BAB II DASAR TEORI 2.1. Teori Catu Daya Tak Terputus

Transkripsi

1 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) 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

2 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 Beban Penyearah Baterai 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

3 Amplitudo (volt) tegangan high t on tegangan low t off Gambar 2.3. Sinyal PWM Waktu (detik) dengan t total = t on + t off D = t on t total x100% V in = tegangan ig x t on + (tegangan low x t off ) t total V out = D x V in Dimana t on = waktu pulsa bernilai high (detik) t off = waktu pulsa bernilai low (detik) D = duty cycle, yaitu lamanya pulsa high dalam 1 periode V in = tegangan masukan (volt) V out = 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

4 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 perubahan yang mewakili duty cycle 0% - 100% dari keluaran PWM tersebut. 7

5 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 PWM Sinyal Carrier - Gambar 2.6. Blok diagram pembentukan sinyal PWM dengan membandingan sinyal referensi dan carrier 8

6 2.3. Gelombang Tangga 3 Tingkat dan PWM 3 Level 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

7 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

8 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 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

9 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 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 (Frequency Modulation) - Konverter tegangan ke frekuensi - PLL (Phase Locked Loop) Gambar 2.9 berikut ini menunjukkan konfigurasi dari kaki-kaki XR

10 Gambar 2.9. Konfigurasi IC XR 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 Konfigurasi IC IR 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

11 Transistor). Transistor pada konfigurasi H-bridge ini difungsikan sebagai switching atau sebagai saklar. Gambar 2.11 menunjukkan konfigurasi dasar dari konfigurasi H- bridge Gambar 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 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

12 Gambar 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 (I p ) dan sekunder (I s ) trafo tidak sama. Hal ini dipengaruhi oleh banyaknya lilitan primer (N p ) dan lilitan sekunder (N s ) pada trafo, Hubungan tegangan, arus, dan banyaknya lilitan pada bagian primer dan sekunder trafo ditunjukkan oleh persamaan V p V s = N p N s = I s I p 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

13 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 (f c ), yaitu batas frekuensi dimana tegangan akan dilewatkan secara penuh atau mulai diperlemah. Pada LPF, keluaran tegangannya akan tetap sama sampai f c kemudian frekuensi di atasnya akan mulai diperlemah. Pada HPF, keluaran di bawah f c masih lemah dan naik terus sampai tegangan keluarannya stabil pada frekuensi tertentu. Untuk BPF dan BSF memiliki 2 buah frekuensi cut-off yaitu f L (low) dan f H (high), namun frekuensi yang akan dilewatkan berbeda. Pada BPF, frekuensi yang dilewatkan adalah frekuensi antara f L dan f H. Sedangkan pada BSF frekuensi yang dilewatkan adalah frekuensi di bawah f L dan di atas f H Bentuk tanggapan frekuensi filter berdasarkan tipenya dapat dilihat pada Gambar 2.13 berikut ini 16

14 Gambar Bentuk tanggapan frekuensi filter 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 Simbol SCR 17

15 SCR dapat ditriger menjadi on dengan memberikan arus pada kaki gate SCR. Semakin besar arus gate yang diberikan (I g ), maka tegangan minimum yang dibutuhkan untuk membuat SCR menjadi on atau sering disebut sebagai tegangan breakover (V bo ) 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 Karakteristik kurva I-V SCR 18