BAB I - Teknik Elektro Undip

PERANCANGAN MODUL PEMICUAN THYRISTOR UNTUK BERBAGAI APLIKASI PENYEARAH
TERKONTROL DENGAN MENGGUNAKAN MIKROKONTROLLER ATMEGA8535
Pandu Sandi Pratama1, Agung Warsito2
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik – Universitas Diponegoro
Jl. Prof. Soedarto SH Tembalang, Semarang 50275
e-mail : [email protected]
Abstrak
Penyearah terkontrol merupakan peralatan yang umum digunakan di dunia industri untuk mengatur daya
masukan pada suatu peralatan. Berbagai masalah sering ditemui dalam pengaplikasiannya di lapangan. Untuk itu
perlu dibuat modul praktikum yang mampu membantu para mahasiswa untuk memahami prinsip kerja alat tersebut.
Dalam kerja praktek ini setelah melakukan studi literatur dan observasi telah berhasil dibuat modul
pemicuan thyristor untuk berbagai aplikasi penyearah terkontrol dengan menggunakan mikrokontroller
ATMEGA8535. Alat yang dibuat terdiri dari beberapa bagian diantaranya power suplai, zero cross detector, sistem
minimum ATMEGA8535, serta driver dan optoisolator. Rangkaian zero cross detector membantu mikrokontroller
mengetahui awal gelombang sinus sedangkan rangkaian driver dan optoisolator membantu memperkuat keluaran
mikrokontroller agar mampu memicu thyristor. Alat ini dapat digunakan untuk memicu penyearah 1 fasa terkontrol
penuh, penyearah 3 fasa setengah jembatan terkontrol, penyearah 3 fasa jembatan semi terkontrol, dan penyearah 3
fasa jembatan terkontrol penuh.
Alat yang dibuat mampu bekerja pada tegangan 220V. Tegangan kerja rangkaian daya (VLN) pada penyearah
terkontrol dapat divariasi mulai dari tegangan 50V hingga 220V, hal ini dikarenakan zero cross detector dapat
bekerja pada rentang tegangan tersebut. Pada uji coba penyearah dengan beban 2 buah lampu pijar 100w, diketahui
bahwa rentang pengaturan tegangan penyearah 3 fasa jembatan penuh semi terkontrol dan penyearah 1 fasa
jembatan penuh yaitu sebesar 180˚, sedangkan pada penyearah 3 fasa setengah jembatan rentang pengaturan
tegangan hingga 150˚, sedangkan penyearah 3 fasa terkontrol penuh rentang pengaturan tegangan sebesar 120˚.
Kata kunci : penyearah, terkontrol, ATMEGA8535
I. PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Seiring dengan kemajuan teknologi, berkembang
pula berbagai peralatan yang memudahkan pekerjaan
manusia. Kemajuan ini perlu diantisipasi dengan
kesiapan SDM yang menjadi operator berbagai
peralatan tersebut.
Salah satu bidang kompetensi konsentrasi
ketenagaan adalah elektronika daya yang salah satu
bagiannya adalah penyearah terkontrol. Di dunia
industri, penyearah terkontrol umum digunakan untuk
pengaturan daya pada berbagai peralatan. Dalam
kegiatan kerja praktek ini telah dibuat modul praktikum
yang dapat menjelaskan prinsip kerja penyearah
terkontrol. Dengan adanya modul ini peserta praktikum
dapat mengkombinasikan berbagai macam rangkaian
penyearah serta mempelajari karakteristik masingmasing rangkaian sehingga dapat menambah
pengetahuan para praktikan di bidang elektronika daya.
Dengan pembuatan modul praktikum ini diharapkan
dapat menambah kelengkapan sarana laboratorium
sehingga diperoleh lulusan Teknik Elektro yang
memiliki kompetensi dibidang ketenagalistrikan.
1.2. Tujuan Kerja Praktek
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Membuat modul praktikum elektronika daya yaitu
berupa rangkaian pemicuan penyearah terkontrol.
2. Mengetahui karakteristik secara umum masingmasing rangkaian penyearah terkontrol.
1.3. Pembatasan Masalah
1. Alat yang dibuat hanya digunakan untuk pemicuan
penyearah 1 fasa terkontrol penuh, penyearah 3
fasa setengah jembatan terkontrol, penyearah 3
fasa jembatan semi terkontrol, dan penyearah 3
fasa jembatan terkontrol penuh.
2. Mikrokontroller
yang
digunakan
adalah
ATMEGA8535 dengan bahasa pemrograman C.
3. Tegangan kerja modul (VLN) 220 V.
4. Tegangan kerja rangkaian penyearah (VLN) dapat
divariasi dari 50-220V.
II. DASAR TEORI
2.1. Thyristor
Thyristor adalah piranti semikonduktor dengan
empat lapisan bahan tipe N dan tipe P. Komponen ini
bekerja seperti sebuah saklar, menghantar jika kaki
GATE menerima pulsa tertentu, dan akan terusmenerus menghantar selama dicatu maju.
Gambar 2.1 Pemodelan thyristor oleh dua buah transistor
Thyristor memiliki tiga keadaan :
1. Reverse blocking mode (blokir mundur) : tegangan
diberikan pada arah yang akan diblokir oleh dioda.
[1]
Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Undip
[2]
Dosen Jurusan Teknik Elektro Undip
1 of 6
2. Forward bloking mode (blokir maju) : tegangan
diberikan pada arah dimana dioda bisa menghantar,
namun thyristor belum dipicu untuk menghantar.
3. Forward conducting mode (hantar maju) : thyristor
telah dipicu untuk menghantar dan akan tetap
menghantar sampai arus panjar maju turun dibawah
nilai ambang yang disebut “holding current”.
T1
Vs
V an

3
2
Vs
0
Pada Gambar 2.2 dapat dilihat rangkaian
penyearah dengan beban resitif. Pada rangkaian
tersebut, terdapat dua pasang thyristor yang menyala
secara bergantian yaitu T1,T2 dan T3,T4.
T1
V cn
V an  V m sin  t
0
2.2. Penyearah Terkontrol
2.2.1. Penyearah 1 fasa jembatan terkontrol
is
T1
V bn


+
T3
T2
V an


6
6




V an  V m sin  t
3
2
Vo
0


6
6
T3
5

t

6
Gambar 2.4 Gelombang keluaran
+
-
Vm
0
Vm
0
T4
io
3 3
Vm cos  .................. 2.2
2

3


untuk α ≥ 30˚: Vdc 
Vm 1  cos    ...... 2.3
2 
6

untuk 0˚≤ α ≤30˚: Vdc 
T3 , D4
T1 , D2
Vs
T2
Jika tegangan Van  Vm sin t maka tegangan keluaran
rata-ratanya adalah:
Vo
R
2
 


t
2.2.3. Penyearah 3 fasa jembatan semi terkontrol
Pada gambar 2.5 dapat dilihat rangkaian dan
pembentukan gelombang pada penyearah tiga fasa
jembatan semi terkontrol. Frekuensi ripple keluaran 3
kali frekuensi sumber. Sudut pemicuan dapat diatur dari
0˚ hingga 180˚. Selama periode π/6 ≤ ωt ≤ 7π/6,
thyristor T1 bias maju. Jika T1 dipicu setelah sudut
tunda α, maka T1 dan D3 akan mengalir dan muncul
tegangan Vac pada beban.
Vs

  
2

2
t
V0
0

t
io
a
ia
Gambar 2.2 Rangkaian dan proses pembentukan gelombang
T1
Besarnya tegangan rata-rata ditunjukkan persamaan:
Vo ( avg ) 
Vm (1  cos  )

T2
T3
+
ib b
n
Vo
-
....................................... 2.1
c
ic
2.2.2. Penyearah 3 fasa setengah jembatan
Ketika thyristor T1 dipicu pada t   / 6  
maka tegangan Van akan muncul pada beban dan akan
komutasi secara natural ketika Van berganti polaritas.
Ketika T2 dipicu maka tegangan Vbn akan muncul pada
beban hingga pergantian polaritas dan dilanjutkan
dengan pemicuan T3 sehingga muncul Vcn pada beban.
D3
T2 ,D1
Vbn
T3 ,D2
Vcn
t
0
Vs

t
io
b
T2
ic
D2
0
T1
ib
T1 ,D3
Van
Vs
a
ia
n
T3 ,D2
D1
Vo
+
Vac
Vba
Vcb
Vo
c
T3
-
Gambar 2.3. Rangkaian Penyearah 3 fasa setengah jembatan
0
t
Gambar 2.5 Rangkaian dan proses pembentukan gelombang
2 of 6
Vdc 
3 3
Vm (1  cos  ) ....................................... 2.4
2
2.2.4. Penyearah 3 fasa jembatan penuh
Pada gambar 2.6 dapat dilihat penyearah 3 fasa
jembatan terkontrol. Tegangan keluarannya berupa
enam pulsa. Thyristor dipicu pada interfal π/3.
Frekuensi ripple tegangan keluaran adalah enam kali
frekuensi fundamental dan kebutuhan filter lebih
sederhana dari konverter setengah jembatan.
3.1.1 Power Suplai
Power suplai terdiri dari 1 buah trafo stepdown,
yang berfungsi menurunkan tegangan dari 220V AC
menjadi 12V AC. Tegangan AC ini kemudian
disearahkan oleh 4 buah dioda 1N4002 yang berfungsi
sebagai penyearah jembatan. Tegangan hasil
penyearahan kemudian difilter oleh dua buah kapasitor
masing-masing 2200uF dan 100nF. Tegangan keluaran
ini kemudian diatur agar sesuai dengan menggunakan
regulator LM7805 menjadi 5V.
Regulator
5V
io
a
ia
220V AC
50 Hz
T1
T3
Vo 5 V
1N4004
Besarnya tegangan rata-rata ditunjukkan persamaan:
2200uF 100nF
12 V AC
50 Hz
T5
+
ib
n
b
Vo
ic
T5 , T6
T 6 , T1
c
T4
T 2 ,T 3
T1 , T 2
V an
Vs
Gambar 3.2 Rangkaian power suplai
T2
T6
T 3 ,T 4
T 4 ,T 5
V bn
T 5 ,T 6
V cn
t
0
Vs

t
0

Vo
t
0
Gambar 2.6 Rangkaian dan proses pembentukan gelombang
Tegangan keluaran rata-ratanya adalah:
untuk 0˚≤ α ≤60˚ : Vdc 
untuk α ≥ 60˚ : Vdc 
3 3Vm

3 3Vm

Vcc 5 VDC
cos  ............... 2.5
(1  cos(

3
  )) .... 2.6
Rangkaian
Daya
Beban
Mikrokontroller
ATMEGA 8535
Driver dan
optoisolator
ATMEGA 8535
MOC3020
AC
4050
Zero Cross
Detector
1N4002
10 : 1
III. PERANCANGAN DAN PEMBUATAN
3.1. Pembuatan Alat
Blok diagram modul yang telah dibuat dapat
dilihat pada gambar 3.1 berikut ini:
Suplai AC
1Ф / 3Ф
3.1.2. Zero cross detector
Prinsip kerja rangkaian zero cross detector ini
yaitu ketika sisi primer trafo stepdown mendapat
masukan tegangan fasa R dan netral sebesar 50 V
hingga 220V, maka akan timbul tegangan disisi
sekunder trafo yang besarnya seper sepuluh dari
tegangan sumber. Tegangan keluaran tersebut
kemudian disearahkan oleh diode 1N4002. Resistor R1
digunakan untuk membatasi arus basis yang masuk ke
transistor BD139. Ketika tegangan sumber lebih besar
dari 0,7 V maka akan mengaktifkan transistor BD139.
Kapasitor nonpolar 1µF digunakan untuk memfilter
ripple tegangan dan ripple arus akibat pensaklaran
thyristor pada rangkaian daya. Ketika transistor pada
kondisi ON, maka akan muncul tegangan 5V pada
resistor R2. Buffer 4050 digunakan untuk menegaskan
gelombang keluaran agar mikrokontroller dapat bekerja
dengan baik.
50-220 V
AC 50 Hz
BD 139
Potensio
50k Ω
1k Ω
R1
0,1 µF
1k Ω
R2
Buffer
4050
Output
Gnd
Gambar 3.3 Rangkaian Zero Cross Detector
3.1.3. Driver dan Optoisolator.
Prinsip kerja rangkaian driver dan optoisolator
yaitu ketika salah satu pin pada port D diberi logika
satu, maka akan mengaktifkan transistor BD139
sehingga akan mengalir arus yang menyalakan LED
pada IC MOC3020. Besarnya arus yang mengalir
ditentukan oleh resistor R2. Cahaya yang dipancarkan
oleh LED akan diterima oleh photo TRIAC yang ada
pada IC MOC3020. TRIAC ini akan memicu gate pada
thyristor dengan menggunakan arus pada katodanya.
Arus gate besarnya dibatasi oleh R3. Fungsi dioda
1N4002 yaitu untuk melindungi TRIAC agar tidak aktif
pada saat siklus negatif.
Gambar 3.1 Blok diagram penyearah terkontrol
3 of 6
Dari hasil pengujian diatas, walaupun tegangan
masukan dari jala-jala lebih besar dari yang seharusnya
yaitu mencapai 237V tetapi besarnya tegangan keluaran
power suplai yaitu 5,17V DC masih sesuai untuk catu
daya mikrokontroller ATMEGA8535 yang memiliki
tegangan kerja antara 4,5V DC hingga 5,5V DC.
VCC
5 V DC
R3
180 Ω
R1
1 kΩ
BD139
Katoda
PORTD.X
MOC3020
1N4002
R2
1 kΩ
Gate
Gnd
Gambar 3.4 Rangkaian driver dan optoisolator
3.1.4. ATMEGA8535
Agar dapat memicu thyristor pada sudut yang
tepat maka rangkaian zero cross detector memberikan
sinyal interupsi pada mikrokontroller ketika terjadi
pergantian polaritas pada sumber. Pin yang dapat
digunakan untuk memberikan interupsi dari luar yaitu
PORTD.2,
PORTD.3,
dan
PORTB.2.
Pada
perancangan, pin yang digunakan adalah PORTD.2.
Untuk masukan sudut pemicuan digunakan keypad
yang membutuhkan satu buah PORT khusus yang
digunakan untuk masukan yaitu PORT B. Sedangkan
untuk tampilan digunakan LCD yang juga
membutuhkan sebuah PORT khusus untuk komunikasi
data yaitu PORT C. Keluaran sinyal pemicuan dari
mikrokontroller akan mengaktifkan rangkain driver dan
isolator pulsa yang terdiri dari 6 set rangkaian yang
akan memicu masing-masing thyristor. Dalam kasus ini
sinyal pemicuan akan dihasilkan oleh PORT D.
PORT D
Driver dan
Isolator Pulsa
LCD
Halo…
.

Pin.2
Pin.0
.
.
Pin.7
PORT C
ATMEGA 8535
Zero cross
detector
 
Pin.0
.
.
Pin.7
PORT B
Pin.0
.
.
Pin.7
4.1.2. Zero cross detector
Dari gambar 4.1 dapat dilihat bahwa gelombang
keluaran rangkaian zero cross detector berbentuk
gelombang kotak dengan duty cycle 50%. Tegangan
puncak sebesar 5V sehingga sesuai untuk input
mikrokontroller. Kondisi ON mewakili siklus positif
tegangan line to netral pada rangkaian daya. Dengan
demikian dapat diketahui bahwa gelobang sinus dimulai
ketika gelombang kotak berubah dari logika 0 ke 1.
Saat itulah gelombang akan mengaktifkan interupsi
sehingga mikrokontroller bisa memberikan tunda
pengaktifan thyristor.
Gambar 4.1 Gelombang keluaran zero cross detector
4.1.3. Driver dan optoisolator.
Hasil pengujian rangkaian driver dan optoisolator
dapat dilihat pada gambar 5.8 dan 5.9.
Keypad
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
Gambar 4.2 Gelombang keluaran PORT D pin 1
Gambar 3.5 Konfigurasi mikrokontroller
IV. PENGUJIAN
4.1. Pengujian masing-masing blok
Pengujian dilakukan di laboratorium konversi
energi listrik dan sistem tenaga Jurusan Teknik Elektro
Universitas Diponegoro. Peralatan yang digunakan
dalam pengujian yaitu digital multimeter “Sanwa PC
100” dan osciloscope analog “Kenwood CS-4125”
4.1.1. Power Suplai
Hasil pengujian dapat dilihat pada tabel 4.1
berikut ini:
Tabel 4.1 Hasil pengujian power suplai
No
Parameter yang diukur
Hasil
1 Tegangan masukan trafo
237 V AC
2 Tegangan keluaran trafo
13.27 V AC
3 Tegangan penyearah sebelum
regulator
15.37 V DC
4 Tegangan setelah regulator
5.17 V DC
Gambar 4.3 Gelombang gate to anoda pada Thyristor
Pada gambar 4.2 tegangan puncak gelombang
sebesar 5V dengan duty cycle sesuai mode yang dipilih.
Besarnya duty cycle antara 30% hingga 50%. Pada
gambar 4.3 dapat dilihat gelombang keluaran gate to
anoda pada thyristor.
4.2.Pengujian Penyearah Terkontrol
Dalam pengujian keluaran penyearah terkontrol
ini digunakan Osciloscope analog “Kenwood CS4125”. Beban yang digunakan adalah 2 buah lampu
pijar 100w dan tegangan kerja VLN 100 V. simulasi
menggunakan program PSIM 6.0.
4 of 6
4.2.1. Pengujian Penyearah 1 fasa terkontrol
Pada gambar 4.4 dapat dilihat gelombang
keluaran penyearah 1 fasa terkontrol.
Gambar 4.4 Keluaran pada sudut picu 0˚, 30˚, 60˚, 90˚, 120˚,
150˚
Perbandingan hasil pengukuran,simulasi dan
perhitungan dapat dilihat pada tabel 4.2.
Tabel 4.2 Perbandingan perhitungan, simulasi dan hasil
pengukuran tegangan keluaran (VDC).
No Sudut Perhitungan Simulasi Pengukuran
1
0
89.87
90
82.5
2
30
83.86
83
77.5
3
60
67.43
67
63.5
4
90
44.97
44
44.8
5
120
22.51
22
25.2
6
150
6.05
6
9.1
7
180
0
0
0
4.2.3. Pengujian Penyearah 3 fasa jembatan semi
terkontrol
Pada gambar 4.6 dapat dilihat gelombang
keluaran penyearah 3 fasa jembatan semi terkontrol.
Gambar 4.6 Keluaran pada sudut picu 0˚, 30˚, 60˚, 90˚, 120˚,
150˚
Perbandingan hasil pengukuran,simulasi dan
perhitungan dapat dilihat pada tabel 4.4.
Tabel 4.4 Perbandingan perhitungan, simulasi dan hasil
pengukuran tegangan keluaran (V DC).
No Sudut
Perhitungan Simulasi Pengukuran
1
0
233.99
233.00
222.00
2
30
218.33
218.00
207.00
3
60
175.55
175.00
170.00
4
90
117.09
116.00
121.00
5
120
58.61
58.00
60.00
6
150
15.75
15.00
12.00
7
180
0
0.00
0.00
4.2.2. Pengujian Penyerah 3 fasa setengah
jembatan terkontrol
Pada gambar 4.5 dapat dilihat gelombang
keluaran penyearah 3 fasa setengah jembatan
terkontrol.
4.2.4. Pengujian penyearah 3 fasa jembatan
terkontrol
Pada gambar 4.7 dapat dilihat gelombang
keluaran penyearah 3 fasa jembatan terkontrol.
Gambar 4.5 Keluaran pada sudut picu 0˚, 30˚, 60˚, 90˚, 120˚
Gambar 4.7 Keluaran pada sudut picu 0˚, 30˚, 60˚, 90˚
Perbandingan hasil pengukuran,simulasi dan
perhitungan dapat dilihat pada tabel 4.3.
Perbandingan hasil pengukuran,simulasi dan
perhitungan dapat dilihat pada tabel 4.5.
Tabel 4.3 Perbandingan perhitungan, simulasi dan hasil
pengukuran tegangan keluaran (VDC).
No Sudut Perhitungan Simulasi Pengukuran
1
0
116.99
116
108
2
30
101.33
101
92
3
60
67.6
67
62
4
90
33.84
33
31
5
120
9.09
9
7
6
150
0
0
0
Tabel 4.5 Perbandingan perhitungan, simulasi dan hasil
pengukuran tegangan keluaran (V DC).
No Sudut
Perhitungan Simulasi Pengukuran
1
0
233.99
233.85
222
2
30
202.67
202.02
199
3
60
117.21
116.07
126
4
90
31.50
30.75
38
5
120
0.00
0
2
5 of 6
DAFTAR PUSTAKA
Gambar 4.8 Grafik perbandingan tegangan keluaran rata-rata
masing-masing penyearah terkontrol
Dari gambar 4.8 dapat dilihat karakteristik
pengaturan tegangan keluaran melalui pengaturan sudut
fasa. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa
pengaturan tegangan yang memiliki rentang paling luas
adalah penyearah 3 fasa jembatan penuh semi
terkontrol dan penyearah 1 fasa jembatan penuh yaitu
sebesar 180˚. Sedangkan yang memiliki tegangan
paling besar adalah penyearah 3 fasa jembatan penuh
semi terkontrol dan penyearah 3 fasa jembatan penuh
terkontrol.
IV. PENUTUP
5.1. Kesimpulan
Berdasarkan
pembuatan,
perancangan,
pengujian dan analisa dapat diperoleh kesimpulan
sebagai berikut:
1. Telah berhasil dibuat alat pemicuan thyristor untuk
berbagai topologi penyearah dengan menggunakan
ATMEGA8535 yang mampu bekerja pada
tegangan 220V.
2. Rangkaian daya pada penyearah terkontrol dapat
menggunakan suplai tegangan Line to netral yang
bervariasi mulai dari 50 V hingga 220 V.
3. Rentang pengaturan tegangan penyearah 3 fasa
jembatan penuh semi terkontrol dan penyearah 1
fasa jembatan penuh yaitu sebesar 180˚, sedangkan
pada penyearah 3 fasa setengah jembatan rentang
pengaturan tegangan hingga 150˚ , sedangkan pada
penyearah 3 fasa terkontrol penuh rentang
pengaturan tegangan sebesar 120˚.
5.2. Saran
Beberapa saran untuk pengembangan alat yang
telah dibuat diantaranya adalah:
1. Perlu analisa dan studi lebih lanjut untuk
pengoperasian penyearah dengan beban induktif
dan kapasitif.
2. Perlu dicari rangkaian zero cross detector yang
mampu bekerja pada rentang tegangan yang luas
tanpa perlu melakukan penyetingan ulang.
1. Jacob M. Ph.D, C.C. Halkias, Ph.D, Elektronika
Terpadu, Penerbit Erlangga, 1990.
2. Joseph A. Edminister, M.S.E. Seri Buku Schaum:
Teori Dan Soal – Soal Rangkaian Listrik. Edisi
kedua. ERLANGGA: Jakarta,1988
3. Lister, Rangkaian dan Mesin Listrik, Penerbit
Erlangga,Jakarta,1993.
4. Mohan.Ned ,Tore M.Undeland ,William P
Robbins, Power Electronics : Converter,
Applications, and Design, John Wiley and Sons
Inc, Canada, 1995.
5. P C Sen, Power Electronics, Tata McGraw-Hill,
1987.
6. Rashid, Muhammad, Power Electronics circuits,
devices, and applications, 1988, New Jersey :
Prentice-Hall International, Inc.
7. Theraja, BL dan AK, A Text Book of Technology
Volume II, Nirja Construction and Development
co.(p) LTD, New Delhi, 1994.
8. Wildi, Theodore, Electrical Machines, Drives, and
Power Sstems 3rd, Prentice-Hall International, Inc.
New Jersey, 1997.
9. Zuhal, Dasar Tenaga Listrik Dan Elektronika
Daya, Gramedia, 1995
10. ____________, Thyristor and Triac, Philips
Semiconductors, 1999.
BIODATA PENULIS
Pandu Sandi Pratama
L2F 004 499, Ketenagaan
Lahir di Semarang 1 November
1986.
Telah
menempuh
pendidikan di TK Mardi Utomo
Bulusan, SD Bulusan 02, SLTPN
27 Semarang, SMUN 3 Semarang
dan sekarang sedang menempuh
pendidikan Strata-1 di Jurusan
Teknik Elektro Fakultas Teknik
Universitas Diponegoro.
Menyetujui,
Dosen Pembimbing
Ir. Agung Warsito DHET
NIP. 195806171987031002
6 of 6