saklar Semikonduktor: Dioda
22
2.1. Beban R
27
2.2. Beban RL
28
2.3. Beban RC
34
2.4. Beban LC
39
2.5. Beban Baterai
43
BAB 3 EFEK POLA PENYAKLARAN PERIODIK
47
3.1. Arus Input Konverter dc
50
3.2. Deret Fourier
54
BAB 4 SISTEM KONVERTER 1 FASA AC KE DC
63
4.1. Penyearah Setengah Gelombang - Tak Terkontrol
64
4.2. Penyearah Setengah Gelombang - Terkontrol
73 6
4.3. Penyearah Gelombang Penuh - Tak Terkontrol
75
4.4. Penyearah Gelombang Penuh - Terkontrol Semi dan Terkontrol Penuh 84 BAB 5 SISTEM KONVERTER 3 FASA AC KE DC
87
5.1. Penyearah 3 Pulsa
87
5.2. Penyearah 6 Pulsa
92
5.3. Penyearah 12 Pulsa
95
BAB 6 SISTEM KONVERTER DC KE DC
100
6.1. Konverter Buck
101
6.2. Konverter Boost
110
6.3. Konverter Buck Boost
114
DAFTAR PUSTAKA
118
7
BAB 1 REKAYASA ELEKTRONIKA DAYA
Elektronika Daya adalah bidang ilmu yang mengembangkan sistem pengonversi energi listrik menggunakan saklar-saklar semikonduktor.
Sistem
pengonversi
energi
merupakan
rangkaian elektronik yang berfungsi mengendalikan aliran energi, misalnya dari ac ke dc, dari dc ke ac, memperbaiki kualitas tegangan dan sebagainya. Perangkat pengonversi energi listrik banyak digunakan di sektor rumah tangga, industri, sistem ketenaga-listrikan, misalnya peralatan pengisi baterai telepon seluler, Uninterruptible Power Supply (UPS), filter aktif dan sebagainya. Seiring dengan kemajuan teknologi, sistem pengonversi energi telah mengalami kemajuan yang sangat cepat dalam beberapa dasawarsa terakhir. Pada awalnya, tegangan dc diperoleh langsung dari suatu generator dc, atau dari
motor
ac
yang digandeng dengan generator
dc.
Perkembangan berikutnya, digunakan sebuah transformator yang dilengkapi dengan diode sebagai penyearah tegangan. Pada akhir abad 20 dan awal abad 21, peralatan penyearah tegangan telah berubah menjadi sebuah kotak kecil yang berukuran 70% dibanding sistem dengan kapasitas sama menggunakan transformator, atau berukuran hanya 10% dibanding generasi motor-generator. Gambar 1.1 menunjukkan ilustrasi perubahan teknologi sistem penyearah tegangan. 8
Gambar 1.1. Perubahan teknologi sistem penyearah tegangan
Elektronika daya tersusun atas 4 bidang utama dalam lingkup Teknik Elektro, yaitu: 1. 2. 3. 4.
Teknik Sistem Tenaga Elektronika Sistem Kendali Pemrosesan Sinyal
Gambar 1.2 menunjukkan keterkaitan 4 bidang utama terhadap teknologi Elektronika daya. Sebagai contoh adalah teknologi alat pengisi baterai dalam suatu telepon seluler atau laptop. Peralatan tersebut merupakan mesin statik yang menggunakan saklar
semikonduktor.
Saklar-saklar
semikonduktor
dikendalikan oleh rangkaian elektronik yang menggunakan umpan balik tertutup untuk menjaga kestabilan dan keakuratan hasil keluarannya. Proses pengendalian dapat menggunakan teknik
analog
yang
memanfaatkan
op-amp,
ataupun
menggunakan teknik digital yang berbasis pemrograman dikombinasi dengan sistem kecerdasan buatan. 9
Konversi Energi
Kualitas Daya
Digital Signal Processing
Proses Sinyal: analog, digital
Sistem Tenaga: mesin statik
ELEKTRONIKA DAYA
Elektronika: sistem rangkaian Microcontroller/ Microprocessor
Sistem Kecerdasan Buatan
Sistem Kendali: open/ closed loop
Sistem Kestabilan
Rangkaian Linier/ Op‐Amp
Semiconductor Devices
Gambar 1.2. Susunan Elektronika Daya dan 4 bidang utama dalam lingkup Teknik Elektro
Di sisi aplikasi perangkat keras, gabungan beberapa bidang tersebut membentuk suatu perangkat Elektronika Daya, yang berperan sebagai antarmuka antara sumber tegangan dan beban, seperti terlihat pada Gambar 1.3. Beban-beban yang dipikul dapat berupa motor listrik, kapasitor bank, baterai, ataupun alatalat elektronik seperti radio, TV, komputer, lampu pendar (fluorescent).
10
Sumber Tegangan
Perangkat Elektronika Daya
Beban Listrik
Gambar 1.3 Diagram blok suatu sistem dengan perangkat Elektronika Daya
Gambar 1.3 menunjukkan pula arah aliran daya, yaitu dari sumber ke beban. Pada perangkat tersebut, daya ditransfer dari sumber untuk digunakan oleh beban. Parameter-parameter utama yang perlu mendapat perhatian adalah:
Tegangan (satuan Volt), pengamatan meliputi besaran dan bentuk gelombang
Arus (satuan Ampere), meliputi besaran dan bentuk gelombang, sudut fasa
Daya aktif (satuan Watt), merupakan daya rata-rata
Energi (satuan Watt jam atau Wh), merupakan hasil perkalian antara daya dan waktu dalam rentang tertentu
Sistem perangkat Elektronika Daya beroperasi berdasarkan prinsip on-off, atau menggunakan saklar untuk mengubah status memutus dan menyambung. Dengan prinsip on-off, proses konversi energi bekerja pada efisiensi yang cukup tinggi. Gambar 1.4 adalah ilustrasi terhadap 2 macam perangkat untuk menurunkan tegangan dc. Gambar 1.4 adalah perangkat pengkonversi energi, berupa sebuah kotak dengan garis putus 11
putus yang memiliki 2 terminal input (Vin) dan 2 terminal output (Vout). Untuk mempermudah penjelasan, dimisalkan tegangan input = 100 volt dc dan tegangan output = 20 volt dc. Cara pertama (Gambar 1.4.a) menggunakan metode pembagi tegangan berupa R1 dan R2, sedangkan cara kedua (Gambar 1.4.b) menggunakan saklar on-off. Gambar bagian bawah adalah bentuk gelombang tegangan output yang dihasilkan oleh kedua macam metode.
to Vin
Vin
Vout
T a)
Metode pembagi tegangan
b) Metode saklar
Gambar 1.4. Metode menurunkan tegangan
Metode pertama menghasilkan tegangan output Vout sesuai persamaan berikut:
12
