Praktikum Elektronika Daya Rev.1 [PDF]

Citation preview

PETUNJUK PRAKTIKUM



ELEKTRONIKA DAYA VM 044105



Oleh: Endah Suryawati Ningrum, S.T.,M.T Aprilely Ajeng Fitriana, S.ST.,M.T



PROGRAM STUDI TEKNIK MEKATRONIKA DEPARTEMEN TEKNIK MEKANIKA DAN ENERGI POLITEKNIK ELEKTRONIKA NEGERI SURABAYA 2016



DAFTAR ISI DAFTAR ISI ............................................................................................................................. ii BAB 1 PENYEARAH TERKONTROL SETENGAH GELOMBANG (CONTROLLED HALF-WAVE RECTIFIER) ................................................................................................... 1 A. TUJUAN ......................................................................................................................... 1 B. DASAR TEORI ............................................................................................................. 1 C. RANGKAIAN PERCOBAAN ...................................................................................... 2 D. ALAT DAN BAHAN ..................................................................................................... 2 E. LANGKAH PERCOBAAN .......................................................................................... 2 F. DATA PENGUKURAN ................................................................................................ 3 G. PERTANYAAN DAN TUGAS ..................................................................................... 3 BAB 2 PENYEARAH TERKONTROL GELOMBANG PENUH (CONTROLLED FULL-WAVE RECTIFIER) ................................................................................................... 5 A. TUJUAN ......................................................................................................................... 5 B. DASAR TEORI ............................................................................................................. 5 C. RANGKAIAN PERCOBAAN ...................................................................................... 6 D. ALAT DAN BAHAN ..................................................................................................... 6 E. LANGKAH PERCOBAAN .......................................................................................... 6 F. DATA PENGUKURAN ................................................................................................ 7 G. PERTANYAAN DAN TUGAS ..................................................................................... 7 BAB 3 PENGATUR TEGANGAN AC SATU FASA (SINGLE PHASE AC TO AC VOLTAGE CONTROLLER) ................................................................................................. 9 A. TUJUAN ......................................................................................................................... 9 B. DASAR TEORI ............................................................................................................. 9 C. RANGKAIAN PERCOBAAN .................................................................................... 10 D. ALAT DAN BAHAN ................................................................................................... 10 E. LANGKAH PERCOBAAN ........................................................................................ 10 F. DATA PENGUKURAN .............................................................................................. 11 G. PERTANYAAN DAN TUGAS ................................................................................... 11 BAB 4 RANGKAIAN BUCK CONVERTER (BUCK CONVERTER CIRCUIT) .......... 12 A. TUJUAN ....................................................................................................................... 12 B. DASAR TEORI ........................................................................................................... 12 C. RANGKAIAN PERCOBAAN .................................................................................... 14 D. ALAT DAN BAHAN ................................................................................................... 14 ii



E. LANGKAH PERCOBAAN ........................................................................................ 14 F. DATA PENGUKURAN .............................................................................................. 15 G. PERTANYAAN DAN TUGAS ................................................................................... 15 BAB 5 RANGKAIAN BOOST CONVERTER (BOOST CONVERTER CIRCUIT) ..... 16 A. TUJUAN ....................................................................................................................... 16 B. DASAR TEORI ........................................................................................................... 16 C. RANGKAIAN PERCOBAAN .................................................................................... 18 D. ALAT DAN BAHAN ................................................................................................... 18 E. LANGKAH PERCOBAAN ........................................................................................ 19 F. DATA PENGUKURAN .............................................................................................. 19 G. PERTANYAAN DAN TUGAS ................................................................................... 19 BAB 6 RANGKAIAN BUCK-BOOST CONVERTER (BUCK-BOOST CONVERTER CIRCUIT) ............................................................................................................................... 21 A. TUJUAN ....................................................................................................................... 21 B. DASAR TEORI ........................................................................................................... 21 C. RANGKAIAN PERCOBAAN .................................................................................... 23 D. ALAT DAN BAHAN ................................................................................................... 23 E. LANGKAH PERCOBAAN ........................................................................................ 24 F. DATA PENGUKURAN .............................................................................................. 24 G. PERTANYAAN DAN TUGAS ................................................................................... 24 BAB 7 INVERTER SATU FASA (SINGLE PHASE INVERTER) .................................. 25 A. TUJUAN ....................................................................................................................... 25 B. DASAR TEORI ........................................................................................................... 25 C. RANGKAIAN PERCOBAAN .................................................................................... 26 D. ALAT DAN BAHAN ................................................................................................... 26 E. LANGKAH PERCOBAAN ........................................................................................ 27 F. DATA PENGUKURAN .............................................................................................. 27 G. PERTANYAAN DAN TUGAS ................................................................................... 28



iii



BAB 1 PENYEARAH TERKONTROL SETENGAH GELOMBANG (CONTROLLED HALF-WAVE RECTIFIER) A. TUJUAN 1. Mahasiswa dapat memahami prinsip kerja penyearah terkontrol setengah gelombang 2. Mahasiswa dapat memahami karakteristik rangkaian penyearah terkontrol setengah gelombang dengan beban yang berbeda B. DASAR TEORI Rangkaian penyearah merupakan rangkaian yang mengkonversikan tegangan ac menjadi dc. Gambar 1.1 menunjukkan rangkaian penyearah terkontrol setengah gelombang yang menggunakan satu thyristor untuk mengontrol tegangan pada beban. Pada setengah siklus positif dari tegangan sumber, thyristor akan ON jika terminal gate diberikan sinyal trigger dengan sudut penyalaan α. Sedangkan pada setengah siklus berikutnya, yaitu pada siklus negatif, thyristor akan OFF. Gambar tegangan keluaran penyearah terkontrol setengah gelombang ditunjukkan oleh Gambar 1.2.



Gambar 1.1 Rangkaian penyearah terkontrol setengah gelombang dengan beban R



Gambar 1.2 Tegangan masukan dan keluaran dari rangkaian penyearah terkontrol setengah gelombang dengan beban R



1



Tegangan rata-rata dari beban ditunjukkan oleh persamaan berikut: 1 π Vm (1 + cos α) Vo = ∫ Vm sin(ωt)d(ωt) = 2π α 2π



(1.1)



Vm merupakan tegangan puncak dari sumber tegangan. 𝛼 adalah sudut penyalaan gate thyristor. Dari persamaan (1.1), perubahan sudut penyalaan akan mengatur tegangan ratarata dari beban. Tegangan rms pada beban ditunjukkan oleh persamaan berikut: 𝑉𝑟𝑚𝑠 =



𝑉𝑚 1 𝛼 𝑠𝑖𝑛(2𝛼) √ − + 2 2 2𝜋 4𝜋



(1.2)



C. RANGKAIAN PERCOBAAN



Gambar 1.3 Rangkaian percobaan



D. ALAT DAN BAHAN 1. 1 set Modul Elektronika Daya: Driver Modul dan SCR Module 2. Oscilloscope 3. Kabel probe oscilloscope 4. Kabel secukupnya 5. Resistor 10kΩ, 100Ω, dan 10Ω E. LANGKAH PERCOBAAN 1. Rangkailah SCR Module seperti Gambar 1.3 2. Berikan supply tegangan DC 12V dang tegangan AC 12 V pada Driver Module 3. Hubungkan terminal GATE 1 pada Driver Module dengan salah satu GATE pada SCR module 4. Atur sudut penyalaan α dengan metuning potensio 10K pada driver modul sesuai dengan sudut penyalaan yang diminta pada Tabel 1.1. Gunakan CH2 pada oscilloscope untuk mengetahui besar sudut penyalaan. 5. Gunakan oscilloscop dual input, CH1 untuk mengamati tegangan masukan 𝑣𝑠 dan CH2 untuk mengamati tegangan keluaran 𝑣𝑜 6. Dengan menggunakan oscilloscope, amati perubahan tegangan terhadap perubahan sudut penyalaan dan gambarlah pada kertas grafik bentuk gelombang keluaran 𝑣𝑜 pada beban R 7. Ukur pula harga tegangan keluaran dc pada beban R 8. Dari gambar yang dihasilkan oleh langkah no.4, hitung tegangan keluaran rata-rata Vo dan tegangan rms 𝑉rms pada beban menggunakan persamaan (1.1) dan (1.2) 9. Ulangi langkah no.1 sampai dengan 8 untuk nilai beban dan sudut penyalaan yang berbeda 2



10. Bandingkan hasil yang diperoleh pada Tabel 1.1 kemudian berilah analisa dan kesimpulan F. DATA PENGUKURAN Tabel 1.1 Pengukuran dan Perhitungan Rangkaian Penyearah Terkontrol Setengah Gelombang 𝒗𝒔 (𝐕𝐨𝐥𝐭) 𝑹 (𝛀) 𝜶 𝐕𝐨 (Volt) 𝐕𝐫𝐦𝐬 (Volt) 12 10.000 25˚ 12 10.000 50˚ 12 10.000 75˚ 12 10.000 90˚ 12 10.000 115˚ 12 10.000 140˚ 12 10.000 165˚ 12 100 25˚ 12 100 50˚ 12 100 75˚ 12 100 90˚ 12 100 115˚ 12 100 140˚ 12 100 165˚ 12 10 25˚ 12 10 50˚ 12 10 75˚ 12 10 90˚ 12 10 115˚ 12 10 140˚ 12 10 165˚ G. PERTANYAAN DAN TUGAS 1. Bandingkan hasil yang didapat dari tabel pengukuran. Apakah pengaruh sudut penyalaan α terhadap tegangan rata-rata dc Vo dan tegangan rms Vrms pada beban? Gambarkan grafik hubungan: a. Tegangan rata-rata dc dengan sudut penyalaan b. Tegangan rms pada beban dengan sudut penyalaan 2. Buatlah simulasi menggunakan PSIM. 3. Bandingkan hasil yang diperoleh dari percobaan yang telah dilakukan dengan simulasi hasil simulasi menggunakan PSIM. 4. Hitung performa parameter dari rangkaian: a. DC Power output: 𝑃𝑜(𝑑𝑐) = 𝑉𝑜(𝑑𝑐) × 𝐼𝑜(𝑑𝑐) b. Total/AC Power Output: 𝑃𝑜(𝑎𝑐) = 𝑉𝑜(𝑟𝑚𝑠) × 𝐼𝑜(𝑟𝑚𝑠) c. Efisiensi 𝑃𝑜(𝑑𝑐) 𝜂= × 100% 𝑃𝑜(𝑎𝑐) 3



d. Komponen AC 2 − 𝑉2 𝑉𝑎𝑐 = √𝑉𝑟𝑚𝑠 𝑑𝑐



e. Form Factor 𝑉𝑜(𝑟𝑚𝑠) 𝐹𝐹 = 𝑉𝑜(𝑑𝑐) f. Ripple Factor 2



𝑉𝑜(𝑟𝑚𝑠) 𝑅𝐹 = √( ) − 1 = √𝐹𝐹 2 − 1 𝑉𝑜(𝑑𝑐) g. Transformator Utilization Factor 𝑃𝑜(𝑑𝑐) 𝑇𝑈𝐹 = 𝑉𝑖(𝑟𝑚𝑠) × 𝐼𝑖(𝑟𝑚𝑠) h. Power Factor 2 𝑉𝑖(𝑟𝑚𝑠) ⁄ 𝑃 𝑅 𝑃𝐹 = = 𝑆 𝑉𝑖(𝑟𝑚𝑠) × 𝐼𝑖(𝑟𝑚𝑠)



5. Analisa hasil yang telah diperoleh dan buatlah kesimpulan.



4



BAB 2 PENYEARAH TERKONTROL GELOMBANG PENUH (CONTROLLED FULL-WAVE RECTIFIER) A. TUJUAN 1. Mahasiswa dapat memahami prinsip kerja penyearah terkontrol gelombang penuh 2. Mahasiswa dapat memahami karakteristik rangkaian penyearah terkontrol gelombang penuh dengan beban yang berbeda B. DASAR TEORI Rangkaian penyearah merupakan rangkaian yang mengkonversikan tegangan ac menjadi dc. Gambar 2.1 menunjukkan rangkaian penyearah terkontrol gelombang yang menggunakan empat thyristor untuk mengontrol tegangan pada beban. Pada setengah siklus positif dari tegangan sumber, thyristor 𝑆1 dan 𝑆2 akan ON jika terminal gate diberikan sinyal trigger dengan sudut penyalaan α. Kemudian pada setengah siklus berikutnya, yaitu pada siklus negatif, thyristor 𝑆3 dan 𝑆4 akan ON jika terminal gate diberikan sinyal trigger dengan sudut penyalaan α. Gambar tegangan keluaran penyearah terkontrol setengah gelombang ditunjukkan oleh Gambar 2.2.



Gambar 2.1 Rangkaian penyearah terkontrol gelombang penuh dengan beban R



Gambar 2.2 Tegangan masukan dan keluaran dari rangkaian penyearah terkontrol setengah gelombang dengan beban R



Tegangan rata-rata dari beban ditunjukkan oleh persamaan berikut: 1 𝜋 𝑉𝑚 (1 + 𝑐𝑜𝑠 𝛼) 𝑉𝑜 = ∫ 𝑉𝑚 𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡) 𝑑(𝜔𝑡) = 𝜋 𝛼 𝜋



(2.1)



Vm merupakan tegangan puncak dari sumber tegangan. 𝛼 adalah sudut penyalaan gate thyristor. Dari persamaan (2.1), perubahan sudut penyalaan akan mengatur tegangan rata-rata dari beban. Tegangan rms pada beban ditunjukkan oleh persamaan berikut: 5



1 𝛼 𝑠𝑖𝑛(2𝛼) 𝑉rms = 𝑉𝑚 √ − + 2 2𝜋 4𝜋



(2.2)



C. RANGKAIAN PERCOBAAN



Gambar 2.2 Rangkaian percobaan



D. ALAT DAN BAHAN 1. 1 set Modul Elektronika Daya: Driver Modul dan SCR Module 2. Oscilloscope 3. Kabel probe oscilloscope 4. Kabel secukupnya 5. Resistor 10kΩ, 100Ω, dan 10Ω E. LANGKAH PERCOBAAN 1. Rangkailah SCR Module seperti Gambar 2.3 2. Berikan supply tegangan DC 12V dang tegangan AC 12 V pada Driver Module 3. Hubungkan terminal GATE 1 pada Driver Module dengan GATE pada SCR module yang berfungsi sebagai 𝑆1 dan 𝑆2 . Kemudian hubungkan GATE 2 pada Driver Module dengan GATE pada SCR module yang berfungsi sebagai 𝑆3 dan 𝑆4 . 4. Atur sudut penyalaan α dengan metuning potensio 10K pada driver modul sesuai dengan sudut penyalaan yang diminta pada Tabel 4.1. Gunakan CH2 pada oscilloscope untuk mengetahui besar sudut penyalaan. 5. Gunakan oscilloscop dual input, CH1 untuk mengamati tegangan masukan 𝑣𝑠 dan CH2 untuk mengamati tegangan keluaran 𝑣𝑜 6. Dengan menggunakan oscilloscope, amati perubahan tegangan terhadap perubahan sudut penyalaan dan gambarlah pada kertas grafik bentuk gelombang keluaran 𝑣𝑜 pada beban R 7. Ukur pula harga tegangan keluaran dc pada beban R 8. Dari gambar yang dihasilkan oleh langkah no.4, hitung tegangan keluaran rata-rata Vo dan tegangan rms 𝑉rms pada beban menggunakan persamaan (2.1) dan (2.2) 9. Ulangi langkah no.1 sampai dengan 8 untuk nilai beban dan sudut penyalaan yang berbeda 10. Bandingkan hasil yang diperoleh pada Tabel 2.1 kemudian berilah analisa dan kesimpulan



6



F. DATA PENGUKURAN Tabel 2.1 Pengukuran dan Perhitungan Rangkaian Penyearah Terkontrol Gelombang Penuh 𝒗𝒔 (𝐕𝐨𝐥𝐭) 𝑹 (𝛀) 𝜶 𝐕𝐨 (Volt) 𝐕𝐫𝐦𝐬 (Volt) 12 10.000 25˚ 12 10.000 50˚ 12 10.000 75˚ 12 10.000 90˚ 12 10.000 115˚ 12 10.000 140˚ 12 10.000 165˚ 12 100 25˚ 12 100 50˚ 12 100 75˚ 12 100 90˚ 12 100 115˚ 12 100 140˚ 12 100 165˚ 12 10 25˚ 12 10 50˚ 12 10 75˚ 12 10 90˚ 12 10 115˚ 12 10 140˚ 12 10 165˚ G. PERTANYAAN DAN TUGAS 1. Bandingkan hasil yang didapat dari tabel pengukuran. Apakah pengaruh sudut penyalaan α terhadap tegangan rata-rata dc Vo dan tegangan rms Vrms pada beban? Gambarkan grafik hubungan: a. Tegangan rata-rata dc dengan sudut penyalaan b. Tegangan rms pada beban dengan sudut penyalaan 2. Buatlah simulasi menggunakan PSIM. 3. Bandingkan hasil yang diperoleh dari percobaan yang telah dilakukan dengan simulasi hasil simulasi menggunakan PSIM. 4. Hitung performa parameter dari rangkaian: a. DC Power output: 𝑃𝑜(𝑑𝑐) = 𝑉𝑜(𝑑𝑐) × 𝐼𝑜(𝑑𝑐) b. Total/AC Power Output: 𝑃𝑜(𝑎𝑐) = 𝑉𝑜(𝑟𝑚𝑠) × 𝐼𝑜(𝑟𝑚𝑠) c. Efisiensi 𝑃𝑜(𝑑𝑐) 𝜂= × 100% 𝑃𝑜(𝑎𝑐) d. Komponen AC 2 − 𝑉2 𝑉𝑎𝑐 = √𝑉𝑟𝑚𝑠 𝑑𝑐



7



e. Form Factor 𝑉𝑜(𝑟𝑚𝑠) 𝐹𝐹 = 𝑉𝑜(𝑑𝑐) f. Ripple Factor 2



𝑉𝑜(𝑟𝑚𝑠) 𝑅𝐹 = √( ) − 1 = √𝐹𝐹 2 − 1 𝑉𝑜(𝑑𝑐) g. Transformator Utilization Factor 𝑃𝑜(𝑑𝑐) 𝑇𝑈𝐹 = 𝑉𝑖(𝑟𝑚𝑠) × 𝐼𝑖(𝑟𝑚𝑠) h. Power Factor 2 𝑉𝑖(𝑟𝑚𝑠) ⁄ 𝑃 𝑅 𝑃𝐹 = = 𝑆 𝑉𝑖(𝑟𝑚𝑠) × 𝐼𝑖(𝑟𝑚𝑠)



5. Analisa hasil yang telah diperoleh dan buatlah kesimpulan.



8



BAB 3 PENGATUR TEGANGAN AC SATU FASA (SINGLE PHASE AC TO AC VOLTAGE CONTROLLER) A. TUJUAN 1. Mahasiswa dapat memahami prinsip kerja pengatur tegangan AC satu fasa 2. Mahasiswa dapat memahami karakteristik rangkaian pengatur tegangan AC satu fasa B. DASAR TEORI Rangkaian pengatur tegangan AC satu fasa mempunyai operasi dasar yang menyerupai penyearah terkontrol setengah gelombang. Rangkaian ini digunakan untuk mengatur tegangan AC. Gambar 3.1 menunjukkan rangkaian penyearah terkontrol gelombang yang menggunakan empat thyristor untuk mengontrol tegangan pada beban. Pada setengah siklus positif dari tegangan sumber, thyristor 𝑆1 akan ON. Kemudian pada setengah siklus berikutnya, yaitu pada siklus negatif, thyristor 𝑆2 akan ON. Masing-masing thyristor akan ON setelah diberikan sinyal trigger dengan sudut penyalaan α. Gambar tegangan keluaran penyearah terkontrol setengah gelombang ditunjukkan oleh Gambar 3.2.



Gambar 3.1 Rangkaian pengatur tegangan AC satu fasa dengan beban R



Gambar 3.2 Tegangan masukan dan keluaran dari rangkaian pengatur tegangan AC satu fasa dengan beban R



9



Tegangan keluaran yang dihasilkan ditunjukkan oleh persamaan berikut: 𝑉𝑜,rms



1 𝜋 = √ ∫ [𝑉m 𝑠𝑖𝑛(𝜔𝑡)]2 𝑑(𝜔𝑡) 𝜋 𝛼



𝑉𝑜,rms =



𝑉m √2



√1 −



𝛼 𝑠𝑖𝑛(2𝛼) + 𝜋 2𝜋



(3.1)



Vm merupakan tegangan puncak dari sumber tegangan. 𝛼 adalah sudut penyalaan gate thyristor. Dari persamaan (3.1), perubahan sudut penyalaan akan mengatur tegangan keluaran pada beban. C. RANGKAIAN PERCOBAAN



Gambar 3.3 Rangkaian percobaan



D. ALAT DAN BAHAN 1. 1 set Modul Elektronika Daya: Driver Modul dan SCR Module 2. Oscilloscope 3. Kabel probe oscilloscope 4. Kabel secukupnya 5. Resistor 10kΩ, 100Ω, dan 10Ω E. LANGKAH PERCOBAAN 1. Rangkailah SCR Module seperti Gambar 3.3 2. Berikan supply tegangan DC 12V dang tegangan AC 12 V pada Driver Module 3. Hubungkan terminal GATE 1 pada Driver Module dengan GATE pada SCR module yang berfungsi sebagai 𝑆1. Kemudian hubungkan GATE 2 pada Driver Module dengan GATE pada SCR module yang berfungsi sebagai 𝑆2 . 4. Atur sudut penyalaan α dengan metuning potensio 10K pada driver modul sesuai dengan sudut penyalaan yang diminta pada Tabel 3.1. Gunakan CH2 pada oscilloscope untuk mengetahui besar sudut penyalaan. 5. Gunakan oscilloscop dual input, CH1 untuk mengamati tegangan masukan 𝑣𝑠 dan CH2 untuk mengamati tegangan keluaran 𝑣𝑜 6. Dengan menggunakan oscilloscope, amati perubahan tegangan terhadap perubahan sudut penyalaan dan gambarlah pada kertas grafik bentuk gelombang keluaran 𝑣𝑜 pada beban R 10



7. Ukur pula harga tegangan keluaran dc pada beban R 8. Dari gambar yang dihasilkan oleh langkah no.4, hitung tegangan keluaran rata-rata Vo pada beban menggunakan persamaan (3.1) 9. Ulangi langkah no.1 sampai dengan 8 untuk nilai beban dan sudut penyalaan yang berbeda 10. Bandingkan hasil yang diperoleh pada Tabel 3.1 kemudian berilah analisa dan kesimpulan F. DATA PENGUKURAN Tabel 3.1 Pengukuran dan Perhitungan Rangkaian Pengatur Tegangan AC 𝒗𝒔 (𝐕𝐨𝐥𝐭) 𝑹 (𝛀) 𝜶 𝐕𝐨 (Volt) 𝐕𝐫𝐦𝐬 (Volt) 12 10.000 25˚ 12 10.000 50˚ 12 10.000 75˚ 12 10.000 90˚ 12 10.000 115˚ 12 10.000 140˚ 12 10.000 165˚ 12 100 25˚ 12 100 50˚ 12 100 75˚ 12 100 90˚ 12 100 115˚ 12 100 140˚ 12 100 165˚ 12 10 25˚ 12 10 50˚ 12 10 75˚ 12 10 90˚ 12 10 115˚ 12 10 140˚ 12 10 165˚ G. PERTANYAAN DAN TUGAS 1. Bandingkan hasil yang didapat dari tabel pengukuran. Apakah pengaruh sudut penyalaan α terhadap tegangan rms 𝑉rms pada beban? Gambarkan grafik hubungan tegangan rms pada beban dengan sudut penyalaan 2. Buatlah simulasi menggunakan PSIM. 3. Bandingkan hasil yang diperoleh dari percobaan yang telah dilakukan dengan simulasi hasil simulasi menggunakan PSIM. 4. Analisa hasil yang telah diperoleh dan buatlah kesimpulan.



11



BAB 4 RANGKAIAN BUCK CONVERTER (BUCK CONVERTER CIRCUIT) A. TUJUAN 1. Mahasiswa dapat memahami prinsip kerja rangkain buck converter 2. Mahasiswa dapat memahami karakteristik rangkaian buck converter B. DASAR TEORI Rangkaian dc-dc converter merupakan rangkaian yang digunakan untuk mengkonversi level tegangan dc yang satu kepada tegangan dc yang lain. Buck converter digunakan untuk menurunkan level tegangan dc. Rangkaian buck converter ditunjukkan oleh Gambar 4.1.



Gambar 4.1 Rangkaian Buck Converter



(a)



(b) Gambar 4.2 Rangkaian Ekivalen Buck Converter ketika: (a) switch open, (b) switch closed



Analisa rangkaian dilakukan pada saat switch closed dan open. Analisa ketika switch closed dan open ditunjukkan oleh Gambar 4.2. Gambar 4.2-a menunjukkan kondisi ketika switch closed, diode reverse-biased, tegangan yang melewati induktor ditunjukkan oleh persamaan (4.1). 𝑣𝐿 = 𝑉𝑠 − 𝑉𝑜 = 𝐿 Sehingga, 12



𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑡



(4.1)



𝑑𝑖𝐿 𝑉𝑠 − 𝑉𝑜 = 𝑑𝑡 𝐿



(4.2)



Karena turunan arus 𝑖𝐿 bernilai positif konstan, maka arus akan naik secara linear seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 4.3-b. Perubahan arus ketika switch closed diperoleh dengan cara memodifikasi persamaan (4.2) sehingga didapatkan persamaan (4.3) sebagai berikut: 𝑉𝑠 − 𝑉𝑜 (∆𝑖𝐿 )𝑐𝑙𝑜𝑠𝑒𝑑 = ( ) 𝐷𝑇 𝐿



(4.3)



Gambar 4.3 Grafik: (a) tegangan induktor, (b) arus induktor



Pada Gambar 4.2-b, switch open, diode forward-biased untuk membawa arus induktor, tegangan yang melewati induktor ditunjukkan oleh persamaan (4.4). 𝑣𝐿 = 𝑉𝑠 − 𝑉𝑜 = 𝐿



𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑡



(4.4)



Sehingga, 𝑑𝑖𝐿 −𝑉𝑜 = 𝑑𝑡 𝐿



(4.5)



Karena turunan arus 𝑖𝐿 bernilai positif konstan, maka arus akan naik secara linear seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 4.3-b. Perubahan arus ketika switch closed diperoleh dengan cara memodifikasi persamaan (4.5) sehingga didapatkan persamaan (4.3) sebagai berikut: −𝑉𝑜 (∆𝑖𝐿 )𝑜𝑝𝑒𝑛 = ( ) (1 − 𝐷)𝑇 𝐿



(4.6)



Tegangan keluaran buck converter didapatkan melalui analisa pada kondisi operasi steady state. Kondisi ini meliputi arus induktor pada saat akhir siklus switching sama dengan awal siklus, artinya bahwa perubahan arus induktor pada satu periode adalah nol. (∆𝑖𝐿 )closed + (∆𝑖𝐿 )open = 0 𝑉𝑠 − 𝑉𝑜 𝑉𝑜 ( ) 𝐷𝑇 − ( ) (1 − 𝐷)𝑇 = 0 𝐿 𝐿 13



Sehingga didapatkan tegangan keluaran: 𝑉𝑜 = 𝑉𝑠 𝐷



(4.7)



Arus rata-rata induktor mempunyai nilai yang sama dengan arus rata-rata pada resistor kaena nilai rata-rata kapasitor bernilai nol pada kondisi operasi steady state. 𝐼𝐿 = 𝐼𝑅 =



𝑉𝑜 𝑅



Efisiensi rangkaian ditunjukkan oleh persamaan (4.9) 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝜂= × 100% 𝑃𝑖𝑛 𝑉𝑜 𝐼𝐿 𝜂= × 100% 𝑉𝑠 𝐼𝑠



(4.8)



(4.9)



C. RANGKAIAN PERCOBAAN



Gambar 4.4 Rangkaian percobaan



D. ALAT DAN BAHAN 1. 1 set Modul Elektronika Daya: PWM Modul dan Buck Converter Module 2. 1 set oscilloscope 3. 2 Voltmeter 4. 2 Ampere-meter 5. Kabel secukupnya 6. Resistor 7. 1 set DC power supply E. LANGKAH PERCOBAAN 1. Hubungkan L24V dan N24V pada modul PWM dengan terminal L24V dan N24V pada modul elektronika daya. 2. Amati bentuk sinyal keluaran PWM pada setiap perubahan duty cycle dari modul PWM dengan menggunakan oscilloscope. Gambarkan hasil yang diperoleh pada kertas grafik. 3. Rangkailah modul buck converter, dc power supply, voltmeter, amperemeter, dan resistor seperti pada Gambar 4.4. 4. Hubungkan terminal OUT +PWM pada modul PWM dengan terminal PWM pada modul buck converter. 14



5. Amati perubahan sinyal keluaran PWM setelah terhubung dengan mosfet buck converter. Apakah mengalami perubahan? Bila ya, gambarkan pada kertas grafik 6. Tuliskan hasil pengukuran yang didapatkan pada Tabel 4.1. 7. Lepaskan hubungan antara mosfet dan PWM, cobalah ubah frekuensi switching PWM. Kemudian pasang kembali PWM, ulangi kembali data pengukuran Tabel 4.1 untuk nilai frekuensi yang berbeda.



F. DATA PENGUKURAN Tabel 4.1 Hasil Pengukuran Rangkaian Buck Converter 𝑽𝒔 (Volt) D (%) Frekuensi (Hz) 𝑰𝒔 (A) 𝑽𝒐 (Volt) 𝑰𝒐 (A) 6



0



6



20



6



40



6



60



6



80



6



100



12



0



12



20



12



40



12



60



12



80



12



100



G. PERTANYAAN DAN TUGAS 1. Dari perubahan frekuensi yang telah dilakukan, apakah pengaruh perubahan frekuensi switching terhadap tegangan keluaran yang dihasilkan? 2. Hitunglah effisiensi dari rangkaian buck converter dengan perubahan nilai tegangan maupu duty cycle! 3. Buatlah simulasi menggunakan PSIM/PSPICE. 4. Berikan analisa dan kesimpulan dari percobaan yang telah dilakukan.



15



BAB 5 RANGKAIAN BOOST CONVERTER (BOOST CONVERTER CIRCUIT) A. TUJUAN 1. Mahasiswa dapat memahami prinsip kerja rangkain boost converter 2. Mahasiswa dapat memahami karakteristik rangkaian boost converter B. DASAR TEORI Rangkaian dc-dc converter merupakan rangkaian yang digunakan untuk mengkonversi level tegangan dc yang satu kepada tegangan dc yang lain. Boost converter digunakan untuk menurunkan level tegangan dc. Rangkaian boost converter ditunjukkan oleh Gambar 5.1.



Gambar 5.1 Rangkaian Boost Converter



(a)



(b) Gambar 5.2 Rangkaian Ekivalen Boost Converter ketika: (a) switch closed, (b) switch open



Analisa rangkaian dilakukan pada saat switch closed dan open. Analisa ketika switch closed dan open ditunjukkan oleh Gambar 5.2. Gambar 5.2-a menunjukkan kondisi ketika switch closed, diode reverse-biased, tegangan yang melewati induktor ditunjukkan oleh persamaan (5.1). 𝑣𝐿 = 𝑉𝑠 = 𝐿 16



𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑡



(5.1)



Sehingga, 𝑑𝑖𝐿 𝑉𝑠 = 𝑑𝑡 𝐿



(5.2)



Karena turunan arus 𝑖𝐿 bernilai positif konstan, maka arus akan naik secara linear seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 5.3-b. Perubahan arus ketika switch closed diperoleh dengan cara memodifikasi persamaan (5.2) sehingga didapatkan persamaan (5.3) sebagai berikut: (∆𝑖𝐿 )𝑐𝑙𝑜𝑠𝑒𝑑 =



𝑉𝑠 𝐷𝑇 𝐿



(5.3)



Gambar 5.3 Grafik: (a) tegangan induktor, (b) arus induktor



Pada Gambar 5.2-b, switch open, diode forward-biased untuk membawa arus induktor, tegangan yang melewati induktor ditunjukkan oleh persamaan (5.4). 𝑣𝐿 = 𝑉𝑠 − 𝑉𝑜 = 𝐿



𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑡



(5.4)



Sehingga, 𝑑𝑖𝐿 𝑉𝑠 − 𝑉𝑜 = 𝑑𝑡 𝐿



(5.5)



Karena turunan arus 𝑖𝐿 bernilai positif konstan, maka arus akan naik secara linear seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 5.3-b. Perubahan arus ketika switch closed diperoleh dengan cara memodifikasi persamaan (5.5) sehingga didapatkan persamaan (5.3) sebagai berikut:



17



(∆𝑖𝐿 )𝑜𝑝𝑒𝑛 =



(𝑉𝑠 − 𝑉𝑜 )(1 − 𝐷)𝑇 𝐿



(5.6)



Tegangan keluaran buck converter didapatkan melalui analisa pada kondisi operasi steady state. Kondisi ini meliputi arus induktor pada saat akhir siklus switching sama dengan awal siklus, artinya bahwa perubahan arus induktor pada satu periode adalah nol. (∆𝑖𝐿 )closed + (∆𝑖𝐿 )open = 0 𝑉𝑠 (𝑉𝑠 − 𝑉𝑜 )(1 − 𝐷)𝑇 𝐷𝑇 + =0 𝐿 𝐿 𝑉𝑠 (𝐷 + 1 − 𝐷) − 𝑉𝑜 (1 − 𝐷) = 0 Sehingga didapatkan tegangan keluaran: 𝑉𝑜 =



𝑉𝑠 (1 − 𝐷)



(5.7)



Arus rata-rata induktor mempunyai nilai yang sama dengan arus rata-rata pada resistor kaena nilai rata-rata kapasitor bernilai nol pada kondisi operasi steady state. 𝐼𝐿 =



𝑉𝑠 𝑉𝑜2 𝑉𝑜 𝐼𝑜 = = 2 (1 − 𝐷) 𝑅 𝑉𝑠 𝑅 𝑉𝑠



Efisiensi rangkaian ditunjukkan oleh persamaan (5.9) 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝜂= × 100% 𝑃𝑖𝑛 𝑉𝑜2 𝑉𝑜 𝐼𝑜 𝜂 = 𝑅 × 100% = × 100% 𝑉𝑠 𝐼𝐿 𝑉𝑠 𝐼𝐿



C. RANGKAIAN PERCOBAAN



Gambar 5.4 Rangkaian percobaan



D. ALAT DAN BAHAN 1. 1 set Modul Elektronika Daya: PWM Modul dan Boost Converter Module 2. 1 set oscilloscope 18



(5.8)



(5.9)



3. 4. 5. 6. 7.



2 Voltmeter 2 Ampere-meter Kabel secukupnya Resistor 1 set DC power supply



E. LANGKAH PERCOBAAN 1. Hubungkan L24V dan N24V pada modul PWM dengan terminal L24V dan N24V pada modul elektronika daya. 2. Amati bentuk sinyal keluaran PWM pada setiap perubahan duty cycle dari modul PWM dengan menggunakan oscilloscope. Gambarkan hasil yang diperoleh pada kertas grafik. 3. Rangkailah modul boost converter, dc power supply, voltmeter, amperemeter, dan resistor seperti pada Gambar 5.4. 4. Hubungkan terminal OUT +PWM pada modul PWM dengan terminal PWM pada modul boost converter. 5. Amati perubahan sinyal keluaran PWM setelah terhubung dengan mosfet boost converter. Apakah mengalami perubahan? Bila ya, gambarkan pada kertas grafik 6. Tuliskan hasil pengukuran yang didapatkan pada Tabel 5.1. 7. Lepaskan hubungan antara mosfet dan PWM, cobalah ubah frekuensi switching PWM. Kemudian pasang kembali PWM, ulangi kembali data pengukuran Tabel 5.1 untuk nilai frekuensi yang berbeda. F. DATA PENGUKURAN Tabel 5.1 Hasil Pengukuran Rangkaian Buck Converter 𝑽𝒔 (Volt) D (%) Frekuensi (Hz) 𝑰𝒔 (A) 𝑽𝒐 (Volt) 𝑰𝒐 (A) 6



0



6



20



6



40



6



60



6



80



6



100



12



0



12



20



12



40



12



60



12



80



12



100



G. PERTANYAAN DAN TUGAS 1. Dari perubahan frekuensi yang telah dilakukan, apakah pengaruh perubahan frekuensi switching terhadap tegangan keluaran yang dihasilkan? 19



2. Hitunglah effisiensi dari rangkaian buck converter dengan perubahan nilai tegangan maupu duty cycle! 3. Buatlah simulasi menggunakan PSIM/PSPICE. 4. Berikan analisa dan kesimpulan dari percobaan yang telah dilakukan.



20



BAB 6 RANGKAIAN BUCK-BOOST CONVERTER (BUCK-BOOST CONVERTER CIRCUIT) A. TUJUAN 1. Mahasiswa dapat memahami prinsip kerja rangkain buck-boost converter 2. Mahasiswa dapat memahami karakteristik rangkaian buck-boost converter B. DASAR TEORI Rangkaian dc-dc converter merupakan rangkaian yang digunakan untuk mengkonversi level tegangan dc yang satu kepada tegangan dc yang lain. Buck-boost converter digunakan untuk menurunkan level tegangan dc. Rangkaian buck-boost converter ditunjukkan oleh Gambar 6.1.



Gambar 6.1 Rangkaian Buck-Boost Converter



(a)



(b) Gambar 6.2 Rangkaian Ekivalen Buck-Boost Converter ketika: (a) switch closed, (b) switch open



Analisa rangkaian dilakukan pada saat switch closed dan open. Analisa ketika switch closed dan open ditunjukkan oleh Gambar 6.2. Gambar 6.2-a menunjukkan kondisi ketika switch closed, diode reverse-biased, tegangan yang melewati induktor ditunjukkan oleh persamaan (6.1). 𝑣𝐿 = 𝑉𝑠 = 𝐿 Sehingga, 21



𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑡



(6.1)



𝑑𝑖𝐿 𝑉𝑠 = 𝑑𝑡 𝐿



(6.2)



Karena turunan arus 𝑖𝐿 bernilai positif konstan, maka arus akan naik secara linear seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 6.3-b. Perubahan arus ketika switch closed diperoleh dengan cara memodifikasi persamaan (6.2) sehingga didapatkan persamaan (6.3) sebagai berikut: (∆𝑖𝐿 )𝑐𝑙𝑜𝑠𝑒𝑑 =



𝑉𝑠 𝐷𝑇 𝐿



(6.3)



Gambar 6.3 Grafik: (a) tegangan induktor, (b) arus induktor



Pada Gambar 6.2-b, switch open, diode forward-biased untuk membawa arus induktor, tegangan yang melewati induktor ditunjukkan oleh persamaan (6.4). 𝑣𝐿 = 𝑉𝑜 = 𝐿



𝑑𝑖𝐿 𝑑𝑡



(6.4)



Sehingga, 𝑑𝑖𝐿 𝑉𝑜 = 𝑑𝑡 𝐿



(6.5)



Karena turunan arus 𝑖𝐿 bernilai positif konstan, maka arus akan naik secara linear seperti yang ditunjukkan oleh Gambar 6.3-b. Perubahan arus ketika switch closed diperoleh dengan cara memodifikasi persamaan (6.5) sehingga didapatkan persamaan (6.3) sebagai berikut: (∆𝑖𝐿 )𝑜𝑝𝑒𝑛 =



𝑉𝑜 (1 − 𝐷)𝑇 𝐿



22



(6.6)



Tegangan keluaran buck converter didapatkan melalui analisa pada kondisi operasi steady state. Kondisi ini meliputi arus induktor pada saat akhir siklus switching sama dengan awal siklus, artinya bahwa perubahan arus induktor pada satu periode adalah nol. (∆𝑖𝐿 )closed + (∆𝑖𝐿 )open = 0 𝑉𝑠 𝐷𝑇 𝑉𝑜 (1 − 𝐷)𝑇 + =0 𝐿 𝐿 Sehingga didapatkan tegangan keluaran: 𝐷 𝑉𝑜 = −𝑉𝑠 ( ) 1−𝐷



(6.7)



Arus rata-rata induktor mempunyai nilai yang sama dengan arus rata-rata pada resistor kaena nilai rata-rata kapasitor bernilai nol pada kondisi operasi steady state. 𝑉𝑜2 𝑃𝑜 𝑉𝑠 𝐷 𝐼𝐿 = = = 𝑉𝑠 𝑅𝐷 𝑉𝑠 𝐷 𝑅(1 − 𝐷)2 Efisiensi rangkaian ditunjukkan oleh persamaan (8.9) 𝑃𝑜𝑢𝑡 𝜂= × 100% 𝑃𝑖𝑛 𝑉𝑜 𝐼𝑜 𝜂= × 100% 𝑉𝑠 𝐼𝐿



(6.8)



(6.9)



C. RANGKAIAN PERCOBAAN



Gambar 6.4 Rangkaian percobaan



D. ALAT DAN BAHAN 1. 1 set Modul Elektronika Daya: PWM Modul dan Buck-Boost Converter Module 2. 1 set oscilloscope 3. 2 Voltmeter 4. 2 Ampere-meter 5. Kabel secukupnya 6. Resistor 7. 1 set DC power supply



23



E. LANGKAH PERCOBAAN 1. Hubungkan L24V dan N24V pada modul PWM dengan terminal L24V dan N24V pada modul elektronika daya. 2. Amati bentuk sinyal keluaran PWM pada setiap perubahan duty cycle dari modul PWM dengan menggunakan oscilloscope. Gambarkan hasil yang diperoleh pada kertas grafik. 3. Rangkailah modul buck-boost converter, dc power supply, voltmeter, amperemeter, dan resistor seperti pada Gambar 6.4. 4. Hubungkan terminal OUT +PWM pada modul PWM dengan terminal PWM pada modul buck-boost converter. 5. Amati perubahan sinyal keluaran PWM setelah terhubung dengan mosfet buckboost converter. Apakah mengalami perubahan? Bila ya, gambarkan pada kertas grafik 6. Tuliskan hasil pengukuran yang didapatkan pada Tabel 6.1. 7. Lepaskan hubungan antara mosfet dan PWM, cobalah ubah frekuensi switching PWM. Kemudian pasang kembali PWM, ulangi kembali data pengukuran Tabel 6.1 untuk nilai frekuensi yang berbeda. F. DATA PENGUKURAN Tabel 6.1 Hasil Pengukuran Rangkaian Buck-Boost Converter 𝑽𝒔 (Volt) D (%) Frekuensi (Hz) 𝑰𝒔 (A) 𝑽𝒐 (Volt) 𝑰𝒐 (A) 6



0



6



20



6



40



6



60



6



80



6



100



12



0



12



20



12



40



12



60



12



80



12



100



G. PERTANYAAN DAN TUGAS 1. Dari perubahan frekuensi yang telah dilakukan, apakah pengaruh perubahan frekuensi switching terhadap tegangan keluaran yang dihasilkan? 2. Hitunglah effisiensi dari rangkaian buck-boost converter dengan perubahan nilai tegangan dan duty cycle! 3. Buatlah simulasi menggunakan PSIM/PSPICE. 4. Berikan analisa dan kesimpulan dari percobaan yang telah dilakukan. 24



BAB 7 INVERTER SATU FASA (SINGLE PHASE INVERTER) A. TUJUAN 1. Mahasiswa dapat memahami prinsip kerja rangkain inverter 2. Mahasiswa dapat memahami karakteristik rangkaian inverter B. DASAR TEORI Inverter merupakan suatu rangkaian yang digunakan untuk mengubah sumber tegangan DC tetap menjadi sumber tegangan AC dengan frekuensi tertentu. Komponen semikonduktor daya yang digunakan dapat berupa SCR, transistor, dan MOSFET yang beroperasi sebagai sakelar dan pengubah. Inverter dapat diklasifikasikan dalam dua jenis, yaitu: inverter satu fasa dan inverter tiga fasa. Setiap jenis inverter tersebut dapat dikelompokan dalam empat kategori ditinjau dari jenis rangkaian komutasi pada SCR, yaitu: (1) modulasi lebar pulsa, (2) inverter resonansi, (3) inverter komutasi bantu, dan (4) inverter komutasi komplemen. Inverter disebut sebagai inverter catu-tegangan (voltage-fed inverter-VFI) apabila tegangan masukan selalu dijaga konstan, disebut inverter catu-arus (current-fed inverter-CFI) apabila arus masukan selalu dipelihara konstan, dan disebut inverter variabel (variable dc linked inverter) apabila tegangan masukan dapat diatur. Selanjutnya, jika ditinjau dari proses konversi, inverter dapat dibedakan dalam tiga jenis, yaitu inverter: seri, paralel, dan jembatan. Inverter jembatan dapat dibedakan menjadi inverter setengah-jembatan (half-bridge) dan jembatan (bridge). Dalam praktikum kali ini akan difokuskan pada penggunaan inverter setengah jembatan satu fasa.



Gambar 7.1 Rangkaian percobaan



Gambar 7.1 merupakan rangkaian dasar inverter setengah-jembatan satu-fasa dengan beban resistif dan bentuk gelombangnya. Dalam rangkaian Gambar 7.1 diperlukan dua buah kapasitor untuk menghasilkan titik N agar tegangan pada setiap kapasitor Vi/2 dapat dijaga konstan. Sakelar S+ dan S- mereprensentasikan sakelar elektronis yang mencerminkan komponen semikonduktor daya sebagaimana diuraikan di muka. Sakelar S+ dan S- tidak boleh bekerja secara serempak/ simultan, Karena akan terjadi hubung singkat rangkaian.



25



Gambar 7.2 Bentuk gelombang: (a) tegangan carrier dan amplitudo switching; (b) tegangan switching S1; (c) tegangan switching S2; (d) tegangan keluaran



C. RANGKAIAN PERCOBAAN



D. ALAT DAN BAHAN 1. 1 set Modul Elektronika Daya: PWM Modul dan Inverter Module 2. 1 set oscilloscope 3. Kabel secukupnya 4. Load: Resistor, Induktor 5. 1 set DC power supply 26



E. LANGKAH PERCOBAAN 1. Hubungkan L24V dan N24V pada modul PWM dengan terminal L24V dan N24V pada modul elektronika daya. 2. Amati bentuk sinyal keluaran PWM pada setiap perubahan duty cycle dari modul PWM dengan menggunakan oscilloscope. Gambarkan hasil yang diperoleh pada kertas grafik. 3. Hubungkan terminal OUT +PWM pada modul PWM dengan terminal PWM pada modul inverter. 4. Hubungkan terminal +5V dan +24V DC pada modul inverter dengan terminal +5V dan +24V pada modul elektronika daya. 5. Hubungkan load supply ke DC power supply dan load dengan beban yang diminta pada Tabel 9.1. 6. Atur duty cycle sesuai dengan Tabel 7.1. 7. Amati tegangan keluaran dari inverter dengan menggunakan oscilloscope. Gambar tegangan keluaran pada kertas grafik. 8. Ubahlah frekuensi switching PWM, kemudian ulangi langkah 1-7. Amati tegangan keluarannya. F. DATA PENGUKURAN Tabel 7.1 Tabel Pengukuran Rangkaian Inverter 𝑽𝒔 (Volt) D (%) Frekuensi (Hz) 𝑽𝒐 (Volt) Beban R 6



20



6



40



6



60



6



80



12



20



12



40



12



60



12



80 Beban RL



6



20



6



40



6



60



6



80



12



20



12



40



12



60



12



80 27



G. PERTANYAAN DAN TUGAS 1. Jelaskan pengaruh duty cycle dan frekuensi terhadap tegangan keluaran yang dihasilkan oleh inverter. 2. Buatlah simulasi menggunakan PSIM/PSPiCE. Bandingkan hasil simulasi dan hasil pengukuran yang telah dilakukan. 3. Buatlah analisa dan kesimpulan.



28