sistem konverter dc

 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