MODUL PRAKTIKUM elektronika daya · 2020. 10. 24. · Elektronika daya diantaranya adalah: 1) Elektronika, 2) Teori rangkaian, Sistem control, Elektromagnetika, Mesin-mesin listrik,

Universitas Indonesia

2020

MODUL PRAKTIKUM

ELEKTRONIKA DAYA Laboratorium Konversi Energi Listrik, Departemen Teknik Elektro, UI

Universitas Indonesia

MODUL PRAKTIKUM

ELEKTRONIKA DAYA

Untuk Program Studi Teknik Elektro

Penanggung Jawab :

Ir. Amien Rahardjo M.T.

Kepala Laboratorium Konversi Energi Listrik DTE FTUI

Dipublikasikan oleh :

Laboratorium Konversi Energi Listrik

Departemen Teknik Elektro

Fakultas Teknik Universitas Indonesia

2020

Penyusun :

Tim Asisten Laboratorium Konversi Energi Listrik DTE FTUI

dIdILA

LABORATORIUM KONVERSI ENERGI LISTRIK

TEKNIK ELEKTRO UNIVERSITAS INDONESIA

ii

Praktikum Teknik Tenaga Listrik

SAFETY INDUCTION



iii


PROFIL ASISTEN

Muhammad Aqil Fikry B

Nadhif Ahmad Dhialdien

Andri P. PurbaFabian Aji

Wibowo



iv


TATA TERTIB PELAKSANAAN PRAKTIKUM

1. Praktikan harus berhati-hati dan dianggap telah mengetahui bahaya

listrik.

2. Praktikan harus berpakaian rapi, memakai sepatu tertutup, kemeja atau kaos

berkerah (tidak diperkenankan memakai kaos tanpa kerah maupun kaos yang

dilapisi jaket).

3. Praktikan diminta hadir 10 menit sebelum praktikum dimulai.

4. Praktikan yang datang terlambat lebih dari 15 menit dianggap tidak mengikuti

praktikum modul tersebut dan nilai pada modul tersebut dianggap 0 (nol).

5. Praktikan wajib membawa kartu praktikum dan mengumpulkan tugas

pendahuluan sebelum praktikum dimulai. Apabila praktikan tidak membawa

kartu praktikum atau tidak mengumpulkan tugas pendahuluan, maka

praktikan tidak diizinkankan mengikuti praktikum.

6. Tugas pendahuluan akan diupload maksimum pukul 18.00 satu hari sebelum

praktikum dimulai.

7. Praktikan wajib mengikuti semua proses pelaksanaan praktikum.

8. Praktikan harus ikut menjaga kebersihan laboratorium dan dilarang membawa

makanan/minuman kedalam ruangan praktikum.

9. Izin praktikum selain karena sakit atau kecelakaan MAKSIMUM 24 jam

sebelum praktikum, izin karena sakit atau kecelakaan WAJIB menyerahkan

bukti (contoh: surat dari dokter) yang diserahkan saat praktikum selanjutnya.

10. Praktikan diizinkan memasuki ruangan praktikum setelah dipersilakan masuk

oleh asisten laboratorium.

11. Praktikan harus mengisi daftar hadir praktikum dan daftar hadir pengumpulan

laporan.

12. Praktikan hanya boleh meninggalkan ruangan praktikum setelah mendapat izin

dari asisten laboratorium.

13. Asisten berhak mengganti jadwal praktikum jika praktikan dinilai tidak siap

mengikuti praktikum.

14. Laporan praktikum ditulis dengan tulisan tangan pada kertas A4. Praktikan

boleh menitipkan laporannya pada temannya untuk dikumpulkan dengan



v


menyertakan kartu praktikum. Waktu pengumpulan laporan paling

lambat 2x24 jam setelah praktikum. Pengecualian untuk:

Praktikum hari Kamis shift 3 dan 4 = laporan dikumpulkan Sabtu MAX 12.00

WIB.

Praktikum hari Jumat all shift = laporan dikumpulkan Senin MAX 08.00 WIB.

15. Setelah selesai praktikum, praktikan diminta untuk merapikan kembali alat-alat

yang dipakai praktikum ke tempatnya semula.

16. Praktikan tidak boleh mengambil barang maupun peralatan yang ada di

laboratorium.

17. Pergantian jadwal max 1x24 jam sebelum praktikum dimulai dengan alasan

yang DAPAT DITERIMA. Lewat dari 1 x 24 jam dianggap jadwal TIDAK

BERUBAH.

18. Presentase penilaian praktikum Teknik Tenaga Listrik :

Modul 1 : 8 %

Modul 2-9 : 10 %

Modul 10 : 12 %

19. Bobot penilaian masing-masing modul adalah sebagai berikut :

a). Praktikum : 50%

Tugas pendahuluan : 25 %

Tanya Jawab & Diskusi : 55 %

Kedisiplinan : 20%

b). Laporan : 50%

Dasar Teori : 25%

Analisis : 35%

Pengolahan Data dan Grafik : 15%

Kesimpulan : 10%

Tugas Tambahan : 15%

20. Segala tindakan PLAGIARISME oleh praktikan akan berbuah sanksi berupa

nilai dari laporan praktikan yang bersangkutan akan dibagi sesuai dengan

jumlah orang.



vi


DAFTAR ISI

SAFETY INDUCTION ......................................................................................... ii

PROFIL ASISTEN .............................................................................................. iii

TATA TERTIB PELAKSANAAN PRAKTIKUM ........................................... iv

DAFTAR ISI ......................................................................................................... vi

MODUL I PENGANTAR ELEKTRONIKA DAYA ......................................... 1

1.1 Pendahuluan ............................................................................................. 1

1.2 Ruang Lingkup ......................................................................................... 1

1.3 Definisi Elektronika Daya ........................................................................ 3

1.4 Fungsi Peralatan Semikonduktor .............................................................. 3

1.5 Karakteristik Semikonduktor Daya Sebagai Saklar ................................. 4

1.6 Aplikasi dan Contoh Penggunaan Elektronika Daya ............................... 9

MODUL II DIODA DAYA (POWER DIODE) ................................................. 10

2.1 PENDAHULUAN .................................................................................. 10

Dasar Dioda Daya ........................................................................... 10

Kurva Karakteristik Dioda Daya ..................................................... 10

Jenis-jenis Dioda Daya .................................................................... 11

2.2 HAL-HAL YANG PERLU DIPELAJARI ............................................ 12

2.3 PERALATAN PERCOBAAN ............................................................... 12

MODUL III DIODA DAYA PENYEARAH (POWER DIODE RECTIFIER)

13

3.1 PENDAHULUAN .................................................................................. 13

Penyearah Setengah Gelombang Satu Fasa .................................... 13

Penyearah Gelombang Penuh Satu Fasa ......................................... 13

3.2 ALAT-ALAT YANG DIGUNAKAN ................................................... 14




vii


MODUL IV .......................................................................................................... 15

POWER THYRISTOR ....................................................................................... 15

4.1 PENDAHULUAN .................................................................................. 15

Dasar Thyristor................................................................................ 15

Kurva Karakteristik Thyristor ......................................................... 16

Thyristor Turn-on dan Turn-off ...................................................... 16

Jenis-jenis Thyristor ........................................................................ 17

4.2 ALAT YANG DIGUNAKAN ............................................................... 18

4.3 RANGKAIAN PERCOBAAN ............................................................... 18

MODUL V ........................................................................................................... 19

THYRISTOR PENGENDALI FASA (CONTROLLED RECTIFIER) ........ 19

5.1 DASAR CONTROLLED RECTIFIER .................................................. 19

5.2 ALAT YANG DIGUNAKAN ............................................................... 20


MODUL VI .......................................................................................................... 22

INVERTER .......................................................................................................... 22

6.1 PENDAHULUAN .................................................................................. 22

Dasar Inverter .................................................................................. 22

Single Phase Half-Bridge Inverter .................................................. 23

Single Phase Full Bridge Inverter................................................... 24


Rangkaian Single Phase Full-Bridge Inverter Closed Loop ........... 25

6.3 LANGKAH – LANGKAH PERCOBAAN ........................................... 26

Single Phase Full-Bridge Inverter Closed Loop ............................. 26

MODUL VII ........................................................................................................ 37

INVERTER TIGA FASA ................................................................................... 37



viii


7.1 PENDAHULUAN .................................................................................. 37

Three Phase Inverter ....................................................................... 37

Voltage Control of Three-Phase Inverter ........................................ 38

7.2 ALAT-ALAT YANG DIGUNAKAN ................................................... 39


Inverter Tiga Fasa ........................................................................... 39

7.4 LANGKAH – LANGKAH PERCOBAAN ........................................... 39

Inverter Tiga Fasa (180 Conduction Mode) .................................... 39

8MODUL VIII NON-ISOLATED DC-DC CONVERTER (BUCK, BOOST,

DAN BUCK-BOOST) ......................................................................................... 41

8.1 PENDAHULUAN .................................................................................. 41

Dasar Converter .............................................................................. 41

Step Down DC Chopper ................................................................. 42

Step Up DC Chopper ...................................................................... 43

Buck Regulator................................................................................ 44

Boost Regulator ............................................................................... 45

Buck-Boost Regulator ..................................................................... 45

8.2 HAL-HAL YANG HARUS DIPELAJARI ........................................... 46


MODUL IX DC-DC CONVERTER (BUCK-BOOST & CUK) ..................... 47

9.1 PENDAHULUAN .................................................................................. 47

Flyback Converter ........................................................................... 48

9.2 HAL-HAL YANG HARUS DIPELAJARI ........................................... 49


1MODUL X PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA ......................... 51

10.1 PENDAHULUAN .................................................................................. 51



ix


Dasar Pembangkit Listrik Tenaga Surya ........................................ 51

Cara Kerja Sel Surya ....................................................................... 52

Karakteristik Hubung Singkat dan Hubung Terbuka Sel Surya ..... 53

Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya ....................................... 55

10.2 HAL-HAL YANG PERLU DIPELAJARI ............................................ 57


MODUL X ........................................................................................................... 58

POST TEST ......................................................................................................... 58



1


1 MODUL I

PENGANTAR ELEKTRONIKA DAYA

1.1 Pendahuluan

Elektronika Daya merupakan salah satu bidang ilmu yang mempelajari dan

membahas aplikasi elektronika yang berkaitan dengan peralatan listrik yang

berdaya cukup besar. Berbagai macam peralatan dan aplikasi nyata di industri yang

menggunakan sumber listrik memiliki kapasitas daya yang sangat besar seperti

motor listrik, pemanas, pendingin, fun, kompresor, pompa, conveyor dan aplikasi

-aplikasi lainnya. Elektronika daya mulai populer setelah berbagai pengaturan

secara konvensional kurang dapat memenuhi kebutuhan industri. Pengaturan

berbagai aplikasi di industri secara konvensional tidak efektif dan menimbulkan

rugi-rugi yang cukup besar sehingga diperlukan mekanisme pengaturan yang lebih

baik. Salah satu pilihan adalah dengan menggunakan perangkat elektronika.

Untuk dapat melakukan pengaturan berbagai macam peralatan di industri

diperlukan peralatan kontrol yang mampu beroperasi pada tegangan dan arus yang

cukup besar. Elektronika Daya memberikan solusi terhadap permasalahan di dunia

industri untuk dapat melakukan pengaturan peralatan-peralatan dengan

menggunakan rangkaian yang dapat bekerja dengan arus dan tegangan yang besar.

Beberapa aplikasi di industry bekerja pada arus yang mencapai ratusan bahkan

ribuan amper dan tegangan yang tinggi 220 V, 380 V, 600 V, 3,8 KV bahkan ada

yang lebih tinggi lagi. Pengaturan peralatan yang berdaya besar ini tidak mungkin

dilakukan dengan rangkaian elektronika yang berdaya kecil seperti peralatan rumah

tangga yang arusnya kurang dari 5 Ampere dan tegangannya kurang dari 60 V.

1.2 Ruang Lingkup

Bidang ilmu Elektronika Daya mencakup berbagai bidang ilmu yang

mendasari perkembangan ilmu ini. Beberapa bidang ilmu yang terkait dengan

Elektronika daya diantaranya adalah: 1) Elektronika, 2) Teori rangkaian, Sistem

control, Elektromagnetika, Mesin-mesin listrik, Sistem Tenaga Listrik, Komponen

semikonduktor dan computer. Secara lengkap, ruang lingkup materi bahasan

Elektronika Daya seperti pada gambar di bawah ini.



2


Gambar 1.1. Ruang Lingkup Elektronika Daya

1. Sistem Elektronika

Sistem elektronika merupakan dasar utama pada aplikasi

elektronika daya. Sistem elektronika akan membahas tentang peralatan

elektronika yang terdiri dari semikonduktor dan komponen lainnya dalam

suatu rangkaian elektronika. Untuk mempelejari elektronika daya

diperlukan pemahaman terhadap materi rangkaian elektronika baik

analog maupun digital.

2. Sistem Tenaga Listrik

Objek utama dalam apliksasi elektronika daya adalah peralatan dan

sistem yang memiliki daya (tegangan dan arus) listrik yang cukup besar.

Oleh karena itu untuk lebih memahami elektronika daya diperlukan

pemahaman yang baik terhadap sistem tenaga listrik.

3. Sistem Kontrol

Aplikasi elektronika daya pada umumnya untuk melakukan

pengontrolan aplikasi di industri. Oleh karena itu diperlukan pemahaman

yang baik terhadap teknik dan sistem kontrol berbagai peralatan yang

digunakan di industri. Contoh pengaturan yang paling sering ditemui

adalah pengaturan kecepatan putar motor listrik, pengaturan torsi motor

listrik, pengaturan kecepatan aliran (flow) minyak, gas, pengaturan

temperature, pengaturan tekanan, pengaturan kecepatan conveyor,

pengaturan gerakan peralatan di industri dan pengaturan -pengaturan

parameter lainnya.



3


1.3 Definisi Elektronika Daya

Elektronika Daya (Power Electronics) didefinisikan sebagai sebuah aplikasi

elektronika yang menitikberatkan pada pengaturan peralatan listrik yang berdaya

besar dengan cara melakukan pengubahan parameter- parameter listrik (arus,

tegangan, daya listrik). Aplikasi elektronika disini dimaksudkan rangkaian yang

menggunakan peralatan elektronika terutama semikonduktor yang difungsikan

sebagai saklar (switching) untuk melakukan pengaturan dengan cara melakukan

pengubahan tipe sumber dari AC – AC, AC – DC, DC – DC dan DC – AC. Peralatan

semikonduktor yang digunakan adalah solid-state electronics untuk melakukan

pengaturan yang lebih efesien pada sistem yang mempunyai daya dan energy yang

besar. Aplikasi elektronika daya memiliki karakteristik sebagai berikut:

1. Aplikasi teknik kontrol untuk mendapatkan sinyal control

2. Elektronika daya merupakan gabungan dari berbagai disiplin ilmu yaitu

Teknik Tenaga Listrik, Elektronika dan teknologi sistem kontrol.

3. Elektronika daya menggunakan komponen elektronika daya

(solid- state) untuk mengontrol dan mengkonversi tenaga listrik

4. Rangkaian elektronika daya terdiri dari input dan beban (load) . Secara

umum, aplikasi elektronika daya dapat dijelaskan dengan diagram

skematik sebagai berikut:

Gambar 1.2. Skematik Elektronika Daya

1.4 Fungsi Peralatan Semikonduktor

Peralatan semikonduktor pada sistem elektronika daya mempunyai fungsi

utama sebagai berikut:

1. Persaklaran (Switching)



4


Fungsi utama semikonduktor pada aplikasi elektronika daya adalah

sebagai saklar atau switching. Proses switching merupakan dasar dari

materi pada elektronika daya sehingga perlu difahami dengan baik.

Switching dilakukan secara elektronik dengan kecepatan tinggi yang

dapat diatur sesuai dengan kebutuhan.

Gambar 1.3. Pulse Switching pada Peralatan Semikonduktor

2. Konversi (Converting)

Fungsi yang kedua dari peralatan semikonduktor elektronika daya

adalah untuk melakukan pengubahan atau converting dari tipe sumber.

Konversi dapat dilakukan dari AC ke DC, AC ke AC, DC ke DC maupun

dari DC ke AC. Proses pengubahan besaran meliputi pengubahan bentuk

gelombang arus, tegangan maupun besaran lainnya.

3. Kemdali/Kontrol (Controlling)

Fungsi yang ketiga dari peralatan semikonduktor elektronika daya

adalah untuk melakukan pengaturan aplikasi elektronika industri sesuai

dengan yang diinginkan. Contoh pengaturan adalah pengaturan tegangan,

pengaturan arus, pengaturan daya listrik dan pengaturan besaran-besaran

lainnya. Dengan melakukan pengaturan besaran listrik akan berpengaruh

pada sistem kerja pada sistem yang bekerja di industri seperti kecepatan

putaran, tekanan, suhu, kecepatan gerak, dan sistem kerja lainnya.

1.5 Karakteristik Semikonduktor Daya Sebagai Saklar

Beberapa peralatan semikonduktor yang dapat dijadikan sebagai perangkat

persaklaran (switching) adalah sebagai berikut:

1. Dioda



5


Dioda merupakan komponen elektronika daya yang memilki dua

terminal, yaitu: anoda (A) dan katoda (K). Jika sebuah dioda difungsikan

sebagai sakelar elektronis dalam suatu rangkaian tertutup, maka dioda

akan konduksi (ON) jika potensial pada anoda lebih positif daripada

potensial pada katoda. Kondisi ini biasanya disebut dalam keadaan bias

maju (forward bias – FB). Sebaliknya, dioda akan memblok (OFF) jika

potensial pada anoda lebih negatif daripada potensial pada katoda.

Kondisi ini disebut dalam keadaan bias mundur (reversed bias – RB). Jika

diode dalam kondisi ideal, ketika dioda dalam kondisi ON memiliki

karakteristik tegangan pada dioda sama dengan nol dan arus yang

mengalir sama dengan arus bebannya. Sebaliknya, dioda dalam kondisi

OFF memiliki karakteristik tegangan pada dioda sama dengan tegangan

sumbernya dan arus yang mengalir sama dengan nol. Dalam kondisi

dioda ON dan OFF ini dapat dinyatakan tidak terjadi kerugian daya pada

dioda. Gambar 1 merupakan simbol, karakteristik i-v, dan karakteristik

ideal dioda pada kondisi- ajeg (steady-state). Dioda daya memiliki

kapasitas tegangan dan arus hingga 3000 V, 3500A, dengan waktu

pemulihan balik antara 0,1 – 5 S (detik).

Gambar 1.4. (a) Simbol Dioda, (b) Karakteristik Dioda, dan (c) Karakteristik

Dioda Ideal

2. Thyristor

Semikonduktor daya yang termasuk dalam keluarga thyristor ini,

antara lain: SCR (silicon-controlled retifier), GTO (gate turn-off

thyristor), dan TRIAC. SCR banyak digunakan dalam rangkaian



6


elektronika daya. SCR memiliki tiga terminal, yaitu anoda, katoda, dan

gate. SCR dapat digunakan dengan sumber masukan dalam bentuk

tegangan bolak-balik (AC) maupun tegangan searah (DC). SCR dalam

rangkaian elektronika daya dioperasikan sebagai sakelar elektronik. Jika

sumber tegangan masukan yang digunakan tegangan searah, SCR akan

konduksi (ON) jika potensial pada anoda lebih positif daripada potensial

pada katoda dan pada terminal gate dialirkan arus pulsa positif. Kondisi

ON SCR ini ditentukan oleh besar arus pulsa positif pada gate. Tetapi,

SCR akan terus ON meskipun arus pulsa pada gate diputus. SCR akan

putus (OFF) dengan cara membuat potensial pada anoda sama dengan

katoda. Proses pengaliran arus listrik pada terminal gate ini disebut

penyulutan/ pemicu (triggering), sedangkan proses pemutusan (OFF) dari

kondisi ON ini disebut komutasi (commutation). Selanjutnya, jika sumber

tegangan masukan yang digunakan tegangan bolak- balik, SCR akan ON

ketika tegangan bolak-balik pada polaritas positif dan akan OFF pada

polaritas negatif, tetapi pada terminal gate harus selalu dialirkan arus

pulsa positif. Berbeda dengan karakteristik sebelumnya, SCR akan OFF

ketika arus pulsa pada gate diputus. Hal ini berarti, arus pulsa pada gate

harus selalu dihubungkan dengan terminal gate agar rangkaian dapat

bekerja sebagaimana yang diharapkan. Jika SCR dalam kondisi ideal,

ketika SCR dalam kondisi ON memiliki karakteristik tegangan pada SCR

sama dengan nol dan arus yang mengalir sama dengan arus bebannya.

Sebaliknya, SCR dalam kondisi OFF memiliki karakteristik tegangan

pada SCR sama dengan tegangan sumbernya dan arus yang mengalir

sama dengan nol. Dalam kondisi SCR ON dan OFF ini dapat dinyatakan

tidak terjadi kerugian daya pada SCR. SCR yang digunakan untuk

konversi daya besar umumnya memiliki kapasitas tegangan dan arus

mencapai 5000 V, 5000 A, dengan frekuensi pensakelaran dari 10 – 20

kHz. Gambar 2 menunjukkan simbol, karakteristik i-v, dan karakteristik

ideal dari SCR.



7


Gambar 1.5. (a) Simbol Thyristor, (b) Karakteristik Thyristor, dan (c)

Karakteristik Thyristor Ideal

3. Transistor

Transistor memiliki tiga terminal: basis (base), emitor (emitter), dan

kolektor (collector). Pada rangkaian elektronika daya, transistor

umumnya dioperasikan sebagai sakelar dengan konfigurasi emitor-

bersama. Transistor bekerja atas dasar prinsip kendali- arus (current

driven). Transistor dengan jenis NPN akan ON jika pada terminal

kolektor-emitor diberi panjar (bias) dan pada basis memiliki potensial

lebih positif daripada emitor dan memiliki arus basis yang mampu

mengendalikan transistor pada daerah jenuh. Sebaliknya, transistor akan

OFF jika arus basis dikurangi hingga pada kolektor tidak dapat

mengalirkan arus listrik. Jika transistor dalam kondisi ideal, ketika

transistor dalam kondisi ON memiliki karakteristik tegangan pada

terminal emitor dan kolektor (VCE) sama dengan nol dan arus yang

mengalir sama dengan arus bebannya. Sebaliknya, ketika transistor dalam

kondisi OFF memiliki karakteristik tegangan pada transistor sama dengan

tegangan sumbernya (VCC) dan arus yang mengalir sama dengan nol.

Dalam kondisi transistor ON dan OFF ini dapat dinyatakan tidak terjadi

kerugian daya pada transistor sebagai sakelar. Transistor daya umumnya

digunakan sebagai konverter dengan kapasitas tegangan dan arus

mencapai 1200 V, 400 A, dengan frekuensi pensakelaran di bawah 10

kHz.



8


Gambar 1.6. Grafik Karakteristik Transistor

4. Mosfet

MOSFET merupakan piranti semikonduktor daya yang memiliki

tiga terminal: gate (gerbang), sumber (source), dan pengalir (drain).

MOSFET bekerja atas dasar prinsip kendali-tegangan (voltage-driven).

Gambar 4 merupakan simbol, karakteristik i-v, dan karakteristik ideal dari

MOSFET. Rangkaian pengaturan ON dan OFF dengan piranti MOSFET

lebih mudah dibandingkan piranti transistor. Jika pada terminal gerbang-

sumber dicatu tegangan yang cukup besar maka piranti akan ON,

sehingga menghasilkan tegangan yang kecil antara terminal pengalir-

sumber. Dalam kondisi ON, perubahan tegangan pada terminal pengalir-

sumber berbanding lurus dengan arus pada terminal pengalirnya. Jadi,

terminal pengalir-sumber memiliki resistansi sangat kecil pada saat

kondisi ON. MOSFET daya umumnya digunakan sebagai konverter

dengan kapasitas tegangan dan arus mencapai 1000 V, 50 A, dengan

frekuensi pensakelaran di atas 100 kHz.



9


Gambar 1.7. Grafik Karakteristik MOSFET

1.6 Aplikasi dan Contoh Penggunaan Elektronika Daya

Aplikasi rangkaian elektronika banyak digunakan untuk kepentingan

peralatan rumah tangga dan industri. Perangkat elektronika daya banyak digunakan

pada peralatan konversi daya listrik yang besar seperti : saluran transmisi daya

listrik, jaringan distribusi daya listrik, pengaturan motor listrik secara elektronis di

industri, pengatur pemanas air, pengubah daya listrik AC menjadi DC, DC menjadi

DC, DC menjadi AC untuk kepentingan pengaturan peralatan di industri, charger

baterai pada peralatan industri, dan lain sebagainya. Dalam kehidupan sehari-hari

aplikasi elektronika daya dapat dilihat pada UPS (Uninterabable Power Supply),

inverter, catu daya untuk laptop, notebook dan komputer, pengatur tingkat

keterangan lampu, peredup lampu (dimmer), pengatur pemanas, pengatur cahaya,

ballast elektronik pada lampu neon, relai-relai elektronik, pemutus tenaga, sistem

elektronis dalam mobil dan wahana ruang angkasa. Selain itu aplikasi elektronika

daya juga banyak digunakan diindustri untuk pengaturan berbagai peralatan industri

seperti pengaturan kecepatan putar motor listrik, pengatur kecepatan putar

penggerak konveyor, pengatur kecepatan gerak lift, pengatur kece patan gerak

eskalator dengan beban yang berubah-ubah, pengaturan kecepatan aliran fluida gas

dan minyak, pengaturan tekanan pada mesin pompa, blower, pengaturan kipas dan

lain sebagainya.



10


2 MODUL II

DIODA DAYA (POWER DIODE)

Tujuan :

1. Memahami karakteristik dari Dioda Daya

2. Memahami jenis-jenis dari Dioda Daya

2.1 PENDAHULUAN

Dasar Dioda Daya

Dioda daya merupakan divais semikonduktor yang terdiri dari anoda dan

katoda, yang dipergunakan untuk daya yang besar. Prinsip kerja dari dioda daya

sama dengan dioda sinyal yaitu secara umum adalah dioda akan on (konduksi)

apabila tegangan yang diberikan pada anoda lebih besar dari tegangan katoda (Vs

> 0). Pada saat on diode dapat digambarkan sebagai rangkaian short circuit,

sedangkan pada saat off diode dapat digambarkan sebagai rangkaian open circuit.

Berdasarkan prinsip kerja diode maka dalam aplikasinya dalam elektronika daya

diode digunakan sebagai penyearah.

Dioda dilambangkan seperti pada gambar di bawah ini :

Gambar 2.1. Lambang Dioda

Terdapat beberapa hal yang menjadi pembeda antara dioda konvensional

dan diode daya. Hal-hal yang membedakannya adalah sebagai berikut:

1. Memiliki daya yang besar

2. Kemampuan menangani tegangan dan arus yang lebih besar

3. Kecepatan pensaklaran (respon frekuensi) lebih rendah

Kurva Karakteristik Dioda Daya

Pada diode daya, terdapat sebuah grafik yang menggambarkan masing-

masing area operasi pada dioda daya. Grafik ini pada umumnya dapat disebut juga

sebagai kurva karakteristik karena pada kurva ini tergambar karakteristik pada



11


masing-masing area operasi pada dioda daya. Area operasi yang digambarkan pada

kurva karakteristik adalah forward-bias region, reverse-bias region, dan

breakdown region. Untuk kurva karakteristik dapat dilihat sebagai berikut:

Gambar 2.2. Kurva Karakteristik Dioda

Jenis-jenis Dioda Daya

Dioda daya dapat terbagi menjadi tiga jenis berdasarkan beberapa faktor

seperti tegangan operasi dan juga recovery timenya. Ketiga macam diode tersebut

terbagi menjadi general purpose diodes, fast recovery diodes, dan Schottky diodes.

Dimana perbedaan antar masing-masing diode dapat dilihat pada table dibawah

berikut ini:

Table 2.1. Perbandingan Perbedaan Tipe Dioda Daya

General Purpose Diodes Fast Recovery Diodes Schottky Diodes

5000 V dan 3500 A 3000 V dan 1000 A 100 V dan 300 A

High Reverse Recovery

Time (trr ≈ 25 µs)

Low Reverse Recovery

Time (trr = 0.1 µs to 5

µs)

Extremely Low Reverse

Recovery Time (trr = a

few nanoseconds)

High Turn-off time Low Turn-off Time Extremely Low Turn-off

Time

Low Switching

Frequency

High Switching

Frequency

Very High Switching

Frequency

VF = 0.7 V to 1.2 V VF = 0.8 V to 1.5 V VF ≈ 0.4 V to 0.6 V



12


2.2 HAL-HAL YANG PERLU DIPELAJARI

1. Dasar divais elektronika

2. Tipe-tipe pencatuan pada dioda

3. Kurva karakteristik Dioda

4. Buku Power Electronics karangan Muhammad H.Rashid (Chapter: Power

Semiconductor Diodes & Circuit)

2.3 PERALATAN PERCOBAAN

• 1 buah komputer/laptop (pastikan sudah melakukan instalasi aplikasi

PowerSim (PSIM) dan/atau MATLAB pada PC).



13


3 MODUL III

DIODA DAYA PENYEARAH (POWER DIODE RECTIFIER)

Tujuan:

1. Melihat bentuk gelombang keluaran dari penyearah setengah gelombang tanpa

beban pada sumber satu fasa.

2. Melihat bentuk gelombang yang dihasilkan pada beban yang berbeda.

3. Melihat bentuk gelombang keluaran dari penyearah gelombang penuh tanpa

beban pada sumber satu fasa.

4. Melihat bentuk gelombang yang dihasilkan pada beban yang

berbeda.

3.1 PENDAHULUAN

Penyearah Setengah Gelombang Satu Fasa

Penyearah setengah gelombang merupakan penyearah tegangan bolak balik

(AC) menjadi tegangan DC dengan melewatkan tegangan pada saat tegangan yang

diberikan pada anoda lebih besar dari tegangan pada katoda. Sehingga bentuk

gelombang keluaran yang dihasilkan akan terjadi pada setengah perioda dengan

tegangan yang dihasilkan adalah nol pada period yang lainnya.

Rangakaian penyearah setengah gelombang:

Gambar 3.1. Rangkaian Penyearah Setengah Gelombang

Penyearah Gelombang Penuh Satu Fasa

Pada saat tegangan input (Vs) yang diberikan lebih dari nol maka D1 dan

D2 akan menghantar (konduksi) dan selama Vs kurang dai nol maka D3 dan D4

akan menghantar. Fungsi dari dua buah dioda yang bekerja secara bersamaan



14


adalah sebagai pembalik gelombang sehingga gelombang keluaran yang didapat

pada setiap periodanya tidak ada gelombang yang bernilai nol.

Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh:

Gambar 3.2. Rangkaian Penyearah Gelombang Penuh Satu Fasa

3.2 ALAT-ALAT YANG DIGUNAKAN

1. Dasar divais elektronika

2. Tipe-tipe pencatuan pada dioda

3. Kurva karakteristik Dioda

4. Buku Power Electronics karangan Muhammad H.Rashid (Chapter: Power

Semiconductor Diodes & Circuit)



PowerSim (PSIM) pada PC).



15


4 MODUL IV

POWER THYRISTOR

Tujuan:

1. Memahami prinsip dan cara kerja thyristor.

2. Memahami konstruksi thyristor.

3. Memahami karakteristik jenis-jenis thyristor.

4.1 PENDAHULUAN

Dasar Thyristor

Thyristor adalah divais semikonduktor daya yang berfungsi sebagai switch

yang beroperasi dari keadaan non konduksi menjadi keadaan konduksi. Thyristor

tersusun atas 4 lapisan p-n-p-n dengan tiga sambungan pn. Thyristor memiliki tiga

terminal, yaitu anoda, katoda, dan gate. Ketika tegangan anoda lebih positif

dibanding katoda, maka junction J1 dan J3 akan forward biased, sedangkan J2 akan

reverse biased. Sehingga hanya sedikit arus yang dapat mengalir dari anoda ke

katoda. Kondisi ini dinamakan forward blocking atau “off-state”. Jika tegangan

antara anoda dan katoda ditingkatkan, maka daerah deplesi di J2 akan hilang, yang

dinamakan avalanche breakdown, sehingga terjadi aliran muatan dari anoda ke

katoda. Karena J1 dan J3 sudah dalam keadaan forward biased, maka carrier dapat

bergerak bebas pada ketiga junction, menghasilkan arus forward anoda yang

bernilai besar. Kondisi ini disebut conducting state atau “on-state”.

Gambar 4.1 Thyristor dan Simbolnya



16


Kurva Karakteristik Thyristor

Berikut kurva karakteristik tegangan-arus pada thyristor:

Gambar 4.2 Kurva Karakteristik Thyristor

Thyristor Turn-on dan Turn-off

Thyristor akan aktif dengan meningkatkan arus anoda dengan beberapa cara,

antara lain:

1. pemanasan,

2. pencahayaan,

3. tegangan tinggi,

4. dv/dt, dan

5. arus gate.

Thyristor dapat di off-kan dengan cara mengurangi arus forward ke tingkat di

bawah holding current. Ada beberapa metode untuk membuat thyristor dalam

keadaan off, yang disebut dengan teknik komutasi. Teknik komutasi ada yang

bersifat natural dan forced. Pada semua teknik komutasi, arus pada anoda akan

berada di bawah holding current untuk waktu yang lumayan lama agar semua

carrier yang berlebih pada keempat layer dapat terbuang atau rekombinasi. Berikut

kurva perbandingan dari masing-masing tipe komutasi:



17


Gambar 4.3 Line-commutated Thyristor Circuit

Gambar 4.4 Forced-commutated Thyristor Circuit

Jenis-jenis Thyristor

Berdasarkan konstruksi dan karakteristik on/off nya, thyristor dibedakan

menjadi 9 kategori, yaitu:

1. Phase-control thyristor (SCRs),

2. Fast-switching thyristor (SCRs),

3. Gate-turn-off thyristor (GTOs),

4. Bidirectional triode thyristor (TRIACs),

5. Reverse-conducting thyristor (RCTs),

6. Static induction thyristor (SITHs),

7. Light-activated silicon-controlled rectifiers (LASCRs),

8. FET-controlled thyristors (FET-CTHs), dan

9. MOS-controlled thyristor (MCTs),



18


4.2 ALAT YANG DIGUNAKAN

1. Satu buah komputer/laptop (pastikan sudah melakukan instalasi aplikasi

PowerSim (PSIM).

4.3 RANGKAIAN PERCOBAAN

Sebelum praktikum, silakan mempelajari terlebih dahulu tentang Dasar

Elektronika Daya, Dasar Thyristor, Dasar Controlled Rectifier.

Gambar 4.5 Rangkaian Simulasi Percobaan Single-phase Semiconverter dengan

PSIM

Gambar 4.6 Rangkaian Simulasi Percobaan Single-phase Fullconverter dengan

PSIM



19


5 MODUL V

THYRISTOR PENGENDALI FASA (CONTROLLED RECTIFIER)

Tujuan:

1. Memahami penyearah setengah gelombang satu fasa menggunakan

thyristor.

2. Memahami penyearah gelombang penuh satu fasa menggunakan thyristor.

3. Memahami aplikasi thyristor pada pengaturan kecepatan motor DC.

5.1 DASAR CONTROLLED RECTIFIER

Thyristor pengontrolan fasa digunakan untuk menghasilkan tegangan

keluaran yang dapat diatur besarnya dengan cara mengatur waktu tunda atau sudut

penyalaan (alpha) pada thyristor. Thyristor diaktifkan dengan memberikan pulsa

pada gatenya. Berdasarkan tegangan masukannya, konverter pengontrolan fasa

dibedakan menjadi konverter satu fasa dan konverter tiga fasa. Pada setengah siklus

positif, thyristor akan on setelah gatenya diberikan pulsa dengan waktu tunda

sebesar α. Setelah ωt > α, maka thyristor akan on dan tegangan pada beban sama

seperti tegangan masukannya. Baik konverter satu fasa maupun tiga fasa, masing-

masing memiliki tipe semiconverter, full converter, dan dual converter.

Semikonverter satu fasa memiliki rangkaian sebagai berikut. Nilai α akan

mempengaruhi besarnya tegangan keluaran pada beban.

Gambar 5.1 Rangkaian Semikonverter Satu Fasa



20


Full converter satu fasa beroperasi di dua kuadran, artinya konverter ini

memiliki tegangan keluaran dengan dua polaritas dan arus keluaran satu polaritas.

Gambar rangkaiannya adalah sebagai berikut:

Gambar 5.2 Rangkaian Full Converter Satu Fasa

Salah satu aplikasi thyristor adalah pada pengaturan motor DC. Thyristor

dapat berfungsi sebagai switch untuk mengaktifkan motor DC. Thyristor juga dapat

mengatur kecepatan motor DC. Dari persamaan yang digunakan dapat diketahui

bahwa pengaturan kecepatan dan torsi motor DC berpenguat terpisah dapat

dilakukan dengan dua cara, yaitu dengan pengaturan tegangan jangkar Va dan

dengan pengaturan arus medan penguat atau If.

5.2 ALAT YANG DIGUNAKAN

1. Satu buah komputer/laptop (pastikan sudah melakukan instalasi aplikasi

PowerSim (PSIM).


Sebelum praktikum, silakan mempelajari terlebih dahulu tentang Dasar

Elektronika Daya, Dasar Thyristor, Dasar Controlled Rectifier.



21


Gambar 5.3 Rangkaian Simulasi Percobaan Pengontrolan Mesin DC dengan

Menggunakan Rangkaian Single-phase Semiconverter dengan PSIM



22


6 MODUL VI

INVERTER

Tujuan:

1. Melihat hasil gelombang keluaran berupa AC dengan masukan DC 2. Mampu menganalisis grafik keluaran sesuai dengan ccara kerja inverter

6.1 PENDAHULUAN

Dasar Inverter

Konverter DC ke AC dikenal dengan Inverter. Fungsi dari inverter itu

sendiri adalah mengubah tegangan input DC ke tegangan AC simetris dengan

magnitude dan frekuensi yang diinginkan. Tegangan output bisa tetap atau

berubah pada frekuensi yang tetap dan berubah pula. Variabel tegangan

output dapat diperoleh dengan memvariasikan tegangan input DC dan

mempertahankan penguatan inverter tetap konstan. Namun, apabila tegangan

input DC fixed/tetap dan tidak bisa diubah/dikontrol, variabel tegangan

output dapat diperoleh dengan memvariasikan penguatan inverternya, yang

mana biasa digunakan kontrol PWM.

Gelombang tegangan output ideal dari inverter seharusnya sinusoidal.

Namun, pada praktiknya gelombang yang dihasilkan tidak sinusoidal dan

mengandung harmonik. Dengan tersedianya divais power semikonduktor

dengan kecepatan tinggi, harmonik pada tegangan output dapat diminimalisir

dengan teknik switching.

Inverter dapat diklasifikasikan menjadi 2 tipe: (1) Inverter satu fasa dan (2)

Inverter 3 fasa. Kedua tipe ini dapat menggunakan divais terkontrol turn-on

dan turn- off seperti BJT, MOSFET, IGBT, MCT, SIT, dan GTO.

Parameter performansi dari Konverter DC-AC, yang mengukur kualitas

dari tegangan output inverter adalah:

1. Harmonic factor if nth harmonic (HFn)

2. Total harmonic distortion (THD)

3. Distorsion factor (DF)



23


4. Lowest order harmonic (LOH)

Cara mendapatkan variable tegangan output pada inverter :

• Tegangan Output (AC) bisa bernilai tetap (fixed) dan bervariasi, Agar

bervariasi dengan memvariasikan tegangan input DC

• Mempertahankan gain inverter tetap konstan

• Apabila tegangan input DC fixed, output dapat bervariasi dengan

mengatur gain dengan PWM (Pulse Width Modulation)

Single Phase Half-Bridge Inverter

Gambar 0.1 Rangkaian Half-Bridge Inverter

Gambar 0.2 Waveform Half-Bridge Inverter



24


Prinsip kerja dari inverter satu fasa dapat dijelaskan dengan gambar

diatas.Ketika transistor Q1 yang hidup untuk waktu T0/2, tegangan pada

beban V0 sebesar Vs/2. Jika transistor Q2 hanya hidup untuk T0/2, Vs/2 akan

melewati beban. Q1 dan Q2 dirancang untuk bekerja saling bergantian.Pada

gambar diatas juag menunjukkan bentuk gelombang untuk tegangan keluaran

dan arus transistor dengan beban resistif. Inverter jenis ini membutuhkan dua

sumber DC (sumber tegangan DC simetris), dan ketika transistor off

tegangan balik pada Vs menjadi Vs/2.

Single Phase Full Bridge Inverter

Gambar 0.3 Waveform Full-Bridge Inverter

Gambar 0.4 Waveform Full-Bridge Inverter



25


Rangkaian dasar inverter gelombang penuh dan bentuk gelombang output

dengan beban resistif. Ketika transistor Q1 dan Q2 bekerja (ON), tegangan

Vs akan mengalir ke beban tetapi Q3 dan Q4 tidak bekerja (OFF).

Selanjutnya, transistor Q3 dan Q4 bekerja (ON) sedangkan Q1 dan Q2 tidak

bekerja (OFF), maka pada beban akan timbul tegangan –Vs.


Rangkaian Single Phase Full-Bridge Inverter Closed Loop

Gambar 6.10 Rangkaian percobaan simulasi Closed Loop

Inverter Satu Fasa pada PSIM.



26


6.3 LANGKAH – LANGKAH PERCOBAAN

Single Phase Full-Bridge Inverter Closed Loop

• Susun Rangkaian Seperti Pada Gambar

• Mengatur Spesifikasi Komponen Pada Rangkaian Seperti Berikut:

• Jalankan Simulasi Dengan Nilai Simulation Control Sebagai



37


7 MODUL VII

INVERTER TIGA FASA

Tujuan:

1. Melihat hasil gelombang keluaran berupa AC dengan masukan DC 2. Mampu menganalisis grafik keluaran sesuai dengan ccara kerja inverter

7.1 PENDAHULUAN

Three Phase Inverter

Gambar 0.1 Rangkaian Three Phase Inverter

Inverter 3 phase merupakan inverter dengan tegangan keluaran berupa

tegangan bolak balik (ac) 3 phase per segi. Sebuah rangkaian dasar inverter 3

phase tunggal sederhana terdiri dari 3 buah inveter 1 phase dengan

menggunakan mosfet daya (power mosfet) sebagai sakelar diperlihatkan pada

gambar dibawah. Tegangan suplai merupakan sumber dc dengan tegangan

sebesar Vs, dengan titik netral merupakan titik hubung dari titik bintang (Y)

pada beban. Terdapat 2 jenis mode operasi dari inverter jenis ini, yaitu mode

kondusi 120° dan mode konduksi 180°.



38


Diagram blok dari inverter 3 phase dapat dilihat pada gambar berikut:

Gambar 0.2 Diagram Three Phase Inverter

Dari mode konduksi, inverter 3 phase dibedakan atas atas:

• inverter 3 phase mode konduksi 120 derjat. Inverter 3 phase dengan

mode konduksi 120° memungkinkan setiap komponen pensakelaran

akan konduksi selama 120° dengan pasangan konduksi yang berbeda,

misalnya 60° pertama antara Q1Q6, dan 60° ke dua antara Q1Q2, dan

seterusnya.

• inverter 3 phase mode konduksi 180 derjat Inverter 3 phase dengan

mode konduksi 180° memungkinkan 3 komponen pensakelaran

konduksi pada saat yang bersamaan. Ke tiga komponen pensakelaran

akan konduksi selama 180° dengan pasangan konduksi yang juga

berbeda-beda.

Voltage Control of Three-Phase Inverter

Teknik yang biasa digunakan dalam kontrol tegangan pada inverter tiga fasa.

a. Sinusoidal PWM

b. Third-Harmonic PWM

c. 60° PWM

d. Space vector modulation



39


7.2 ALAT-ALAT YANG DIGUNAKAN

Satu buah komputer/laptop (pastikan sudah melakukan instalasi aplikasi

PowerSim (PSIM).


Inverter Tiga Fasa

Gambar 7.5 Inverter Tiga Fasa (180 Conduction Mode)

7.4 LANGKAH – LANGKAH PERCOBAAN

Inverter Tiga Fasa (180 Conduction Mode)

• Buat rangkaian seperti pada gambar

• Pada kondisi pertama, atur besar tegangan sebesar 24V pada VDC

• Atur Nilai ditiap Gating Block Sebesar 50 Hz:

1. G1: 0 180

2. G2: 60 240

3. G3: 120 300

4. G4: 180 360

5. G5: 240 420

6. G6: 300 480

• Nilai resistansi sebesar 12 ohm

• Atur pada simulation control:

1. Time step : 5u (micro)



40


2. Total time: 1

• Run Simulation

• Tentukan nilai VP/Tegangan Phasa (VP1, VP2, VP3) yang didapat pada grafik

pada setiap level sinyalnya



41


8 MODUL VIII

NON-ISOLATED DC-DC CONVERTER (BUCK, BOOST, DAN

BUCK-BOOST)

Tujuan:

1. Memahami karakteristik dari switch transistor ideal

2. Mampu menganalisis grafik keluaran sesuai dengan cara kerja DC DC

Converter Buck


Converter Boost


Converter Buck-Boost

8.1 PENDAHULUAN

Dasar Converter

Pada beberapa aplikasi industri, diperlukan alat untuk mengkonversi

tegangan DC tetap menjadi tegangan DC yang dapat diubah-ubah, yaitu DC-DC

Converter. DC-DC converter dapat dianggap seperti transformer pada tegangan

AC, yang bisa digunakan sebagai penaik tegangan (step up) atau penurun tegangan

(step down). Selain itu, DC-DC Converters biasa digunakan untuk pengontrolan

motor DC, catu daya switching, dan regulator tegangan DC. Oleh karena itu, DC-

DC Converters banyak digunakan pada mobil listrik hingga sistem kelistrikan

pesawat luar angkasa. DC-DC Converter dapat menghasilkan keluaran tegangan

DC yang tetap ataupun berubah dari tegangan DC yang tetap maupun berubah.

Idealnya, tegangan output dan arus input merupakan bentuk DC murni, tetapi pada

praktiknya tegangan output dan arus input mengandung harmonik atau ripple.

Dalam siklus elektronika daya digunakan dua siklus, yaitu switching on dan

off. Masing-masing siklus tersebut memiliki waktu tersendiri (t1 dan t2). Total dari

siklus tersebut disebut dengan chopping period (T). Sementara itu banyaknya siklus

dalam satuan waktu disebut dengan frekuensi chopping (f). Duty Cycle adalah

siklus pertama (t1) dibagi dengan total siklus (T).



42


𝑘 = 𝑡1

𝑇 (8.1)

Duty Cycle bernilai antara 0 dan 1 dengan mengontrol nilai t1. Tipe dari

pengontrolan ini dikenal dengan Pulse Width Modulation (PWM), yaitu

memvariasikan lebar pulsa gelombang

Berdasarkan arah dari aliran arus dan tegangan, DC-DC Converter dapat

diklasifikasikan menjadi 5 tipe, yaitu:

1. First quadrant converter

2. Second quadrant converter

3. First and second quadrant converter

4. Third and fourth quadrant converter

5. Four-quadrant converter

DC-DC Converter bisa digunakan sebagai switching-mode regulators untuk

mengkonversi tegangan DC yang tidak teregulasi menjadi tegangan DC yang

teregulasi. Biasanya hal ini berjalan dengan PWM pada frekuensi tetap dan divais

switching yang biasa digunakan adalah BJT, MOSFET, atau IGBT. Terdapat empat

dasar topologi dari mode switching regulators yaitu Buck, Boost, Buck-boost, dan

Cuk.

Step Down DC Chopper

(a)

(b)

Gambar 8.1. (a) Rangkaian dan (b) Waveform dari DC Chopper Step Down



43


Cara kerja dari DC Chopper Step Down dapat dilihat dari Gambar.8.1. Saat

switch Chopper (S), tertutup dengan lama waktu t1 ,tegangan input Vs akan muncul

pada beban. Jika switch S tertutup selama t2, tegangan yang ada pada beban

menjadi 0. Bentuk gelombang dari tegangan output dapat dilihat pada Gambar 8.1.

Switch Ss dapat menggunakan divais semikonduktor seperti Power BJT, Power

MOSFET, GTO (Gate-Turn-On Thyristor), atau IGBT (Insulated Field-Effect

Transistor) . Divais semikonduktor tersebut digunakan karena memiliki tegangan

jatuh (voltage drop) yang terbatas dari 0,5 hingga 2 V, dan untuk mempermudah

maka voltage drop dari divais semikonduktor tersebut kita abaikan.

Tegangan output rata-rata dari DC Chopper Step Down adalah

𝑉𝑎 =1

𝑇∫ 𝑣0 𝑑𝑡 =

𝑡1

𝑇 𝑉𝑠 = 𝑓 𝑡1 𝑉𝑠 = 𝑘 𝑉𝑠

𝑡1

0 (8.2)

Step Up DC Chopper

(a)

(b)

Gambar 8.2. (a) Rangkaian dan (b) Waveforms dari DC Chopper Step Up

Cara kerja dari DC Chopper Step Up dapat dilihat dari rangkaian pada

Gambar 8.2. Ketika switch S tertutup selama t1, arus pada induktor akan naik dan

energi akan tersimpan pada induktor L. Ketika switch S terbuka selama waktu t2,

energi yang tersimpan pada induktor akan mengalir melalui dioda ke beban dan

menyebabkan arus induktor menurun. Tranfer energi ini dapat dibagi menjadi 2



44


siklus berdasarkan cara kerjanya, yaitu siklus 1 (selama t1) dan siklus 2 (selama t2.

Arus yang mengalir dapat dilihat pada Gambar 8.2.

Tegangan output rata-rata dari DC Chopper Step Up adalah

𝑉0 = 𝑉𝑠 + 𝐿∆𝐼

𝑡2= 𝑉𝑠 (1 +

𝑡1

𝑡2) = 𝑉𝑠

1

1−𝑘 (8.3)

Buck Regulator

Gambar 8.3. (a) Rangkaian dan (b) Waveforms dari Buck Regulator

Pada regulator buck, tegangan output rata-rata Va lebih rendah dibanding

tegangan input Vs. Rangkaian dari regulator buck menggunakan power BJT seperti

pada Gambar 8.3 (seperti step down converter). Rumus dari tegangan output rata-

ratanya adalah:

𝑉𝑎 = 𝑉𝑠 𝑡1

𝑇= 𝑘 𝑉𝑠 (8.4)



45


Boost Regulator

Gambar 8.4. (a) Rangkaian dan (b) Waveforms dari Boost Regulator

Pada regulator Boost, tegangan output lebih besar dibanding tegangan input.

Regulator boost menggunakan power MOSFET untuk switchingnya seperti terlihat

pada Gambar 8.4. Rumus dari tegangan output rata-ratanya adalah :

𝑉𝑎 = 𝑉𝑠 𝑇

𝑡2=

𝑉𝑠

1−𝑘 (8.5)

Buck-Boost Regulator

Gambar 8.5. (a) Rangkaian dan (b) Waveforms dari Buck-Boost Regulator

Tegangan output dari regulator Buck-Boost dapat lebih besar ataupun lebih

kecil daripada tegangan input. Regulator ini biasa disebut inverting regulator karena



46


polaritas tegangan outputnya berlawanan dengan tegangan input. Rangkaian Buck-

Boost dapat dilihat pada Gambar 9.1. Transistor S berperan sebagai switch

terkontrol dan dioda D sebagai switch yang tak terkontrol.

Tegangan output ratarata dari regulataor Buck-Boost adalah sebagai berikut.

𝑉𝑎 = − 𝑘𝑉𝑠

1−𝑘 (8.6)

8.2 HAL-HAL YANG HARUS DIPELAJARI

1. Circuit Diagram, Switch Representation, Equivalent Circuit, dan Waveform

dari Buck Regulator dan Boost Regulator

2. Buku Power Electronics karangan Muhammad H.Rashid (Chapter: DC-DC

Converters)






47


9 MODUL IX

DC-DC CONVERTER (BUCK-BOOST & CUK)

Tujuan:

1. Memahami cara kerja dari Isolated DC-DC Converter

2. Mampu menganalisis grafik keluaran sesuai dengan cara kerja DC-DC

Converter Flyback.

9.1 PENDAHULUAN

Terdapat beberapa perbedaan mendasar dari Non-Isolated DC-DC

converter dengan Isolated DC-DC converter. Hal yang paling membedakannya

adalah trafo atau transformator terisolasi yang digunakan pada rangkaian topologi

Isolated DC-DC converter yang memsisahkan input dan outputnya.

Gambar 9.1.Perbedaan Rangkaian Non-Isolated dan Isolated DC-DC Converter

Terdapat dua alasan mengapa Isolated DC-DC converter dibutuhkan. Yang

pertama adalah Isolated DC-DC converter digunakan saat keselamatan yang cukup

ketat dibutuhkan, karena dengan menggunakan trafo terisolasi keamanannya lebih

tinggi. Yang kedua adalah Isolated DC-DC memiliki kemampuan untuk menaikan

atau menurunkan tegangan dengan ratio yang tinggi.

Terdapat beberapa topologi dari Isolated DC-DC Converter, topologinya

sebagai berikut:

1. Flyback

2. Forward

3. Push-Pull

4. Half Bridge

5. Full Bridge



48


Gambar 9.2 Bagan Topologi Isolated DC-DC converter

Pada fungsinya setiap topologi yang ada pada Isolated DC-DC converter

memiliki kegunaan yang sama dengan topologi yang ada pada topologi Non-

Isolated DC-DC converter. Sehingga pada dasarnya memiliki kegunaan yang

sama dengan Non-Isolated DC-DC converter.

Flyback Converter

Rangkaian Flyback Converter didapatkan dari sebuah penurunan, dimana

rangkaian ini diturunkan dari topologi Non-Isolated Buck-Boost. Penurunannya

ada pada gambar 9.3.

Gambar 9.2. Penurunan rangkaian flyback converter (a)Non-isolated buck-boost,

(d)



49


(b)Coupled inductor buck-boost, (c)Isolated buck-boost, dan (d)Isolated flyback

converter

Rangkaian dari Flyback converter ini memiliki output tegangan rata-ratanya

lebih besar ataupun lebih kecil dari tegangan inputnya. Dimana dalam kerjanya saat

switch Q (MOSFET) ON maka lilitan pada sisi primer pada trafo terisolasi akan

charging. Lalu saat switch Q OFF maka tegangan akan terinduksi menuju lilitan

sekunder dan arus akan mengalir pada sisi sebelah kanan. Dari rangkaian tersebut

akan menghasilkan waveform seperti pada gambar 9.4.

Gambar 9.3. Waveform Flyback converter

Tegangan output rata-rata dari regulator Buck-Boost adalah sebagai berikut:

𝑉𝑜

𝑉𝑖=

𝑁2

𝑁1

𝐷

(1−𝐷)………………(9.1)

9.2 HAL-HAL YANG HARUS DIPELAJARI

1. Circuit Diagram, Switch Representation, Equivalent Circuit, dan

Waveform dari Buck Regulator dan Boost Regulator

2. Buku Power Electronics karangan Muhammad H.Rashid (Chapter:

DC-DC Converters)



50







51


10 MODUL X

PEMBANGKIT LISTRIK TENAGA SURYA

Tujuan:

1. Memahami komponen penyusun PLTS

2. Memahami cara kerja PLTS

3. Memahami karakteristik pada parameter PLTS

10.1 PENDAHULUAN

Dasar Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Bahan dan perangkat fotovoltaik (PV) mengubah sinar matahari menjadi

energi listrik, dan sel PV umumnya dikenal sebagai sel surya. Sel PV merupakan

alat penghasil listrik yang terbuat dari bahan semikonduktor. Fotovoltaik secara

harfiah dapat diterjemahkan sebagai listrik-cahaya. Sel PV adalah blok bangunan

dari semua sistem PV karena sel PV merupakan perangkat yang mengubah sinar

matahari menjadi listrik. Sel PV tersedia dalam berbagai ukuran dan bentuk, dari

yang lebih kecil dari prangko hingga beberapa inci. Mereka sering dihubungkan

bersama untuk membentuk modul PV yang bisa mencapai panjang beberapa kaki

dan lebar beberapa kaki. Modul, pada gilirannya, dapat digabungkan dan

dihubungkan untuk membentuk array PV dengan ukuran dan keluaran daya yang

berbeda. Modul dari array merupakan bagian utama dari sistem PV.

Untuk membentuk suatu sistem PV diperlukan beberapa komponen lainnya

selain dari sel PV atau modul PV. Beberapa komponen lainnya yaitu ada struktur

pemasangan, inverter, serta komponen penyimpanan yang dapat berupa baterai.

Array PV perlu dipasang pada suatu struktur yang stabil dan tahan lama dan dapat

bertahan dari angin, hujan, serta korosi dalam masa operasinya. Inverter digunakan

untuk mengubah arus searah (DC) listrik yang dihasilkan oleh modul PV menjadi

listrik arus bolak-balik (AC), yang digunakan untuk transmisi listrik lokal, serta

sebagian besar peralatan di rumah kita. Baterai memungkinkan penyimpanan energi

solar PV, sehingga kita dapat menggunakannya untuk menyalakan rumah kita di

malam hari atau ketika elemen cuaca mencegah sinar matahari mencapai panel PV.



52


Terdapat tiga klasifikasi utama sel surya berdasarkan bahan semikonduktor

yang digunakan yaitu:

a. Crystalline Silicon PV Module

b. Amorphous Silicon PV Module

c. Hybrid Silicon PV Module

Sedangkan berdasarkan proses manufakturnya, sel surya terbagi kembali

menjadi tiga jenis yang utama, yaitu:

a. Monocrystalline Silicon PV Module

b. Polycrystalline Silicon PV Module

c. Thin Film Cadmium Telluride PV Module

Gambar 10.1. (a) Monocrystalline Silicon PV Module, (b) Polycrystalline Silicon

PV Module, dan (c) Amorphous Silicon PV Module.

Cara Kerja Sel Surya

Pembangkitan arus dalam sel surya, yang dikenal sebagai "arus yang

dihasilkan oleh cahaya (Light-generated current)", melibatkan dua proses utama.

Proses pertama adalah penyerapan foton untuk membuat pasangan electron-hole.

Pasangan electron-hole akan dihasilkan dalam sel surya asalkan foton yang terserap

memiliki energi lebih besar dari celah pita (band gap). Namun, elektron (pada

material tipe-p), dan hole (pada material tipe-n) hanya akan ada, rata-rata, untuk

jangka waktu yang sama dengan masa pakai pembawa minoritas (minority carrier)

sebelum mereka bergabung kembali (rekombinasi). Jika carrier berkombinasi,

maka pasangan electron-hole yang dihasilkan cahaya akan hilang dan tidak ada arus

atau daya yang dapat dihasilkan.

Proses kedua, pengumpulan carrier pada p-n junction, mencegah

rekombinasi ini dengan menggunakan p-n junction untuk secara spasial



53


memisahkan elektron dan hole. Pembawa dipisahkan oleh aksi medan listrik yang

ada di p-n junction. Jika minority carrier yang dihasilkan cahaya mencapai p-n

junction, itu didorong melintasi persimpangan (junction) dengan medan listrik di

persimpangan, di mana sekarang menjadi pembawa mayoritas (majority carrier).

Jika emitter dan base sel surya terhubung bersama-sama (mis., Jika sel surya

mengalami hubungan pendek), carrier yang dihasilkan cahaya mengalir melalui

sirkuit eksternal.

Gambar 10.2. Skema Cara Kerja Solar Cell

Karakteristik Hubung Singkat dan Hubung Terbuka Sel Surya

Karakteristik hubung singkat dan hubung terbuka untuk sel surya dapat

dilihat pada kurva I-V dan kurva P-V untuk sel surya. Kurva I-V sel surya adalah

superposisi kurva I-V dioda sel surya dalam gelap dengan arus yang dihasilkan

cahaya. Cahaya memiliki efek menggeser kurva I-V ke kuadran keempat di mana

daya dapat dihasilkan dari dioda. Menerangi sel menambah arus "gelap" normal

dalam dioda sehingga hukum dioda menjadi:

𝐼 = 𝐼0 [exp (𝑞𝑉

𝑛𝑘𝑇) − 1] − 𝐼𝐿 (10.1)

Dimana, IL merupakan arus yang dihasilkan cahaya.

Persamaan untuk kurva IV di kuadran pertama adalah:



54


𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼0 [exp (𝑞𝑉

𝑛𝑘𝑇) − 1] (10.2)

Namun, konstanta -1 dalam persamaan 3.4 pada umumnya dapat diabaikan,

sehingga persamaan dapat ditulis lagi menjadi:

𝐼 = 𝐼𝐿 − 𝐼0 [exp (𝑞𝑉

𝑛𝑘𝑇)] (10.3)

Merencanakan persamaan di atas memberikan kurva IV di bawah ini dengan

titik-titik yang relevan pada kurva yang berlabel. Kurva daya memiliki maksimum

dilambangkan sebagai PMP di mana sel surya harus dioperasikan untuk memberikan

output daya maksimum. Daya maksimum juga dapat dilambangkan sebagai PMAX

atau maximum power point (MPP) dan terjadi pada tegangan VMP dan arus IMP.

Kurva karakteristik untuk hubungan I-V dan P-V pada sel surya dapat

digambarkan sebagai berikut:

Gambar 10.3. Kurva Karakteristik Sel Surya

Parameter-parameter yang terdapat pada kurva karakteristik sel surya dapat

dijelaskan sebagai berikut:

a. Arus Hubung Singkat (Short-Circuit Current)

Arus hubung singkat merupakan arus yang melalui sel surya

ketika tegangan melintasi sel surya adalah nol. Biasanya ditulis

sebagai ISC. Arus hubung singkat ini disebabkan oleh pembangkitan

dan pengumpulan carrier yang dihasilkan cahaya. Untuk sel surya

ideal, arus hubung singkat dan arus yang dihasilkan cahaya identik.



55


Oleh karena itu, arus hubung singkat dapat dikatakan arus terbesar

yang dapat diambil dari sel surya.

b. Tegangan Hubung Terbuka (Open-Circuit Voltage)

Tegangan hubung terbuka (Open-circuit voltage), VOC,

adalah tegangan maksimum yang tersedia dari sel surya, dan ini

terjadi pada arus nol. Tegangan rangkaian terbuka sesuai dengan

jumlah forward bias pada sel surya karena bias persimpangan sel

surya dengan arus yang dihasilkan cahaya.

Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya

Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) merupakan suatu sistem

yang terdiri dari beberapa komponen seperti solar module (kumpulan solar cell),

solar charge controller, battery, dan inverter yang memiliki tujuan untuk

membangkitkan energi yang merupakan suatu bentuk energi terbarukan

menggunakan tenaga matahari.

Gambar 10.4. Sistem Sederhana PLTS

Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya (PLTS) atau Solar Photovoltaic

Power System dapat diklasifikasikan menjadi 3 berdasarkan alur daya yang terjadi

yaitu:



56


1. PLTS on-grid

On-grid, grid-tie, utility-interactive, dan grid backfeeding

adalah istilah yang digunakan untuk menggambarkan konsep yang

sama, yaitu sistem PLTS yang terhubung ke jaringan listrik utama.

Pada panel surya dengan konfigurasi on-grid, sistem PLTS harus

tetap menggunakan inverter atau grid-tied inverter untuk

menyesuaikan frekuensi listrik yang dihasilkan dengan frekuensi

sistem jaringan listrik utama.

Gambar 10.5. Sistem Sederhana PLTS on-grid

2. PLTS off-grid

Sistem PLTS off-grid (off-the-grid, standalone) merupakan

salah satu alternatif untuk sistem yang terikat grid. Pada umumnya,

bagi rumah yang memiliki akses langsung dengan jaringan utama

(utility grid) tidak memerlukan lagi sistem PLTS off-grid karena

beberapa alasan, diantaranya adalah diperlukannya baterai sebagai

sistem penyimpanan dan juga generator cadangan apabila sistem

PLTS mengalami fail. Kedua hal ini hanya akan menambah cost

lebih dibandingkan dengan penggunaan listrik on-grid biasanya.

Gambar 10.6. Sistem PLTS off-grid



57


3. PLTS Hybrid

Sistem PLTS hybrid menggabungkan yang terbaik dari

sistem PLTS on-grid dan off-grid. Sistem ini dapat digambarkan

sebagai sistem PLTS off-grid dengan daya cadangan utilitas, atau

sistem PLTS on-grid dengan penyimpanan baterai ekstra.

Gambar 10.7. Sistem PLTS Hybrid

10.2 HAL-HAL YANG PERLU DIPELAJARI

1. Dasar PLTS

2. Cara Kerja Sel Surya

3. Karakteristik Parameter-parameter PLTS

4. Buku Power Electronics karangan Muhammad H.Rashid (Chapter: PV dan

PLTS)






58


11 MODUL X

POST TEST

Diakhir keseluruhan praktikum akan dilaksanakan post test praktikum Teknik

Tenaga Listrik. Detail waktu dan ruangan akan diinfokan kemudian.

Documents

MODUL PRAKTIKUM elektronika daya · 2020. 10. 24. · Elektronika daya diantaranya adalah: 1) Elektronika, 2) Teori rangkaian, Sistem control, Elektromagnetika, Mesin-mesin listrik,