BAB II PRINSIP STABILISATOR

BAB II

PRINSIP STABILISATOR

II.1. Diagram Block

Stabilisator tegangan bolak-balik adalah sebuah alat listrik yang mampu mengatasi dan membebaskan beban listrik dari pengaruh variasi penurunan dan kenaikan tegangan jala-jala sumber listrik dari PLN (Perusahaan Listrik Negara) pada batas-batas tertentu, dengan memberikan suatu tegangan yang konstan yang kita kehendaki pada beban listrik.

II.2. Cara Kerja Sistem

Dalam keadaan normal atau tegangan masukan jala-jala dari PLN sama dengan 220 Volt, tegangan keluaran VL akan terlihat seperti Gambar 2-2, kamudian tegangan efektif beban dinaikkan oleh step-up seharga 220 Volt juga. Jika tegangan jala-jala turun, maka tegangan di A juga akan turun sehingga untuk mencapai tegangan break over kemudi (Diac), dengan VA dibutuhkan lebih rendah, ini dapat dicapai oleh kondensator dalam waktu yang lebih singkat dari jaringan R-C. Akibatnya pulsa-pulsa penyuluhan kemudi ke gerbang penstabil tegangan akan bergeser ke kiri seperti dalam Gambar 2-2b. Jadi VL efektif naik kembali ke harga normalnya, dan tegangan efektif beban terjaga konstan, dalam hal ini luas arsiran Gambar 2-2b sama dengan luas arsiran dalam Gambar 2-2a.

Jika tegangan dari jala-jala naik dari tegangan normalnya, maka tegangan di A ikut naik, sehingga untuk mencapai tegangan break over kemudi, VA yang dibutuhkan lebih tinggi dalam Gambar 2-2c, dengan demikian tegangan VL efektif beban terjaga konstan. Dalam hal ini luas arsiran Gambar 2-2c adalah sama dengan luas arsiran dalam Gambar 2-2a

 t   t   t 

II.3. Komponen Dasar

Disamping membuat suatu perangkat elektronik dibutuhkan beberapa jenis komponen dan alat Bantu lainnya. Bnyak sedikitnya pemakain jenis komponen pada perangkat tergantung dari rancangan dan system perangkat yang akan dibangun. Pada bab ini akan dibahas secara umum tentang jenis-jenis komponen yang digunakan untuk merancang penstabilan tegangan bolak-balik Satu Phasa dengan Triac.

II.3.1. Resistor

Resistor digunakan pada rangkain listrik yang berhubungan dengan listrik, misalanya untuk memperkecil arus atau tegangan dan juga sebagai pembagi tegangan, symbol untuk resistor diperlihatkan pada Gambar 2-3, dan untuk satuannya adalah Ohm atau dengan symbol Omega (Ω). Satuan umum lainnya dipengkatkan tiga:

- Kilo Ohm (KΩ) = 1000 Ohm - Mega Ohm (MΩ) = 1000000 Ohm

Banyak resistor yang mempunyai ukuran yang ditunjukkan dengan pita warna, seperti dalam Tabel 2-1.

WARNA UKURAN TOLERANSI

Hitam Coklat Merah 0 1 2 ± 1 % ± 2 % Oranye Kuning Hijau Biru Ungu Abu-abu Putih 3 4 5 6 7 8 9 Emas Perak Polos - - - ± 5 % ± 10 % ± 15 %

Banyak macam resistor yang mungkin dibuat dari lilitan kawat, pita film metal, film oksida metal, cernet, unsure karbon. Selain itu pemberian system kode warna pada tahanan dapat dilihat pada Gambar 2-4.

A B C D

Coklat = 1 Merah = 2 Merah = 00 Emas = ± 5 %

Besarnya resistansi resistor = 1200 Ohm atau

= 1,2 KΩ

Gambar 2.4. Resistor yang diberi Warna

Besar resistansi suatu resistor (tahanan) dengan memakai pita warna dapat diperlihatkan pada Gambar 2-4, persentase toleransi mempengaruhi nilai resistansi yang ada dalam batas-batas tertentu. Nilai nominal dipilih, sehingga batas-baytas toleransi biasanya saling menyesuaikan diri.

II.3.2. Kapasitor

Kapasitor adalah sutau komponen elektronik yang sangat luas pemakaiannya. Kapasitor merupakan tempat penyimpanan muatan listrik dalam jumlah tertentu. Kapasitor mempunyai sifat yang akan meneruskan arus AC (bolak-balik) dan menahan arus DC (searah). Jumlah muatan listrik yang dapat disimpan disebut kapasitas dari kapasitor dan diukur dalam suatu farad (F), tetapi karena ukuran farad sangat besar sekali maka yang lazim dijumpai dalam penggunaannya adalah dalam aturan mikro farad (µF), nano farad (nF) dan piko farad (pF) dimana :

1 Mikro Farad (µF) = 1 x 10-6 F 1 Nano Farad (nF) = 1 x 10-9 F 1 Piko Farad = 1 x 10-12 F

Satuan-satuan tersebut dimaksudkan untuk lebih memudahkan didalam praktek dan symbol dari sebuah kapasitor seperti Gambar 2-5.

(a) Kapasitor Non Polar (b) Kapasitor Polar

Nilai kapasitor dari sebuah kapasitor yang diproduksi oleh pabrik pembuat kapasitor biasnya mencantumkan pada badan (body) kepasitor itu sendiri baik kapasitor jenis non polar dan bi polar.

100nf

+

-(a) (b)

Gambar 2.6. Kemasan Kapasitor a. Jenis Kapasitor non Polar b. Jenis Kapasitor Bipolar

Tergantung dari bahan dielektriknya maka kapasitor dikenal dalam berbagai jenis yakni:

- Kapasitor Keramik - Kapasitor Mika - Kapasitor Kertas

- Kapasitor Plastik dan lain-lainnya

Kapasitor elektronik biasanya mempunyai polaritas, yakni kutub positif (+) dan kutup negative (-), sedangkan jenis kapasitor yang lain tidak mempunyai kutub. Disamping kapasitas penyimpan muatan dari suatu kapasitor dalam penggunaannya, maka kemampuan suatu kepasitor menahan tegangan atau yang lazim disebut tegangan kerjanya, juga perlu diperhatikan. Tegangan kerja suatu kapasitor adalah tegangan maksimum yang bias ditahan suatu kapasitor tanpa menyebabkan dielektrum kapasitor tersebut tembus (break down).

Untuk kepasitor dengan kapasitas lebih besar dari 1µF biasa kapasitas maupun tegangan kerjanya bias terbaca langsung, akan tetapi untuk kapasitas lebih kecil dari 1µF, ada yang terbaca langsung dan ada yang melalui kode sebagaimana halnya pada resistor.

Defenisi Kapasitor

Kapasitor adalah dua buah keeping penghantar dengan luas tertentu yang diantarai atau disekat oleh suatu dielektrum tertentu, seperti terselihat pada Gambar 2-7 dibawah ini:

+ + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + Gambar dua buah keping penghantar dengan disekat udara (dielektrikum udara) dan diberi tegangan V.

+ + + + + + + + + +

Gambar 2.7. Defenis Kapasitor

Q V

Dimana : C = kapasitas atau jumlah muatan yang dapat disimpan dalam Farad Q = banyaknya muatan listrik dalam Coulomb

V = tegangan yang ada dalam kedua keeping plat dalam volt - - - - - - - - - V (Farad)………..(2.1) C=

II.3.3. Induktor

Induktor, walaupun kita akan mendefenisikan inductor dan induktansi dengan tegas dari segi pandangan rangkain, yakni dengan persamaan tegangan arus, sedikit komentar mengenai perkembangan hostoris medan maknetik dapat memberi pengertian yang lebih baik mengenai defenisi ini. Pada permulaan tahun 1800 ilmuwan Denmark, Oersted, memperlihatkan bahwa konduktor yang menyangkut arus akan menghasilkan medan maknetik, atau bahwa jarum kompas dipengaruhi dengan adanya konduktor yang menyangkut arus tersebut. Tidak lama kemudian di Perancis, Ampere melakukan pengukuran-pengkuran yang teliti yang menunjukkan bahwa medan maknetik berhubungan secara lilnear dengan arus yang menghasilkannya. Langkah berikutnya terjadi sekitar dua puluh tahun kemudian ketika sarjana eksparimental Inggris Michael Faraday dan seorang penemu Amerika Joseph Henry menemukan hamper bersamaan bahwa medan magnetic yang berubah-ubah dapat menginduksi tegangan didalam rangkaian yang berdekatan. Mereka memperlihatkan bahwa tegangan ini sebanding dengan laju perubahan arus terhadap waktu yang menghasilkan medan magnetic tersebut. Konstanta pembanding kita namai sekarang induktansi, disimbolkan oleh I, sehingga :

di

Dimana kita harus menyadari bahwa v dan l dan I keduanya adalah fungsi waktu. Bila kita ingin menekankan hal ini, maka kita boleh melakukannya dengan menggunakan simbol-simbol v (t) dan I (t)

I

L V L ( t )

+

-Gambar 2.8. Tanda-tanda Reforensi untuk Tegangan dan arus diperlihatkan pada symbol rangkaian untuk sebuah inductor V = L di/dt

Simbol rangkaian untuk inductor diperlihatkan dalam Gambar 2-8 dan arus diperlihatkan bahwa telah digunakan konversi tanda pasif, sama seperti dengan tahanan. Satuan inductor diukur dengan Henry (H), dan persamaan yang mendefenisikannya memperlihatkan bahwa Henry adalah pernyataan yang lebih pendek untuk volt-detik per ampere. Induktor induktansinya didefenisikan oleh (l) adalah sebuah model matematis, induktor ini adalah sebuah elemen ideal yang dapat kita gunakan mengaproksimasikan sifat sebuah alat riil. Sebuah inductor fisis dapat dapat sibuat dengan melilitkan sepotong kawat menjadi sebuah kumparan. Ini dengan efektif akan menaikkan arus yang menyebabkan medan magnetic dan juga menambah ‘banyaknya” rangkaian tambahan ke dalam mana tegangan Faraday dapat diinduksikan. Hasil dari efek ganda ini adalah bahwa

tersebut dibentuk. Sebuah inductor, atau “kumparan”, yang berbentuk garis skrup yang panjang dengan ukuran sangat kecil didapatkan mempunyai induktansi µN2 A/s, dimana A adalah luas penampang, s penampang sumbu garis sekrup, N banyaknya lilitan kawat dan µ (mu) adalah sebuah konstanta bahan heliks, yang dinamai permeabilitas. Untuk ruang hanya (dan sangat dekat sekali untuk udara),

µ = µ 0 = 4∏ x 10 -7 H / m. Adalah mungkin untuk merakit jaringan elektronis yang tidak mengandung inductor dapat menghasilkan hubungan v-I dari (1) pada terminal masukannya.

II.4. Komponen Regulasi Tegangan

Komponen regulasi adalah suatu komponen yang dirancang demikian sehingga berfungsi untuk mengubah tagangan masuk yang bervariasi (variable) menjadi tegangan keluaran yang stabil.

II.4.1. Dioda

Atom-atom dalam semi konduktor dikumpulkan menjadi salah satu dalam pola teratur disebut “kisi krisital”. Semikonduktor ini sebagai penghantar yang baik kalau suhunya meningkat karena jumlah elektron bebas juga meningkat, elektron bebas ini dikenal sebagai pembawa minorita.

Daya hantar dioda juga bisa disempurnakan dengan menambah atom Arsenit yang jumlahnya terkendali memasukkan elektron ekstra dalam struktur kisi sehingga menghasilkan semikonduktor tipe N, atom-atom demikian dikenal sebagai akseptor, misalnya atom aluminium, memasukkan “kekurangan elektron” yang disebut (Hole) sehingga menghasilkan semikonduktor tipe P. elektron-elektron serta lubang-lubang yang dihasilkan oleh injeksi Arsenit sebagai pembawa mayoritas.

Kalau semikonduktor yang tipe P dipertemukan dengan semikonduktor tipe N, oleh proses dikenal sebagai difusi, elektron dari daerah N mulai menyeberang guna mengisi lubang-lubang dalam daerah P.

Gerakan ini berlangsung terus sampai terbentuk daerah netral yanhg dikenal sebagai lapisan hampir setiap sisi pertemuan P-N. Lapisan hampa ini memberikan halangan potensial yang mencegah gerakan elektron lebih lanjut melintasi bidang pertemuan.

II.4.2. Dioda Zener

`Dioda sinyal kecil dan dioda penyearah tidak pernah dioperasikan secara sengaja dalam daerah dadal (break down) karena kerusakan yang dapat terjadi

dioda zener memang terletak dalam daerah dadal. Penerapan utama dari dioda zener adalah penggunaannya dalam regulator tegangan, yaitu rangkaian yang mempertahankan tegangan bebas pada harga yang kurang lebih tepat walaupun tegangan saluran dari laur atau hambatan bebas dari rangkaian mengalami perubahan.

II.4.2.1. Struktur Rangkaian Ekivalen dan Karakteristik Dioda Zener

Dioda zener adalah dioda Silikon yang dibuat oleh pabrik untuk bekerja paling baik pada daerah dadalnya (daerah bocor). Dengan kata lain, berbeda dengan dioda biasa yang tidak pernah bekerja di daerah dadal (daerah bocor), dioda zener justru bekerja paling baik di daerah dadal (daerah bocor). Dioda zener disebut juga daerah dadal yang merupakan tulang punggung pengatur tegangan, yaitu rangkaian-rangkaian yang menjaga agar tegangan beban tetap walaupun ada perubahan yang besar pada tegangan jala-jala dan restansi (tahanan beban).

Gambar menunjukkan lambang skematis dioda zenar. Pada lambang ini garis-garisnya mempunyai huruf “z” singkatan dari “zener”. Gambar 2.11 menunjukkan grafik I/V dioda zener pada daerah maju, ia mulai menghantar pada tegangan sekitar 0,7 V, seperti dioda Silikon biasa.

Pada daerah bocor (antara nol dan dadal), ia hanya mempunyai sedikit arus bocor (arus dadal0. pada dioda zener, lengkungan disekitar titik dadalnya (bocornya) berbentuk lutut yang sangat tajam, diikuti dengan kenaikan lengkungan yang hampir vertikal. Dimana tegangannya hampir tetap, mendekati

Vz pada semua daerah dadal (daerah bocor). Lembaran data biasanya menetapkan nilai Vz pada arus pengetesan yang tertentu, Izt.

Pembuangan daya pada dioda zener sama dengan hasil kali tegangan dan arusnya. Yang mana rumusnya :

Pz = Vz . Iz ……….. (2.1) Dimana : Pz = Pembuangan daya (mW)

Vz = Tegangan pada zener (volt) Iz = Arus pada zener (mA) Misalnya, bila Vz = 12V dan Iz = 10mA, maka

Pz = 12 V x 0.10-3A = 120.0-3 W = 120 mW

Selama Pz lebih kecil dari pada batas kemampuan daya, dioda zener dapat beroperasi di daerah dadalnya (daerah bocor) tanpa mengalami kerusakan. Arus maksimum juga berhubungan dengan batas kemampuan daya sebagai berikut :

Dimana : IZM = Batas kemampuan arus zener maksimum (mA) PZM = Batas kemampuan daya (mW)

VZ = Tegangan zener (volt)

Misalnya, dioda zener 12V dengan batas kemampuan daya 400mW mempunyai batas kemampuan arus :

mA V mW 33 , 33 12 400 I_ZM  

Dioda zener disebut jgua sebagai pengatur tegangan karena ia mempertahankan tegangan keluaran yang tetap meskipun arus yang melaluinya berubah seperti ditunjukkan pada persamaan 2.3. Selanjutnya, untuk menghasilkan keadaan dadal (normal), tegangan sumbner Vs harus lebih besar dari pada tegangan dadal zener Vz. Tahanan seri Rs selalu digunakan untuk membatasi arus zener agar tidak melebihi batas kemampuan arusnya, kalau tidak dioda zener akan terbakar seperti alat lain yang mengalami kelebihan penghamburan daya (power dissipation). Jadi, arus yang melalui tahanan adalah :

s z s R V V   S I ……….. (2.3)

Dimana : Is = Arus yang mengalir pada tahanan (mA0

Vs = Tegangan sumber (volt)

Rs = Tahanan seri (kilo Ohm)

Karena rangkaian ini adalah rangkaian seri maka arus zener Iz sama dengan Is

S

R

F I

Vz = Vzo + Iz Rz ……… (2.4) Dimana : Vz = Tegangan pada zener (volt)

Vzo = Tegangan awal pada zener (volt) Iz = Arus pada zener (mA)

Rz = Tahanan pada zener (kilo Ohm)

Supaya sebuah pengaturan zener dapat menjaga agar tegangan keluarnya tetap, maka dioda zener harus tetap berada di daerah dadal dalam segala keadaan operasi, ini sama artinya dengan mengatakan bahwa ahrus selalu ada arus zener untuk semua tegangan sumber dan arus beban. Kemungkinan yang paling buruk terjadi pada tegangan sumber minimum dan arus beban maksimum karena arus

) ( (min) S(min) I maks s z s R V V   ……….(2.5)

Yang dapat diatur kembali menjadi,

(min) (min) S(maks) I s z s I V V   ………(2.6)

Seperti telah ditunjukkan sebelumnya,

Iz = Is – IL ……… (2.7) Dalam kemungkinan terburuk, persamaan ini ditulis sebagai

Iz(min) = Is(min) – IL(maks) ……… (2.8) Titik kritis terjadi apabila arus beban maksimum sama dengan arus seri minimum.

IL(maks) = Is(min) ………. (2.9)

Pada titik ini arus zener turun menjadi nol dan pengaturan hilang. Dengan mengganti Is(min) dengan IL(maks) dalam persamaan 2.7, maka didapat hubungan perancangan yang bermanfaat :

) ( (min) ) ( maks L z s maks S I V V R   ……… (2.10)

Dimana : RS(maks) = Nilai kritis resistensi seri (Kilo Ohm) VS(min) = Tegangan sumber minimum (volt) VZ = Tegangan zener (volt)

II.4.3. Diac

Diac merupakan salah satu piranti yang dapat mempunyai arus penaham dalam salah satu dari dua arah yang banyak dipakai dalam rangkaian pengapian sederhana untuk Triac dalam pengaturan daya atau teganganAC.

Dalam Gambar 2-14, dipilih lain, jika polaritas V berlawanan dengan yang ditunjukkan dalam gambar 2-14, maka penahan kanan yang akan menutup V mulai malampaui tegangan dadal-jenuh. Lambang dari rangkaian Diac diberikan dalam Gambar 2-14.

Jika tegangan yang diberikan dengan polaritas ataupun, kurang dari tegangan dadal-jenuh VBO maka piranti ini akan tetap dalam keadaan resistansi tinggi. Segera setelah tegangan melampaui VBO Diac memperlihatkan resistansi negatif karena arus yang melewatinya meningkat padahal tegangan yang membentenginya jatuh.

Karakteristik ditunjukkan oleh Gambar 2-14.

R V BO V  R I BO V  F V V  V 

II.4.4

pakai sebagai elemen pelindung tegangan-lebih atau penurunan tegangan.

II.4.4.1

Gambar 2-15a dan b diberikan konstruksi dan lambang rangkaian piranti triac.

Triac (Thiristor Dwi-Arah)

Thiristor (Penyearah terkendali silicon) dan triac adalah piranti semikonduktor yang kini banyak dipakai dalam rangkaian pengendali daya. Piranti-piranti ini terutama cocok dalam penerapan pengendalian daya AC seperti pengendalian peredup lampu, kecepatan motor, pengendalian suhu dan juga banyak di

. Konstruksi, Rangkaian Ekivalen

Dalam

Sebagai dua SCR yang tersusun secara anti paralel seperti terlihat dalam Gambar 2-15a, dan ekuivalen dengan saklar-penahan dari Gambar 2-15b. Karena itu, triac padat mengendalikan arus dalam salah satu dari dua aras yang mungkin. Tegangan dadal-jenuh dari piranti ini biasanya berharga dan cara normal untuk

Gambar 2.16 Triac, (a) Rangkaian Ekuivalen, (b) Sistem Saklar Penahanan Ekuivalen

Jika tegangan catu daya V mempunyai polaritas yang ditunjukkan dalam Gambar 2-16a, maka picu potitif yang harus dipakai untuk maksud tersebut, dan ini akan menutup saklar sebelah kiri. Jika polaritas V dalam Gambar 2-16a dibalik, kita memerlukan picu negatif, dan ini akan menutup saklar kanan.

Tiristor dwi-arah adalah piranti tiga terminal yang dapat melewatkan arus dalam kedua arah melalui jalur arah utamanya. Terminal-terminal arus utama dikenal sebagai terminal utama-1 (MT1) dan terminal utama-2 (MT2) seperti ditunjukkan dalam Gambar 2-16b.

Jika tegangan dipasang pada gerbang (relatif terhadap MT1) adalah nol, triac mencegah aliran arus dalam kedua arah dengan adapun polaritas dari MT1 dan MT2, ditunjukkan pada karakteristiknya dalam Gambar 2-17. Piranti kemudian berada dalam operasi tidak menghantar (blocking mode).

Triac dipicu ke dalam operasi menghantar (Conducting mode), menimbulkan suatu jalur resistansi rendah diantara MT1 dan MT2, karena

Sangat tergantung pada polaritas yang diberikan antara MT1 dan MT2 arus akan mengalir baik dari MT2 dan MT1 ataupun dalam arah sebaliknya. Dalam Gambar 2-17 diperlihatkan ada empat macam, modus memicu, dikenal sebagai I+, I-, III+, dan III- yang dinyatakan dalam Tabel 2-2

MODUS Potensial MT2 Terhadap MT2 Potensial Gerbang Terhadap MT2 I+ I -III+ III -Positif Positif Negatif Negatif Positif Negatif Positif Negatif

Tabel 2.2. Modus Pemicu Triac

Sekarang kita perhatikan modus memicu I+, dalam hal ini triac dipicu menjadi menghantar jika MT2 adalah positif terhadap MT1 oleh pulsa positif yang diberikan pada gerbang, jelas, Triac paling sensitive terhadap pulsa-pulsa gerbang dalam modus I+ _{dan III}-_{, dan paling kurang sensitif dalam modus I}- _{dan III}+