4
BAB II
DASAR TEORI
Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan sebagai acuan dalam merealisasikan sistem. Teori-teori yang digunakan dalam pembuatan skripsi ini adalah teori catu daya tak terputus, sinyal PWM (Pulse Width Modulation), perbandingan si inverter, aki kering, IC XR2206, IC IR2110, konfigurasi h-bridge, transformator, filter, dan SCR (Silicon Controlled Rectifier).
2.1. Teori Catu Daya Tak Terputus
Catu daya tak terputus adalah suatu sistem pencatu tegangan AC yang akan tetap menghasilkan tegangan AC walaupun tidak ada sumber listrik dari jala-jala PLN. Catu daya tak terputus ini terdapat 2 jenis yaitu catu daya tak terputus terbuka dan catu daya tak terputus tersambung.
5
Gambar 2.1 dan 2.2 berikut ini merupakan diagram blok dari sistem UPS offline dan online yang menunjukkan perbedaan dari sistem catu daya offline dan online.
Gambar 2.1. Sistem UPS offline
Gambar 2.2. Sistem UPS online
2.2. Sinyal PWM (Pulse Width Modulation)
PWM (Pulse Width Modulation) secara umum adalah sebuah cara memanipulasi lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulsa dalam satu periode, untuk mendapatkan tegangan rata-rata yang berbeda. Beberapa contoh aplikasi PWM adalah pemodulasian data untuk telekomunikasi, pengontrolan daya atau tegangan yang masuk ke beban, regulator tegangan, efek audio, penguatan, dan lain-lain. Sedangkan aplikasi PWM berbasis mikrokontroler biasanya berupa pengendalian kecepatan motor DC, pengendalian motor servo, dan pengaturan nyala terang.
Konsep dasar sinyal PWM pada umumnya memiliki amplitudo dan frekuensi dasar yang tetap, namun memiliki lebar pulsa yang bervariasi. Lebar pulsa PWM berbanding lurus dengan amplitudo sinyal asli yang belum termodulasi. Artinya, sinyal PWM memiliki frekensi gelombang yang tetap namun duty cycle bervariasi antara 0% sampai 100%.
Saklar Beban
Penyearah Baterai Inverter Jala-jala PLN
Penyearah Inverter Beban
6 Amplitudo (volt)
Waktu (detik) Gambar 2.3. Sinyal PWM
dengan � = +
� = ton
� 100%
� = + ( � ) �
� =� � Dimana
ton = waktu pulsa bernilai high (detik) toff = waktu pulsa bernilai low (detik)
D = duty cycle, yaitu lamanya pulsa high dalam 1 periode
� = tegangan masukan (volt)
� = tegangan keluaran (volt)
Dari persamaan-persamaan tersebut, diketahui bahwa perubahan duty cycle akan merubah tegangan output atau tegangan rata-rata seperti pada Gambar 2.4
ton
toff tegangan high
7
Gambar 2.4. Tegangan rata-rata PWMberdasarkan lebar pulsa
8
Gambar 2.5. Sinyal PWMdigital
Sedangkan sinyal PWM yang dibangkitkan secara analog dapat diperoleh dengan membandingkan 2 buah sinyal dengan menggunakan komparator. Sinyal yang pertama merupakan sinyal referensi yang masuk pada kaki non-inverting komparator. Sinyal referensi ini biasanya berupa sinyal sinusoida dengan amplitudo dan frekuensi tertentu. Sinyal yang kedua merupakan sinyal pembawa (sinyal carrier) yang masuk pada kaki inverting komparator. Sinyal carrier ini biasanya berupa sinyal segitiga atau gergaji.
Gambar 2.6. Blok diagram pembentukan sinyal PWMdengan membandingan sinyal referensi dan carrier
+
- Sinyal Referensi
Sinyal Carrier
9
2.3. Gelombang Tangga 3 Tingkat dan PWM 3 Level 2.3.1. Gelombang Tangga 3 tingkat
Gelombang tangga 3 tingkat terdiri dari sinyal kotak dengan dutycycle kecil, sinyal kotak dengan dutycycle sedang, dan sinyal kotak dengan dutycycle besar. Ketiga sinyal kotak yang mempunyai dutycycle berbeda ini ditambahkan sehingga membentuk sinyal yang menyerupai tangga sebanyak 3 tingkat. Gambar 2.7 berikut ini akan menunjukkan sinyal kotak dengan dutycycle kecil, sedang, dan besar yang digabung sehingga membentuk gelombang tangga 3 tingkat.
10 2.3.2. Sinyal PWM 3 Level
Sinyal PWM 3 level dihasilkan dari pensaklaran empat buah MOSFET yang membentuk konfigurasi H-bridge. Masing-masing MOSFET mendapat inputan sinyal yang berbeda sehingga membentuk sinyal PWM 3 level seperti ditunjukkan oleh Gambar 2.8 berikut ini.
Gambar 2.8. Sinyal PWM 3 level
2.4. Inverter
Inverter merupakan rangkaian elektronika daya yang digunakan untuk mengubah tegangan searah (DC) menjadi tegangan bolak-balik (AC). Sumber tegangan input inverter dapat menggunakan baterai, tenaga surya, atau sumber tegangan DC yang lain. Output dari inverter ini dapat berupa tegangan AC yang berbentuk gelombang kotak (square wave), gelombang sinus (sine wave), dan gelombang sinus termodifikasi (sine wave modified). Proses konversi tegangan dari DC ke AC ini biasanya membutuhkan rangkaian penaik tegangan.
Beberapa hal penting yang harus diperhatikan pada saat menggunakan inverter adalah kapasitas beban yang akan ditahan oleh inverter, besar sumber tegangan input yang akan digunakan, dan bentuk gelombang output inverter yang akan mempengaruhi efisiensi dari inverter tersebut.
11
Berdasarkan jumlah fasa outputnya, inverter dapat dibedakan dalam - Inverter 1 fasa, yaitu inverter dengan output 1 fasa.
- Inverter 2 fasa, yaitu inverter dengan output 3 fasa.
Sedangkan berdasarkan pengaturan tegangannya, inverter dapat dibedakan menjadi
- Voltage Fed Inverter (VFI), yaitu inverter dengan tegangan input yang diatur konstan.
- Current Fed Inverter (CFI), yaitu inverter dengan arus input yang diatur konstan.
- Variable dc linked inverter, yaitu inverter dengan tegangan input yang dapat diatur.
Kemudian berdasarkan bentuk gelombang output-nya inverter dapat dibedakan menjadi
- Square wave inverter, yaitu inverter dengan output berbentuk gelombang kotak, inverter jenis ini tidak dapat digunakan untuk mensupply tegangan ke beban induktif atau motor listrik
- Sine wave inverter, yaitu inverter yang memiliki tegangan output dengan bentuk gelombang sinus murni. Inverter jenis ini dapa memberikan supply tegangan ke beban (Induktor) atau motor listrik dengan efisiensi daya yang baik.
- Sine wave modified inverter, yaitu inverter dengan tegangan output berbentuk gelombang kotak yang dimodifikasi sehingga menyerupai gelombang sinus. Inverter jenis ini memiliki efisiensi daya yang rendah apabila digunakan untuk mensupplay beban induktor atau motor listrik.
2.5. Aki Kering
Aki kering merupakan baterai yang terdiri dari beberapa sel yang dipasang secara seri, dimana setiap selnya mempunyai tegangan sebesar 2 volt. Jadi untuk aki kering yang memiliki tegangan 6 volt berarti memiliki 3 buah sel sedangkan aki kering yang memiliki tegangan 12 volt memiliki 6 buah sel.
12
ampere jam. Kapasitas aki kering ini dinyatakan dengan satuan amperehour (Ah) yang didapat dari perkalian kuat arus (ampere) dengan waktu (hour / jam).
Satu Ah pada aki kering mempunyai arti aki kering dalam keadaan ideal dapat ditarik arus sebesar 1 ampere selama 1 jam penuh. Jika kapasitas aki kering yang tersedia 1 Ah dan arus yang ditarik sebesar 2 Ah, maka aki kering hanya dapat bertahan selama ½ jam saja. Sebaliknya jika arus yang ditarik sebesar 0,5 ampere, maka aki
XR2206 adalah IC generator yang mampu menghasilkan sinyal sinusoida, segitiga, kotak, dan gergaji. Bentuk dan akurasi sinyal yang dihasilkan oleh XR2206 mempunyai kualitas yang bagus. Amplitudo dan frekuensi sinyal dapat diatur dengan menggunakan tegangan dari luar, dimana rentang frekuensi yang dapat dihasilkan adalah 0,01Hz sampai dengan 1MHz. XR2206 ini mempunyai beberapa keunggulan yaitu
- Distorsi rendah pada sinyal sinus yaitu sekitar 0,5% - Mempunyai stabilitas termperatur yang baik
- Mempunyai rentang tegangan yang cukup besar yaitu 10 sampai dengan 26 volt - Mempunyai rentang frekuensi kerja yang besar
Dengan keunggulan-keunggulan yang dimiliki oleh XR2206, XR2006 ini biasanya diaplikasikan untuk
- Menghasilkan sinyal (sinus, segitiga, kotak, dan gergaji) - Menghasilkan sinyal FSK (Frequency Shift Keying)
- Menghasilkan sinyal AM (Amplitude Modulation) / FM (Frequency Modulation)
- Konverter tegangan ke frekuensi - PLL (Phase Locked Loop)
13
Gambar 2.9. Konfigurasi IC XR2206
2.7. IC IR2110
IR2110 merupakan sebuah IC driver setengah gelombang untuk MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) atau IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) yang mempunyai tegangan dan kecepatan yang tinggi. IR2110 ini mempunyai 2 buah input yaitu LIN dan HIN dan 2 buah output yaitu LO dan HO. Input yang terhubung pada kaki LIN akan dikeluaran bagian rendahnya (low) saja pada kaki LO. Sedangkan input yang terhubung pada kaki HIN akan dikeluarkan bagian tingginya (high) saja pada kaki HO. Gambar 2.10 berikut menunjukkan konfigurasi dari IC IR2110
Gambar 2.10. Konfigurasi IC IR2110
2.8. Konfigurasi H-Bridge
14
Transistor). Transistor pada konfigurasi H-bridge ini difungsikan sebagai switching atau sebagai saklar. Gambar 2.11 menunjukkan konfigurasi dasar dari konfigurasi H-bridge
Gambar 2.11. Konfigurasi H-bridge
Konfigurasi H-bridge pada Gambar 2.11 akan bekerja jika beban mendapatkan pasokan tegangan dan arus dapat mengalir dari Vcc ke ground. Dengan kata lain, saklar 3 dan saklar 2 harus dalam kondisi on secara bersamaan atau saklar 4 dan saklar 1 dalam kondisi on secara bersamaan.
2.9. Transformator
Teori dasar transformatoratau sering kita kenal dengan sebutan trafo adalah suatu alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang yang lain, melalui suatu gandengan magnet berdasarkan prinsip induksi electromagnet. Trafo ini dapat mengubah tegangan AC (bolak-balik) menjadi lebih tinggi atau menjadi lebih rendah tanpa mengubah frekuensinya.
15
Gambar 2.12. Bagian primer dan sekunder trafo
Trafo biasanya digunakan untuk menyesuaikan atau merubah tegangan listrik arus bolak-balik, untuk memisahkan suatu rangkaian dengan rangkaian yang lainnya, dan untuk menyesuaikan impedansi antara rangkaian satu dengan lainnya.
Aplikasi penggunaan trafo dibedakan menjadi 2 macam
1. Trafo step-up (penaik tegangan), yaitu dengan memberikan tegangan masukkan pada bagian sekundernya maka pada bagian primer trafo akan menghasilkan tegangan yang lebih tinggi.
2. Trafo step-down (penurun tegangan), yaitu dengan memberikan tegangan masukkan pada bagian primernya maka pada bagian sekunder trafo akan menghasilkan tegangan yang lebih rendah.
Arus yang masuk pada bagian primer (Ip) dan sekunder (Is) trafo tidak sama. Hal ini dipengaruhi oleh banyaknya lilitan primer (Np) dan lilitan sekunder (Ns) pada trafo, Hubungan tegangan, arus, dan banyaknya lilitan pada bagian primer dan sekunder trafo ditunjukkan oleh persamaan �
16
Berdasarkan sifatnya filter ada 2 macam yaitu filter pasif dan filter aktif. Filter pasif dapat dirancang dengan menggunakan komponen pasif seperti resistor, kapasitor, dan induktor. Sedangkan filter aktif biasanya menggunakan komponen aktif seperti op-amp dan transistor. Jika dibandingkan dengan filter pasif, filter aktif ini memiliki beberapa keunggulan yaitu harga komponen untuk filter aktif yang relatif lebih murah, tidak ada masalah pada pembebanan karena tahanan inputnya tinggi dan tahanan outputnya rendah, serta pengaturan penguatan dan frekuensi yang relativf lebih mudah.
Rangkaian filter ini dapat diaplikasikan secara luas, baik untuk menyaring sinyal pada frekuensi rendah, frekuensi audio, frekuensi tinggi, atau pada frekuensi-frekuensi tertentu saja. Oleh karena itu, baik filter pasif maupun filter aktif dapat dikelompokkan menjadi 4 tipe yaitu
1. Filter lolos bawah (LPF/Low Pass Filter) 2. Filterlolos atas (HPF/High Pass Filter) 3. Filter lolos pita (BPF/Band Pass Filter)
4. Filter tolak rendah (BSF/Band Stop Filter / Notch Filter)
Setiap filter pasti mempunyai frekuensi cut-off (fc), yaitu batas frekuensi dimana tegangan akan dilewatkan secara penuh atau mulai diperlemah. Pada LPF, keluaran tegangannya akan tetap sama sampai fc kemudian frekuensi di atasnya akan mulai diperlemah. Pada HPF, keluaran di bawah fc masih lemah dan naik terus sampai tegangan keluarannya stabil pada frekuensi tertentu. Untuk BPF dan BSF memiliki 2 buah frekuensi cut-off yaitu fL (low) dan fH (high), namun frekuensi yang akan dilewatkan berbeda. Pada BPF, frekuensi yang dilewatkan adalah frekuensi antara fL dan fH. Sedangkan pada BSF frekuensi yang dilewatkan adalah frekuensi di bawah fL dan di atas fH
17
Gambar 2.13. Bentuk tanggapan frekuensi filter
2.11. SCR (Silicon Controlled Rectifier)
SCR merupakan perpaduan antara transistor PNP dan NPN namun mempunyai prinsip kerja yang berbeda dengan kedua jenis transistor tersebut. SCR ini mempunyai 3 buah kaki yaitu anoda, katoda, dan gate. Gambar 2.14 berikut ini akan menunjukkan simbol dari sebuah SCR.
18
SCR dapat ditriger menjadi on dengan memberikan arus pada kaki gate SCR. Semakin besar arus gate yang diberikan (� ), maka tegangan minimum yang dibutuhkan untuk membuat SCR menjadi on atau sering disebut sebagai tegangan breakover (� ) akan semakin kecil. Ketika SCR sudah on, SCR membutuhkan nilai arus tertentu atau sering disebut dengan istilah arus holding (� ) yang digunakan untuk mempertahankan SCR agar tetap on. Oleh karena itu, cara untuk membuat sebuah SCR menjadi off adalah dengan cara menurunkan arus anoda ke katoda turun di bawah arus holding (� ). Gambar 2.15 berikut ini akan menunjukkan karakteristik dari sebuah SCR.
