Upload
others
View
37
Download
4
Embed Size (px)
Citation preview
2. TEORI PENUNJANG
2. 1. Dimmer
Dimmer digunakan sebagai peralatan yang digunakan mengatur terang
redup lampu pijar. Pengaturannya dilakukan dengan mengubah tegangan rms.
Pada umumnya rangkaian dimmer yang digunakan secara luas berbasis thyristor
(triac) dengan diac yang umumnya dipakai sebagai pemicu triac agar on. Dimmer
pada umumnya ini bersifat induktif yang cara kerjanya dengan mengatur sudut
penyalaan dengan cara men-trigger triac dengan rangkaian trigger. Pada saat
setengah gelombang positif dari tegangan AC (positive half cycle), terminal MT2
dan diac mendapat tegangan positif. Ketika terjadi tegangan breakover maka diac
aktif untuk men-trigger triac. Berlaku juga untuk setengah gelombang negatif
tegangan AC (negative half cycle). Terminal MT2 dan diac mendapatkan
tegangan negatif, begitu tegangan breakover tercapai maka diac aktif dan men-
trigger triac.
Gambar 2.1. Rangkaian triac- diac pembagi tegangan beserta gelombangnya
Sumber : Hassul, Zimmerman (1997, p.1027)
4
Universitas Kristen Petra
Rangkaian dimmer yang berbasis thyristor tersebut menjadikan sistem
bersifat induktif karena pengaruh dari posisi dan besarnya sudut trigger. Sifat
induktif pada sistem ini dapat menyebabkan timbulnya daya reaktif dan berakibat
memperburuk faktor daya sistem. Oleh karena itu, pada skripsi ini telah
dipikirkan untuk membuat alat dimmer yang tidak memperburuk faktor daya
sistem dengan sudut on dan off sama besar.
Adapun hal-hal yang penting untuk dipelajari dalam pembuatan dimmer
resistif ini adalah, sebagai berikut :
1. Mosfet
Komponen inti yang diperlukan dengan pengaturan on off.
2. Rangkaian kontrol
• Rangkaian penyearah
Penyearah gelombang penuh ini diperlukan untuk menghasilkan
gelombang output yang akan dibandingkan dan menjadi input bagi
rangkaian komparator. Untuk dapat menghasilkan gelombang dc tanpa
ripple diperlukan kapasitor dan diperlukan juga regulator untuk
menstabilkan tegangan.
• Rangkaian komparator
Komparator diperlukan untuk membandingkan 2 input gelombang
sehingga akan dihasilkan gelombang output PWM.
• Rangkaian push pull power amplifier
Rangkaian push pull power amplifier ini diperlukan karena diperlukan
penguatan arus untuk dapat masuk ke gate mosfet.
2.2. Mosfet
Transistor Mosfet (Metal oxide FET) memiliki drain, source dan gate.
Gate terisolasi oleh suatu bahan oksida. Gate sendiri terbuat dari bahan metal
seperti aluminium. Oleh karena itulah transistor ini dinamakan metal-oxide.
Karena gate yang terisolasi, sering jenis transistor ini disebut juga IGFET yaitu
insulated-gate FET
Universitas Kristen Petra
5
Gambar 2.2. Simbol MOSFET, (a) tipe-n (b) tipe-p
Sumber : Hamonangan (2009, p.1)
Ada dua jenis mosfet, yang pertama jenis depletion-mode dan yang kedua
jenis enhancement-mode. Dalam pengaplikasiannya, depletion mode mosfet tidak
banyak digunakan. Jenis mosfet enhancement-mode adalah komponen utama dari
gerbang logika dalam bentuk ic (integrated circuit), uC (micro controller) dan uP
(micro processor) yang tidak lain adalah komponen utama dari komputer modern
saat ini.
2. 2. 1. Mosfet Depletion-Mode
Gambar 2.3. Struktur mosfet depletion-mode
Sumber: Hamonangan (2009, p.1)
Pada channel semikonduktor tipe n terdapat semikonduktor tipe p, supaya
elektron dapat mengalir dari source menuju drain maka terdapat sedikit sisa
celah. Gate terbuat dari metal (seperti aluminium) dan terisolasi oleh bahan
oksida tipis SiO2 yaitu kaca.
Universitas Kristen Petra
6
Gambar 2.4. Kurva drain transistor mosfet depletion-mode
Sumber: Hamonangan (2009, p.1)
Dari kurva ini terlihat jelas bahwa transistor mosfet depletion-mode dapat
bekerja (on) mulai dari tegangan VGS negatif sampai positif. Terdapat dua daerah
kerja, yang pertama adalah daerah ohmic dimana resistansi drain-source adalah
fungsi dari (Hamonangan 1) :
RDS(on) = VDS/IDS (2.1) Jika tegangan VGS tetap dan VDS terus dinaikkan, transistor selanjutnya
akan berada pada daerah saturasi. Jika keadaan ini tercapai, arus IDS adalah
konstan. Tentu saja ada tegangan VGS(max), yang diperbolehkan. Karena jika lebih
dari tegangan ini akan dapat merusak isolasi gate yang tipis atau dengan kata lain
merusak transistor itu sendiri
2.2.2. Mosfet Enhancement-Mode
Gambar 2.5. Struktur mosfet enhancement-mode
Sumber : Hamonangan (2009, p.1)
Universitas Kristen Petra
7
Mosfet enhancement-mode memiliki gate yang terbuat dari metal
aluminium dan terisolasi oleh lapisan SiO2 sama seperti transistor mosfet
depletion-mode. Perbedaaan struktur yang mendasar adalah substrat pada
transistor mosfet enhancement-mode sekarang dibuat sampai menyentuh gate.
Gambar 2.6. Kurva drain e-mosfet
Sumber : Hamonangan (2009, p.1)
Pada kurva drain transistor e-mosfet, VGS semua bernilai positif. Garis
kurva paling bawah adalah garis kurva dimana transistor mulai on. Tegangan VGS
pada garis kurva ini disebut tegangan threshold VGS(th). Parameter yang penting
pada transistor e-mosfet adalah resistansi drain-source karena transistor mosfet
umumnya digunakan sebagai saklar (switch). Umumnya yang tercantum pada
datasheet adalah resistansi pada saat transistor on, resistansi ini dinamakan RDS(on).
Untuk aplikasi power switching, semakin kecil resistansi RDS(on) maka semakin
baik transistor tersebut. Karena akan memperkecil rugi-rugi disipasi daya dalam
bentuk panas.
2. 3. Rangkaian Kontrol
Rangkaian kontrol merupakan rangkaian yang menjalankan mosfet.
Rangkaian kontrol terdiri dari rangkaian penyearah, komparator, dan push pull
power amplifier.
Universitas Kristen Petra
8
2.3.1. Rangkaian Penyearah
Rangkaian penyearah gelombang penuh di sini ada 2 versi yaitu Full wave
center tapped rectifier dan Full wave bridge rectifier. Dalam penyearahan akan
diperlukan kapasitor untuk mengatasi arus ripple dan regulator untuk
menstabilkan tegangan.
2.3.1.1. Full Wave Center Tapped Rectifier
Full wave center tapped rectifier adalah sebuah kombinasi dua penyearah
setengah gelombang dengan sebuah center tapped transformer
Gambar 2.7. Full wave center tapped rectifier
Sumber : Aminian, Kazimierczuk (2004, p.47)
Berdasarkan gambar, rasio perbandingan trafonya adalah 10 :1, nilai v2
adalah 12 V(rms) dengan tegangan puncak mendekati 17 V (Aminian, dan
Kazimierczuk 48).
v2(p) = 2 v2(rms) = 1, 414 x 12 V = 16, 97 V (2.2)
Pada saat setengah gelombang positif dari tegangan AC (positive half
cycle), Untuk sinyal input dari setengah gelombang positif dari tegangan AC
(positive half cycle), dioda D1 forward-biased dan dioda D2 adalah reverse biased
Universitas Kristen Petra
9
Gambar 2.8. Rangkaian equivalent dari center tapped rectifier dan output dari
positive half cycle
Sumber : Aminian, Kazimierczuk (2004, p.48)
Untuk mendapatkan nilai vo(p) (Aminian, dan Kazimierczuk 48)
vo(p) = 0,5 v2(p) – 0,7 V = 8,5 V – 0,7 V= 7,8 V (2.3)
Pada saat setengah gelombang negatif dari tegangan AC, untuk sinyal
input dari setengah gelombang negatif dari tegangan AC (negative half cycle),
dioda D2 foward biased dan dioda D1 adalah reverse biased.
Gambar 2.9. Rangkaian equivalent dari center tapped rectifier dan output dari
negative half cycle
Sumber : Aminian, Kazimierczuk (2004, p.49)
Untuk setengah cycle positif dan negatif, arus output mengalir dalam arah
yang sama melalui RL dan Vo bernilai positif terhubung dengan ground. Dengan
kombinasi dari 2 output untuk cycle positif dan negatif maka akan didapatkan
output dari penyearah gelombang penuh.
Universitas Kristen Petra
10
Gambar 2.10. Output dari penyearah gelombang penuh
Sumber : Aminian, Kazimierczuk (2004, p.49)
Untuk mendapatkan nilai vo(p) (Aminian, dan Kazimierczuk 49)
vo(p) = 0,5 v2(p) – 0,7 V = 8,5 V – 0,7 V= 7,8 V (2.4)
Rumus untuk mendapatkan nilai tegangan dc pada penyearah gelombang
penuh adalah sebagai berikut (Aminian, dan Kazimierczuk 49) :
Vo(DC) = π
)(2 pvo = 0, 6366 x 7, 8 V = 4.965 V (2.5)
2. 3.1.2. Full Wave Bridge Rectifier
Ada 4 dioda yang diperlukan untuk menyusun rangkaian full wave bridge
rectifier.
Gambar 2.11. Full wave bridge rectifier
Sumber : Aminian, Kazimierczuk (2004, p.50)
Jika rasio dari trafo adalah 10 : 1, nilai v2 adalah 12 V (rms) dengan tegangan
puncak mendekati 17 V (Aminian, dan Kazimierczuk 50)
v2(p) = 2 v2(rms) = 1, 414 x 12 V = 16, 97 V (2.6)
Universitas Kristen Petra
11
Pada saat setengah gelombang positif dari tegangan AC (positive half
cycle), Untuk sinyal input dari setengah gelombang positif dari tegangan AC
(positive half cycle), diode D2 adan D3 forward-biased dan dioda D1 dan D4
adalah reverse biased
Gambar 2.12. Rangkaian equivalent dari full wave bridge rectifier dan output dari
positive half cycle
Sumber : Aminian, Kazimierczuk (2004, p.51)
Untuk mendapatkan nilai vo(p) (Aminian, dan Kazimierczuk 51)
vo(p) = v2(p) – 1,4 V = 17 V – 1,4 V= 15,6 V (2.7)
Pada saat setengah gelombang negatif dari tegangan AC, untuk sinyal
input dari setengah gelombang negatif dari tegangan AC (negative half cycle),
diode D2 dan D3 foward biased dan dioda D1 dan D4 adalah reverse biased
Gambar 2.13. Rangkaian equivalent dari full wave bridge rectifier dan output dari
negative half cycle
Sumber : Aminian, Kazimierczuk (2004, p.51)
Dengan menggabungkan 2 output dari setengah gelombang positif dari
tegangan AC (positive half cycle) dan negatif dari tegangan AC (negative half
cycle) , maka akan didapatkan output dari gelombang penuh.
Universitas Kristen Petra
12
Gambar 2.14. Gelombang output dari full wave bridge rectifier
Sumber : Aminian, Kazimierczuk (2004, p.52)
Nilai rata-rata dc dari gelombang output adalah (Aminian, dan Kazimierczuk 52)
Vo(DC) = π
)(2 pvo = 0, 6366 x 15,6 V = 9,93 V (2.8)
Pada rangkaian penyearah membutuhkan filter. Filter digunakan sebagai
penyaring arus ripple, karena akibat proses penyearahan masih terdapat arus AC
sehingga memiliki arus ripple. Filter yang digunakan adalah filter dengan
kapasitor. Filter ini mampu membentuk bentuk gelombang tegangan keluarnya
bisa menjadi rata.
Gambar 2.15. Operasi filter kapasitor dan gelombang output-nya
Sumber : Boylestad, Nashelsky (1992, p.776)
Universitas Kristen Petra
13
Tegangan ripple dapat dihitung berdasarkan rumus (Boylestad, dan Nashelsky
777) :
Vr(rms) = fC
Idc34
= CIdc4.2 =
RlCVdc4.2 (2.9)
Dimana, I dc dalam miliampere, C dalam mikrofarad, dan RL dalam kilohm
Rangkaian penyearah baik apabila tegangan ripple-nya kecil namun masih
ada permasalahan dalam stabilitas apabila tegangan PLNnya naik dan turun. Jika
tegangan PLN naik/turun, maka tegangan outputnya juga akan naik/turun. Oleh
karena itu, diperlukan komponen aktif yang dapat meregulasi tegangan keluaran
ini menjadi stabil. Dalam rangkaian power supply maka IC Regulator tegangan ini
dipakai untuk stabilnya output-an tegangan.
Berikut susunan kaki IC regulator tersebut. Misalnya 7805 adalah
regulator untuk mendapat tegangan +5 volt, 7812 regulator tegangan +12 volt dan
seterusnya. Sedangkan seri 79XX misalnya adalah 7905 dan 7912 yang berturut-
turut adalah regulator tegangan -5 dan -12 volt.
Gambar 2.16. Susunan kaki ic regulator
Sumber : cnt-121 (2007, p.1)
2.3.2. Komparator
Sebuah komparator pada dasarnya merupakan rangkaian yang digunakan
untuk mengindera atau mendeteksi kondisi dimana sebuah sinyal yang berubah
terhadap waktu telah mencapai nilai tegangan ambangnya ( threshold ). Sebuah
Universitas Kristen Petra
14
rangkaian komparator dapat dibangun dengan menggunakan IC komparator (IC
yang memang didedikasikan secara khusus untuk fungsi komparator). IC ini pada
dasarnya sama seperti op-amp, dengan perbedaan adalah memiliki keluaran-
keluaran yang dapat beralih dengan cepat dan pada umumnya digunakan untuk
penggerak rangkaian digital.
Rangkaian komparator memiliki sebuah penguat diferensial pada sisi
masukannya, adapun keluarannya merupakan sebuah tingkat penggerak untuk
mencapai keadaan yang dapat beralih nilainya. Sebuah rangkaian komparator
yang paling sederhana memiliki tegangan sinyal yang dikenakan langsung pada
salah satu dari terminal masukannya, sementara terminal masukan lainnya
dikenakan tegangan referensi.
Prinsip kerja dari sebuah rangkaian komparator dengan op-amp tunggal
dapat dilihat dari gambar dibawah ini.
Gambar 2.17 . Komparator dengan op-amp tunggal
Sumber: Clayton, Winder (2003, p.187)
Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa konfigurasi op-amp yang
digunakan adalah konfigurasi loop terbuka ( tanpa umpan balik ). Keluaran
rangkaian akan bertransisi di antara keadaan-keadaan saturasinya pada saat sinyal
masukan melampaui sebuah nilai tegangan yang sama dengan Eref, Tegangan
referensi / Eref tidak boleh melebihi tegangan mode common maksimum jika
komponen yang digunakan pada rangkaian adalah sebuah op-amp. Pertukaran
pada hubungan sinyal dan masukan referensi akan berakibat pada perubahan
polaritas keluaran yang dihasilkan.
2. 3.4. Push Pull Power Amplifier
Universitas Kristen Petra
15
Rangkaian push pull ini menggunakan transistor yaitu transistor npn yang
dipasangkan dengan transistor pnp. Rangkaian ini memiliki dua catu daya dan
beban resistor yang dihubungkan pada emitter transistor. Ketika sinyal inputnya
positif, transistor npn mempunyai tegangan positif pada emitter yang
dibandingkan dengan 0 V pada sisi beban. Arus mengalir melewati beban ke line
0 V. Arus tersebut di dorong melewati beban. Ketika sinyal input negatif, kolektor
pada transistor pnp dibanding dengan titik nol. Arus mengalir dari 0 V melewati
beban menuju transistor pnp. Arus ditarik melewati beban.
Gambar 2.18. Arus yang didorong melewati transistor npn dan beban
Sumber : Antonine Education (n.d.,p.1)
Gambar 2.19. Arus yang ditarik melalui trasistor pnp dan beban
Sumber : Antonine Education (n.d.,p.1)
Universitas Kristen Petra
16
Ketika input dalam keadaan turn on, sinyal input menjadi positif dan
transistor NPN menjadi aktif. Karena tegangan basis positif, transistor PNP (Q2)
akan cut-off. Karena input diambil dari emitter, tegangan output akan mengikuti
tegangan input.
Gambar 2.20. Transistor npn aktif dan gelombangnya
Sumber : Hassul, Zimmerman (1997, p.613)
Ketika sinyal input menjadi negatif, transistor PNP(Q2) aktif. Karena
tegangan basis adalah negatif, transistor NPN(Q1) adalah cut-off
Gambar 2.21. Transistor pnp aktif dan gelombangnya
Sumber : Hassul, Zimmerman (1997, p.613)
Dengan mengabaikan emitter dioda voltage drop. Pada rangkaian ini
hanya satu transistor saja yang on pada saat tertentu. Satu transistor mensuplai
positif output dan yang satunya mensuplai negatif output.
Universitas Kristen Petra
17
Universitas Kristen Petra
18
Gambar 2.22. Rangkaian push pull power amplifier dan gelombang
Sumber : Hassul, Zimmerman (1997, p.613)