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. Teknik Sistem Tenaga 2. Elektronika 3. Sistem Kendali 4. 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 Sistem Tenaga: mesin statik Sistem Kecerdasan Buatan Digital Signal Processing Proses Sinyal: analog, digital ELEKTRONIKA DAYA Sistem Kendali: open/ closed loop Sistem Kestabilan Microcontroller/ Microprocessor Elektronika: sistem rangkaian 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 (V in ) dan 2 terminal output (V out ). 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 R 1 dan R 2, 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. Vin Vout Vin t o T a) Metode pembagi tegangan b) Metode saklar Gambar 1.4. Metode menurunkan tegangan Metode pertama menghasilkan tegangan output V out sesuai persamaan berikut: 12