LAPORAN PRAKTIKUM ELEKTRONIKA DAYA PENYEARAH SATU FASA SETENGAH GELOMBANG DAN GELOMBANG PENUH disusun untuk memenuhi salah satu tugas mata kuliah praktikum Elektronika Daya Dosen Pembimbing : Siti Saodah Tanggal Praktikum : 12 Oktober 2011 Tanggal Penyerahan Laporan : 26 Oktober 2011
disusun oleh ; Chandra Andromeda H (091711039) Dhani Setya Putra (091711042) Egi Suginawan (091711043) Erik Haryanto (091711044) Fikri Noor Fauzan (091711046) Hesti Lestari (091711049) Rian Firdaus (091711055) Ridhwan Afif (091711056) Sugie Taofik Ramdan (091711061)
TEKNIK KONVERSI ENERGI
POLITEKNIK NEGERI BANDUNG 2011 1
I. Tujuan Praktikum Setelah melakukan praktikum, mahasiswa diharapkan dapat ; 1. 2. 3. 4.
Membentuk rangkaian penyearah ½ gelombang dan gelombang penuh 1 fasa Mengetahui bentuk bentuk tegangan keluaran penyearah Mengetahui fungsi kapasitor pada sistem penyearah Menghitung ripple factor, form factor, dan efisiensi penyearah 1 fasa
II. Dasar Teori A. Penyearah Setengah Gelombang Satu Fasa Sebuah penyearah merupakan rangkaian yang mengkonversikan sinyal AC menjadi sinyal satu arah. Diode banyak digunakan pada penyearah. Penyearah setengah gelombang satu fasa merupakan jenis yang sederhana tetapi tidak biasa digunakan pada aplikasi industri. Namun demikian, penyearah ini berguna untuk memahami prinsip dari operasi penyearah. Selama tegangan masukan memiliki siklus setengah positif, diode D1 berkonduksi dan tegangan masukan muncul melalui beban. Selama tegangan masukan memiliki siklus setengah negatif, diode pada kondisi tertahan (blocking condition) dan tegangan keluarannya nol. Bentuk gelombang untuk tegangan masukan dan keluaran. Parameter Unjuk Kerja Meskipun tegangan masukan adalah DC. bentuknya tidak kontinyu dan mengandung harmonisa. Penyearah merupakan prosesor daya yang memberikan tegangan keluaran dc dengan yang mengandung jumlah harmonis yang minimum. Pada saat yang sama, terkadang penyearah ini memiliki arus masukan sinusoidal yang sefasa dengan tegangan masukan sehingga faktor dayanya mendekati satu. Kualitas pemrosesan daya penyearah memerlukan arus masukan, tegangan keluaran, dan arus keluaran dengan kandungan harmonis yang pasti. Kita dapat menggunakan ekspansi deret Fourier untuk menentukan besarnya harmonis yang ada pada arus dan tegangan. Ada beberapa macam jenis rangkaian penyearah dan kinerja biasanya dihitung dengan parameter-parameter sebagai berikut: Nilai rata-rata tegangan keluaran (beban). Vdc Nilai rata-rata arus keluaran (beban), Idc Keluaran daya dc. Pdc = Vdc Idc Nilai rms tegangan keluaran, Vrms Nilai rms arus keluaran, Irms Keluaran daya ac. Pac = Vrms Irms 2
Efisiensi (rectification ratio) sebuah penyearah, yang merupakan contoh untuk membandingkan efisiensi, yang didefinisikan sebagai : P = dc Pac Tegangan keluaran dapat dikatakan sebagai gabungan dua buah komponen: (1) nilai dc, dan (2) komponen ac atau ripple. Nilai efektif (rms) komponen ac tegangan keluaran adalah 2 Vac = Vrms Vdc2
Faktor Bentuk (form factor) yang mengukur bentuk tegangan keluaran adalah V FF = rms Vdc Faktor ripple (ripple factor) yang mengukur kandungan ripple, didefinisikan sebagai : V RF = ac V dc Dengan mensubtitusi Persamaan (3-45) ke dalam Persamaan (3-47) maka faktor ripple dapat dinyatakan sebagai (3-48) 2
V RF = rms 1 FF 2 1 Vac Faktor kegunaan trafo (transformer utilization factor) didefinisikan P TUF = dc Vs I s
Gambar 1-1. Bentuk gelombang tegangan dan arus masukan
3
dengan Vr dan Is adalah tegangan rms dan arus rms trafo sekunder. Sekarang marl kita perhatikan bentuk gelombang pada Gambar 1, dengan s adalah tegangan masukan sinusoidal, Is arus masukan instantaneous, dan adalah komponen fundamentalnya Jika 4 adalah sudut yang dibentuk antara komponen fundamental arus dan tegangan masukan, dan sudut disebut displacement angle, maka faktor displacement didefinisikan DF = cos Faktor harmonis (harmonic factor) arus masukan didefinisikan
I I cos I HF =
1
2 s 2 1 I I s1 dengan Is1 adalah komponen fundamental arus masukan Is. Kedua Is1 dan Is dinyatakan dalam rms. Faktor daya masukan didefinisikan VI I PF = s s1 cos s1 cos Vs I s Is 2 2 s s 2 s1
Crest Factor CF, yang mengukur arus masukan puncak Is (puncak) yang dibandingkan dengan nilai rmsnya Is digunakan untuk menspesifikasi rating arus puncak komponen dan divais. CF untuk arus masukan didefinisikan oleh I s puncak CF = Is
Catatan 1. Faktor harmonis HF adalah ukuran distorsi bentuk gelombang dan biasanya disebut total harmonic distortions (THD). 2. Bila arus masukan berupa sinusoidal murni, Is1 = Is dan faktor daya PF sama dengan faktor displacement DE Sudut displacement menjadi sudut impedansi = tan -1 (wL/R) untuk beban RL. 3. Faktor displacement DF sering disebut pula displacement power factor (DPF). 4. Penyearah ideal memiliki = 100%, Vac = 0, RF = 0, TUF = 1, HF = THD = 0, dan PF = DPF = 1. Perlu dicatat bahwa tegangan rata-rata VL induktor adalah nol dan tegangan keluaran rata-rata adalah V V VDC = m sin td t m cost 0 2 0 2 V = m cos t 2 4
Arus beban rata-rata adalah Idc = Vdc/R. Dapat diketahui dari Persamaan bahwa tegangan (dan arus) rata-rata dapat ditingkatkan dengan membuat = 0. Hal ini dimungkinkan dengan menambahkan diode freewheeling Dm seperti terlihat pada Gambar 1.2a yang ditunjukkan dengan garis putus-putus. Adanya diode ini akan mencegah munculnya tegangan negatif pada beban; sehingga energi magnetik akan meningkat. Pada t = t1 = /w, arus dari diode D1 dipindahkan ke Dm. Proses ini discbut komutasi pada diode. Bentuk gelombangnya ditunjukkan pada Gambar 1.2c.
Gambar 1-2 Penyearah setengah gelombang dengan beban R dan RL . Bergantung pada konstanta waktu beban, arus beban dapat tidak kontinyu. Arus beban iL menjadi tidak kontinyu bila ada beban resistif dan akan kontinyu dengan beban induktif. Kekontinyuan arus beban akan bergantung pada konstanta waktunya yaitu = L/R.
B. Penyearah Gelombang Penuh Satu Fasa Rangkaian penyearah gelombang penuh dengan trafo tap tengah ditunjukkan pada Gambar 2.1a. Tiap bagian trafo dengan diode yang berhubungan berfungsi sebagai penyearah setengah gelombang. Keluaran penyearah gelombang penuh
5
ditunjukkan pada Gambar 2.1b. Karena tidak ada arus dc yang mengalir melalui trafo maka tidak ada masalah saturasi dc pada inti trafo. Tegangan keluaran ratarata adalah 2V 2 T / Vdc = Vm sin ttdt m 0,6366Vm T 0 Selain menggunakan trafo tap tengah, kits dapat menggunakan empat buah diode seperti pada Gambar 2.2a. Selama tegangan masukan mengalami siklus setengah positif, daya disuplai ke beban melalui diode D1 dan D2. Pada saat siklus negatif, diode D3 dan D4 yang konduksi. Bentuk gelombang untuk tegangan keluaran ditunjukkan pada Gambar 2.2b yang serupa dengan Gambar 2.1b. Tegangan balik puncak diode hanya Vm. Rangkaian ini dikenal sebagai jembatan penyearah (bridge rectifier), dan sangat sering digunakan pada aplikasi
Gambar 2-1. Penyearah gelombang penuh dengan trafo tap tengah
6
Gambar 2-2 Jembatan penyearah gelombang penuh.
7
III. Alat yang digunakan 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8.
Modul dioda Oscilloscope Modul power supply Voltmeter Ampere meter Beban resistor Kapasitor 10 mF Fuse
1 buah 1 buah 1 buah 2 buah 2 buah 1 buah 1 buah 1 buah
IV. Gambar Rangkaian A. Penyearah ½ Gelombang penuh 1 fasa
B. Penyearah Gelombang penuh 1 fasa
8
V. Prosedur Praktikum 1. Membuatlah rangkaian percobaan ½ gelombang satu fasa tanpa menggunakan kapasitor. 2. Mengatur beban sesuai petunjuk dan mencatat meter – meternya pada tabel data yang telah tersedia dan menggambarkan bentuk gelombang tegangan input dan outputnya. 3. Memasang kapasitor pada rangkaian dan ulangi percobaan 2 4. Membuat rangkaian percobaan gelombang penuh 1 fasa tanpa menggunakan kapasitor (seperti pada gambar). 5. Mengulangi langkah percobaan 2 dan 3.
VI. Data Pengamatan
A. Penyearah ½ Gelombang 1 Fasa Tanpa Kapasitor no 1 2 3 4 5
Vin (AC) 30 30 30 30 30
Vout (DC) 12.4 12.5 12.4 12.5 12.4
Iin (AC) 1.5 1.25 0.75 0.45 1
Iout (DC) 0 0.5 0.3799 0.3199 0.4
B. Penyearah ½ Gelombang 1 Fasa dengan Kapasitor no 1 2 3 4 5
Vin (AC) 30 30 30 30 30
Vout (DC) 27 30 30 30 33
Iin (AC) 4.55 3.8 3.255 2.9 2.3
Iout (DC) 1.9 1.5 1.3 1.1 0.9
C. Penyearah Gelombang Penuh 1 Fasa Tanpa Kapasitor no 1 2 3 4 5
Vin (AC) 4 4 4 4 4
Vout (DC) 1.8 1.6 1.4 2 1.8
Iin (AC) 0.2 0.08 0.12 0.02 0.22
Iout (DC) 0.1 0.07 0.09 0.07 0.11
9
D. Penyearah Gelombang Penuh 1 Fasa dengan Kapasitor no 1 2 3 4 5
Vin (AC) 3 3 3 3 3
Vout (DC) 2.2 2.4 2.6 2.8 3
Iin (AC) 0.39 0.38 0.34 0.3 0.25
Iout (DC) 0.14 0.13 0.12 0.1 0.09
VII. Pengolahan Data a. Penyearah ½ gelombang 1 fasa tanpa kapasitor Vav = 0.318 Vmax Vrms = ½ Vm 30 = ½ Vm Vm = 60 V Vav = 0.318 Vm = 0.318 (60) = 19.08 Volt Efisiensi penyearah = ((Vav)2 / (Vrms)2 )x100% = ((19.08)2 / (30)2 )x100% = 40.45 % Ripple Factor (Rf) = {[(Vrms)2 / (Vdc)2]-1}1/2 = {[(30)2 / (12.4)2]-1}1/2 = 2.303 x 100% = 230.3 % Faktor bentuk (FF) = Vrms / Vdc = 30 / 12.4 = 2.419 x 100% = 241.9 % Tabel hasil Perhitungan no 1 2 3 4 5
Vin (AC) 30 30 30 30 30
Vout (DC) 12.4 12.5 12.4 12.5 12.4
η (%) 40.45% 40.45% 40.45% 40.45% 40.45%
Ripple Factor 220.3% 218.2% 220.3% 218.2% 220.3%
Form Factor 241.9 240 241.9 240 241.9
10
b. Penyearah ½ gelombang 1 fasa dengan kapasitor Vav = 0.318 Vmax Vrms = ½ Vm 30 = ½ Vm Vm = 60 V Vav = 0.318 Vm = 0.318 (60) = 19.08 Volt Efisiensi penyearah = ((Vav)2 / (Vrms)2 )x100% = ((19.08)2 / (30)2 )x100% = 40.45 % Ripple Factor (Rf) = {[(Vrms)2 / (Vdc)2]-1}1/2 = {[(30)2 / (27)2]-1}1/2 = 0.484 x 100% = 48.4 % Faktor bentuk (FF) = Vrms / Vdc = 30 / 27 = 1.111 x 100% = 111.1 % Tabel hasil perhitungan no 1 2 3 4
Vin (AC) 30 30 30 30
Vout (DC) 27 30 30 30
η (%) 40.45% 40.45% 40.45% 40.45%
Ripple Factor 48.4% 0.0% 0.0% 0.0%
Form Factor 111.10% 100% 100% 100%
c. Penyearah gelombang penuh 1 fasa tanpa kapasitor Vav = 0.318 Vmax Vrms = Vm / √2 4 x √2 = Vm Vm = 5.66 V Vav = 0.637 Vm = 0.637 (5.66) = 3.603 V Efisiensi penyearah = ((Vav)2 / (Vrms)2 )x100% 11
Ripple Factor (Rf)
Faktor bentuk (FF)
= ((3.603)2 / (4)2 )x100% = 81.135 % = {[(Vrms)2 / (Vdc)2]-1}1/2 = {[(4)2 / (1.8)2]-1}1/2 = 1.985 x 100% = 198.5 % = Vrms / Vdc = 4 / 1.8 = 2.222 x 100% = 222.2 %
Tabel hasil perhitungan no 1 2 3 4 5
Vin (AC) 4 4 4 4 4
Vout (DC) 1.8 1.6 1.4 2 1.8
η (%) 81.135 81.135 81.135 81.135 81.135
Ripple Factor 198.5% 229.1% 267.6% 173.2% 198.5%
Form Factor 222.2 250 285.7 200 222.2
d. Penyearah gelombang penuh 1 fasa dengan kapasitor Vav = 0.318 Vmax Vrms = Vm / √2 3 x √2 = Vm Vm = 4.24 V Vav = 0.637 Vm = 0.637 (4.24) = 2.7 V Efisiensi penyearah = ((Vav)2 / (Vrms)2 )x100% = ((2.7)2 / (3)2 )x100% = 81 % Ripple Factor (Rf) = {[(Vrms)2 / (Vdc)2]-1}1/2 = {[(3)2 / (1.8)2]-1}1/2 = 0.927 x 100% = 92.7 % Faktor bentuk (FF)
= Vrms / Vdc
12
= 3 / 1.8 = 1.667 x 100% = 166.7 % Tabel hasil perhitungan no 1 2 3 4 5
Vin (AC) 3 3 3 3 3
Vout (DC) 2.2 2.4 2.6 2.8 3
η (%) 81 81 81 81 81
Ripple Factor 92.7% 75.0% 57.6% 38.5% 0.0%
Form Factor 136.4 125 115.4 107.1 100
IX. Gambar Hasil Praktikum a. Penyearah ½ gelombang 1 fasa tanpa kapasitor
13
b. Penyearah ½ gelombang 1 fasa dengan kapasitor
c. Penyearah gelombang penuh 1 fasa tanpa kapasitor.
14
d. Penyearah gelombang penuh 1 fasa dengan kapasitor
15
X. Pembahasan Pada percobaan kali ini adalah penyearahan satu fasa ½ gelombang penuh dan gelombang penuh. Penyearah yang digunakan adalah dioda. Dioda semikonduktor telah banyak dipakai didalam sirkuit sirkuit elektronika. Pada sistem penyearah satu fasa baik daya kecil maupun daya besar peranan dioda sangat menentukan. Pada penyearahan ini yang diperhatikan adalah efisiensi, form factor, ripple factor . penyearahan yang dilakukan menggunakan 2 beban yakni beban resistor dan beban resistor kapasitor secara pararel. Percobaan pertama yang dilakukan adalah menyearahkan tegangan satu fasa ½ gelombang. Pada percobaan ½ gelombang dengan beban resistor didapatkan efisiensi rata rata 40,45% dan ripple factor rata rata adalah 219,5% serta untuk rata rata form factor 241,14 %. Percobaan kedua yang dilakukan adalah menyearahkan tegangan satu fasa ½ gelombang. Pada percobaan ½ gelombang dengan beban resistor kapasitor didapatkan efisiensi rata rata 40,45% dan ripple factor rata rata adalah 6,2% dengan ripple maksimum 48% dan beberapa gelombang memiliki ripple 0% dan untuk rata rata form factor kurang lebih 100%. Pada beban resistor ripple factor dan form factor cenderung lebih besar sedangkan pada beban resistor kapasitor ripple factor dan form factor cenderung lebih baik, maka dapat disimpulkan bahwa kapasitor dapat berfungsi sebagai penyearah bantuan dalam praktikum ini. Pada beban resistor kapasitor ada beberapa data yang menunjukan ripple factor 0%, hal ini disebabkan karena tegangan Vm input (AC) = Vm output (DC) hal ini berarti gelombang 100% lurus atau DC ideal. Hal ini dapat dilihat dari form factor yang memiliki nilai 100% namun hal ini hamper tidak mungkin dikarenakan tegangan input ≠ tegangan output yang berarti ada kesalahan pembacaan parameter tegangan pada alat ukur.
16
Percobaan ketiga yang dilakukan adalah menyearahkan tegangan satu fasa gelombang penuh. Pada percobaan gelombang penuh dengan beban resistor didapatkan efisiensi rata rata 81% dan ripple factor rata rata adalah 213% serta untuk rata rata form factor 236%. Percobaan keempat yang dilakukan adalah menyearahkan tegangan satu fasa gelombang penuh. Pada percobaan gelombang penuh dengan beban resistor kapasitor didapatkan efisiensi rata rata 81% dan ripple factor rata rata adalah 52% dengan ripple maksimum 92,7% dan gelombang terakhir memiliki ripple 0% dan untuk rata rata form factor kurang lebih 110%. Pada percobaan gelombang penuh hampir sama dengan percobaan setengah gelombang. Kapasitor berfungsi sebagai penyearah bantuan dan ripple factor 0% juga terdapat kesalahan pembacaan parameter pada alat ukur. Jika dibandingkan dengan percobaan setengah gelombang, percobaan gelombang penuh terlihat lebih realistis. Hal ini ditunjukan dengan nilai ripple factor yang tidak mencapai 0% dan nilai form factor yang tidak mencapai 100%. XI. Kesimpulan Ripple factor maksimum penyearah ½ gelombang tanpa kapasitor adalah 220,3 % Form factor maksimum penyearah ½ gelombang tanpa kapasitor adalah 241,9 % Ripple factor maksimum penyearah ½ gelombang resistor kapasitor adalah 48,4 % Form factor maksimum penyearah ½ gelombang resistor kapasitor adalah 111,1% Ripple factor maksimum penyearah gelombang penuh tanpa kapasitor adalah 229,1 % Form factor maksimum penyearah gelombang penuh tanpa 17
kapasitor adalah 285,7 % Ripple factor maksimum penyearah gelombang penuh resistor kapasitor adalah 92,7 % Form factor maksimum penyearah gelombang penuh resistor kapasitor adalah 136,4 % Kapasitor bertindak sebagai pembantu penyearahan atau pemerhalus tegangan DC XII. Daftar Pustaka wiki.answers.com/Q/What_is_ripple_factor en.wikipedia.org/wiki/Ripple_(electrical) edukasi.net/online/2007/filterdanregulator/konsepenyearah.ht ml Modul Praktikum Elektronika Daya. Teknik Konversi Energi. Bandung http://www.scribd.com/doc/61931773/2/PENYEARAHGELOMBANG-PENUH-SATU-FASA
18
