Uninterruptible Power Supply Menggunakan Inverter PWM 3

BAB II
DASAR TEORI
Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan sebagai
acuan dalam merealisasikan sistem. Teori-teori yang digunakan dalam pembuatan
skripsi ini adalah teori catu daya tak terputus, sinyal PWM (Pulse Width Modulation),
perbandingan si inverter, aki kering, IC XR2206, IC IR2110, konfigurasi h-bridge,
transformator, filter, dan SCR (Silicon Controlled Rectifier).
2.1. Teori Catu Daya Tak Terputus
Catu daya tak terputus adalah suatu sistem pencatu tegangan AC yang akan tetap
menghasilkan tegangan AC walaupun tidak ada sumber listrik dari jala-jala PLN. Catu
daya tak terputus ini terdapat 2 jenis yaitu catu daya tak terputus terbuka dan catu daya
tak terputus tersambung.
Catu daya tak terputus terbuka tidak tergantung pada tegangan jala-jala PLN dan
biasanya digunakan di luar ruangan. Catu daya ini bersumber pada aki kering.
Sedangkan catu daya tak terputus tersambung ini terhubung dengan tegangan jala-jala
PLN dan biasanya digunakan di dalam ruangan. Jika terjadi pemadaman listrik, maka
catu daya tak terputus ini akan menggantikan peran tegangan jala-jala PLN untuk
melayani beban.
Catu daya tak terputus tersambung ini digolongkan menjadi 2 yaitu catu daya
offline dan catu daya online. Pada catu daya offline, rangkaian yang bersumber pada
baterai dan berfungsi untuk menggantikan tugas jala-jala PLN atau sering kita kenal
dengan nama inverter, hanya bekerja pada saat tegangan jala-jala PLN mati.
Perpindahan sumber tegangan dari tegangan jala-jala PLN ke catu daya offline ini
menggunakan sebuah saklar otomatis sehingga terdapat sedikit jeda waktu yang
memungkinkan beban dapat reset/restart. Sedangkan pada catu daya online, inverter
bekerja secara terus menerus sejak tegangan jala-jala PLN masih hidup karena beban
yang dilayani oleh tegangan jala-jala PLN melalui rangkaian inverter. Oleh karena itu
pada catu daya online ini, jeda waktu yang memungkinkan beban reset/restart tidak
terjadi.
4
Gambar 2.1 dan 2.2 berikut ini merupakan diagram blok dari sistem UPS offline
dan online yang menunjukkan perbedaan dari sistem catu daya offline dan online.
Jala-jala PLN
Saklar
Penyearah
Baterai
Beban
Inverter
Gambar 2.1. Sistem UPS offline
Jala-jala PLN
Penyearah
Inverter
Beban
Baterai
Gambar 2.2. Sistem UPS online
2.2. Sinyal PWM (Pulse Width Modulation)
PWM (Pulse Width Modulation) secara umum adalah sebuah cara memanipulasi
lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulsa dalam satu periode, untuk mendapatkan
tegangan rata-rata yang berbeda. Beberapa contoh aplikasi PWM adalah pemodulasian
data untuk telekomunikasi, pengontrolan daya atau tegangan yang masuk ke beban,
regulator tegangan, efek audio, penguatan, dan lain-lain. Sedangkan aplikasi PWM
berbasis mikrokontroler biasanya berupa pengendalian kecepatan motor DC,
pengendalian motor servo, dan pengaturan nyala terang.
Konsep dasar sinyal PWM pada umumnya memiliki amplitudo dan frekuensi
dasar yang tetap, namun memiliki lebar pulsa yang bervariasi. Lebar pulsa PWM
berbanding lurus dengan amplitudo sinyal asli yang belum termodulasi. Artinya, sinyal
PWM memiliki frekensi gelombang yang tetap namun duty cycle bervariasi antara 0%
sampai 100%.
5
Amplitudo (volt)
ton
tegangan high
toff
tegangan low
Waktu (detik)
Gambar 2.3. Sinyal PWM
dengan
𝑡𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑜𝑓𝑓
𝐷 =
𝑉𝑖𝑛 =
ton
𝑡 𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑥100%
𝑡𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑕𝑖𝑔𝑕 𝑥 𝑡𝑜𝑛 + (𝑡𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑙𝑜𝑤 𝑥 𝑡𝑜𝑓𝑓 )
𝑡𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙
𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝐷 𝑥 𝑉𝑖𝑛
Dimana
ton = waktu pulsa bernilai high (detik)
toff = waktu pulsa bernilai low (detik)
D = duty cycle, yaitu lamanya pulsa high dalam 1 periode
𝑉𝑖𝑛 = tegangan masukan (volt)
𝑉𝑜𝑢𝑡 = tegangan keluaran (volt)
Dari persamaan-persamaan tersebut, diketahui bahwa perubahan duty cycle akan
merubah tegangan output atau tegangan rata-rata seperti pada Gambar 2.4
6
Gambar 2.4. Tegangan rata-rata PWM berdasarkan lebar pulsa
Sinyal PWM ini dapat dibangkitkan dengan banyak cara, baik secara digital
maupun secara analog. Secara digital perubahan PWM dipengaruhi oleh resolusi PWM
itu sendiri. Resolusi merupakan jumlah variasi perubahan nilai dalam PWM tersebut.
Misalkan suatu PWM
memiliki resolusi 8 bit, berarti PWM ini memiliki variasi
perubahan sebanyak 256 variasi mulai dari 0 - 255 perubahan yang mewakili duty cycle
0% - 100% dari keluaran PWM tersebut.
7
Gambar 2.5. Sinyal PWM digital
Sedangkan sinyal PWM yang dibangkitkan secara analog dapat diperoleh dengan
membandingkan 2 buah sinyal dengan menggunakan komparator. Sinyal yang pertama
merupakan sinyal referensi yang masuk pada kaki non-inverting komparator. Sinyal
referensi ini biasanya berupa sinyal sinusoida dengan amplitudo dan frekuensi tertentu.
Sinyal yang kedua merupakan sinyal pembawa (sinyal carrier) yang masuk pada kaki
inverting komparator. Sinyal carrier ini biasanya berupa sinyal segitiga atau gergaji.
Sinyal Referensi
+
Opamp
Sinyal Carrier
PWM
-
Gambar 2.6. Blok diagram pembentukan sinyal PWM dengan
membandingan sinyal referensi dan carrier
8
2.3. Gelombang Tangga 3 Tingkat dan PWM 3 Level
2.3.1. Gelombang Tangga 3 tingkat
Gelombang tangga 3 tingkat terdiri dari sinyal kotak dengan dutycycle kecil,
sinyal kotak dengan dutycycle sedang, dan sinyal kotak dengan dutycycle besar. Ketiga
sinyal kotak yang mempunyai dutycycle berbeda ini ditambahkan sehingga membentuk
sinyal yang menyerupai tangga sebanyak 3 tingkat. Gambar 2.7 berikut ini akan
menunjukkan sinyal kotak dengan dutycycle kecil, sedang, dan besar yang digabung
sehingga membentuk gelombang tangga 3 tingkat.
Gambar 2.7. Gelombang tangga 3 tingkat
9
2.3.2. Sinyal PWM 3 Level
Sinyal PWM 3 level dihasilkan dari pensaklaran empat buah MOSFET yang
membentuk konfigurasi H-bridge. Masing-masing MOSFET mendapat inputan sinyal
yang berbeda sehingga membentuk sinyal PWM 3 level seperti ditunjukkan oleh
Gambar 2.8 berikut ini.
Gambar 2.8. Sinyal PWM 3 level
2.4. Inverter
Inverter merupakan rangkaian elektronika daya yang digunakan untuk mengubah
tegangan searah (DC) menjadi tegangan bolak-balik (AC). Sumber tegangan input
inverter dapat menggunakan baterai, tenaga surya, atau sumber tegangan DC yang lain.
Output dari inverter ini dapat berupa tegangan AC yang berbentuk gelombang kotak
(square wave), gelombang sinus (sine wave), dan gelombang sinus termodifikasi (sine
wave modified). Proses konversi tegangan dari DC ke AC ini biasanya membutuhkan
rangkaian penaik tegangan.
Beberapa hal penting yang harus diperhatikan pada saat menggunakan inverter
adalah kapasitas beban yang akan ditahan oleh inverter, besar sumber tegangan input
yang akan digunakan, dan bentuk gelombang output inverter yang akan mempengaruhi
efisiensi dari inverter tersebut.
Inverter dapat dibedakan menjadi beberapa macam berdasarkan jumlah fasa
outputnya, pengaturan tegangannya, dan bentuk gelombang outputnya.
10
Berdasarkan jumlah fasa outputnya, inverter dapat dibedakan dalam
-
Inverter 1 fasa, yaitu inverter dengan output 1 fasa.
-
Inverter 2 fasa, yaitu inverter dengan output 3 fasa.
Sedangkan berdasarkan pengaturan tegangannya, inverter dapat dibedakan
menjadi
-
Voltage Fed Inverter (VFI), yaitu inverter dengan tegangan input yang diatur
konstan.
-
Current Fed Inverter (CFI), yaitu inverter dengan arus input yang diatur
konstan.
-
Variable dc linked inverter, yaitu inverter dengan tegangan input yang dapat
diatur.
Kemudian berdasarkan bentuk gelombang output-nya inverter dapat dibedakan
menjadi
-
Square wave inverter, yaitu inverter dengan output berbentuk gelombang
kotak, inverter jenis ini tidak dapat digunakan untuk mensupply tegangan ke
beban induktif atau motor listrik
-
Sine wave inverter, yaitu inverter yang memiliki tegangan output dengan
bentuk gelombang sinus murni. Inverter jenis ini dapa memberikan supply
tegangan ke beban (Induktor) atau motor listrik dengan efisiensi daya yang
baik.
-
Sine wave modified inverter, yaitu inverter dengan tegangan output berbentuk
gelombang kotak yang dimodifikasi sehingga menyerupai gelombang sinus.
Inverter jenis ini memiliki efisiensi daya yang rendah apabila digunakan untuk
mensupplay beban induktor atau motor listrik.
2.5. Aki Kering
Aki kering merupakan baterai yang terdiri dari beberapa sel yang dipasang secara
seri, dimana setiap selnya mempunyai tegangan sebesar 2 volt. Jadi untuk aki kering
yang memiliki tegangan 6 volt berarti memiliki 3 buah sel sedangkan aki kering yang
memiliki tegangan 12 volt memiliki 6 buah sel.
Setiap aki kering mempunyai kapasitas yang berbeda-beda. Kapasitas aki kering
atau sering kita sebut dengan kapasitas baterai dapat didefinisikan sebagai jumlah
11
ampere jam. Kapasitas aki kering ini dinyatakan dengan satuan ampere hour (Ah) yang
didapat dari perkalian kuat arus (ampere) dengan waktu (hour / jam).
Satu Ah pada aki kering mempunyai arti aki kering dalam keadaan ideal dapat
ditarik arus sebesar 1 ampere selama 1 jam penuh. Jika kapasitas aki kering yang
tersedia 1 Ah dan arus yang ditarik sebesar 2 Ah, maka aki kering hanya dapat bertahan
selama ½ jam saja. Sebaliknya jika arus yang ditarik sebesar 0,5 ampere, maka aki
kering dapat bertahan selama 2 jam. Lalu perhitungan daya pada aki kering didapat
dengan mengalikan
tegangan dan kapasitas aki keringnya. Jika suatu aki kering
mempunyai tegangan 12 volt dengan kapasitas 7,2 Ah berarti energi yang dapat
dihasilkan oleh aki kering dalam keadaan ideal adalah 12 x 7,2 = 86,4 watt selama 1
jam.
2.6. IC XR2206
XR2206 adalah IC generator yang mampu menghasilkan sinyal sinusoida,
segitiga, kotak, dan gergaji. Bentuk dan akurasi sinyal yang dihasilkan oleh XR2206
mempunyai kualitas yang bagus. Amplitudo dan frekuensi sinyal dapat diatur dengan
menggunakan tegangan dari luar, dimana rentang frekuensi yang dapat dihasilkan
adalah 0,01Hz sampai dengan 1MHz. XR2206 ini mempunyai beberapa keunggulan
yaitu
-
Distorsi rendah pada sinyal sinus yaitu sekitar 0,5%
-
Mempunyai stabilitas termperatur yang baik
-
Mempunyai rentang tegangan yang cukup besar yaitu 10 sampai dengan 26 volt
-
Mempunyai rentang frekuensi kerja yang besar
Dengan keunggulan-keunggulan yang dimiliki oleh XR2206, XR2006 ini
biasanya diaplikasikan untuk
-
Menghasilkan sinyal (sinus, segitiga, kotak, dan gergaji)
-
Menghasilkan sinyal FSK (Frequency Shift Keying)
-
Menghasilkan sinyal
AM (Amplitude Modulation) /
FM
Modulation)
-
Konverter tegangan ke frekuensi
-
PLL (Phase Locked Loop)
Gambar 2.9 berikut ini menunjukkan konfigurasi dari kaki-kaki XR2206
12
(Frequency
Gambar 2.9. Konfigurasi IC XR2206
2.7. IC IR2110
IR2110 merupakan sebuah IC driver setengah gelombang untuk MOSFET
(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) atau IGBT (Insulated Gate
Bipolar Transistor) yang mempunyai tegangan dan kecepatan yang tinggi. IR2110 ini
mempunyai 2 buah input yaitu LIN dan HIN dan 2 buah output yaitu LO dan HO. Input
yang terhubung pada kaki LIN akan dikeluaran bagian rendahnya (low) saja pada kaki
LO. Sedangkan input yang terhubung pada kaki HIN akan dikeluarkan bagian tingginya
(high) saja pada kaki HO. Gambar 2.10 berikut menunjukkan konfigurasi dari IC
IR2110
Gambar 2.10. Konfigurasi IC IR2110
2.8. Konfigurasi H-Bridge
Konfigurasi H-bridge merupakan suatu rangkaian yang susunan transistornya
membentuk huruf H. Konfigurasi H-bridge ini banyak diaplikasikan untuk driver motor.
Transistor yang biasa digunakan pada konfigurasi H-bridge ini adalah BJT (Bipolar
Junction Transistor) dan MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect
13
Transistor). Transistor pada konfigurasi H-bridge ini difungsikan sebagai switching
atau sebagai saklar. Gambar 2.11 menunjukkan konfigurasi dasar dari konfigurasi Hbridge
Gambar 2.11. Konfigurasi H-bridge
Konfigurasi H-bridge pada Gambar 2.11 akan bekerja jika beban mendapatkan
pasokan tegangan dan arus dapat mengalir dari Vcc ke ground. Dengan kata lain, saklar
3 dan saklar 2 harus dalam kondisi on secara bersamaan atau saklar 4 dan saklar 1
dalam kondisi on secara bersamaan.
2.9. Transformator
Teori dasar transformator atau sering kita kenal dengan sebutan trafo adalah suatu
alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih
rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang yang lain, melalui suatu gandengan magnet
berdasarkan prinsip induksi electromagnet. Trafo ini dapat mengubah tegangan AC
(bolak-balik) menjadi lebih tinggi atau menjadi lebih rendah
tanpa mengubah
frekuensinya.
Trafo terdiri dari 3 bagian penting yaitu kumparan primer, kumparan sekunder,
dan inti besi. Inti besi ini merupakan bagian dari trafo yang menghasilkan fluks untuk
menghubungkan bagian primer dan sekunder trafo. Ketika kumparan primer
dihubungkan dengan sumber tegangan AC, maka kumparan primer akan menghasilkan
garis-garis gaya magnet yang berubah-ubah. Perubahan garis-garis gaya dari kumparan
primer ini akan menginduksi kumparan sekunder sehingga timbul arus bolak-balik.
Gambar 2.12 berikut ini akan menunjukkan bagian primer dan sekunder trafo.
14
Gambar 2.12. Bagian primer dan sekunder trafo
Trafo biasanya digunakan untuk menyesuaikan atau merubah tegangan listrik
arus bolak-balik, untuk memisahkan suatu rangkaian dengan rangkaian yang lainnya,
dan untuk menyesuaikan impedansi antara rangkaian satu dengan lainnya.
Aplikasi penggunaan trafo dibedakan menjadi 2 macam
1. Trafo step-up (penaik tegangan), yaitu dengan memberikan tegangan masukkan
pada bagian sekundernya maka pada bagian primer trafo akan menghasilkan
tegangan yang lebih tinggi.
2. Trafo step-down (penurun tegangan), yaitu dengan memberikan tegangan
masukkan pada bagian primernya maka pada bagian sekunder trafo akan
menghasilkan tegangan yang lebih rendah.
Arus yang masuk pada bagian primer (Ip) dan sekunder (Is) trafo tidak sama. Hal
ini dipengaruhi oleh banyaknya lilitan primer (Np) dan lilitan sekunder (Ns) pada trafo,
Hubungan tegangan, arus, dan banyaknya lilitan pada bagian primer dan sekunder trafo
ditunjukkan oleh persamaan
𝑉𝑝
𝑉𝑠
=
𝑁𝑝
𝑁𝑠
𝐼
= 𝐼𝑠
𝑝
2.10. Filter
Filter adalah suatu rangkaian yang dapat memisahkan sinyal berdasarkan
frekuensinya. Ada frekuensi yang diterima atau dalam hal ini dibiarkan lewat dan ada
juga frekuensi yang ditolak atau dalam hal ini secara praktis dilemahkan. Hubungan
keluaran dan masukan suatu filter ini dinyatakan dengan fungsi alih (transfer function).
Nilai dari fungsi alih sering disebut magnitude yang dinyatakan dalam satuan desibel
(dB).
15
Berdasarkan sifatnya filter ada 2 macam yaitu filter pasif dan filter aktif. Filter
pasif dapat dirancang dengan menggunakan komponen pasif seperti resistor, kapasitor,
dan induktor. Sedangkan filter aktif biasanya menggunakan komponen aktif seperti opamp dan transistor. Jika dibandingkan dengan filter pasif, filter aktif ini memiliki
beberapa keunggulan yaitu harga komponen untuk filter aktif yang relatif lebih murah,
tidak ada masalah pada pembebanan karena tahanan inputnya tinggi dan tahanan
outputnya rendah, serta pengaturan penguatan dan frekuensi yang relativf lebih mudah.
Rangkaian filter ini dapat diaplikasikan secara luas, baik untuk menyaring sinyal
pada frekuensi rendah, frekuensi audio, frekuensi tinggi, atau pada frekuensi-frekuensi
tertentu saja. Oleh karena itu, baik filter pasif maupun filter aktif dapat dikelompokkan
menjadi 4 tipe yaitu
1. Filter lolos bawah (LPF/Low Pass Filter)
2. Filter lolos atas (HPF/High Pass Filter)
3. Filter lolos pita (BPF/Band Pass Filter)
4. Filter tolak rendah (BSF/Band Stop Filter / Notch Filter)
Setiap filter pasti mempunyai frekuensi cut-off (fc), yaitu batas frekuensi dimana
tegangan akan dilewatkan secara penuh atau mulai diperlemah. Pada LPF, keluaran
tegangannya akan tetap sama sampai fc kemudian frekuensi di atasnya akan mulai
diperlemah. Pada HPF, keluaran di bawah fc masih lemah dan naik terus sampai
tegangan keluarannya stabil pada frekuensi tertentu. Untuk BPF dan BSF memiliki 2
buah frekuensi cut-off yaitu fL (low) dan fH (high), namun frekuensi yang akan
dilewatkan berbeda. Pada BPF, frekuensi yang dilewatkan adalah frekuensi antara f L
dan fH. Sedangkan pada BSF frekuensi yang dilewatkan adalah frekuensi di bawah f L
dan di atas fH
Bentuk tanggapan frekuensi filter berdasarkan tipenya dapat dilihat pada Gambar
2.13 berikut ini
16
Gambar 2.13. Bentuk tanggapan frekuensi filter
2.11. SCR (Silicon Controlled Rectifier)
SCR merupakan perpaduan antara transistor PNP dan NPN namun mempunyai
prinsip kerja yang berbeda dengan kedua jenis transistor tersebut. SCR ini mempunyai 3
buah kaki yaitu anoda, katoda, dan gate. Gambar 2.14 berikut ini akan menunjukkan
simbol dari sebuah SCR.
Gambar 2.14. Simbol SCR
17
SCR dapat ditriger menjadi on dengan memberikan arus pada kaki gate SCR.
Semakin besar arus gate yang diberikan (𝐼𝑔 ), maka tegangan minimum yang dibutuhkan
untuk membuat SCR menjadi on atau sering disebut sebagai tegangan breakover (𝑉𝑏𝑜 )
akan semakin kecil. Ketika SCR sudah on, SCR membutuhkan nilai arus tertentu atau
sering disebut dengan istilah arus holding (𝐼𝑕 ) yang digunakan untuk mempertahankan
SCR agar tetap on. Oleh karena itu, cara untuk membuat sebuah SCR menjadi off
adalah dengan cara menurunkan arus anoda ke katoda turun di bawah arus holding (𝐼𝑕 ).
Gambar 2.15 berikut ini akan menunjukkan karakteristik dari sebuah SCR.
Gambar 2.15. Karakteristik kurva I-V SCR
18