TUGAS 

ELEKTRONIKA DAYA

Disusun oleh :

SYUKRON JAMIL

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS SAINS DAN TEKNOLOGI

UNIVERSITAS ISLAM NEGERI SULTAN SYARIF KASIM RIAU

2014

                                                                            BAB 1

PENDAHULUAN

1.1.      Latar belakang

            Elektronika Daya merupakan salah satu bidang ilmu yang mempelajari dan membahas aplikasi elektronika yang berkaitan dengan peralatan listrik yang berdaya cukup besar. Berbagai macam peralatan dan aplikasi nyata di industri yang menggunakan sumber listrik memiliki kapasitas daya yang sangat besar seperti motor listrik, pemanas, pendingin, fun, kompresor, pompa, conveyor dan aplikasi-aplikasi lainnya. Elektronika daya mulai populer setelah berbagai pengaturan secara konvensional kurang dapat memenuhi kebutuhan industri.        Pengaturan berbagai aplikasi di industri secara konvensional tidak efektif dan menimbulkan rugi-rugi yang cukup besar sehingga diperlukan mekanisme pengaturan yang lebih baik. Salah satu pilihan adalah dengan menggunakan perangkat elektronika. Untuk dapat melakukan pengaturan berbagai macam peralatan di industry diperlukan peralatan kontrol yang mampu beroperasi pada tegangan dan arus yang cukup besar

            Bidang ilmu Elektronika Daya mencakup berbagai bidang ilmu yang mendasari perkembangan ilmu ini. Beberapa bidang ilmu yang terkait dengan Elektronika daya diantaranya adalah: Elektronika, Teori rangkaian, Sistem control, Elektromagnetika, Mesin-mesin listrik, Sistem Tenaga Listrik, Komponen semikonduktor dan komputer.

1.2.      Rumusan Masalah

            Berdasarkan latar belakang di atas dapat diberikan perumusan masalah sebagai berikut:

1.2.1.   apa itu dc-dc converter?

1.2.2.   apa itu AC Voltage Controller (Pengendali Tegangan AC)?

1.3.      Tujuan Pembahasan

            Dari rumusan masalah diatas, dapat disimpulkan bahwa pembuatan makalah ini bertujuan agar dapat :

1.3.1.   Mengetahui tentang DC-DC converter.

1.3.2.   Mengtahui tentang AC Voltage Controller (Pengendali Tegangan AC)

BAB 2

PEMBAHASAN

2.1.      DC-DC CONVERTER

            DC to DC Converter adalah suatu alat yang digunakan untuk mengubah suatu tegangan searah ke tegangan searah yang lain dengan nilainya dapat ditingkatkan atau diturunkan.  DC to DC converter ini memanfaatkan Charging dan discharging pada inductor, dengan metode switching. Switch yang digunakan adalah semikonduktor yang dioperasikan pada frequency tinggi semisal transistor BJT atau juga FET. DC to DC ini sangat sering dipakai di industry secara umum, dan elektronik khususnya, karena memiliki efesiensi yang tinggi. Divice ini biasanya dipakai sebagai pengatur kecepatan motor, atau mobil listrik, dan bisa juga untuk charger.

            Konverter DC-DC berlaku seperti halnya trafo/transformer yang mengubah tegangan AC tertentu ke tegangan AC yang lebih tinggi atau lebih rendah. Tidak ada peningkatan ataupun pengurangan daya masukan selama pengkonversian bentuk energi listriknya, sehingga secara ideal persamaan dayanya dapat dituliskan dengan persamaan sebagai berikut:

            Konverter DC-DC dapat dibagi menjadi 2 kategori besar, yaitu yang terisolasi dan yang tak terisolasi. Kata ’isolasi’ disini secara sederhana bermakna adanya penggunaan trafo (isolasi galvanis) antara tegangan masukan dan tegangan keluaran konverter DC-DC. Beberapa sumber menyebutkan bahwa konverter DC-DC yang tak terisolasi dengan istilah direct converter, dan konverter yang terisolasi dengan istilah indirect converter.

2.1.1.   Jenis-jenis DC-DC Converter

A. Topologi Penurun Tegangan (Buck Converter)

            Konverter jenis buck merupakan konverter penurun tegangan yang mengkonversikan tegangan masukan DC menjadi tegangan DC lainnya yang lebih rendah. Seperti terlihat pada gambar 2, rangkaian ini terdiri terdiri atas satu saklar aktif (MOSFET), satu saklar pasif (diode), kapasitor dan induktor sebagai tapis keluarannya.

Gambar Rangkaian konverter DC-DC tipe buck

            Untuk tegangan kerja yang rendah, saklar pasif (dioda) sering diganti dengan saklar aktif (MOSFET) sehingga susut daya pada saklar bisa dikurangi. Apabila menggunakan 2 saklar aktif, kedua saklar ini akan bekerja secara bergantian, dan hanya ada satu saklar yang menutup setiap saat. 

Tegangan rata-rata buck converter

Persamaan tegangan buck converter

            Analisis riak arus keluaran diperlukan untuk bisa mendesain tapis atau filter keluaran konverter DC-DC. Untuk mendapatkan riak arus keluran konverter buck yang kecil, diperlukan tapis induktor (L) yang nilainya akan semakin kecil dengan meningkatkan frekuensi penyaklaran. Riak arus keluaran konverter DC-DC akan bernilai maksimum apabila konverter bekerja pada duty cycle (d) = 0,5.

Analisis riak arus buck 

            Gambar dibawah ini adalah kondisi arus yang mengalir di tapis induktor pada saat konverter DC-DC bekerja pada kondisi kritis. Yang dimaksud dengan kondisi kritis disini adalah kondisi dimana arus di induktor mengalir ke beban sampai tepat bernilai nol pada saat saklar OFF, atau induktor bekerja sebagai sumber arus.

Penyaklaran pada kondisi kritis

Bentuk gelombang kondisi diskontinu

B. Topologi Penaik Tegangan (Boost Converter) 

            Konverter boost berfungsi untuk menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi dibanding tegangan masukannya, atau biasa disebut dengan konverter penaik tegangan. Konverter ini banyak dimanfaatkan untuk aplikasi pembangkit listrik tenaga surya dan turbin angin. Skema konverter jenis ini dapat dilihat pada gambar 3 dan gambar 4, dimana komponen utamanya terdiri atas MOSFET, dioda, induktor, dan kapasitor. Keunggulan dari konverter boost adalah mampu menghasilkan arus masukan yang kontiniu.

Gambar Rangkaian konverter DC-DC tipe boost

            Karena arus masukan konverter dapat dijaga kontinu, pada saat konverter ini diserikan dengan penyearah dioda, konverter ini tidak menimbulkan harmonisa pada arus sumber penyearah dioda. Atau dengan kata lain, arus sumber mempunyai bentuk gelombang mendekati sinusoidal dengan faktor daya sama dengan satu.

Gambar Rangkaian konverter DC-DC tipe boost + penyearah dioda (faktor daya satu)

Persamaan umum boost

Persamaan riak arus boost

Efek Parasitik Komponen

C. Topologi Penurun-Penaik Tegangan (Buck-Boost Converter)

            Konverter buck-boost dapat menghasilkan tegangan keluaran yang lebih rendah atau lebih tinggi daripada sumbernya. Jika MOSFET OFF maka arus akan mengalir ke induktor, energi yang tersimpan di induktor akan naik. Saat saklar MOSFET ON energi di induktor akan turun dan arus mengalir menuju beban. Dengan cara seperti ini, nilai rata-rata tegangan keluaran akan sesuai dengan rasio antara waktu pembukaan dan waktu penutupan saklar. Hal inilah yang membuat topologi ini bisa menghasilkan nilai rata-rata tegangan keluaran/bebn bisa lebih tinggi maupun lebih rendah daripada tegangan sumbernya.

Gambar 5 Rangkaian konverter DC-DC tipe buck-boost

Persamaan umum dan persamaan riak arus keluaran buck boost

            Masalah utama dari konverter buck-boost adalah membutuhkan tapis induktor dan kapasitor yang besar di kedua sisi masukan dan keluaran konverter, karena konverter dengan topologi seperti ini menghasilkan riak arus yang sangat tinggi. Adapun yang perlu diperhatikan juga disini adalah tegangan keluaran konverter buck-boost bernilai negatif atau berkebalikan dengan sumber tegangan masukan.

D. Topologi Cuk

            Seperti halnya tipe buck-boost, konverter DC-DC topologi ini juga dapat menghasilkan tegangan keluaran yang lebih kecil ataupun lebih besar daripada sumber tegangan. Dengan tambahan induktor dan kapasitor pada sisi masukan, membuat topologi ini menghasilkan riak arus yang lebih kecil daripada topologi buck-boost.

Gambar Konverter DC-DC tipe cuk 

E. Topologi Sepic

            Konverter topologi ini adalah perbaikan dari topologi konverter DC-DC tipe cuk. Konverter topologi ini memungkinkan untuk menghasilkan tegangan keluaran yang berpolaritas sama dengan sumber tegangan masukan.

Gambar 7 Konverter DC-DC tipe SEPIC

Contoh Soal DC DC CONVERTER Buck-Boots

1). Dikrtahui tegangan input adalah 12 Volt dengan Duty cycle (k=D0) adalah 0,25 ; fs= 25kHz ; L= 150 uH ; C=220 uF ; Ia= 1,25. Hitunglah tegangan output rata-rata (Va), Ripple tegangan output, ripple arus outut?

     

Jawab :

a.

 

b.

 

c.

2). Hitunglah ripple tegangan dan ripple arus pada DC Chopper tipe Boost bila diketahui Vs=5 V ; Tegangan output rata-rata= 15 V ; arus output rata-rata = 0,5 A ; Frekuensi switching = 25 kHz, L= 150 uh ; dan C= 200 uF

Jawab :

2.2.      AC VOLTAGE CONTROLLER (Pengendali Tegangan AC)

            AC Voltage Controller (Pengendali Tegangan AC) yang digunakan untuk memvariasikan RMS value tegangan bolak diterapkan pada sirkuit beban dengan memperkenalkan Thyristors between beban dan sumber tegangan ac konstan. RMS nilai bolak voltage applied ke sirkuit beban dikendalikan dengan mengendalikan sudut memicu dari Thyristorsin tegangan AC kontroler circuits singkat, tegangan AC kontroler adalah jenis thyristor konverter daya yang digunakan untuk mengubah tegangan tetap, frekuensi tetap AC pasokan input untuk mendapatkan output variablevoltage AC. RMS nilai tegangan output AC dan aliran listrik AC ke theload dikendalikan dengan memvariasikan (menyesuaikan) pemicu sudut ‘ α ‘.

            Ada dua jenis kontrol thyristor digunakan dalam praktek untuk mengontrol aliran listrik ac, yaitu :

1. On-Off control (kendali On-Off)

2. Phase control (kendali fase)

2.2.1.   FASE KONTROL

            Dalam kontrol fase Thyristors digunakan sebagai switch untuk menghubungkan sirkuit beban ke pasokan input ac, untuk bagian dari setiap siklus input. Itu adalah tegangan suplai ac menggunakan Thyristors selama bagian dari setiap siklus input. Saklar thyristor dihidupkan untuk bagian dari setiap setengah siklus, sehingga pasokan input tegangan muncul di seluruh beban dan kemudian dimatikan selama sisa bagian dari masukan setengah siklus untuk memutuskan suplai ac dari beban.

            Dengan mengontrol sudut fase atau sudut pemicu 'α' (delay angle), output RMS tegangan beban dapat dikontrol. Pemicu delay angle 'α' didefinisikan sebagai sudut fase (nilai ωt) di mana thyristor menyala dan arus beban mulai mengalir. Thyristor pengendali tegangan ac menggunakan ac garis pergantian atau fase ac pergantian. Thyristor dalam ac pengendali tegangan garis commutated (fase commutated) sejak pasokan input ac. Ketika tegangan input ac berbalik dan menjadi negatif selama setengah siklus negatif arus yang mengalir melalui penurunan budidaya thyristor dan 2 jatuh ke nol. Dengan demikian thyristor ON alami mati, ketika arus perangkat jatuh ke nol.

            Thyristors kontrol fase yang relatif murah, converter kelas Thyristor yang lebih lambat dari beralih inverter cepat kelas Thyristors biasanya yang digunakan. Untuk aplikasi diatas 400Hz, jika Triacs yang tersedia untuk memenuhi tegangan dan peringkat saat aplikasi tertentu, Triacs yang lebih umum digunakan. Karena garis ac pergantian atau pergantian alami, tidak perlu ekstra pergantian sirkuit atau komponen dan sirkuit untuk ac pengendali tegangan sangat sederhana.

            Karena sifat dari bentuk gelombang output, analisis, derivasi dari ekspresi untuk kinerja parameter yang tidak sederhana, terutama untuk tahap dikendalikan tegangan ac kontroler dengan beban RL. Tapi bagaimanapun sebagian besar beban praktis adalah dari jenis RL dan maka beban RL harus dipertimbangkan dalam analisis dan desain tegangan ac kontroler sirkuit.

2.2.2.   Prinsip ON-OFF Pengendalian Teknik (Siklus Integral Kontrol)

            Prinsip dasar teknik kontrol on-off dijelaskan dengan mengacu pada fase tunggal gelombang penuh rangkaian tegangan ac kontroler ditunjukkan di bawah ini.

Gambar fase tunggal gelombang penuh rangkaian AC tegangan pengendali

Gambar  Bentuk gelombang

2.2.3.   RMS Nilai Output Tegangan, Untuk Metode ON-OFF Kontrol

  Ø  RMS Output (Load) Voltage

  Ø  Duty Cycle

  Ø  RMS Load Current

  Ø  Output AC (Load) Power

  Ø  Input Power Factor

  Ø  The Average Current of Thyristor T(Avg )

  Ø  RMS Current of Thyristor T (RMS )

Contoh Soal :

1.      Pengendali tegangan ac 1 fasa 2 arah mempunyai tegangan masukan efektif 120 V dan beban resistif 6 ohm. Besarnya sudut perlambatan penyalaan thyristor . Tentukan:

a.       Tegangan efektif  keluaran (volt).

b.      Daya keluaran (Watt)

c.        Faktor Kerja Masukan

d.      Arus thyristor rata-rata dan efektif.

Jawab :

Besarnya tegangan efektif keluaran

Arus efektif keluaran

    

Daya Beban

Arus masukan sama besar dengan arus beban.

Jadi 

Daya masukan (VA)

Jadi

Faktor Kerja Masukan = = .

Setiap thyristor konduksi hanya setengah siklus, dengan demikian diperoleh:

Arus thyristor rata-rata

       

       

Arus thyristor efektif

       

       

       

       

BAB 3

PENUTUP

3.1.      KESIMPULAN

Ø  DC to DC Converter adalah suatu alat yang digunakan untuk mengubah suatu tegangan searah ke tegangan searah yang lain dengan nilainya dapat ditingkatkan atau diturunkan. 

Ø  Jenis-jenis dc-dc converter ada 5, antara lain adalah :

1. Topologi penurun tegangan (buck converter)

2. Topologi penaik tegangan (boost converter) 

3. Topologi penurun-penaik tegangan (buck-boost converter)

4. Topologi cuk  

5. Topologi sepic

Ø  Tegangan AC kontroler adalah jenis thyristor konverter daya yang digunakan untuk mengubah tegangan tetap, frekuensi tetap AC pasokan input untuk mendapatkan output variablevoltage AC.

Ø  Ada dua jenis kontrol thyristor digunakan dalam praktek untuk mengontrol aliran listrik ac, yaitu :

1. On-Off control (kendali On-Off)

2. Phase control (kendali fase)

Ø  Prinsip dasar teknik kontrol on-off dijelaskan dengan mengacu pada fase tunggal gelombang penuh rangkaian tegangan ac kontroler.

DAFTAR PUSTAKA

v  http://zmpulungan.wordpress.com/2012/11/18/dc-to-dc-converter/ (di akses pada 22 Desember 2014)

v  https://boeedy.wordpress.com/2012/09/20/dc-to-dc-converter-chapter-1-2/ (di akses pada 22 Desember 2014)

v  https://helmisudiro.wordpress.com/category/elektronika-daya/pengertian-elektronika-daya/ (di akses pada 22 Desember 2014)

v  http://indone5ia.wordpress.com/2011/09/02/sekilas-mengenai-konverter-dc-dc/ (di akses pada 22 Desember 2014)