BAB II PENYEARAH DAYA

Transkripsi

1 BAB II PENYEARAH DAYA KOMPETENSI DASAR Setelah engikuti ateri ini diharapkan ahasiswa eiliki kopetensi: Menguasai karakteristik penyearah setengah-gelobang dan gelobang-penuh satu fasa dan tiga fasa Menguasai dasar prinsip kerja penyearah setengah-gelobang dan gelobang-penuh satu fasa dan tiga fasa STANDAR KOMPETENSI Mapu enganalisis rangkaian penyearah setengah-gelobang dan gelobang-penuh satu fasa dan tiga fasa A. PENDAHUUAN Penyearah daya erupakan rangkaian elektronika daya yang berfungsi untuk engubah tegangan suber asukan arus bolak-balik dala bentuk sinusoida enjadi tegangan luaran dala bentuk tegangan searah yang tetap. Jenis suber tegangan asukan untuk encatu rangkaian penyearah daya dapat digunakan tegangan bolakbalik satu fasa dan tiga fasa. Penyearah satu fasa erupakan rangkaian penyearah daya dengan suber asukan tegangan bolak-balik satu fasa, sedangkan penyearah tiga fasa rangkaian penyearah daya dengan suber asukan tegangan bolak-balik tiga fasa. Rangkaian penyearahan dapat dilakukan dala bentuk penyearah setengah gelobang (halfwave) dan penyearah gelobang-penuh (fullwave). Pebebanan pada rangkaian penyearah daya uunya dipasang beban resistif atau beban resistif-induktif. Efek dari pebebanan ini Elektronika Daya 13

2 akan epengaruhi kualitas tegangan luaran yang dihasilkan dari rangkaian penyearah. A. PENYEARAH SATU-FASA 1. PENYEARAH SETENGAH-GEOMBANG SATU-FASA a. Beban Resistif (R) Gabar 2.1 (a) erupakan rangkaian penyearah setengahgelobang satu-fasa dengan beban resistif, sedangkan Gabar 2.1 (b) enunjukkan bentuk gelobang hasil penyearahan. Proses penyearahan dapat dijelaskan elalui Gabar 2.1 (a) dan (b), pada setengah siklus pertaa dengan polaritas positif, dioda pada rangkaian penyearah akan ON karena polaritas tegangan pada anoda lebih positif dibandingkan pada katoda. (a) (b) Gabar 2.1 Penyearah Setengah- Gelobang Satu-fasa Beban R Pada proses ini enghasilkan tegangan luaran ( ) sebesar tegangan setengah perioda pertaa ( ). Selanjutnya, pada setengah siklus kedua dengan polaritas negatif, dioda pada rangkaian penyearah akan OFF karena polaritas tegangan pada anoda lebih negatif dibandingkan pada katoda. Pada proses ini enghasilkan tegangan luaran saa dengan nol. Proses ON dan OFF dioda ini berlangsung secara cepat berdasarkan frekuensi tegangan suber asukan. Elektronika Daya 14

3 Di sini, dioda berfungsi sebagai sakelar sekaligus elakukan pengubahan (converting) dari suber bolak-balik enjadi tegangan searah. Ditinjau dari tegangan luaran ( ) yang dihasilkan, terdapat dua jenis koponen tegangan, yaitu : (1) tegangan searah rerata ( dc ) dan tegangan searah efektif (root ean square-rs),. Nilai tegangan luaran asing-asing adalah : Tegangan asukan (input), s. s = sin ωt = MAX sin ωt Tegangan luaran (output) rerata, dc dan arus luaran rerata, I dc : Tegangan luaran (output) efektif, dan Arus luaran efektif, I : Dengan deikian, daya luaran rerata (P dc ) dan daya luaran efektif (P ) adalah: P dc = dc I dc P = I Jika arus efektif suber asukan (I s ) saa dengan arus efektif luaran (I ), aka faktor daya penyearahan yang diakibatkan proses penyearah ini sebesar : cos I s I Elektronika Daya 15

4 b. Beban Resistif-Induktif (R) Gabar 2.2 (a) erupakan rangkaian penyearah setengahgelobang satu-fasa dengan beban resistif-induktif (R), sedangkan Gabar 2.2 (b) dan (c) enunjukkan bentuk gelobang hasil penyearahan. Proses penyearahan dapat dijelaskan elalui Gabar 2.2 (a), (b) dan (c), pada setengah siklus pertaa dengan polaritas positif, dioda pada rangkaian penyearah akan ON karena polaritas tegangan pada anoda lebih positif dibandingkan pada katoda. Tetapi, karena pengaruh tegangan yang tersipan pada induktor () aka dioda terus ON sapai waktu tertentu (). Akibatnya, waktu konduksi dioda enjadi lebih laa ( + ). Selanjutnya, pada setengah siklus kedua dengan polaritas negatif yang diulai dari, dioda pada rangkaian penyearah akan OFF karena polaritas tegangan pada anoda lebih negatif dibandingkan pada katoda. Pada proses ini enghasilkan tegangan luaran saa dengan nol. Gabar 2.2 Penyearah Setengah-Gelobang Satu Fasa dengan Beban R Elektronika Daya 16

5 Nilai koponen tegangan luaran ( dc ) dan arus searah (dc) ditentukan sebagai berikut : dc cos( ) 1 cos diana : θ = (β ), dan tan 1 R Dari persaaan di atas dapat diketahui bahwa sudut konduksi diode () elebihi sapai titik peadaan ( ). Tegangan luaran, o, dapat encapai aksiu jika = 0. Keadaan ini dapat dilakukan dengan cara enabah diode koutasi (freewheeling diode) yang dipasang paralel dengan beban R, sehingga nilai tegangan luaran seperti penyearah setengah-gelobang satu fasa beban R. 2. PENYEARAH GEOMBANG-PENUH SATU-FASA Ada 2 (dua) jenis rangkaian penyearah gelobang penuh satufasa, yaitu: penyearah titik tengah (center tap - CT) dan penyearah jebatan. Gabar 2.3 (a) erupakan rangkaian penyearah CT dan Gabar 2.4 (b) rangkaian penyearah jebatan. Gabar 2.3 (a) erupakan rangkaian penyearah gelobang-penuh satu fasa CT dengan beban R. Pada sisi sekunder trafo, polaritas positif terjadi pada setengah perioda pertaa dan kedua, sehingga dioda D 1 akan ON saat setengah perioda pertaa sedangkan dioda D 2 akan OFF. Sebaliknya, pada setengah periioda kedua dioda D 2 akan ON sedangkan Elektronika Daya 17

6 D1 ON D2 ON D ON Gabar 2.3 (a) Penyearah Gelobang-penuh Satu Fasa dengan CT dioda D 1 akan OFF. Tegangan luaran searah dihasilkan ketika dioda D 1 dan D 2 ON yang eiliki nilai tegangan searah rerata ( dc ) dan tegangan efektif ( ). Tetapi, ketika dioda D 1 dan D 2 OFF, nilai tegangan pada dioda D 1 dan D 2 sebesar 2. Gabar 2.3 (b) erupakan rangkaian penyearah gelobangpenuh satu fasa jebatan dengan beban R. Julah dioda dala rangkaian penyearah ini sebanyak epat buah, yaitu: D 1, D 2, D 3, dan D 4. Pada setengah siklus pertaa dengan polaritas positif, dioda D 1 dan D 2 pada rangkaian penyearah akan ON sedangkan dioda D 3 dan D 4 dala kondisi OFF. Selanjutnya, pada setengah siklus kedua dengan polaritas negatif, dioda D 3 dan D 4 pada rangkaian penyearah akan ON sedangkan D 1 dan D 2 dala kondisi OFF. Tegangan luaran searah dihasilkan ketika dioda D 1 dan D 2, serta D 3 dan D 4 dala kondisi ON yang eiliki nilai tegangan searah rerata dan efektif. Tetapi, ketika dioda D 1 dan D 2, serta D 3 dan D 4 dala kondisi OFF, nilai tegangan pada dioda D 1 dan D 2 sebesar. Jadi, perbedaan encolok dari kedua jenis penyearah ini adalah nilai tegangan pada diode ( d ) saat kondisi OFF, yaitu : sebesar -2 untuk penyearah CT dan sebesar - untuk penyearah jebatan. Elektronika Daya 18

7 Gabar 2.3 (b) Penyearah Gelobang-penuh Satu Fasa Jebatan Dengan bentuk gelobang hasil penyerahan seperti ditunjukkan pada Gabar 2.3 (a) dan (b) dapat ditentukan nilai tegangan luaran rerata ( dc ) dan arus rerata (I dc ) yang engalir sebagai berikut: 2 0, 637 I dc dc dc R Selanjutnya, nilai tegangan luaran efektif ( ) dan arus efektif (I ) yang engalir adalah: , I R Jadi, daya luaran rerata (P dc ) dan daya luaran efektif (P ) adalah: P dc = dc I dc P = I Faktor daya penyearahan (cos φ) rangkaian ditentukan dengan persaaan: P P cos S. I S Elektronika Daya 19

8 Jika rangkaian pada Gabar 2.3 (a) dan (b) dihubungkan dengan beban resistif-induktif (R), aka nilai tegangan luaran ( ) ditentukan berdasarkan deret Fourier yang terdiri dari koponen tegangan searah (dc) dan tegangan haronik genap, yaitu : Ri o dio dt diana : ( t) o, DC a n 0 o, DC ( an cos nt bn sin nt) n1,2,.. 2 b n n 4 1 n2,4,..( n 1)( n 1) ; n adalah haronik genap ke-n B. PENYEARAH TIGA-FASA 1. PENYEARAH SETENGAH-GEOMBANG TIGA-FASA Gabar 2.4 (a) erupakan rangkaian penyearah setengahgelobang tiga-fasa hubungan bintang dengan beban resistif (R), sedangkan Gabar 2.4 (b) erupakan bentuk gelobang hasil penyearahan. Gabar 2.4 (b) dapat dilihat perbedaan antar fasa R, y dan B asing-asing sebesar 2/3 (atau 120 o ). Diode pada setiap fasa akan konduksi (ON) selaa perode tegangan pada fasa tersebut lebih tinggi daripada dua fasa yang lainnya. Proses penyearahan dari rangkaian penyearah setengahgelobang tiga-fasa ini dapat ditinjau dari salah satu fasa dari Gabar 2.4 (b), yaitu: fasa R selaa periode 0 -. Selaa periode 0 - ini, dioda D pada fasa B lebih dahulu ON pada periode 0 - /6, keudian dioda D pada fasa R enjadi ON pada periode /6-5/6, dilanjutkan Elektronika Daya 20

9 dioda D pada fasa Y enjadi ON pada periode 5/6 -, dan terulang kebali dioda pada fasa R enjadi ON dan seterusnya. (a) (b) Gabar 2.4 Penyearah Setengah-gelobang Tiga-fasa Dengan bentuk gelobang hasil penyerahan seperti ditunjukkan pada Gabar 2.4 (b) dapat ditentukan nilai tegangan luaran rerata ( dc ), tegangan efektif ( ), dan arus efektif (I s ) per fasa yang engalir sebagai berikut: Elektronika Daya 21

10 ; diana: I = /R Jika beban R pada rangkaian Gabar 2.4 (a) diganti beban R, aka seperti halnya pada penyearah satu fasa beban R, haronik genap juga terjadi pada penyearah tiga fasa beban R, diana nilai tegangan haronik genap ke-n dapat ditentukan dengan persaaan berikut: n 6 ( n 2 1) ; diana n adalah haronik ke 6, 12, 18, dan seterusnya. 2. PENYEARAH GEOMBANG-PENUH TIGA-FASA Gabar 2.5 (a) erupakan rangkaian penyearah gelobangpenuh tiga-fasa hubungan jebatan dengan beban resistif (R), sedangkan Gabar 2.5 (b) erupakan bentuk gelobang hasil penyearahan. Untuk eudahkan penjelasan proses penyearahan, dioda pada setiap fasa diberi noor sebagai berikut: fasa R terdiri dari dioda D 1 dan D 4, fasa Y terdiri dari dioda D 3 dan D 6, dan fasa B terdiri dari dioda D 5 dan D 2. Sudut konduksi setiap dioda sebesar 2/3, sehingga urutan kerja dioda adalah 12, 23, 34, 45, 56, dan 61. (a) Gabar 2.5 (a) Elektronika Daya 22

11 ON ON ON ON ON ON ON (b) Gabar 2.5 Penyearah Gelobang-penuh Tiga-fasa Hubungan Jebatan Dengan bentuk gelobang hasil penyerahan seperti ditunjukkan pada Gabar 2.5 (b) dapat ditentukan nilai tegangan luaran rerata ( dc ), tegangan efektif ( ), dan arus efektif (I s ) per fasa yang engalir sebagai berikut: diana : I = 1,73 /R Jika beban R pada rangkaian Gabar 2.5 (a) diganti beban R, aka seperti halnya pada penyearah setengah-gelobang tiga-fasa Elektronika Daya 23

12 beban R, haronik genap juga terjadi pada penyearah tiga fasa beban R, diana nilai tegangan haronik genap ke-n dapat ditentukan dengan persaaan berikut: 6, line n 2 ; diana n adalah haronik ke 6, 12, 18, dan ( n 1) seterusnya. D. PERTANYAAN 1. Penyearah Satu-fasa a. Jelaskan proses penyearahan pada rangkaian penyearah setengahgelobang satu fasa! b. Gabarkan bentuk gelobang tegangan asukan dan tegangan pada dioda saat OFF pada rangkaian penyearah setengahgelobang satu fasa! c. Jelaskan proses penyearahan pada rangkaian penyearah gelobang-penuh jebatan (bridge) satu fasa! d. Jelaskan proses penyearahan pada rangkaian penyearah gelobang-penuh CT satu fasa! e. Gabarkan bentuk gelobang tegangan asukan dan tegangan pada dioda saat OFF pada rangkaian penyearah gelobang-penuh CT satu fasa! f. Berapakah nilai tegangan pada salah satu diode dari suatu rangkaian penyearah gelobang-penuh CT satu fasa ketika diode OFF? 2. Penyearah Tiga-fasa a. Jelaskan proses penyearahan pada rangkaian penyearah setengahgelobang tiga fasa! Elektronika Daya 24

13 b. Gabarkan bentuk gelobang tegangan asukan dan tegangan pada salah satu dioda saat OFF pada rangkaian penyearah setengah-gelobang tiga fasa! c. Jelaskan proses penyearahan pada rangkaian penyearah gelobang-penuh tiga fasa! d. Gabarkan bentuk gelobang tegangan asukan dan tegangan pada dioda saat OFF pada rangkaian penyearah gelobang-penuh tiga fasa! 3. Soal Essay a. Sebuah rangkaian penyearah setengah-gelobang satu fasa dihubungkan dengan tegangan efektif sebesar 120 volt, 50 Hz. Jika rangkaian penyearah ini dihubungkan dengan resistor sebesar 5 Ω, hitunglah arus beban rerata (I dc ) dan daya efektif (P ) yang diserap resistor, serta faktor daya rangkaian penyearah ini. (Kunci jawaban: I dc =10,8 A, P =1440 W, cos φ=0,707). b. Sebuah rangkaian penyearah gelobang-penuh satu fasa dihubungkan dengan beban R. Jika rangkaian dala penyearah ini terjadi haronik kedua, berapakah nilai tegangan luarannya ( o )? (Kunci jawaban: ) 2 4 o 3 c. Sebuah rangkaian penyearah setengah-gelobang tiga fasa dihubungkan dengan tegangan sebesar 150 volt/fasa. Tentukan: (1) tegangan luaran dari penyearah ini jika tiap dioda terjadi penurunan tegangan sebesar 0,7 volt, dan (2) rating arus (I ) dari dioda jika diketahui arus bebannya 25 A. (Kunci jawaban o,dc =174,7, I rs =14,4 A) Elektronika Daya 25

14 d. Sebuah rangkaian penyearah gelobang-penuh tiga fasa dihubungkan dengan suber tegangan sebesar 480 volt/line dan dihubungkan dengan beban resistif 25. Tentukan besar tegangan dan arus beban dari penyearah ini. (Kunci jawaban: o,dc =648, I o,dc =25,9 A) Elektronika Daya 26