21
4.1. Topik 1. Rangkaian Pemicu SCR dengan Menggunakan Rangkaian RC
(Penyearah Setengah Gelombang dan Penyearah Gelombang Penuh).
A. Penyearah Setengah Gelombang
Gambar 4.1. Tegangan Keluaran Kondisi Potensiometer Minimum (Penyearah
Gambar 4.2. Tegangan Keluaran Kondisi Potensiometer Tengah (Penyearah
Setengah Gelombang).
Gambar 4.3. Tegangan Keluaran Kondisi Potensiometer Maksimum (Penyearah
Gambar 4.4. Tegangan Thyristor Kondisi Potensiometer Minimum (Penyearah
Setengah Gelombang).
Gambar 4.5. Tegangan Thyristor Kondisi Potensiometer Tengah (Penyearah
Gambar 4.6. Tegangan Thyristor Kondisi Potensiometer Maksimum (Penyearah
Setengah Gelombang).
Percobaan ini menghasilkan bentuk penyearah setengah gelombang dengan sudut picu tertentu yang dikarenakan efek thyristor. Bentuk tegangan keluaran pada resistor beban dan tegangan thyristor yang diharapkan terlihat pada Gambar 4.7.
Gambar 4.7. Tegangan Keluaran Resistor Beban dan Tegangan Thyristor.
B. Penyearah Gelombang Penuh
Gambar 4.8. Tegangan Keluaran Kondisi Potensiometer Minimum (Penyearah
Gelombang Penuh).
Gambar 4.9. Tegangan Keluaran Kondisi Potensiometer Tengah (Penyearah
Gambar 4.10. Tegangan Keluaran Kondisi Potensiometer Maksimum
(Penyearah Gelombang Penuh).
Gambar 4.11. Tegangan Thyristor Kondisi Potensiometer Minimum (Penyearah
Gambar 4.12. Tegangan Thyristor Kondisi Potensiometer Tengah (Penyearah
Gelombang Penuh).
Gambar 4.13. Tegangan Thyristor Kondisi Potensiometer Maksimum
Pada percobaan ini, hasil yang diharapkan berbentuk penyearah gelombang penuh dengan sudut picu tertentu. Bentuk gelombangnya dapat dilihat pada Gambar 4.14 berikut.
Gambar 4.14. Tegangan Keluaran Resistor Beban dan Tegangan Thyristor.
Hasil percobaan sesuai dengan yang diharapkan dengan analisis berikut. Baik saat siklus positif maupun negatif tegangan masukan, arus tetap mengalir melalui rangkaian dioda-dioda 1N4007 yang dapat juga disebut rangkaian diode-bridge
tegangan resistor beban. Ini terlihat pada Gambar 4.11, dimana tegangan thyristor bernilai nol yang menunjukkan kondisi Thyristor aktif atau bisa dianggap sebagai hubung singkat. Begitu juga dengan analisis grafik tegangan Thyristor pada Gambar 4.12 dan Gambar 4.13.
4.2. Topik 2. Rangkaian Osilasi Pencuplik.
Percobaan ini menghasilkan gelombang DC yang berosilasi atau dapat juga dikatakan sebagai gelombang kotak seperti keluaran timer. Bentuk gelombang DC dan gelombang keluaran yang diharapkan terlihat pada Gambar 4.15.
Gambar 4.15. Tegangan DC dan Tegangan Resistor Beban.
Gambar 4.16. Rangkaian Pembangkit Pulsa.
Dari Gambar 4.16 dapat dianalisis bahwa saat pertama (t = 0s) UJT tidak aktif. Arus tidak mengalir dari kaki E menuju kaki B1 pada UJT. Arus mengalir dari sumber tegangan Vbb menuju resistor 100 ohm menuju potensiometer kemudian
mengisi kapasitor C1. Lama pengisian kapasitor dapat dilihat pada rumus 4.1.
) 1 . 0 )( 100
( R uF
RC ter Potensiome Pengisian Pengisian (4.1)
Beda tegangan pada kaki B1 UJT terhadap bidang bumi menghasilkan tegangan 0 Volt (tidak ada tegangan). Setelah kapasitor C1 penuh, kapasitor C1 mengosongkan muatannya. Arus kemudian mengalir melalui kaki E menuju kaki B1 (UJT). Kondisi UJT menjadi aktif. Waktu yang dibutuhkan untuk mengosongkan kapasitor C1 dapat dilihat pada rumus 4.2.
) 1 . 0 ( 1 uF R RC B n Pengosonga n Pengosonga (4.2)
Nilai hambatan pada kaki B1 (RB1) dapat dihitung melalui lebar pulsa yang
keluar dari UJT (tegangan VB1g) terhadap bidang bumi. Rumus 4.2 yang merupakan
C1. Beda tegangan kaki B1 (UJT) terhadap bidang bumi memiliki nilai walaupun kecil. Dari rangkaian Gambar 3.3, variabel resitor (potensiometer) berfungsi sebagai pengatur lamanya pengisian kapasitor C1. Jika nilai variabel resistor tersebut diperbesar maka pengisian kapasitor berlangsung secara lama. Begitu pula sebaliknya, jika nilai variabel resistor diubah minimum, maka pengisian kapasitor berlangsung secara lebih cepat. Oleh karena itu, perubahan nilai potensiometer akan mengubah lebar sempitnya pulsa (waktu). Rangkaian pada Gambar 4.16 dapat dianalogikan dengan rangkaian timer yang menghasilkan nilai 1 (Vcc) dan nilai 0 (0
Volt). Namun yang membedakan dengan rangkaian timer adalah fasanya. Perbedaan ini akan dibahas pada topik peragaan selanjutnya. Bentuk gelombangnya dapat dilihat pada Gambar 4.17.
Gambar 4.17. Gelombang pulsa yang merupakan keluaran rangkaian Gambar
Gambar 4.18. Rangkaian Penghasil Gelombang Kotak.
Gambar 4.18 menunjukkan rangkaian penghasil gelombang kotak. Ini dikarenakan adanya thyristor yang berfungsi sebagai saklar. Saat kaki gerbang dipicu yang membuat thyristor aktif, maka tegangan keluaran (tegangan pada resistor beban) menjadi sama dengan Va. Tegangan ini dipertahankan sampai saat pengosongan induktor (dengan arus balik) dan kapasitor. Hal ini membuat thyristor tidak aktif dan nilai tegangan thyristor menjadi 0 Volt. Pengosongan induktor (dengan arus balik) dan kapasitor menyebabkan tegangan pada kaki anoda thyristor menjadi negatif daripada kaki katodanya. Kondisi ini dinamakan komutasi sendiri. Bentuk tegangan keluaran saat thyristor tidak aktif menjadi negatif karena tegangan pengosongan kapasitor dijumlahkan dengan tegangan pengosongan induktor lebih besar daripada tegangan supply. Duty-cycle Gambar 4.18 dapat diubah lebar sempitnya dengan cara mengubah nilai kapasitor atau induktor. Namun nilai kapasitor dan induktor pada peraga tetap karena tujuan dari percobaan ini adalah untuk menunjukkan osilasi Pencuplik.
karena efek dari pengisian dan pengosongan arus balik induktor. Gambar 4.19 merupakan gelombang pada resistor beban.
Gambar 4.19. Gelombang keluaran pada resistor beban.
4.3. Topik 3. Rangkaian Pemicu Thyristor dengan Menggunakan UJT.
Gambar 3.4 dan 3.5 dapat dibagi menjadi 2 bagian rangkaian, yaitu rangkaian penghasil pulsa dan rangkaian pemicuan thyristor.
Tegangan Vin (220 Volt AC) pada Gambar 4.20 dikecilkan dengan menggunakan trafo. Kemudian sinyal AC yang telah diperkecil tersebut disearahkan menggunakan rangkaian diode-bridge. Itulah yang menjadi keluaran grafik tegangan V1g.
Gambar 4.21. Tegangan V1g.
Setelah disearahkan, sinyal tersebut dibatasi sampai nilai puncak tegangan hanya 24 Volt. Seandainya nilai puncak tegangan lebih dari 24 Volt maka sinyal tersebut akan dipotong. Inilah fungsi dari dioda zener. Namun pada percobaan grafik tegangan V1g tidak memiliki puncak lebih atau sama dengan 24 Volt, jadi tidak ada
sinyal yang terpotong.
Sinyal keluaran tersebut kemudian memasuki bagian terakhir yang menghasilkan pulsa dengan menggunakan komponen UJT. Awalnya UJT belum dapat diaktifkan karena arus mengalir untuk mengisi kapasitor. Setelah kapasitor penuh, kapasitor akan mengosongkan muatan. Inilah yang membuat UJT aktif. Kemudian sinyal keluaran VB1g menjadi berbentuk pulsa-pulsa. Grafik tegangan V2g
kapasitor. Cara perhitungan lamanya pengisian dan pengosongan kapasitor dapat dilihat pada Persamaan 4.1 dan 4.2. Dari Persamaan 4.1 didapatkan waktu pengisian minimum 0.01 ms (saat potensiometer 0 ohm) dan waktu pengisian maksimum 50 ms (saat potensiometer 500 kilo ohm). Untuk pengosongan kapasitor karena nilai hambatan dalam UJT begitu kecil maka jika dijumlahkan dengan pengisian kapasitor dapat diabaikan. Perhitungan ini sesuai dengan hasil pada Gambar 4.22 dimana proses pengisian dan pengosongan kapasitor diperkirakan diantara 0.01 ms dan 50 ms. Pada Gambar 4.22 proses pengisian dan pengosongan kapasitor berlangsung selama 10 ms.
Gambar 4.23. Tegangan VB1g.
Kemudian grafik tegangan VB1g ini akan diperkuat dengan menggunakan
transformer yang nantinya masuk melalui kaki gerbang thyristor. Tujuan perlu adanya transformer ini adalah untuk menguatkan tegangan VB1g dikarenakan adanya
tegangan minimal yang harus dipenuhi kaki gerbang. Selain itu juga untuk membedakan bidang bumi atau tegangan minimum antara rangkaian penghasil pulsa dengan rangkaian pemicu thyristor. Dimana rangkaian penghasil pulsa memiliki tegangan minimum 0 Volt, sedangkan rangkaian pemicu thyristor memiliki tegangan minimum lebih kecil dari 0 Volt. Jika tidak menggunakan transformer ini maka rangkaian penghasil pulsa akan mengalami gangguan yang dapat merusak komponen. Dioda disebelah transformer bertujuan untuk mengantisipasi arus balik yang datang menuju UJT. Jika tidak ada dioda ini menyebabkan UJT menjadi panas, dan kelamaan UJT akan meledak karena arus berlebih.
pada masukan tegangan awalnya. Walaupun memiliki bentuk gelombang yang berbeda, tetapi rangkaian pemicu thyristornya sama. Hal ini berarti bukan rangkaian tersebut yang mempengaruhi tetapi bergantung pada masukan yang disearahkan terlebih dahulu atau tidaknya.
Gambar 4.24. Rangkaian Pemicuan Thyristor.
Gambar 4.25. Tegangan Keluaran Resistor Beban dan Tegangan Thyristor
Penyearah Gelombang Penuh dan Penyearah Setengah Gelombang.
Pada percobaan ini hasilnya sama dengan yang diinginkan. Untuk analisisnya masing-masing antara penyearah setengah gelombang dan penyearah gelombang penuh dapat dilihat berikut.
A. Penyearah Setengah Gelombang
keluaran (tegangan pada resistor beban) menjadi 0 Volt karena dapat dianggap hubung singkat. Sedangkan tegangan thyristor sama dengan tegangan masukan. Pada siklus positif, thyristor dapat aktif karena kaki anoda lebih positif daripada kaki katodanya. Sehingga thyristor mendapat arus bias maju dan thyristor dapat dianggap sebagai hubung singkat. Sementara itu grafik tegangan resistor beban sama dengan tegangan masukan. Tegangan thyristor sama dengan 0 Volt. Sudut picu ini bergantung dari letak pulsa yang diatur oleh variabel resistor atau potensiometer. Dimana variabel resistor ini menentukan waktu yang dibutuhkan untuk pengisian ataupun pengosongan. Berikut ini adalah gambar grafik tegangan thyristor dan tegangan resistor beban untuk 3 kondisi nilai variabel resistor. Sudut picu pada percobaan ini berada pada 0 derajat sampai dengan 180 derajat. Ini disebabkan efek dari UJT. Jika tanpa UJT hasil yang sama dengan Topik 1 akan didapatkan.
Gambar 4.27. Tegangan resistor beban saat potensiometer ditengah-tengah.
Gambar 4.29. Tegangan thyristor saat potensiometer minimum.
Gambar 4.31. Tegangan thyristor saat potensiometer maksimum.
B. Penyearah Gelombang Penuh
Gambar 4.32. Tegangan resistor beban saat potensiometer minimum.
Gambar 4.34. Tegangan resistor beban saat potensiometer maksimum.
Gambar 4.36. Tegangan thyristor saat potensiometer ditengah-tengah.
4.4. Topik 4. Rangkaian Pemicuan Digital.
Pada percobaan ini, thyristor dapat dipicu dengan menggunakan suatu rangkaian digital dengan bentuk tegangan thyristor yang diharapkan terlihat pada Gambar 4.38.
Gambar 4.38. Tegangan Thyristor.
Hasil yang didapat saat percobaan hampir sama bergantung dengan frekuensi yang diberikan akibat keluaran rangkaian timer. Untuk analisisnya dapat dilihat berikut. Dari Gambar 3.6, dapat dilihat bahwa pemicu thyristor berupa rangkaian digital. Rangkaian digital yang dipakai adalah rangkaian timer yang menggunakan IC NE555. Tegangan keluaran yang dihasilkan dari rangkaian timer berupa sinyal kotak. Tegangan yang digunakan pada rangkaian timer tersebut diantara 5 Volt dan 10 Volt. Batas minimum ini digunakan dengan tujuan agar keluaran rangkaian timer tersebut dapat membuat thyristor aktif. Sedangkan batas maksimum 10 Volt dengan tujuan agar tidak merusak IC NE555. Grafik tegangan SCR yang dihasilkan berupa grafik sinusoidal yang terkadang nilai positifnya terpotong. Ini karena frekuensi antara sinyal masukan dan sinyal timer tidak sama.
Pada Gambar 4.39, resistor RA berupa potensiometer dengan nilai batas 0-500 kΩ, resistor RB 51 kΩ, dan kapasitor C bernilai 0.1uF. Dari ketiga nilai tersebut dapat digunakan untuk menghitung frekuensi gelombang kotak yang akan dikerluarkan dengan menggunakan Persamaan 4.3.
C RB RA f * ) 2 ( * 2 ln 1 (4.3) Dari Persamaan 4.3 dapat diketahui frekuensi minimum dan maksimum yang bekerja pada rangkaian timer Gambar 4.39 secara teoritis yaitu sebagai berikut.
Hz f f 97 . 23 10 * ) 51000 * 2 500000 ( * 2 ln 1 m in 7 m in Hz f f 44 . 141 10 * ) 51000 * 2 0 ( * 2 ln 1 max 7 max
Gambar 4.40. Tegangan keluaran timer dengan frekuensi 200 Hz.
Gambar 4.41. Tegangan SCR dengan frekuensi timer 200 Hz.
Gambar 4.43. Tegangan SCR dengan frekuensi timer 100 Hz.
Dari rangkaian Gambar 3.6 dapat dianalisis saat siklus positif, SCR aktif (tergantung dengan frekuensi timer) sehingga SCR dapat dianggap hubung singkat. Sehingga tegangan SCR (VSCR) bernilai 0 Volt. Saat masukan berada pada siklus
negatif maka SCR berada pada kondisi tidak aktif dan SCR dianggap sebagai hubung buka. Ini memberikan nilai tegangan SCR sama dengan tegangan masukan. Duty-cycle pada percobaan ini tidak berpengaruh pada bentuk gelombang yang dikeluarkan.
4.5. Topik 5. Rangkaian Pengendali Tegangan AC dengan Menggunakan Kombinasi
TRIAC-DIAC.
Gambar 4.44. Tegangan Keluaran Resistor Beban dan Tegangan TRIAC.
Gambar 4.45. Tegangan resistor beban saat potensiometer minimum.
Gambar 4.47. Tegangan resistor beban saat potensiometer maksimum.
Gambar 4.49. Tegangan TRIAC saat potensiometer ditengah-tengah.
4.6. Topik 6. Penyearah Kendali Gelombang Penuh Fasa Tunggal.
Penyearah kendali gelombang penuh fasa tunggal merupakan gabungan dari 2 penyearah setengah gelombang yang berbeda 180 derajat sehingga mendapatkan bentuk penyearah gelombang penuh. Hasil keluarannya sama dengan penyearah gelombang penuh murni. Bentuk gelombang tegangan keluaran resistor beban yang diharapkan terlihat pada Gambar 4.51.
Gambar 4.51. Tegangan Keluaran Resistor Beban.
Hasil percobaan ini sesuai dengan yang diharapkan Gambar 4.51 dengan analisis berikut. Pada rangkaian Gambar 3.8 dapat dibagi menjadi 2 bagian yaitu rangkaian penghasil pulsa dan rangkaian penyearah gelombang seperti Gambar 4.20 dan 4.24. Pada percobaan ini ada 2 buah rangkaian penyearah setengah gelombang. Karena pada percobaan ini menggunakan 2 buah thyristor yang berjalan secara berkebalikan. Thyristor yang pertama berfungsi untuk menyearahkan siklus positif sinyal masukan dan memblokir siklus negatif. Sedangkan thyristor ke-2 memiliki peranan yang berkebalikan yaitu menyearahkan siklus negatif sinyal masukan dan memblokir siklus positifnya. Rangkaian penghasil pulsa terdiri dari penyearah gelombang, pemotong gelombang, dan pembentuk pulsa dengan menggunakan UJT.
pengaman dipakai dioda zener 24 Volt. Jadi jika grafik tegangan masukan yang telah disearahkan melebihi 24 Volt akan dipotong sampai bernilai 24 Volt. Jika tegangan tersebut dibawah 24 Volt maka akan diloloskan. Kemudian barulah diproses untuk mendapatkan sinyal impuls atau dalam percobaan ini menyerupai impuls untuk memicu thyristor. Awalnya karena kapasitor baru memulai pengisian sehingga kapasitor dapat dianggap sebagai hubung singkat, maka arus mengalir menuju kapasitor dan mengisi kapasitor. Setelah batas pengisian kapasitor, kapasitor akan mengosongkan sehingga UJT mengalami bias maju. Ini membuat UJT menjadi aktif dan kapasitor mengalami pengosongan muatan. UJT yang aktif ini membuat tegangan yang masuk transformer menjadi ada (tidak 0). Namun karena bernilai kecil maka harus diperkuat agar kaki gerbang thyristor menjadi terpicu. Selain itu transformer ini juga berfungsi untuk membedakan bidang bumi atau nilai minimum yang berbeda antara rangkaian penghasil pulsa dan rangkaian penyearah gelombang. Dengan tujuan untuk melindungi UJT dari arus balik.
Gambar 4.53. Tegangan resistor beban saat potensiometer minimum.
Gambar 4.54. Tegangan resistor beban saat potensiometer minimum.
Gambar 4.56. Tegangan resistor beban saat potensiometer maksimum.
4.7. Topik 7. Tugas Rancang : Step-Down Chopper.
Gambar 4.57. Rangkaian Step-Down Chopper.
MC34063 berfungsi sebagai pengatur dengan memvariasikan waktu ton dan
siklus waktu switching keseluruhan. Analisis rangkaian Gambar 4.57 sebagai berikut. Awalnya transistor Q1 dianggap tidak aktif, arus induktor IL menjadi 0, dan tegangan
keluaran sama dengan tegangan keluaran yang seharusnya. Tegangan keluaran yang melalui kapasitor Co akan menurun dibawah nilai seharusnya karena arus itu adalah
komponen yang satu-satunya menyuplai arus ke beban RL. Penurunan tegangan
dipantau oleh rangkaian pengendali switching dan menyebabkan Q1 saturasi. Arus
induktor akan mengalir dari Vin melalui Q1 lalu induktor L kemudian menuju Co yang
paralel dengan RL. Saat transistor Q1 tidak aktif, medan magnet pada induktor mulai
dioda Schotkey menjadi bias maju. Arus puncak akan menurun seiring dengan energi yang disuplai untuk Co dan RL.
Untuk merancang sebuah step-down yang dapat menghasilkan tegangan keluaran sebesar 15 V dari tegangan masukan 30 V, harus menentukan nilai-nilai resistor (R1, R2, dan RSC), kapasitor (CT dan CO), dan induktor (L).
Sebelum menentukan nilai-nilai komponen tersebut, terlebih dahulu menentukan lama waktu siklus on (ton) dan siklus off (toff ) berlangsung dengan menggunakan persamaan-persamaan berikut.
out sat in F out off on V V V V V t t (m in) (4.4) f t
ton off 1 (4.5)
1 off on off on off t t t t
t (4.6)
off off on
on t t t
t (4.7)
Nilai-nilai komponen dapat dihitung dengan menggunakan persamaan-persamaan berikut. (m ax) 2 out pk I I (4.8) pk sc I
on
T t
C 4 10 5 (4.10)
) ( 8 ) ( Vpp ripple off on PK O V t t I
C (4.11)
on pk out sat in t I V V V
Lm in (m in) (4.12)
Nilai resistor R1 dan R2 ditentukan sendiri agar dapat menghasilkan tegangan
keluaran yang sesuai dengan yang dikehendaki. Nilai tegangan keluaran dihitung dengan Persamaan (4.13) berikut.
1 2 1 25 , 1 R R
Vout (4.13)
V K K R R V mF ms V t t I C mH ms t I V V V L I R A mA I I nF F t C ms ms ms t t t t ms s ms t t t t t ms KHz f t t V V V V V t t mV V mA I V V V V V V out ripple off on P K O on pk out sat in pk sc out pk on T off off on on off on off on off off on out sat in F out off on ripple maz out out in 15 12 25 , 1 10 110 1 25 , 1 1 25 , 1 03125 , 0 1 , 0 8 05 , 0 5 , 0 8 ) ( 6325904 , 0 028624 , 0 5 , 0 15 5 , 0 27 6 , 0 5 , 0 3 , 0 3 , 0 5 , 0 250 2 2 1 , 1 10 96 , 1144 10 624 , 28 10 4 10 4 028624 , 0 021 , 0 05 , 0 021376 , 0 10 376 , 21 1 3391 , 1 05 , 0 1 05 , 0 20 1 1 3391 , 1 5 , 11 4 , 15 15 5 , 0 27 4 , 0 15 100 250 15 33 27 % 10 30 1 2 (m in) m in (m ax) 12 6 5 5 6 (m in) ) (
Karena nilai-nilai komponen yang diperoleh dari hasil penghitungan tidak tersedia di pasaran dengan nilai yang sama persis, maka nilainya disesuaikan dengan yang ada di pasaran. Nilai-nilai komponen yang digunakan:
uF CO 33
mH Lmin 0,625
Hasil tugas rancang dengan tegangan masukan (Vin) bernilai 28.6 Volt dapat
membuat tegangan keluaran (Vout) bernilai 15 Volt. Begitu tegangan masukan
