Seminar Nasional Teknik Energi & Ketenagalistrikan SNTEK 2014 7-9 Agustus 2014

Simulasi Pengaturan Tegangan Konverter AC/DC Satu Fasa

dengan Pengujian pada Beban Variabel

KazmanRiyadi1, Saad A.S Abdulrehiem2, Faizal Arya Samman3 1,2,3Program PascasarjanaTeknikElektro,Universitas Hasanuddin

Jl. Perintis Kemerdekaan Km. 10, Makassar 90245. 1kazmanriyadi@gmail.com, 2saad.mawa@yahoo.com, 3faizalas@unhas.ac.id

ABSTRAK

Semikonduktor merupakan salah satu kemajuan dibidang elektronika, dimana salah satu komponen

semikonduktor yang umum digunakan adalah tiristor, tiristor yang dirangkai sedemikian rupa hingga mampu

menyearahkan tegangan AC menjadi output DC. Perubahan beban pada sisi output penyearah akan

mengakibatkan perubahan tegangan output. Tiristor yang digunakan diharapkan mampu mengatasi masalah

tersebut. Dalam penelitian ini, tegangan output set-point penyearah akan ditentukan sebesar 20 Vdc. Untuk

mengatasi masalah tadi, maka akan digunakan sistem kendali umpan balik untuk mengatur penyalaan sudut

phasa (α) tiristor, sehingga dihasilkan tegangan output yang tetap sesuai dengan set-point yang diinginkan.

Dari hasil simulasi diperoleh bahwa konverter satu phasa gelombang penuh mampu mempertahankan

tegangan output sebesar 20 VDC walupun beban berubah antara 100k ohm hingga 10 k ohm dengan

pengendalian sudut penyalaan dari tiristor antara 130,032° dan 127,67° . Pemodelan dan simulasi rangkaian

penyearah dilakukan dengan menggunakan software free/open PSpice.

Kata Kunci:penyearah, tiristor , sudut penyalaan

.

1. PENDAHULUAN

Penggunaan Semikonduktor dalam bidang elektronika

dan pengontrolan merupakan salah satu bentuk kemajuan

yang ditawarkan,semisal dioda, dan tiristor, hingga saat

ini digunakan untuk mengubah arus bolak-balik (AC)

menjadi arus searah (DC). Baik dioda maupun tiristor,

dirangkai sedemikian rupa untuk menghasilkan tegangan

yang mendekati bentuk tegangan murni DC. Alat

pengkonversi tegangan AC menjadi tegangan DC untuk

selanjutnya disebut Konverter AC-DC.

Kestabilan tegangan yang dihasilkan oleh sebuah

konverter AC-DC menjadi penentu kualitas suatu

penyerah.Aplikasi beban yang disuplai oleh suatu

konverter AC-DC antara lain suplai arus listrik terhadap

rotor pada motor sinkron) yang mungkin berubah pada

saat perubahan beban motor itu sendiri [1], sistem

charging baterai pada suplai listrik 220V AC, ataupun

suplai daya listrik DC pada setiap peralatan yang

membutuhkan suplai daya listrik DC.

Beberapa aplikasi diatas tentunya membutukan suplai

daya yang berkualitas baik agar dapat menghasilkan

kinerja yang cukup sesuai dengan kenerja nominalnya.

Adanya perubahan beban terhadap waktu dapat

mempengaruhi kualitas dari sebuah konverter AC-DC,

sehingga untuk mengatasi hal tersebut, maka perlu

dilakukan pengontrolan tegangan output terhadap

perubahan beban dalam hal ini digunakan penyearah

terkendali (controlledrectifier) dengan mengatur waktu

penyalaan (sudut phasa) dari penyearah tersebut terhadap

perubahan beban yang terjadi.

Permasalah yang sering terjadi pada penyerah AC-

DC adalah pada suplai tegangan yang dapat berubah

akibat dari perubahan beban [3]. Penambahan ataupun

pengurangan beban akan mempengaruhi bentuk dari

gelombang output DC dari suatu konverter. Salah satu

teknik pengontrolan tegangan pada penyarah satu fasa

adalah dengan menggunakan tiristor.

Berbeda dengan penelitian sebelumnya, dalam

penelitian ini beban akan divariasikan beberapa banyak

untuk melihat efek riak serta kinerja konverter AC-DC

tersebut. Output tegangan konverter AC-DC merupakan

umpan balik dari perubahan beban yang akan menjadi

acuan perubahan sudut fasa, sehingga diharapkan

konverter AC-DC dapat menghasilkan perbaikan terhadap

bentuk arus masukan dan dapat mempertahankan

tegangan output [1].

2. TUJUAN DAN SASARAN

Konverter AC-DC satu phasa gelombang penuh

diharapkan mampu mempertahankan output tegangan

melalui perubahan sudut penyalaan tiristor. Set point

tegangan yang ditetapkan adalah 20 VDC, sedangkan

beban divariasi mulai 100kOhm sampai dengan 10kOhm.

Tegangan output akan diumpan balik melalui pembaca

tegangan yang akan teruskan oleh analog-digital

konverter ADC untuk membandingkan tegangan referensi

yang ditetapkan. Kontroler selanjutnya akan mengatur

sudut penyalaan dari tiristor.

3. TINJAUAN PUSTAKA

3.1. Komponen Semikonduktor Penghasil Tegangan DC

Tiristor merupakan komponen dari bahan semikonduktor

banyak yang umum digunakan untuk penyearah

terkendali [4]. Salah satu keluarga tiristor yang

menggunakan bahan silicon adalah SCR (Silicon

Seminar Nasional Teknik Energi & Ketenagalistrikan SNTEK 2014 7-9 Agustus 2014

Controlled Rectifier). Untuk memahami prinsip kerja dari

tiristor maka dapat dilihat dari Gambar 3.1.

Pada Gambar 3.1 memperlihatkan komponen tiristor

yang menerima input tegangan AC sebesar 50 V dimana

tiristor tersebut dilambangkan sebagai X1 yang terdiri dari

anoda, katoda dan gain. Gain merupakan pengontrolan

untuk mengaktifkan tiristor prinsip kerja dari tiristor

adalah bahwa tiristor akan konduksi apabila anoda lebih

positif dari katoda sehingga pada siklus tegangan pertama

antara 0 s/d /2, tiristor telah konduksi namun tiristor

akan menunggu waktu penyalaan (α) dari komponen E1

dengan penentuan pulsa dari tegangan Vg0 [2]. Apabila

tiristor disulut tegangan penyalaan maka komponen

tiristor akan konduksi, dalam hal ini sudut penyalaan

kemudian disebut sebagai sudut alfa yang dilambagkan 𝛼.

Sedangkan pada siklus berikutnya dimana 𝜋 2⁄ s/d 𝜋 maka tiristor akan terpanjar mundur atau tidak konduksi

[5].

Dengan demikian, bentuk tegangan DC akan

diperoleh. Salah satu bentuk penyearah yang banyak

digunakan adalah jenis jembatan, karena dapat dihasilkan

bentuk bentuk gelombang penuh dengan faktor riak yang

rendah [1].

Gambar 3.1. Model rangkaian tiristor.

3.2. Pengontrolan Tegangan DC Dengan Mengatur Sudut

Penyalaan

Sudut penyalaan α terhadap tiristor menentukan besar

tegangan yang dihasilkan dari sebuah penyerah terkendali

satu phasa. Ini merupakan cara menstabilkan tegangan

penyarah dengan mengatur waktu penyalaan hingga

diperoleh tegangan referensi yang ditentukan. Gambar

2.2a memperlihatkan gabungan tiristor dan diodsa yang

dirangkai berbentuk jembatan penyearah (bridge-

rectifier) yang terdiri dari 2 tiristor dan 2 dioda yang

dikontorl sudut penyalaannya melalui pulsa, sehingga

,menghasilkan output tegangan yang berbeda.

Gambar 3.2 Rangkaian peyearah terkendali satu phasa.

Berdasarkan Gambar 3.2 pada blok diagram

rangakaian penyearah satu phasa semi konverter dapat

dijelaskan Prinsip kerja dari penyearah satu phasa

terkendali adalah pada siklus pertama Antara 0 s/d 𝜋

2

tiristorX1 dan D2 konduksi namun harus menunggu waktu

penyalaan dari pulsa gain pada tiap gate dari masing

masing tiristor, sedangkan pada 𝜋

2 s/d π D1 memblok

hingga menghasilkan tegangan output gelombang penuh

datu phasa [7]. Beberapa parameter dari penyearah satu

fasa terkendali [5];

1. Tegangan output rata-rata (Vdc) = 2 𝑉𝑚

𝜋cosα+ 1 ,dimana

Vm adalah tegangan maksimal (puncak)

2. Tegangan efektif (Vrms) = 𝑉𝑚 √2⁄

3. Faktor Riple = √(𝑉𝑟𝑚𝑠/𝑉𝑑𝑐)2- 1

Untuk menghasilkan kinerja konverter yang baik maka

perlu ditambahkan filter [4]

4. METODE PENELITIAN

Rancangan simulasi dengan memberikan beban yang

bervariasi terhadap output tegangan DC yang dihasilkan

oleh penyearah satu phasa terkendali, dengan mengetahui

perubahan beban yang terjadi akan mengakibatkan

perubahan tegangan output. Dengan menentukan

tegangan set point sebagai tegangan referensi, maka

besarnya sudut penyalaan dari tiap komponen tirisor dapat

diperoleh. Gambar 4.1 menunjukkan variasi beban yang

digunakan yang terdiri dari empat beban yang kemudian

diidentifikasi sebagai R1,R2,R3 dan R4 yang masing-

masing bernilai 100k hingga 10k ohm. Pengujian

rangkaian dilakukan melalui pemodelan dan simulasi

menggunakan software open Souce Pspice.

Seminar Nasional Teknik Energi & Ketenagalistrikan SNTEK 2014 7-9 Agustus 2014

Gambar 4.1 Rangkaian Konverter AC-DC Dan Variasi

Beban

Gambar 4.2. dibawah merupakan gambar blok

diagram memperihatkan pengendali tegangan yang

dikontrol oleh mikrokontroler AT89S51 pengendali

tegangan yang dimaksud adalah penentuan penyalaan

sudut phasa pada tiristor untuk menghasilkan output

tegangan yang stabil dalam hal ini output ditentukan pada

20 VDC, umpan balik dilakukan pada tahap pembacaan

parameter tegangan yang akan diidentifikasi oleh

mikrokontroler AT89S51 setelah dikonversi ke bentuk

digital, jika berbeda dengan referensi yang ditetapkan

maka mikrokontroler tersebut akan memberi umpan

kepada sudut penyalaan[3].

Gambar 4.2 Blok Rangkaian Konverter AC-DC dan

umpan balik pengendali tegangan.

Adapun langkah-langkah penelitian yang dilakukan ;

Menentukan komponen yang digunakan dan sumber

tegangan AC yang digunakan

Melakukan variasi beban pada output DC dari

rangkaian penyearah dengan melakukan close tiap

saklar pada beban

Menghitung sudut penyalaan untuk menghasilkan

tegangan output referensi

Melakukan umpan balik terhadap perubahan variasi

beban

5. HASIL PENGUJIAN

Komponen yang digunakan adalah terdiri dari 2 buah

SCR dan 2 buah dioda yang dirangkai membentuk

penyearah 1 phasa gelombang penuh. Dengan

memberikan beban yang bervariasi mulai dari 100k ohm

hingga beban terendah 10k ohm sedangkan untuk

mevariasikan sudut penyalaan digunakan perbandingan

gelombang gergaji yang akan mensimulasikan dari pada

sudut penyalaan tersebut[2].untuk hasil penelitian

diperoleh hasil;

Gambar 5.1a grafik hubungan tegangan output terhadap

waktu untuk R=100k

Gambar 5.1a memperlihatkan grafik tegangan output

pada konverter AC DC yang diberikan beban sebesar

100k Ohm dimana pengendalian sudut penyalaan berada

pada 72224,0172 us atau sudut penyalaan pada 130,032o.

Seperti halnya Gambar 5.1b output dari konverter

dipertahankan hingga 20 VDC walaupun beban berubah

sekitar 10K Ohm.

Gambar 5.1b grafik hubungan tegangan output terhadap

waktu untuk R= 10k

Beberapa pecobaan dilakukan maka diperoleh besar sudut

penyalaan dapat dilihat pada Tabel 5.1.

Mikrokontroler AT89s51

Pembaca

Parameter

Tegangan

Tegangan Dc Analog To

Digital

Ouput tegangan

DC

Pengendali

tegangan

Seminar Nasional Teknik Energi & Ketenagalistrikan SNTEK 2014 7-9 Agustus 2014

Tabel 5.1 Hubungan perbedaan sudut penyalaan terhadap

perubahan beban sumber tegangan 28 VAC.

R

(kΩ)

Waktu

pengasutan

(µs)

Sudut penyalaan

α

100 7224,0172 130,0323096

90 7185,55 129,3399

70 7185,6 129,3408

50 7173,1 129,1158

10 7092,93775 127,6728795

Berdasarkan tabel di atas terlihat bahwa untuk

mempertahankan tegangan keluaran dari konverter AC

DC satu fasa yang dapat berubah akibat penambahan

beban, maka kita perlu mengatur sudut penyalaan dari

tiristor.

6. SIMPULAN DAN SARAN Penyearah konverter satu phasa gelombang penuh dapat

mempertahankan tegangan output walaupun pada kondisi

beban yang berubah-ubah antara 100k ohm hingga 10k

Ohm. Dengan mengubah sudut penyalaan dari tiristor

sebagai pengendali tegangan, maka level tegangan DC

keluaran rectifier akan dapat dipertahankan.

Untuk kinerja konverter lebih baik maka perlu

penambahan filter pada output konverter jika beban

semakin besar.

DAFTAR PUSTAKA

[1] Khalid, Idham, 2006, Penerapan Kendali Satu Siklus

Untuk Memperbaiki Kinerja Konverter AC-DC Satu

Fasa Topologi Jembatan Pada Kondisi Beban

Berubah-Ubah. Jurnal Smatek, 2006.

[2] Muhammad Rashid. SPICE for Power

Electronicsand Electric Power. Prentice-Hall

International,1993.

[3] Nisak RosidatunRancang Bangun Penyearah

Terkendali semikonveter satu fasa dengan

Menggunakan IC TCA 785

[4] Sri Kurniati A. dkk. 2006. Analisis Perbandingan

Kinerja Penggunaan Filter Pasif dan Filter Pasif

Pada Penyearah Terkendali Satu Fasa. Laporan

Penelitian Dosen Muda. Lembaga Penelitian Undana

[5] Tarmizi, 2010. Desain Sistem Kontrol Sudut

Penyalaan Thyristor Komutasi Jaringan Berbasis

Mikrokontroler PIC16F877. Jurnal Teknik

ElektroFakultas Teknik Universitas Syiah Kuala

[6] Yahya Chusna Arif. 2002. Teknik Perbaikan Kualitas

Daya pada Penyearah Terkontrol 3 Phasa dengan

Menggunakan Sistem Simetri dan Injeksi harmonik

ketiga. IES.

[7] Zuhal.”Dasar TenagaListrik”, ITB Bandung, 1997.