1 BAB I PENDAHULUAN A. Latar Belakang Inverter adalah perangkat elektrik yang digunakan untuk mengubah arus searah (DC) menjadi arus bolak-balik (AC). Inverter mengkonversi DC dari perangkat seperti baterai, panel surya / solar cell menjadi AC. Beberapa tahun belakangan ini perkembangan di dunia elektronika mengalami kemajuan pesat, semua itu di dasari oleh kemajuan pendidikan yang ada selama ini. Seiring dengan keadaan yang semakin maju terutama dalam dunia Elektronika, pasti membutuhkan sumber arus untuk menjalankan alat-alat elektronika tersebut. Dalam hal ini sumber arus dari PLN saja terkadang tidak memadai, terutama pada desa-desa tertinggal yang tidak dapat menggunakan sumber arus dari PLN. Oleh karena itu, hal ini dapat di atasi dengan membuat suatu alat yang yang dapat mengantikan sumber arus dari PLN tersebut. Maka dengan itu penulis membuat suatu rangkaian elektronika yang menghasilkan tegangan AC yang dinamakan Rangkaian Inverter DC ke AC. Perkembangan barang barang elektronika sangat pesat, Beberapa perangkat pendukung mengalami perkembangan, alat alat elektronika yang semakin beragam. Salah satu sistem elektronika yang kita kenal adalah inverter yang berfungsi mengubah tegangan DC 12V menjadi tegangan 220 AC 50Hz. Inverter ini sangat berfungsi sebagai penyedia listrik cadangan baik di kendaraan maupun dirumah, sebagai emergency power saat aliran listrik rumah padam. Selain itu di masa mendatang, inverter DC to AC akan memegan peranan penting dalam mengubah energi DC dari sumber energi terbarukan sel surya menjadi energi listrik AC yang kita gunakan sehari-hari. Dalam aplikasinya, inverter ini dapat digunakan pada perangkat rumah tangga, komputer, peralatan pertukangan, pompa air, kipas angin, sistem suplai energi pada rumah di daerah terpencil dan berbagai barang elektronik lainnya. Alat ini terutama pada perangkat rumah tangga sangat banyak digunakan terutama pada saat listrik padam dan pada sumber
2 energi DC yang dihasilkan oleh sel surya. Kita membutuhkan sumber AC untuk digunakan pada lampu dan sistem elektronika lainnya. B. Tujuan Penulisan laporan ini bertujuan untuk merancang dan membangun sebuah perangkat inverter 12V DC to 220V AC dengan frekuensi 50Hz dan gelombang keluaran yang dihasilkan berupa gelombang sinusoidal. C. Manfaat Manfaat yang didapatkan dari pengerjaan tugas akhir ini adalah dipergunakan sebagai pemanfaatan energy yang sangat baik. D. Batasan Masalah Batasan masalah pada tugas akhir ini yaitu perancangan dan membangun sebuah perangkat inverter 12V DC to 220 AC dengan frekuensi 50Hz dan gelombang keluaran yang dihasilkan berupa gelombang sinusoidal. E. Metodologi Adapun beberapa tahapan metodelogi dalam pembuatan aplikasi ini antara lain : 1. Metode pustaka, yaitu dengan cara melakukan pemahaman kepustakaan yang berhubungan dengan pembuatan alat inverter secara umum. 2. Metode browsing, yaitu dengan mencari data dari internet yang berhubungan dengan masalah yang dihadapi. 3. Metode perancangan, yaitu dengan mendesain alat inverter dan tampilan kotak alat tersebut. 4. Metode Pengujian, yaitu dengan melakukan pengujian apakah alat tersebut dapat bekerja sesuai yang diharapkan.
3 berikut : F. Sistematika Penulisan Adapun sistematika penulisan Laporan Proyek Akhir ini dapat disusun dengan sebagai BAB I PENDAHULUAN Berisi mengenai latar belakang masalah, permasalahan, maksud dan tujuan, batasan masalah dan sistematika penulisan laporan. BAB II TEORI INVERTER Pada Bab ini berisi tentang konsep yang mendasari prinsip inverter, Inverter adalah rangkaian yang mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC. Atau lebih tepatnya inverter memindahkan tegangan dari sumber daya DC ke beban AC. Inverter digunakan pada aplikasi seperti adjustable-speed AC motor drives, uninterruptible power supplies (UPS), dan aplikasi AC yang dijalankan dari aki. BAB III PERANCANGAN SISTEM Merupakan penjelasan pembuatan rancangan sistem inverter. Inverter ini akan mengubah keluaran gelombang kotak menjadi gelombang sinusoidal dengan menambahkan low pass filter(lpf) sebelum rangkaian drivernya. BAB IV PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN Berisi pembahasan dan data-data dari pembuatan inverter serta pengujian rangkaian inverter. BAB V PENUTUP Berisikan beberapa kesimpulan dari dasar-dasar sistem dan perancangan sistem.
4 BAB II TEORI INVERTER A. Inverter dan Prinsip Kerjanya Inverter adalah rangkaian yang mengubah DC menjadi AC. Atau lebih tepatnya inverter memindahkan tegangan dari sumber DC ke beban AC. Sumber tegangan inverter dapat berupa batteray, solar panel, aki kering dan sumber tegangan DC lainya. Sedangkan keluaran dari inverter adalah tegangan AC 220v atau 120v, dan frekuensi output 50Hz atau 60Hz. Pada dasarnya inverter adalah alat yang membuat tegangan bolak-balik dari tegangan searah dengan cara pembentukan gelombang tegangan. Namun gelombang yang terbentuk dari inverter tidak berbentuk gelombang sinusoida, melainkan gelombang persegi. Pembentukan tegangan AC tersebut dilakukan dengan menggunakan dua buah pasang saklar. Berikut ini adalah gambar yang menerangkan prinsip kerja inverter dalam pembentukan gelombang tegangan persegi. Gambar 2.1 Prinsip Dasar Inverter Prinsip kerja inverter dapat dijelaskan dengan menggunakan 4 sakelar seperti ditunjukkan pada diatas. Bila sakelar S1 dan S2 dalam kondisi on maka akan mengalir aliran arus DC ke beban R dari arah kiri ke kanan, jika yang hidup adalah sakelar S3 dan S4 maka akan mengalir aliran arus DC ke beban R dari arah kanan ke kiri. Inverter biasanya
5 menggunakan rangkaian modulasi lebar pulsa (pulse width modulation PWM) dalam proses conversi tegangan DC menjadi tegangan AC. Pembentukkan gelombang saklar dapat dilihat dari gambar berikut: S1, S4 ON S2, S3 ON Gambar 2.2 Bentuk Gelombang Tegangan B. Full-Bridge Converter Theory Full bridge converter adalah rangkaian teori dasar yang digunakan untuk mengubah DC ke AC. Full bridge converter mempunyai pasangan saklar (S1,S2) dan (S3,S4). Keluaran AC didapatkan dari masukan DC dengan membuka dan menutup saklar-saklar pada urutan yang tepat. Tegangan keluaran Vo bisa berupa + Vdc, -Vdc, atau nol, tergantung pada saklar yang mana tertutup. Rangkaian ekivalen kombinasi saklar full bridge converter diperlihatkan pada Gambar 2.3. Sebagai catatan bahwa S1 dan S4 tidak boleh menutup pada saat yang bersamaan, begitu juga dengan S2 dan S3, yang akan menyebabkan terjadinya short circuit pada sumber DC. Saklar yang nyata tidak bisa on atau off secara seketika. Berikut tegangan keluaran pada table berikut: Gambar 2.0 Tabel Teori Konverter Saklar tertutup Tegangan keluaran (V0) S1 dan S2 +Vdc S3 dan S4 -Vdc S1 dan S3 0 S2 dan S4 0
6 C. Jenis Inverter Berdasarkan Gelombang yang Dihasilkan Berdasarkan gelombang keluaran yang dihasilkan, inverter dapat dibagi menjadi 3 macam yaitu square wave, modified sine wave, dan pure sine wave. 1. Square Wave Inverter ini adalah yang paling sederhana. Walaupu inverter jenis ini dapat menghasilkan tegangan 220 VAC, 50 Hz namun kualitasnya sangat buruk. Sehingga dapat digunakan pada beberapa alat listrik saja. Hal ini disebabkan karena karakteristik output inverter ini adalah memiliki level total harmonic distortion yang tinggi. Mungkin karena alas an itu inverter ini disebut dirty power supply. Gambar 2.3 Output Square Wane 2. Modified Sine Wave Modified Sine Wave disebut juga Modified Square Wave atau Quasy Sine Wave karena gelombang modified sine wave hamper sama dengan square wave, namun pada modified sine wave outputnya menyentuh titik 0 untuk beberapa saat sebelum pindah ke positif atau negatif. Selain itu karena modified sine wave mempunyai harmonic distortion yang lebih sedikit disbanding square wave maka dapat dipakai untuk beberapa alat listrik seperti computer, tv, lampu namun tidak bias untuk beban-beban yang lebih sensitive. Gambar 2.4 Output Modified Sine Wave
7 3 Pure Sine Wave Pure Sine Wave atau true sine wave merupakan gelombang inverter yang hampir menyerupai (bahkan lebih baik dibandingkan dengan gelombang sinusoida sempurna pada jaringan listrik dalam hal ini PLN. Dengan total harmonic distortion (THD) < 3% sehingga cocok untuk semua alat elektronik. Olen sebab itu inverter ibi juga disebut clean power supply. Teknologi yang digunakan inverter jenis ini umumnya disebut pulse width modulation (PWM) yang dapat mengubah tegangan DC menjadi AC dengan bentuk gelombang yang hamper sama dengan gelombang sinusoida. Gambar 2.5 Output Pure Sine Wave D. IC CD 4047 Untuk menghasilkan sebuah gelombang kotak digunakan sebuah IC CD 4047 yang merupakan sebuah Multivibrator astabil. Multivibrator astabil merupakan sebuah rangkaiandua-kondisi (two-state system) yang tidak memiliki kestabilan di kedua kondisinya, maksudnya, output dari rangkaian ini selalu berubah-ubah kondisinya secara periodik. Dalam satu periode, outputnya dapat berubah dari kondisi HIGH ke kondisi LOW secara kontinu dan terus menerus sehingga menghasilkan suatu deretan pulsa (pulse train). Deretan pulsa yang dihasilkan nilainya konstan dan periodik sehingga dapat digunakan sebagai clock. IC CD 4047 memiliki 2 jalur output pulsa yang saling komplemen. Penguat Penguat ini berfungsi menguatkan pulsa dari multivibrator IC CD 4047 yang kemudian digunakan sebagai sinyal input bagian trigger. Penguat sinyal pada inverter ini menggunakan penguat operasional(op-amp) IC LM 324. Driver inverter bagian ini berfungsi untuk memberikan sinyal driver ke bagian power inverter. Rangkaian ini dibangun menggunakan transistor tipe C 1061 dan 2N3055 yang dirangkai secara paralel. Berikut ini gambar Multivibrator astabil IC CD 4047 dan pin IC CD 4047.
8 Gambar 2.6 Multivibrator astabil IC CD 4047 Gambar 2.7 Konfigurasi pin IC CD 4047 Untuk membalikkan fasa digunakan IC CD 4047, IC ini merupakan gerbang logika NOT yang berfungsi melakukan inversi (pembalikan) terhadap inputnya. Gerbang logika ini menerima masukan berupa gelombang persegi dan menghasilkan keluaran berupa gelombang persegi yang fasanya berbeda sebesar 180 derajat terhadap gelombang inputnya. E. Dioda Zener Pada dasarnya diode zener adalah diode biasa yang mempunyai tegangan zener (break down) yang kecil. Dirancang untuk digunakan sebagai regulator tegangan. Selalu dioperasikan pada daerah reversepada tegangan dadalnya atau teganganzenernya (VZ). Gambar 2.8 Karakteristik Dioda
9 Gambar 2.9 Kaki Dioda F. Transistor SCR Silicon controlled rectifier (SCR) atau thyristor merupakan device semikonduktor yang mempunyai perilaku cenderung tetap on setelah diaktifkan dan cenderung tetap off setelah dimatikan (bersifat histeresis) dan biasa digunakan sebagai saklar elektronik, protektor, dan lain sebagainya. Sebelum kita mengetahui lebih dalam tentang pengertian dan prinsip kerja dasar dari Silicon controlled rectifier (SCR), sebaiknya kita tahu terlebih dulu tentang definisi dari dioda shockley. Karena SCR itu sendiri memang device yang dikembangkan dari sebuah dioda shockley, yaitu dioda yang terdiri dari empatlapisan bahan semikonduktor, atau yang juga biasa disebut sebagai dioda PNPN. Perkembangan dioda shockley menjadi SCR sebenarnya dicapai hanya dengan menambahsuatu tambahan kecil yang tidak lebih dari sambungan kawat ketiga yang diberi nama gate dari struktur PNPN yang telah ada. untuk lebih jelasnya perhatikan gambar dibawah ini. Gambar 2.10 Perkembangan dioda shockley menjadi SCR
10 Gambar 2.11 Simbol Skematik dan Diagram Skematik dari SCR Jika sebuah gate dari SCR dibiarkan mengambang atau tidak terhubung (terputus), maka SCR akan berperilaku sama persis seperti dioda shockley. Seperti halnya dioda shockley, SCR juga akan aktif dan mengunci (latch) saat diberikan tegangan breakover antara katoda dan anoda. Untuk mematikan kembali SCR dapat dilakukan dengan cara mengurangi arus sampai salah satu dari transistor internal tersebut jatuh dan berada dalam mode cutoff, dan perilaku SCR yang seperti ini juga seperti dioda shockley. Lalu sekarang coba kita bahas tentang kawat atau terminal gate yang menjadi perbedaan dari kedua perangkat ini. Kita tahu kalau terminal gate SCR terhubung langsung ke basis transistor yang lebih rendah, itu berarti terminal gate ini dapat digunakan sebagai alternatif untuk mengaktifkan SCR (latch up). Dengan memberikan tegangan yang kecil antara gate dan katoda, transistor yang bawah atau transistor yang lebih rendah akan dipaksa ON oleh arus basis yang dihasilkan, hal ini akan menyebabkan arus basis transistor atas mengalir dan transistor atas akan aktif dan menghantarkan arus basis untuk transistor yang bawah (tidak dibutuhkan lagi pasokan tegangan dari terminal gate), sehingga kini kedua transistor saling menjaga agar tetap aktif atau saling mengunci (latch). Arus yang diperlukan gate untuk memulai latch up tentu saja jauh lebih rendah daripada arus yang melalui SCR dari katoda ke anoda, sehingga SCR tidak perlu mencapai penguatan. Cara yang paling umum digunakan dan dianggap aman untuk mengaktifkan SCR adalah dengan memberikan tegangan pada terminal gate, dan cara atau metode seperti ini disebut dengan memicu (triggering). Bahkan dalam penggunaannya SCR biasanya sengaja dibuat atau dipilih dengan tegangan breakover yang jauh lebih besar melampaui tegangan terbesar yang diperkirakan akan dialami oleh sumber listrik. Sehingga SCR hanya bisa diaktifkan dengan pulsa tegangan yang diterapkan ke terminal gate, bukan dengan tegangan breakover.
11 Perlu dikatakan bahwa SCR terkadang bisa dimatikan secara langsung dengan menjumper atau mengkorsletkan terminal gate dan katoda, yang disebut dengan reverse triggering, dimana gate dengan tegangan negatif (mengacu pada katoda), sehingga transistor yang lebih rendah atau dibawah dipaksa cutoff. Saya mengatakan ini kadang-kadang karena cara ini mungkin akan melibatkan semua arus kolektor dari transistor atas yang melewati basis transistor yang dibawah. Dan arus ini mungkin sangat substansial sehingga membuat triggered shut off dari SCR begitu sulit. Dan sebuah thyristor Gate-Turn-Off (GTO) yang merupakan variasi dari SCR yang akan mampu mempermudah tugas ini. akan tetapi bahkan dengan sebuah GTO sekalipun, arus gate yang dibutuhkan untuk mematikannya mungkin sebanyak 20% dari arus anoda (beban). Simbol skematik dari GTO ditunjukkan oleh gambar ilustrasi dibawah ini. Gambar 2.12 GTO SCR dan GTO mempunyai skema yang sama yaitu dua transistor yang terhubung secara positif-dengan mode feedback atau berbalikan. Satu-satunya perbedaan dari rancangan konstruksi adalah untuk memberikan transistor NPN sebuah β yang lebih besar dari PNP. Hal ini memungkinkan arus gate yang lebih kecil (forward atau reverse) untuk mengerahkan tingkat kontrol yang lebih besar atas konduksi dari katoda ke anoda. Dalam keadaan terkunci (latch), transistor PNP menjadi lebih tergantung pada NPN bukan sebaliknya. Thyristor Gate- Turn-Off juga dikenal dengan nama Gate-controlled switch (GCS). Pengetesan fungsi dasar SCR, atau mengidentifikasi terminal dapat dilakukan dengan ohmmeter. Karena koneksi internal antara gate dan katoda adalah PN junction tunggal, alat ukur harus menunjukkkan adanya sambungan atau koneksi antara terminalterminal ini saat probe merah dihubungkan ke gate dan probe hitam pada katoda. Seperti gambar dibawah ini.
12 Gambar 2.13 Pengetesan SCR Dan SCR akan menunjukkan terminal terbuka atau tak terhingga (OL jika pada display multimeter digital) saat pengukuran dilakukan pada sambungan-sambungan yang lain. Perlu dipahami bahwa tes ini sangat kasar dan bukan merupakan penilaian yang komprehensif dari SCR. Hal ini dilakukan untuk memberikan indikasi tahanan SCR masih baik atau sudah rusak. Dan satu-satunya cara untuk menguji SCR yang lebih mendalam adalah dengan arus beban. A. Low Pas Filter (LPF) Orde 2 Low pass filter (tapis lolos-rendah atau LPF) adalah suatu rangkaian yang meneruskan sinyal-sinyal yang memiliki frekuensi dibawah frekuensi transisinya, dan melemahkan sinyal-sinyal yang memiliki frekuensi diatas frekuensi transisinya. Frekuensi transisi (frekuensi cut-off) dari sebuah LPF adalah suatu frekuensi dimana respon gain dari LPF tersebut turun menjadi 70,7% dari gain maksimumnya. Dengan kata lain, gain (H(ω)) dari LPF tersebut bernilai 1/ 2 atau 0,707. Pada frekuensi cut-off, energi yang didisipasi pada rangkaian bernilai setengah dari energi maksimumnya. Optimasi-optimasi yang dapat dilakukan sejauh ini terhadap respon gain dan frekuensi dari sebuah LPF salah satunya adalah dengan arsitektur Sallen-Key filer orde dua.
13 Gambar 2.14 Sallen-Key low pass filter Gain dari Sallen-Key LPF dapat ditentukan dengan membandingkan tegangan output dengan tegangan inputnya, sehingga diperoleh sebuah fungsi alih. H s LPF K f f j Q 1 fc fc 2 Sinyal akan mengalami pelemahan yang besarnya sebanding dengan kuadrat rasio frekuensi. Persamaan inilah yang mendeskripsikan karakter LPF yang sebenarnya. Sementara itu, fungsi alih dari rangkaian LPF pada gambar 2.5 adalah sebagai berikut. Vout Vin =H (s) = K R1R2C1C 2 s R1C1 R2C1 R1C 2(1 K ) 1 Dengan membandingkan persamaan 2.1 dengan persamaan 2.2 akan diperoleh: s j2 f fc K R4 R3 Untuk mempermudah desain dan mempersingkat persamaan 2.2, maka kita dapat membuat nilai R1=R2=R dan C1=C2=C, sehingga diperoleh: fc 2 Rc
14 Q 3-K H. Rangkaian Penguat Sinusoidal 50Hz 1. Konfigurasi Collector Feedback (Umpan-balik Kolektor) Gambar 2.15 Penguat umpan-balik kolektor Gambar 3.0 menunjukkan sebuah rangkaian penguat yang menggunakan umpan-balik dari kolektornya. Untuk dapat menentukan besarnya penguatan tegangan (Av) dari rangkaian ini, perlu dilakukan analisa small-signal menggunakan permodelan re seperti pada Gambar 3.1 berikut: I. Power Factor Gambar 2.16 Power Factor Power Factor (PF) adalah nilai cos dari sudut antara daya semu dan aktif. Daya aktif adalah daya yang dikonsumsi oleh beban resistif, seperti lampu pijar. Daya aktif
15 memiliki satuan Watt. Daya reaktif adalah daya yang dikonsumsi beban induktif dan kapasitif. Daya reaktif memiliki satuan Var. Sedangkan akumulasi dari daya keduanya adalah VA. Pada gambar 3.0 di atas, daya semu adalah bidang miring yang berwarna biru. Sedangkan daya aktif digambarkan dengan bidang horizontal berwarna hijau. Daya reaktif yang vertical berwarna merah. Rumus daya semu adalah perkalian antara tegangan dan arus dari hasil pengukuran. S = V.I Dimana: S = Daya Semu (VA) V = Tegangan AC (Volt) I = Arus (Ampere) Sedangkan rumus daya aktif adalah perkalian tegangan dan arus hasil pengukuran dikali factor daya. P = V.I.cosᵩ Dimana: P = Daya Aktif (Watt) V = Tegangan AC (Volt) I = Arus AC (Ampere) ᵩ = Sudut Faktor Daya J. Transformator Transformator (trafo) merupakan sebuah komponen pasif yang berfungsi untuk mengubah nilai tegangan bolak-balik pada kumparan primernya menjadi lebih besar atau lebh kecil pada kumparan sekundernya. Suatu trafo tidak dapat bekerja jika kumparan primernya dihubungkan ke sumber tegangan DC. Perbandingan tegangan dan arus pada kumparan primer dan sekunder
16 a = Np/Ns= Vp/Vs= Is/Ip Trafo yang paling banyak digunakan saat ini adalah trafo yang memiliki centretap (CT) atau titik tengah. CT dapat terletak di sisi primer maupun di sisi sekunder. Besar tegangan di ujung-ujung kumparan terhadap CT adalah sama besar. Gambar 2.17 Transformarmator
17
18