BAB I KONSEP DASAR ELEKTRONIKA DAYA 1.1. ELEKTRONIKA DAYA
Rangkaian elektronika daya mengkonversikan daya elektronik dari satu bentuk kebentuk yang lain dengan menggunakan perangkat elektronik. Fungsi elektronika daya dengan menggunakan perangkat semikonduktor adalah sebagai switching atau pensaklaran, dengan mengontrol atau memodifikasi tegangan ataupun arus. Range aplikasi elektronika daya mulai dari pengkonversian daya tinggi seperti pentransmisian daya DC ke peralatan sehari-hari seperti mesin bor, power supply untuk computer, charger handphone dan peralatan mobil. Aplikasi elektronika daya yang lain antara lain pengkonversian AC ke DC, konversi DC ke AC, konversi tegangan DC tak terkontrol ke tegangan DC terkontrol dan konversi daya AC dari satu amplitude dan frekuensi ke amplitude dan frekuensi yang lain. Desain peralatan elektronika daya mencakup semua disiplin teknik elektro. Elektronika daya mencakup aplikasi dari teori rangkaian listrik, teori control, elektronik, elektromagnetik, mikroprosesor untuk control dan transfer panas. Kemajuan
kemampuan
semikonduktor
dalam
proses
pensaklaran
yang
dikombinasikan dengan keinginan untuk meningkatkan efisiensi dan performansi dari pealatan elektronik membuat elektronika daya sangat penting dan berkembang pesat dalam duania teknik elektro. 1.2.KLASIFIKASI 1.2.KLASIFIKASI KONVERTER
Tujuan dari rangkaian elektronika daya adalah adal ah untuk menyesuaikan kebutuhan tegangan dan arus antara beban dan sumber. Rangkaian elektronika daya mengkonversikan satu tipe atau level gelombang tegangan atau arus ke dalam bentuk gelombang yang lain disebut dengan
converter .
Tugas converter adalah
sebagai interface atau penghubung antara sumber dengan beban seperti ditunjukkan pada gambar 1.1.
Gambar 1.1. converter elektronika daya sebagai penghubung antara sumber dengan
beban
Converter diklasifikasikan berdasarkan hubungan antara masukan (input) dan keluaran (keluaran), antara lain: 1. AC (Alternating Current) input / DC (Direct Current) Output
Converter ac-dc menghasilkan keluaran DC dari input AC. Daya rata-rata dikirim dari sumber AC ke beban DC. Converter AC-DC diklasifikasikan sebagai rectifier (penyearah). Sebagai contoh, converter ac-dc mampu mengintegrasi rangkaian untuk menjalankan dari 60Hz tegangan AC dengan mengkonversikan sinyal AC ke DC pada tegangan yang sesuai. 2. DC input / AC output
Converter DC ke AC diklasifikasikan sebagai inverter. Didalam inverter, daya rata-rata mengalir dari sisi DC ke sisi AC. Contohnya aplikasi inverter adalah memproduksi tegangan 120 Vrms 60Hz dari 12 volt DC baterai dan menghubungkan sumber energy alternative seperti solar sel. 3. DC input / DC output
DC-DC converter sangat diperlukan ketika beban membutuhkan arus atau tegangan DC yang khusus tetapi sumber tegangangannya mempunyai nilai yeng berbeda dan tidak terkontrol. Contohnya, 5 V didapatkan dari s umber 12 V melalui DC-DC converter. 4. AC input / AC output
AC-AC converter digunakan untuk mengubah level atau frekuensi sinyal AC. Contohnya mengontrol kecepatan motor induksi. Rangkaian converter dapat dioperasikan pada mode yang berbeda, tergantung parameter control rangkaiannya. Rangkaian rectifier dioperasikan sebagai inverter dengan memodifikasi control pada perangkat semikonduktor. Pada gambar 1.2 menunjukkan klasifikasi converter dimana arah daya rata-rata menentukan klasifikasi converter. Jika baterai diisi dari sumber AC, converter diklasifikaskan sebagai rectifier, jika parameter operasi converter diubah dan baterai berperan sebagai sumber daya yang memasok system AC, maka converter diklasifikasikan sebagai inverter. Pengkonversian daya dapat diproses melalui beberapa step yang melibatkan satu atau lebih converter. Sebagai contoh, pengkonversian AC-DC-AC
dapat digunakan untuk memodifikasi sumber AC yaitu mengkonversikan arus DC kemudian mengkonversi sinyal DC ke sinyal AC yang memiliki amplitude dan frekuensi yang berbeda dari sumber AC asal, seperti yang ditunjukkan pada gambar 1.3.
Gambar 1.2 konverter dapat dioperasikan sebagai rectifier atau i nverter,
tergantung arah dari daya rata-rata P
Gambar 1.3 Dua converter digunakan dalam proses multi step
1.3. KONSEP ELEKTRONIKA DAYA
Konsep elektronika daya seperti terlihat pada gambar 1.4 dimana untuk mendapatkan tegangan 3 Volt DC dari level tegangan sumber 9 Volt baterai, tujuan 3 Vdc adalah untuk mensupply beban resistansi. Solusi yang digunakan pada system elektronika daya adalah menggunakan pembagi tegangan, yaitu beban RL diseri dengan 2 RL sehingga menghasilkan tegangan 3 Vdc. Daya yang diserap oleh 2RL dua kali lebih banyak yang digunakan untuk beban dan rugi-rugi panas sehingga effisiensi hanya 33,33 persen.
Gambar 1.4 Pembagi tegangan dari 9 Vdc menjadi 3Vdc
Untuk mengatasi masalah effisiensi, maka digunakan transistor sebagai salah satu perangkat semikonduktor yang difungsikan sebagai saklar seperti ditunjukka pada gambar 1.5 a dan 1.5b. Rangkaian akan terhubung singkat ketika saklar ditutup dengan nilai tegangan 9 Vdc dan akan terhubung terbuka saat saklar di buka dengan nilai tegangan 0 V. Tegangan ini jelas bukan tegangan konstan, tetapi jika saklar di tutup selama sepertiga perioda maka rata-rata nilai tegangan Vx adalah sepertiga dari sumber tegangan.
Gambar 1.5 (a) Rangkaian Pensaklaran (b) Gelombang kotak
Besarnya tegangan rata-rata adalah:
1 1 1 ( ) = = ∫ () = ∫ 9 = ∫ 0 = 3 Dengan mempertimbangkan efisiensi rangkaian maka daya sesaat yang diserap oleh saklar adalah perkalian antara tegangan dan arus. Ketika saklar dibuka, daya yang diserap nol karena arus yang mengalir nol. Ketika saklar ditutup, daya yang diserap juga nol karena tegangan sebelumnya atau waktu diatasnya nol. Karena daya yang diserap oleh saklar nol untuk kedua kondisi saklar membuka dan menutup maka semua daya yang disupply oleh tegangan 9V dikirimkan semua ke beban RL, sehingga membuat rangkaian menjadi 100 persen.
Untuk mendapatkan nilai tegangan output rata-rata digunakan theorama fourier seri. Agar didapatkan nilai tegangan 3 volt tanpa ada losess maka dipasang filter. Filetr terdiri dari komponen-komponen DC yang dilewatkan ke tegangan output sehingga didapatkan nilai tegangan DC yang diinginkan. Jika filter bekerja sempurna maka converter bias menghasilkan effisiensi 100%. Pada kenyataannya, filter akan menyebabkan rugi-rugi dan akan menyerap daya, begitu juga dengan penggunaan peralatan elektronik yang digunakan untuk switching tidak bekerja dengan sempurna sehingga akan tercipta rugi-rugi juga, tetapi effisiensi masih bias dijaga sampai 90%. Proses konversi daya biasanya melibatkan system control. Keluaran converter adalah besarnya tegangan dan arus yang diukur dan parameter disesuaikan untuk mempertahankan keluaran yang diinginkan. Sebagai contoh, jika tegangan baterai 9 volt diturunkan menjadi 6 volt, saklar harus ditutup 50 persen untuk mempertahankan nilai rata-rata 3 Volt. Control umpan balik akan mendeteksi jika tegangan keluaran tidak sama dengan 3 volt dan akan mengatur membuka dan menutupnya saklar. 1.4. PENSAKLARAN SECARA ELEKTRONIK
Pesaklaran secara elektronik mempunyai dua kondisi yaitu on dan off, atau kondisi hubung singkat atau hubung terbuka. Penggunaan perngakat pensaklaran sangat diinginkan karena kehilangan daya pada perangkat relative sangat kecil. Jika pensaklaran ideal maka saklar tegangan dan saklar arus adalah nol, sehingga daya yang diserap nol. Peralatan menyerap daya ketika sedang berjalan dan ketika terjadi transaksi antara on ke off
(nyala ke mati), tetapi masih mempunyai
effisiensi yang tinggi. Beberapa peralatan elektronik seperti transistor dapat juga dioperasikan pada range aktif dimana antara tegangan dan arus tidak sama dengan nol tetapi sangat diperlukan untuk menggunakan perangkat sebagai saklar ketika terjadi proses daya. Jenis saklar elektronik yang biasa digunakan dalam elektronika daya antara lain: diode, thyristor dan transistor. Diode Diode adalah saklar elektronik yang paling sederhana. Dioda tidak bisa dikontrol, kondisi on dan off ditentukan oleh tegangan dan arus pada rangkaian. Diode akan forward bias (on) ketika id bernilai positif dan reverse bias (off) ketika vd bernilai
negative. Atau dengan kata lain short circuit (dihubung tertutup) ketika di forward bias dan open circuit (hubung terbuka) ketika di reverse bias. Karakteristik diode ditunjukkan pada gambar 1.6.
Gambar 1.6 (a) Dioda penyearah (b) karakteristik i-v (c) analogi karakteristik i-v
(d) waktu pemulihan reverse (e) diode schottky
Thyristor Transistor
