Inverter untuk mengontrol motor induksi = inventer controlling induction motor - USD Repository

TUGAS AKHIR

INVERTER UNTUK MENGONTROL MOTOR INDUKSI

Diajukan untuk memenuhi salah satu syarat memperoleh gelar Sarjana Teknik pada

Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Sanata Dharma

Disusun oleh:

YOHANES DWI ATMOKO NIM: 025114044

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS SANATA DHARMA YOGYAKARTA

2007

INVERTER CONTROLLING INDUCTION MOTOR

Submitted as partial fulfillment of The requirement for Sarjana Teknik degree in Electrical Engineering Faculty of Engineering Sanata dharma University

Compiled by:

YOHANES DWI ATMOKO NIM: 025114044

DEPARTMENT ELECTRICAL ENGINEERING FACULTY OF ENGINEERING

SANATA DHARMA UNIVERSITY YOGYAKARTA

2007

MOTO:

¾

]tÇztÇ Åâwt{ áx~tÄ| ÅxÇçxÜt{ }|~t ~xtwttÇ ÅxÇ}tw| uâÜâ~? ~tÜxÇt

gâ{tÇ ux~xÜ}t w| wtÄtÅ {|wâÑ ~|àtA

¾

]|~t à|wt~ wtÑtà tÑt çtÇz ~|àt áâ~tAAAAAuxÄt}tÜÄt{ âÇàâ~ ÅxÇçâ~t| tÑt

çtÇz ~|àt wtÑtàAAA

PERSEMBAHAN:

~â ÑxÜáxÅut{~tÇ ~tÜçt ~xv|Ä~â |Ç| âÇàâ~ M

gâ{tÇ ]xáâá ^Ü|áàâá tàtá áxztÄt ~tá|{ wtÇ ~xut|~tÇ@açt

|uâ utÑt~~â }âzt ~t~t~~â wtÇ tw|~@tw|~~â àxÜv|Çàt çtÇz áxÇtÇà|tát ÅxÇwÉt~tÇ wtÇ ÅxÇztá|{| t~â

KATA PENGANTAR

Syukur kepada Tuhan yang telah melimpahkan rahmat serta kasih-Nya kepada

penulis untuk menyelesaikan tugas akhir yang berjudul “Inverter Untuk Mengontrol

Motor Induksi”.

Penulis menyadari bahwa skripsi ini tidak mungkin dapat terselesaikan dengan

baik tanpa bantuan dari berbagai pihak. Oleh karena itu penulis mengucapkan

terimakasih kepada:

1. Bapak A. Bayu Primawan, S.T.,M.Eng. selaku Kaprodi Teknik Elektro.

2. Bapak Martanto, S.T., M.T dan pak Petrus Setyo Prabowo S.T. yang telah dengan

sabar membimbing dan menyemangati serta memberikan ilmunya kepada penulis,

sehingga penulis semakin terpacu untuk menyelesaikan skripsi ini dengan

sebaik-baiknya.

3. Pak Djoko Untoro, S.si, M.T selaku pembimbing akademik

4. Segenap dosen dan karyawan Teknik atas bimbingan, ilmu dan pelayanan yang

diberikan selama ini.

5. Laboran TE mas hardi, mas mardi, mas Sur, Mas Broto serta mas Yusuf yang sering

tak repotin selama ini.

6. Ibu, Bapak, kakakku dan adik-adikku yang telah memberikan kasih sayang, dorongan

moril dan materiil kepada penulis.

7. Teman-teman TE ‘02 dan ‘03 atas segala pengalaman hidup bersama selama ini.

8. Andre “PK” , Tanto, kelik , Briatma makasih banget atas bantuaannya.

ku selama penyusunan tugas akhir ini.

10.Cah-cah kampung wiyu dimana aku tinggal, yang selalu penuh kerja keras “ angkat

sekopmu”.

11. Mitsubishi 120Ps 91 yang banyak membantu aku, “ojo rusak terus aku masih

membutuhkanmu”.

Semoga Tuhan melimpahkan rahmat-Nya kepada kita semua dan semoga tulisan ini

dapat berguna dan bermanfaat bagi penulis maupun pembaca semuanya, Amin.

Jogjakarta, Juli 2007

Penulis,

Yohanes Dwi Atmoko

DAFTAR ISI

HALAMAN JUDUL ... i

HALAMAN JUDUL (INGGRIS)... ii

HALAMAN PENGESAHAN ... iii

PERNYATAAN KEASLIAN KARYA TULIS... v

HALAMAN MOTO DAN PERSEMBAHAN... vi

KATA PENGANTAR ... vii

DAFTAR ISI... ix

DAFTAR GAMBAR ... xiii

DAFTAR TABEL ……….. xvi

DAFTAR LAMPIRAN... xvii

INTISARI ... xviii

ABSTRACT... xix

BAB I. PENDAHULUAN ... 1

1.1 Judul... 1

1.2 Latar Belakang ... 1

1.3 Perumusan Masalah ... 2

1.4 Batasan Masalah ... 2

1.5 Manfaat Penelitian ... 3

1.6 Susunan Penulisan Tugas Akhir ... 3

BAB II. DASAR TEORI ... 5

2.1 Penyearah ... 6

2.3 Pembangkit Gelombang Sinus ... 8

2.4 Buffer Tegangan ... 9

2.5 Pembangkit Gelombang Segitiga ... 10

2.6 SPWM (Sinusoidal Pulse Width Modulation) . ... 11

2.7 Transistor . ... 16

2.8 Optokopler . ... 18

2.9 Chopper Empat Kuadran . ... 18

2.9.1 Kuadran satu ... 19

2.9.2 Kuadran dua ... 20

2.9.3 Kuadran tiga ... 20

2.9.4 Kuadran empat ... 21

2.10 MOSFET ... 22

2.11 Motor Induksi Satu Fasa ... 24

2.12 Penapis Aktif Lolos Rendah ... 25

2.13 Multivibrator Astabil ... 26

2.14 D Flip-Flop... 28

2.15 Gerbang logika NAND ... 29

2.16 Pencacah Dekade ... 30

2.17 Dekoder... 32

BAB III. PERANCANGAN ... 34

3.1 Penyearah ... 35

3.2 Tapis Kapasitor ... 37

3.3 Pembangkit Gelombang Sinus... 38

3.4 Pembangkit Gelombang Segitiga... 39

3.5 SPWM... 41

3.6 Kendali Kaki Gate ... 44

3.7 Chopper... 46

3.8 Motor AC ... 47

3.9 Pewaktu... 49

3.10 Rangkaian Basis Waktu ... 51

3.11 Penampil Frekuensi Inverter... 51

3.11.1 Rangkaian Pengondisi Sinyal ... 52

3.11.2 Rangkaian Pencacah, Lacth, dan Multiplekser ... 53

3.11.3 Dekoder dan 7-segmen LED... 55

3.11 Penampil Kecepatan Motor... 55

3.11.1 Rangkaian Pengondisi Sinyal ... 56

3.11.2 Rangkaian Pencacah, Lacth, dan Multiplekser ... 57

3.11.3 Dekoder dan 7-segmen LED ... 60

BAB IV. HASIL DAN PEMBAHASAN ... 61

4.1 Cara Pengoperasian Alat... 61

4.2 Pengamatan Penyearah ... 62

4.3 Pengamatan Pembangkit Gelombang Sinus ... 63

4.4 Pengamatan pembangkit Gelombang Segitiga ... 65

4.5 Pengamatan SPWM . ... 68

4.6 Pengamatan Kendali Kaki Gate... 69

4.7.1 Pengamatan Frekuensi Motor . ... 71

4.7.2 Pengamatan Kecepatan Motor ... 75

4.7.3 Pengamatan Arus Motor . ... 79

BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ... 81

5.1 Kesimpulan ... 81

5.2 Saran ... 81

DAFTAR PUSTAKA ... 82

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2.1 Jembatan penyearah gelombang penuh... 6

Gambar 2.2 Penyearah dengan filter kapasitor ... 7

Gambar 2.3 Pembangkit gelombang sinus dengan XR-2206 ... 9

Gambar 2.4 Konfigurasi buffer tegangan... 9

Gambar 2.5 Pembangkit gelombang segitiga ... 10

Gambar 2.6 Cara kerja pembangkitan gelombang segitiga ... 11

Gambar 2.7 Pembangkit sinyal SPWM ... 12

Gambar 2.8 Bentuk gelombang SPWM... 13

Gambar 2.9 Kontrol tegangan dengan mengubah nilai ma ... 14

Gambar 2.10 karakteristik BJT. (a) NPN transistor. (b) ideal karakteristik (c) karakteristik transistor ... 16

Gambar 2.11 Transistor sebagai saklar... 17

Gambar 2.12 Optokopler. ... 18

Gambar 2.13 Chopper empat kuadran ... 19

Gambar 2.14 Kuadran pertama dengan tegangan dan arus beban positif... 19

Gambar 2.15 Kuadran kedua dengan tegangan beban negatif dan arus positif ... 20

Gambar 2.16 Kuadran ketiga dengan tegangan dan arus beban negatif ... 21

Gambar 2.17 Kuadran keempat dengan tegangan positif dan arus beban negatif ... 21

Gambar 2.18 Simbol MOSFET ... 22

Gambar 2.19 Transfer karakteristik dari n-chanel MOSFET tipe enhancement ... 23

Gambar 2.20 Karakteristik keluaran dari MOSFET tipe enhancement... 23

Gambar 2.21 Rangkaian pensaklaran MOSFET... 24

Gambar 2.23 Motor kapasitor ... 25

Gambar 2.24 Kurva umum karakteristik penapis lolos rendah... 26

Gambar 2.25 Rangkaian penapis VCVS... 26

Gambar 2.26 Rangkaian multivibrator dengan IC 555... 27

Gambar 2.27 Rangkaian D flip-flop ... 28

Gambar 2.28 Rangkaian logika gerbang logika NAND ... 29

Gambar 2.29 (a) pencacah dekade (b) bentuk gelombang... 31

Gambar 2.30 Rangkaian dekoder BCD ke 7-segmen LED ... 33

Gambar 3.1 Blok diagram voltage source inverter... 35

Gambar 3.2 Jembatan penyearah gelombang penuh... 35

Gambar 3.3 Tapis kapasitor ... 37

Gambar 3.4 Pembangkit gelombang sinus menggunakan XR-2206 ... 39

Gambar 3.5 Pembangkit gelombang segitiga ... 41

Gambar 3.6 Rangkaian SPWM... 42

Gambar 3.7 Rangkaian kendali kaki gate... 45

Gambar 3.8 Chopper empat kuadran ... 47

Gambar 3.9 (a) Rangkaian pewaktu 1 detik, (b) Rangkaian reset dan lacth... 50

Gambar 3.10 Rangkaian basis waktu... 51

Gambar 3.11 Rangkaian penapis lolos rendah dengan fc 50Hz ... 53

Gambar 3.12 Rangkaian pengondisi sinyal ... 53

Gambar 3.13 Rangkaian penampil frekuensi dengan mengunakan IC 4553, IC 4511 dan 7-segmen LED dua digit. ... 54

Gambar 3.14 Rangkaian sensor dan pengondisi sinyal ... 57

Gambar 3.15 Rangkaian penampil kecepatan dengan menggunakan

IC 4553, IC 4511 dan 7-segmen LED tiga digit. ... 59

Gambar 4.1 Gelombang sinus dengan frekuensi 45Hz... 63

Gambar 4.2 Pengamatan Gelombang segitiga ... 65

Gambar 4.3 Pengamatan keluaran pembanding gelombang segitiga dengan sinus ... 67

Gambar 4.4Pengamatan pendeteksi perpotongan dengan nol dengan frekuensi 48Hz... 68

Gambar 4.5 Pengamatan keluaran SPWM... 69

Gambar 4.6 Pengamatan kendali kaki gate satu dan tiga... 70

Gambar 4.7 Grafik galat pada pengamatan frekuensi... 74

Gambar 4.8 Grafik galat pengukuran kecepatan... 77

Gambar 4.9 Pengaruh perubahan frekuensi terhadap kecepatan motor... 78

Tabel 2.1 Harmonisa yang ternormalisasi untuk Vo dengan m_f > 21... 15

Tabel 2.2 Tabel kebenaran D flip-flop... 29

Tabel 2.3 Tabel kebenaran gerbang logika NAND ... 30

Tabel 2.4 Tabel kebenaran Pencacah dekade ... 32

Tabel 3.1 hubungan frekuensi dan kecepatan ... 48

Tabel 4.1 Pengamatan pada penyearah ... 62

Tabel 4.2 Pengamatan pada gelombang sinus ... 64

Tabel 4.3 Pengamatan pada gelombang segitiga ... 66

Tabel 4.4 Pengamatan pada kendali kaki gate... 70

Tabel 4.5 Pengamatan frekuensi ... 72

Tabel 4.6 Pengamatan kecepatan... 75

Tabel 4.7 Pengamatan pengaruh perubahan frekuensi terhadap arus dan Kecepatan... 79

DAFTAR LAMPIRAN

A. Rangkaian lengkap inverter... L1

B. Data percobaan... L2

C. Data Sheet ... L3

Elektronika daya dimanfaatkan pada peralatan elektronika di industri dan rumah tangga. Inverter memberikan kemudahan dalam pengaturan kecepatan motor AC, inverter merupakan konverter tegangan DC ke tegangan AC. Dengan menggunakan inverter modulasi lebar pulsa dimungkinkan tegangan keluaran AC dapat mendekati bentuk gelombang sinus, sehingga disebut modulasi lebar pulsa sinus. Gelombang sinus dengan frekuensi yang dapat diatur dibandingkan dengan gelombang segitiga dengan frekuensi tetap.

Pada perancangan ini dijelaskan perancangan inverter 1 fasa. Gelombang sinus dengan frekuensi yang dapat diatur dari 15Hz sampai dengan 50Hz dibandingkan dengan gelombang segitiga dengan frekuensi 2000Hz. Hasil pembandingan merupakan sinyal modulasi lebar pulsa sinus dengan rasio modulasi amplitudo =1 dan rasio modulasi frekuensi minimal adalah 40. Penyerahan masukan AC menggunakan dioda jembatan H 35MB60A, dan untuk konversi DC ke AC menggunakan chopper empat kuadran dengan pensaklaran menggunakan MOSFET 2SK2611. Tampilan frekuensi dan kecepatan putar motor ditampilkan dengan 7-segmen LED. Pengaturan frekuensi inverter dilakukan dengan mengatur frekuensi gelombang sinus.

a

m

f

m

Pada tugas akhir ini inverter yang dibuat diatur frekuensinya dari 25Hz sampai dengan 48Hz yang menghasilkan perubahan putaran dari 1470rpm sampai dengan 2870rpm, dengan menggunakan beban motor AC 220V/50Hz.

Kata kunci: inverter, modulasi lebar pulsa sinus, Pengaturan frekuensi.

ABSTRACT

Power electronics used in electronic devices of industry and household. Inverter is voltage converter DC to AC, Inverter gives amenity in speed control of AC motor. By using pulse width modulation inverter in order to shape the output AC voltage to be as close to sine wave, causing is called as sinusoidal pulse width modulation. Sine wave with variable frequency compared to triangular wave with constant frequency.

At this scheme explained the scheme of single phase inverter. Sine wave with variable frequency 15Hz up to 50Hz compared to triangular wave with frequency 2000Hz. Result of compared is modulation signal of sine pulse width with amplitude modulation ratio = 1 and frequency modulation ratio minimum is 40. The AC input is rectified through a diode bridge 30MB60A, and switch-mode DC to AC inverters applies four quadrants chopper with MOSFET 2SK2611 switches. Frequency appearance and rotation speed of motor is presented with 7-segmen LED. Frequency Control of inverter is done by arranging sine wave frequency.

a

m m_f

At this final task the frequency of the inverter is arranged from 25Hz up to 48Hz gets change of rotation speed from 1470rpm up to 2870rpm, by using AC motor 220V/50Hz.

Keyword: inverter, sinusoidal pulse width modulation, frequency control.

PENDAHULUAN

1.1 Judul

Inverter Untuk Mengontrol Motor Induksi (Inverter Controlling Induction Motor)

1.2 Latar Belakang

Perkembangan teknologi elektronika memberikan kemudahan dan menambah

kenyamanan bagi semua lapisan masyarakat dalam malakukan aktifitas sehari-hari.

Elektronika daya dimanfaatkan pada berbagai peralatan elektronika yang dapat dijumpai

setiap hari antara lain televisi, dan catu daya tak terputus (UPS Uninterruptible power

supplies).

Salah satu pemanfaatan yang lain adalah dalam pengendalian motor AC.

Pengendalian putaran motor AC banyak dijumpai dalam industri antara lain pada

pengendalian blower, HPP (High Pressure Pump), sugar mills, blending, dan lain-lain.

Peralatan elektronik yang menggunakan motor AC pada rumah tangga umumnya masih

memakai peralatan mekanik, antara lain pada mixer dengan saklar mekanik dan pada

motor mesin jahit dengan menggunakan batang arang.

Pengendalian motor AC dilakukan dengan mengatur frekuensi dan atau amplitudo

tegangan yang masuk ke motor AC. Pengaturan frekuensi dan atau amplitudo dapat

dilakukan dengan menggunakan peralatan yang disebut inverter, yang merupakan suatu

konverter yang mengkonversi tegangan DC menjadi AC dengan frekuensi yang dapat

diatur.

2

1.3 Perumusan Masalah

Permasalahan yang timbul dalam penyusunan tugas akhir ini dapat dirumuskan

sebagai berikut:

1. Bagaimana merancang dan membuat piranti yang dapat mengkonversi tegangan

listrik AC PLN menjadi tegangan DC (Penyearah).

2. Bagaimana merancang dan membuat alat perangkat keras yang dapat

mengkonversi tegangan DC menjadi AC (Inverter).

3. Bagaiman merancang dan membuat piranti yang dapat mengontrol frekuensi

keluaran.

4. Pemilihan motor induksi yang akan di kontrol.

1.4 Batasan Masalah

Batasan masalah pada tugas akhir ini yaitu:

1. Inverter yang akan dirancang dan dibuat adalah Voltage Source Inverter.

2. Motor induksi yang dipakai memiliki tegangan 220V, frekuensi 50Hz, satu fasa,

dan memiliki kecepatan 3000rpm (rotation per minute).

3. Bentuk gelombang keluarannya adalah Modulasi Lebar Pulsa Sinus (SPWM,

Sinusoidal Pulse Width Modulation), dengan frekuensi pembawa 2kHz.

4. Inverter memiliki tegangan tetap dengan frekuensi yang dapat diatur pada 15Hz

sampai dengan 50Hz dan menghasilkan perubahan putaran dari 900rpm sampai

1.5 Manfaat Penelitian

Menerapkan pemanfaatan elektronika daya pada pengaturan kecepatan motor

listrik AC 1 fasa.

1.6 Susunan Penulisan Tugas Akhir

Untuk lebih memperjelas penyampaian materi laporan ini, maka dipaparkan

susunan penulisan sebagai berikut:

BABI PENDAHULUAN

Dijelaskan tentang latar belakang, rumusan dan batasan masalah yang

akan disampaikan, tujuan penulisan serta sistematika penulisan ini.

BAB II DASAR TEORI

Berisi dasar teori yang digunakan yaitu penyearah, tapis kapasitor,

SPWM, pembangkit gelombang sinus, pembangkit gelombang segitiga,

transistor sebagai saklar, MOSFET, optokopler, chopper, motor induksi

satu fasa, penapis lolos rendah, mutivibrator astabil, D flip-flop, logika

gerbang NAND, pencacah dekade, demultiplekserdan dekoder.

BAB III PERANCANGAN ALAT

Berisikan perancangan tiap bagian dari Voltage Source Inverter yaitu

penyearah, tapis kapasitor, pembangkit gelombang sinus, pembangkit

gelombang segitiga, SPWM, kendali kaki gerbang dan chopper, penampil

4

BAB IV PEMBAHASAN

Berisi hasil uji coba alat yang dibuat dan pembahasan dari penelitian yang

dilakukan.

BAB V PENUTUP

DASAR TEORI

Inverter digunakan untuk mengkonversi tegangan dari sumber DC menjadi AC.

Inverter banyak digunakan untuk mengontrol motor AC dan UPS [2]. Sumber DC bisa

didapatkan dari baterai atau dengan penyearahan dari sumber AC. Untuk penyearahan

dapat mengunakan penyearahan takterkontrol (mengunakan dioda) atau penyearahan

terkontrol (mengunakan saklar), untuk penyearahan terkontrol dapat mengunakan SCR

(Silicon Controlled Rectifier) sebagai penyaklaran.

Ada dua tipe inverter yaitu: voltage source inverters (VSIs) dan current source

inverters (CISs). Untuk VSIs dapat dibagi ke dalam tiga kategori umum yaitu:

1. PWM Inverter.

Inverter ini memiliki masukan DC yang selalu tetap, oleh karena itu inverter

harus mengendalikan amplitudo dan frekuensi dari tegangan keluaran AC.

Dengan PWM dimungkinkan tegangan keluaran AC dapat mendekati bentuk

gelombang sinus, sehingga disebut sinusoida PWM.

2. Square Wave Inverter.

Inverter ini memiliki tegangan masukan DC yang dikontrol untuk mengendalikan

amplitudo dari tegangan keluaran AC, maka inverter hanya digunakan untuk

mengontrol frekuensi dari tegangan keluaran AC. Tegangan keluaran AC

memiliki bentuk gelombang yang serupa dengan gelombang kotak.

6

3. Single Phase Inverter With Cancellation.

Dalam kasus dari inverter dengan keluaran satu fasa sangat mungkin untuk

mengendalikan amplitudo dan frekuensi keluaran, masukan dari inverter adalah

DC konstan dan pensaklaran inverter mengunakan gelombang kotak. Oleh karena

itu, inverter ini mengkombinasikan karakteristik dari kedua inverter sebelumnya.

Teknik voltage cancellation hanya bekerja pada inverter satu fasa.

2.1 Penyearah

Konverter AC ke DC secara umum dikenal dengan nama penyearah dan dioda

penyearah menyediakan tegangan DC yang pasti [4]. Penyearah gelombang penuh adalah

rangkaian yang mengubah bentuk gelombang bolak-balik menjadi searah pada seluruh

siklus gelombangnya. Rangkaian ini menggunakan metode jembatan, seperti terlihat pada

gambar 2.1.

0

D3 DIODE

R Vs

220Vac

D2 DIODE D1

DIODE

D4 DIODE

Gambar 2.1. Jembatan penyearah gelombang penuh.

Pada setengah siklus pertama bila sumber tegangan memiliki tegangan positif,

maka arus akan mengalir lewat D1, R, D4, dan menuju sumber tegangan. Pada setengah

siklus berikutnya arus akan mengalir lewat D2, R, D3, dan kembali ke sumber tegangan.

rms

m V

V = 2× (2-1)

Tegangan keluaran rata-rata adalah

m m T m dc V V tdt V T

V 2 sin 2 0.6366

0 = =

=

∫

π ϖ

π

(2-2)

Nilai rms tegangan dan arus keluaran adalah

(

)

m

m T m rms V V dt t V T

V 0.707

2 sin

2 12

2 0

2 _{= =}

⎥⎦ ⎤ ⎢⎣

⎡

=

∫

ω (2-3)

R V R

V

I rms m

rms 707 . 0 = = (2-4)

2.2 Tapis Kapasitor

Penapisan dilakukan dengan menghubung paralel kapasitor dengan beban [4].

Kapasitor memperlama arus yang mengalir ke beban sehingga mengurangi ripple pada

tegangan keluaran, gambar 2.2 menunjukkan penyearah dengan tapis kapasitor. Bila

tegangan masukan melebihi tegangan kapasitor, maka kapasitor berisi muatan,

dioda-dioda (D1 dan D4 atau D2 dan D3) konduksi. Bila tegangan masukan lebih rendah dari

pada tegangan kapasitor maka dioda-dioda (D1 dan D4 atau D2 dan D3) mengalami bias

mundur dan kapasitor melepaskan muatannya melalui resistansi beban.

0 D3 DIODE R Vs 220Vac L D2 DIODE D1 DIODE Ce D4 DIODE

8

Agar arus ripple harmonisa ke-n lebih mudah melewati tapis kapasitor, impedansi beban

harus lebih besar dibandingkan kapasitor, maka:

e

C n L n R

ω

ω ) 1

( 2

2 + 〉〉

(2-5)

Dengan ω =2π× f dan f merupakan frekuensi sumber tegangan ac.

Kondisi ini dipenuhi dengan hubungan

e

C n L n R

ω

ω ) 10

( 2

2 + =

(2-6)

Dan dengan kondisi ini, pengaruh beban akan diabaikan.

2.3 Pembangkit Gelombang Sinus

Gelombang sinus dibangkitkan oleh XR-2206 yang merupakan sebuah generator

fungsi yang mampu membangkitkan gelombang sinus, segiempat, segitiga, lereng dan

denyut dengan ketelitian yang cukup tinggi [7]. Frekuensi kerja dari XR-2206 dapat

dipilih antara rentang 0.01Hz sampai dengan lebih dari 1MHz. Rangkaian ini idealnya

digunakan pada komunikasi, instrumentasi dan generator fungsi. Frekuensi keluaran

dapat diperoleh dari persamaan 2.7.

XR-2206 dibagi dalam empat blok menurut fungsinya yaitu voltage controlled

oscillator (VCO), analog multiplier and sine shaper, buffer dan current switches. VCO

menghasilkan frekuensi yang sebanding dengan arus input, arus tersebut diperoleh dari

resistor yang dihubungkan dari terminal pewaktu dengan pentanahan. Rangkaian

pembangkit gelombang sinus seperti terlihat pada gambar 2.3.

RC

Potensiometer digunakan untuk mengatur frekuensi keluaran. Keluaran

amplitudo maksimum sebanding dengan resistor , untuk gelombang keluaran berupa

sinus, amplitudo keluaran mendekati 60mV puncak per kiloOhm.

1 R

3 R

Gambar 2.3. Pembangkit gelombang sinus dengan XR-2206.

2.4 Buffer Tegangan

Buffer tegangan berfungsi untuk mempertahankan tegangan keluaran agar tidak

terbebani oleh beban [6]. Tegangan keluaran yang dihasilkan rangkaian buffer tegangan

sama dengan tegangan masukan. Konfigurasi buffer tegangan seperti pada gambar 2.4.

+

-Op1 3

2 6

7

4

Vo Vin

10

2.5 Pembangkit Gelombang Segitiga

Gelombang segitiga dibangkitkan mengunakan dua buah OpAmp (Operational

Amplifier), OpAmp yang pertama digunakan untuk menghasilkan tegangan kotak dan

OpAmp yang kedua sebagai integrator yang menghasilkan tegangan segitiga[6].

Rangkaian pembangkit gelombang segitiga ditunjukkan pada gambar 2.5.

Vee

Vcc

+

-3

2 6

7

4

Rc +

-3

2 6

7

4

Vcc

V1 pR

Vee C1

Ri R

Gambar 2.5. Pembangkit gelombang segitiga.

Cara kerja pembangkitan gelombang segitiga dapat diterangkan dengan gambar

2.6. Dengan acuan waktu sampai titik B, pada kondisi awal Vramp = 0 dan keluaran

pembanding . Setelah t = pada kapasitor terjadi pengosongan sehinga Vramp

turun sampai batas , saat Vramp = maka keluaran pembading akan bernilai

. Ini menyebabkan Vramp nilainya naik sampai batas , karena terjadi pengisisan

pada kapasitor. Sehingga menyelesaikan satu siklus lengkap dari gelombang segitiga. sat

V

+ +

0

LT

V VLT

sat

V

sat

V

+

UT

V

Vramp

A B C D

LT

V

sat

V

−

Gambar 2.6. Cara kerja pembangkitan gelombang segitiga.

Tegangan puncak dari gelombang segitiga dirumuskan dengan rasio perbandingan

p antara resistor umpan balik pR ke resistor R dan tegangan saturasi. Diberikan oleh

persamaan 2-8a dan 2-8b.

p V

V sat

UT − −

= (2-8a)

p V

VUT sat

+ −

= (2-8b)

Dengan:

R pR

p= (2-9)

Frekuensi keluaran pembangkit gelombang segitiga ini diberikan oleh persamaan 2-10.

RiC p f

4

= (2-10)

2.6 SPWM (SinusoidalPulse Width Modulation)

SPWM merupakan rangkaian yang menghasilkan variasi pulsa untuk masukan

sinus [2]. Dengan SPWM akan didapatkan nilai duty cycle yang berubah-ubah tergantung

12

gelombang segitiga yang memiliki periode konstan dengan gelombang sinus. Blok

diagram SPWM untuk inverter satu fasa terlihat pada gambar 2.7.

sinus

+

-U3A

OP-11 3

2 1

4

11

SPWM

segitiga

Gambar 2.7. Pembangkit sinyal SPWM.

Pada inverter frekuensi dari gelombang segitiga selalu konstan dengan amplitudo

. Gelombang segitiga memiliki frekuensi , yang disebut sebagai frekuensi

pembawa. Sinyal kontrol digunakan untuk memodulasi dan memiliki frekuensi

( juga disebut sebagai frekuensi modulasi), sinyal kontrol ini merupakan gelombang

sinus sebagai frekuensi dasar dari tegangan keluaran inverter. Bentuk gelombang SPWM

dapat dilihat pada gambar 2.8. Keluaran tegangan dari inverter tidak dapat seperti sinus

murni dan pasti memiliki komponen tegangan pada frekuensi harmonis dari . Modulasi

amplitudo memiliki rasio di definisikan sebagai: tri

V f_s

contol

V f1

1 f

1 f

a

m

tri control a

V V

m = (2-11)

Dengan adalah tegangan puncak kontrol sinyal, dan adalah amplitudo dari

sinyal segitiga yang selalu konstan. contol

V V_tri

Modulasi frekuensi rasio m_f didefinisikan sebagai:

1 f f

Gambar 2.8. Bentuk gelombang SPWM.

Tegangan keluaran Vo terdapat harmonisa dengan tegangan harmonisa

ternormalisasi Vo_h Vd, yang memiliki amplitudo yang signifikan. Tegangan puncak dari

komponen frekuensi dasar adalah Vd. Maka rata-rata tegangan keluaran Vo dapat

diperoleh dari perbandingan V_contol dengan V_tri dan Vd:

Vd V

V Vo

tri control ×

= dengan V_contol ≤V_tri (2-13)

Dalam SPWM, amplitudo dari komponen frekuensi dasar pada tegangan keluaran

yang bervariasi secara linear dengan m_a(menghasilkan m_a ≤1.0). Hal tersebut

memberikan jangkauan m_a dari 0 sampai dengan 1.

Maka:

dengan

Vd m Vo)1 = a ×

( m_a ≤1.0 (2-14)

Dengan menaikkan amplitudo dari gelombang sinus menyebabkan nilai

berada diatas 1, sehingga disebut overmodulation, karena tegangan keluaran lebih banyak a

14

mengandung harmonisa jika dibandingkan dengan daerah linear. Gambar 2.9

menunjukkan amplitudo puncak dari frekuensi dasar ternormalisasi sebagai fungsi dari

modulasi amplitudo m_a.

Vd Voh

4 π

0 overmodulation

Linear gelombang kotak

0 1 3,24 m_a

Gambar 2.9 Kontrol tegangan dengan mengubah nilai m_a.

Harmonisa dalam bentuk gelombang tegangan keluaran inverter tampak pada

sideband, yang terpusat pada frekuensi pensaklarannya, dan perkaliannya yaitu berada di

sekitar harmonis , 2 , 3 , dan sebagainya. Amplitudo harmonisa tidak

dipengaruhi oleh . meskipun demikian mengambarkan frekuensi dimana itu

terjadi. Frekuensi dimana tegangan harmonis itu terjadi dapat diketahui dengan: f

m m_f m_f

f

m m_f

(

jm k

)

f1

fh = f ± (2-15)

Harmonis ke-h harus sesuai dengan ke-k sideband dari j waktu perbandingan modulasi

frekuensi m_f

( )

m k j

Dalam table 2-1, harmonisa yang ternormalisasi Voh Vd menyusun tabel sebagai fungsi

dari modulasi amplitudo , dengan asumsi . Dalam tabel hanya yang memiliki

amplitudo yang penting sampai j = 4. a

m m_f ≥9

Tabel 2-1. Harmonisa yang ternormalisasi untuk Vo dengan m_f > 21. m_a

H 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

1

Fundamental

0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

4 2 ± ± f f f m m m 1.242 0.016 1.15 0.061 1.006 0.131 0.818 0.220 0.601 0.318 0.018 5 2 3 2 1 2 ± ± ± f f f m m

m 0.190 0.326

0.024 0.370 0.071 0.314 0.139 0.013 0.181 0.212 0.033 6 3 4 3 2 3 3 ± ± ± f f f f m m m m 0.335 0.044 0.123 0.139 0.012 0.083 0.203 0.047 0.171 0.176 0.104 0.016 0.113 0.062 0.157 0.044 7 4 5 4 3 4 1 4 ± ± ± ± f f f f m m m m 0.163 0.012 0.157 0.070 0.008 0.132 0.034 0.105 0.115 0.084 0.017 0.068 0.009 0.119 0.050

Dari tabel tegangan rms keluaran inverter pada semua nilai h di definisikan dengan:

Vd Vo Vd

Vo h

h = × ×

16

Disubtitusi dengan persamaan 2-11 diperoleh:

Vd Vd m

Vd

Vo a h

h

× ×

×

= ( )

2 1 ) (

h a

h Vd m

Vo ( )

2 1 )

( = × × (2-17)

2.7 Transistor Sebagai Saklar

Simbol dan karakteristik dari BJT (Bipolar Junction Transistor) dapat dilihat pada

gambar 2.10 [2]. BJT memiliki tiga terminal yaitu kolektor, basis dan emitor (gambar

2.10a). BJT diaktifkan dengan memberikan sinyal yang konstan pada basis. BJT memiliki

tegangan bloking pada kondisi off dan arus maju yang besar pada kondisi on (gambar

2.10b). Karena BJT dikendalikan arus, maka arus basis yang besar, dan β transistor yang

besar membuat transistor pada kondisi saturasi (gambar 2.10c). Pada kondisi saturasi

tegangan kolektor-emitor selalu konstan dan arus kolektor didefinisikan sebagai arus

eksternal pada rangkaian kontak.

(a)

Ic Saturasi Linear

Ic

saturasi

Vce

(b) cutoff cutoff Vce

Gambar 2.10. karakteristik BJT. (a) NPN transistor. (b) ideal karakteristik

Transistor memiliki tiga daerah operasi (gambar 2.10c) saturasi, aktif, dan cutoff.

Untuk transistor NPN pada daerah saturasi, arus basis besar sehingga tegangan kolektor

emitor rendah dan transistor bekerja sebagai saklar, sambungan kolektor emitor, dan basis

emitor bias maju gambar 2.11. Pada daerah linear atau aktif transitor bekerja sebagai

penguat dengan arus kolektor dikuatkan sebesar penguatan tertentu. Pada daerah cutoff

(kondisi off) arus basis tidak mencukupi atau sangat rendah dan sambungan basis emitor

bias mundur.

RB

Q1

3

2

1

VCC

RB

RC RC

0V +Vbb

RC

Q1

3

2

1

RC

VCC VCC VCC

Gambar 2.11. Transistor sebagai saklar.

Level saturasi untuk arus kolektor pada rangkaian dapat di definisikan sebagai

berikut:

Rc Vce Vcc

Ic sat

sat

−

= (2-18)

Untuk level saturasi arus basis harus memenuhi kondisi:

dc Ic Ib sat

β

> (2-19)

Nilai resistansi basis maksimal dapat dicari dengan persamaan:

Ib Vbe Vbb

18

Maka:

Ib Vbe Vbb

Rb< − (2-21)

Dengan persamaan-persamaan diatas maka dapat dicari nilai Rb dan Rc yang

sesuai agar transistor dapat berfungsi sebagi saklar.

2.8 Optokopler

Optokopler terdiri dari dua bagian yaitu bagian pengirim cahaya dengan

mengunakan dioda infra merah dan bagian penerima cahaya dengan mengunakan photo

transistor diperlihatkan pada gambar 2.12 [8]. Optokopler dapat diaplikasikan sebagai

sensor dan isolasi antara dua rangkaian. Dioda infra merah dan photo transistor dipasang

saling berhadapan, jika dioda infra merah dialiri arus maka akan menghasilkan cahaya

infra merah. Karena cahaya mengenai bagian basis dari photo transistor menyebakan

photo transistor dapat menghantarkan arus (on). Saat dioda infra merah tidak

memancarkan cahaya atau cahaya yang dihasilkan terhalang, photo transistor off, karena

pada bagian basis tidak mendapatkan cahaya infra merah.

Gambar 2.12. Optokopler.

2.9 Chopper Empat Kuadran

Chopper empat kuadran dengan mengunakan saklar transistor ditunjukkan pada

gambar 2.13 [2]. Dengan beban berupa motor DC dan sumber DC serta kapasitor yang

mempermudah, diasumsikan saklar ideal dan sinyal kendali basis dapat digunakan untuk

menggambarkan tegangan beban.

T4

C

D2

Vo

T1 T2

II

IV

T3

III

D4 D3

D1

Vd

I Ia

A

-+

1 2

Gambar 2.13. Chopper empat kuadran.

2.9.1 Kuadran Satu

Pada kuadran pertama menghasilkan tegangan dan arus keluaran positif. Ini

diperoleh dengan menghidupkan T1 dan T4 secara bersama-sama, seperti terlihat pada

gambar 2.14. menyebakan tegangan beban sama dengan tegangan sumber. Pada kuadran

pertama ini menghasilkan perputaran motor yang searah jarum jam atau forward

motoring.

T4

C

I

T1

Ia

Vd

A

-+

1 2

Vo

20

2.9.2 Kuadran Dua

Kuadran kedua menghasilkan arus positif dengan tegangan negatif yang mengalir

ke beban. Karena T1 dan T4 terhubung dalam waktu tertentu, dan kemudian dimatikan.

Tegangan sumber lebih kecil dari tegangan ggl induksi motor. Arus dalam induktor tetap

mengalir sampai energi di dalamnya habis ke titik 0. karenanya, dioda D2 dan D3

mengambil alih, membuat arus tetap mengalir ke arah yang sama, tetapi tegangan beban

adalah negatif dalam bentuk rangkaian yang baru, seperti pada gambar 2.15.

C

II

D2 Ia

D3 Vd

A

-+

1 2

Vo

Gambar 2.15. Kuadran kedua dengan tegangan beban negatif dan arus positif.

2.9.3 Kuadran Tiga

Pada daerah operasi kuadran ketiga menghasilkan tegangan dan arus negatif pada

beban. Ini diperoleh dengan menghidupkan T2 dan T3 secara bersama-sama, seperti

terlihat pada gambar 2.16. Menyebakan tegangan beban merupakan kebalikan dari

tegangan sumber. Pada kuadran ketiga ini menghasilkan perputaran motor yang

T3 C

III Ia

Vd

T2

A

-+

1 2

Vo

Gambar 2.16. Kuadran ketiga dengan tegangan dan arus beban negatif.

2.9.4 Kuadran Empat

Pada operasi kuadran keempat menghasilkan tegangan positif dan arus negatif

pada beban. T2 dan T3 off dan karena tegangan sumber lebih kecil dari tegangan ggl

induksi motor. Arus dalam induktor tetap mengalir sampai energi di dalamnya habis ke

titik 0. karenanya, dioda D1 dan D4 mengambil alih, membuat arus tetap mengalir ke

arah yang sama, tetapi tegangan beban adalah positif dalam bentuk rangkaian yang baru,

seperti pada gambar 2.17.

D1

C

D4

IV Ia

Vd

A

-+

1 2

Vo

22

2.10 MOSFET

Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET) merupakan piranti

yang dikendalikan dengan tegangan dan hanya membutuhkan arus masukkan yang kecil

[2]. MOSFET memiliki tiga kaki yaitu source, gate, dan drain. MOSFET memiliki

kecepatan kontak yang tinggi dan waktu kontak dalam orde nano detik. MOSFET dapat

ditemui dalam aplikasi daya rendah dengan konversi frekuensi tinggi.

Ada dua tipe MOSFET yaitu depletion MOSFET dan enhancement MOSFET,

symbol MOSFET ditunjukan pada gambar 2.18. MOSFET memiliki impedansi input

yang tinggi, hingga . MOSFET membutuhkan energi gate yang rendah dan

memiliki switching losses yang rendah. Penguatan arus yaitu perbandingan antara arus

drain dan arus gate rata-rata dalam orde . Transconductance yaitu

perbandingan arus drain dengan tegangan gate, sebagai transfer karakteristik dan

merupakan parameter yang sangat penting.

9

10 1011

D

I I_G 109

D

I

S S

n-chanel MOSFET tipe enhancement

D

n-chanel MOSFET tipe depletion

2

1

3

G

D

G

Gambar 2.18. Simbol MOSFET.

Transfer karakteristik dari n-chanel MOSFET tipe enhancement ditunjukan pada

gambar 2.19. Gambar 2.20 menunjukan karakteristik keluaran dari MOSFET tipe

enhancement. MOSFET memiliki tiga daerah operasi:

1. Daerah cutfoff ketika VGS ≤VT.

3. Daerah linear ketika V_DS ≤V_GS −V_T.

Transconductance g_m didefinisikan sebagai berikut:

GS D m

V I g

Δ Δ

= dengan V_DS = konstan (2-22)

I_D

0 VT VGS

Gambar 2.19. Transfer karakteristik dari n-chanel MOSFET tipe enhancement.

Daerah linear daerah saturasi atau pinch off

D

I V_GS >V_GS4

4

GS

V 3

GS

V

T GS

DS V V

V = −

2

GS

V 1

GS

V

0 V_GS =V_T V_DS

Gambar 2.20. Karakteristik keluaran dari MOSFET tipe enhancement.

Ketika pada daerah linear, arus drain berubah secara proporsional terhadap

tegangan drain source . Pada daerah saturasi arus drain selalu konstan untuk

setiap penigkatan nilai .

D

I

DS

V I_D

DS

V

Tanpa sinyal gate, MOSFET memiliki karakteristik sama dengan dioda yang

dihubung berlawanan atau serperti transistor NPN. Gambar 2.21 menunjukkan rangkaian

pensaklaran dengan MOSFET, dengan hambatan sumber sinyal Rs, hambatan

24

I1

RL RS

RG M1

VDD

Gambar 2.21. Rangkaian pensaklaran MOSFET.

Tegangan gate-source V_GS dapat ditentukan dengan:

G S

G G GS

R R

V R V

+ ×

= (2-23)

Nilai adalah nilai hambatan dalam pada kendali kaki gate. Maka nilai

diperoleh dengan: S

R R_G

GS G

GS G

V V

V R R

− ×

= 3 _(2-24)

2.11 Motor Induksi Satu Fasa

Motor induksi satu fasa memiliki lilitan stator yang terbagi dalam beberapa celah

sehingga menghasilkan pembagian arus gerak magnetik [1]. Motor ini tidak memiliki

momen putar awal pada saat dihidupkan, tetapi apabila motor ini dihidupkan dengan cara

bantuan, motor akan terus bekerja gambar 2.22.

Vs 220Vac

lilitan stator

lilitan stator

Motor induksi diklasifikasikan menurut metoda bagaimana motor tersebut

dihidupkan dan dinyatakan dengan nama yang menjelaskan metode tersebut. Kapasitor

digunakan untuk memperbaiki penampilan pada saat motor dihidupkan. Pada motor

kapasitor tetap gambar 2.23, kapasitor dan lilitan tambahan tidak diputus setelah motor

hidup. Arus lilitan tambahan dibuat mendahului lilitan utama sebesar 90° listrik.

Sehingga terdapat perbaikan faktor daya dan efisiensi.

Vs 220Vac

lilitan utama

lilitan bantu

rotor

C

Gambar 2.23. Motor kapasitor.

Kecepatan putar motor (n) dalam rpm dipengaruhi oleh frekuensi tegangan yang

masuk ke motor dan jumlah kutub (pole) motor dinyatakan dengan persamaan:

p f

n=120× (2-25)

Besarnya flux dalam stator pada motor induksi diperoleh dari hukum faraday:

dt d N t

v( )=− Φ (2-26)

Dengan tegangan stator adalah v(t)=V_msinωt, sehingga:

∫

∫

=

=

Φ V tdt

N dt t v N

t _m

p p

ω

sin 1

) ( 1 ) (

t N

V t

p

m ω

ω cos

) ( =−

Φ (2-27)

Jika frekuensi masukan stator diturunkan sebesar 10 persen dengan tegangan

26

diinduksikan flux magnet pada motor juga ikut meningkat. Pada daerah bukan saturasi,

kenaikan pada arus medan magnetnya juga akan 10 persen. Dalam daerah saturasi dari

medan magnet motor, kenaikan flux sebesar 10 persen memerlukan kenaikan lebih

banyak pada arus medan magnetnya. Pada motor induksi perubahan tegangan ±10%

menyebabkan perubahan kecil pada putaran motor.

2.12 Penapis Aktif Lolos Rendah

Sebuah penapis lolos rendah akan melewatkan sinyal-sinyal yang masuk hanya

dengan sedikit, bahkan tidak ada pelemahan hingga frekuensi sinyal tertentu (frekuensi

cutoff), diatas frekuensi ini penapis akan menahan sinyal-sinyal masukan[3]. Kurva

umum karakteristik penapis lolos rendah ditunjukkan pada gambar 2.24

Vi Vo

Pass Band Stop Band

fc f

Gambar 2.24. Kurva umum karakteristik penapis lolos rendah.

Rangkaian penapis lolos rendah VCVS (Voltage Controlled Voltage Source)

ditunjukkan pada gambar 2.25. frekuensi cutoff ditentukan dengan persamaan:

2 1 4 3 2

1 )

( 2

1

C C R R fc

π

VCC

+

-Op1 3

2

6

7

4

C4 v in

VEE

v o R1

C3

R2

Gambar 2.25. Rangkaian penapis VCVS.

Dengan penguatan passband adalah 1 dan R₁ =R₂ maka C₃ =2C₄, dengan

konfigurasi pengikut tegangan. Untuk frekuensi cutoff 1radian/detik diperoleh nilai-nilai

komponen sebagai berikut:

F C

F C

R R

707 , 0

414 , 1

1

4 3

2 1

= =

Ω = =

2.13 Multivibrator Astabil.

Multivibrator astabil adalah multivibrator yang tidak mempunyai keadaan stabil.

Multivibrator akan berada pada salah satu keadaan selama sesaat dan kemudian

berpindah ke keadaan lain selama sesaat pula[5]. Multivibrator astabil dapat dibangun

28

U11 NE555 2

5

3

7

6

4

TR

CV

Q

DIS

THR

R

VCC

4.7uF

C

Ra 10k

(A)

kotak

Rb POT

1

3

2

Gambar 2.26. Rangkaian multivibrator dengan IC 555.

Membangun multivibrator astabil dapat dilakukan dengan menggunakan IC

pewaktu 555. Cara kerja pewaktu ini ditentukan oleh resistor dan kapasitor yang

dihubungkan ke IC tersebut. Gambar 2.26 menunjukkan rangkaian multivibrator astabil.

Pada saat pengisian kapasitor dari Vcc, arus lewat Ra dan Rb. Waktu pengisianya adalah:

693T_tinggi =τ₁×ln2= R_AC×0. (2-29)

Sedangkan saat pengosongan kapasitor arus akan melewati Rb ke pin pengosongan

(discharge), sehingga waktu pengosongan kapasitor adalah:

693Trendah =τ₂ ×ln2=RBC×0. (2-30)

Dan duty cycle diperoleh dengan persamaan:

% 100

2 ×

+ + =

b a

b a

R R

R R δ

2.14 D Flip-Flop

Satu variasi rangkaian RS Flip-flop yang berguna adalah Data latch, atau D

flip-flop, keluarannya mengikuti masukan pada saat clk (clock) tinggi[5]. Seperti yang

ditunjukkan pada diagram logika pada gambar 2.27.

Gambar 2.27. Rangkaian D flip-flop.

Pada D Flip-flop, jika input CLK berlogika 1, output Q akan selalu mengeluarkan

logika sesuai input dari D, tidak mempedulikan perubahannya. Ketika input CLK jatuh ke

logika 0, kondisi terakhir dari input D disimpan pada Flip-flop, untuk digunakan

rangkaian lain yang membutuhkan sinyal ini. Tabel kebenaran dari D flip-flop ini dapat

dilihat pada tabel 2.2.

Tabel 2.2. Tabel kebenaran D flip-flop.

D CLK Q

0 0 0

0 1 Keadaan terakhir

1 0 0

30

2.15 Gerbang Logika NAND

Merupakan gerbang kombinasi yang sama dengan gerbang logika dasar AND,

tetapi pada bagian keluarannya dibalik dengan gerbang logika inverter (NOT)[5]. Gambar

2.28 menunjukan rangkaian logika dan tabel kebenaran gerbang NAND.

Dari gambar 2.28 dapat dijelaskan operasi dari gerbang logika NAND. Dengan

mengubah-ubah keadaan masukannya pada keadaan 0 (rendah) atau pada keadaan 1

(tinggi), dapat diketahui perubahan pada bagian keluarannya. Jika kedua masukan berupa

keadaan 0, maka keluaran akan 1. Dan jika diinginkan keluaran 1, maka salah satu

masukan harus 0. Jika salah satu masukanya 1, maka keluaran akan 1, tetapi jika kedua

masukanya 1, maka keluarannya akan 0. Tabel 2.3 menunjukan tabel kebenaran gerbang

logika NAND.

Y

NAND2 1 2

3

A B

Gambar 2.28. Rangkaian logika gerbang logika NAND.

Tabel 2.3. Tabel kebenaran gerbang logika NAND.

A B _{Y = A×B}

0 0 1

1 0 1

0 1 1

2.16 Pencacah Dekade

Pencacah dekade mencacah dari 0000 sampai dengan 1001 atau dalam desimal 0

sampai dengan 9[5]. Pencacah dekade dibangun dari empat flip-flop ditunjukkan pada

gambar 2.29. Dengan masukan gelombang segiempat (clock) pada flop A, maka

flip-flop A akan aktif tinggi pada tepian rendah gelombang masukanya. Keluaran tepian

rendah flip-flop A digunakan untuk membuat aktif tinggi flip-flop B. Keluaran tepian

rendah flip-flop B selanjutnya digunakan untuk membuat aktif tinggi flip-flop C. Dan

keluaran tepian rendah flip-flop C digunakan untuk membuat aktif tinggi flip-flop D. Saat

kondisi keluaran DCBA = 1010 maka semua flip-flop di reset, dengan memberikan

logika rendah pada masukan-masukan CLR (clear).

AND2 JKFF

J

CLK

K

CL

RN

P

R

N

Q

clock

B

JKFF

J

CLK

K

CL

RN

P

R

N

Q C

A D

VCC

JKFF

J

CLK

K

CL

RN

P

R

N

Q

JKFF

J

CLK

K

CL

RN

P

R

N

Q

(a)

Clock

A

B

C

D

(b)

32

Untuk memperjelas diagram waktu pada gambar 2.28 dapat dilihat tabel

kebenaran dari pencacah dekade pada tabel 2.4.

Tabel 2.4. Tabel kebenaran Pencacah dekade.

Clock ke- D C B A Cacahan

0 0 0 0 0 0

1 0 0 0 1 1

2 0 0 1 0 2

3 0 0 1 1 3

4 0 1 0 0 4

5 0 1 0 1 5

6 0 1 1 0 6

7 0 1 1 1 7

8 1 0 0 0 8

9 1 0 0 1 9

10 0 0 0 0 0

2.17 Dekoder

Dekoder merupakan suatua piranti yang dapat mengubah suatau sistem bilangan

biner yang terdapat pada masukan, menjadi sistem bilangan yang lainnya yang terdapat

pada bagian keluaranya[5].

Dekoder berfungsi sebagai pengubah kode dari BCD (Binary code decimal) ke

kode 7-segmen LED gambar 2.30. Dengan masukan BCD maka pada tujuh-segmen led

akan menampilkan angka-angka desimal. Gambar 2.25 menunjukkan kode BCD 0101

pada input dekoder akan mengaktifkan output a, c, d, f, dan g sehingga pada pada

0 1 0

1 Dekoder

BAB III

PERANCANGAN

Konverter DC ke AC dikenal sebagai inverter. Fungsi dari inverter adalah untuk

mengubah tegangan masukan DC menjadi tegangan keluaran AC dengan amplitudo dan

frekuensi tertentu. Blok diagram voltage source inverter ditunjukan pada gambar 3.1.

Tegangan jala-jala dari PLN disearahkan untuk mendapatkan tegangan DC. Karena

keluaran penyearah ini masih memiliki ripple, maka digunakan tapis kapasitor untuk

mengurangi faktor ripple tegangan keluaran. Gelombang segitiga dibandingkan dengan

gelombang sinus, hasil perbandingan tersebut merupakan sinyal SPWM. Frekuensi

gelombang sinus merupakan frekuensi dasar dari inverter dan ditampilkan dengan

mengunakan dua buah 7-segmen LED untuk mempermudah pengamatan frekuensi kerja

dari inverter. Putaran motor AC ditampilkan dengan menggunakan tiga buah 7-segmen

LED, sehingga mempermudah pengamatan kecepatan putaran motor AC.

SPWM digunakan untuk mengendalikan inverter 1 fasa dengan beban motor AC.

Inverter yang dirancang dapat digunakan untuk motor induksi dengan tegangan kerja

220V dan arus maksimum yang diijinkan 2A.

PLN

Penyearah dan Tapis

kapasitor

Chopper

Driver

SPWM

Pembangkit Gelombang

Sinus

Tampilan Frekuensi Pembangkit

Gelombang Segitiga

Motor Induksi

Tampilan Kecepatan

Gambar 3.1. Blok diagram voltage source inverter.

3.1 Penyearah

Untuk mendapatkan tegangan DC, dari sumber AC maka dibutuhkan penyearah,

penyearah yang dibuat mengunakan penyearah takterkontrol. Rangkaian ini

menggunakan metode dioda jembatan, seperti terlihat pada gambar 3.2. Tipe dioda

jembatan yang dipakai adalah 35MB60A dengan (Maximum Peak Reverse

Voltage) sebesar 600V.

RRM

V

D3 DIODE

D2 DIODE

0 D4

DIODE D1

DIODE

Vdc

0 Vs

220Vac

36

Dengan tegangan keluaran dari inverter 220V dan m_a =1, maka nilai tegangan DC (Vd)

dapat diperoleh dengan persamaan 2-17:

⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ _× = × × = × × = 1 1 1 1 ) ( 2 1 ) ( ) ( 2 1 ) ( ) ( 2 1 ) ( a a h a h m Vo Vd m Vd Vo m Vd Vo V

Vd 311,127

1 2 1 220 = ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ _× =

Dengan V_fm tegangan maju maksimal pada dioda sebesar 1,2Volt (dari data sheet) maka :

V Vd =311,127+1,2=312,327

Besarnya tegangan masukan dapat dihitung dengan persamaan (2-1), dengan = Vd

yaitu : m V V Vd V V V rms rms m 85 , 220 2 327 , 312 2 2 = = = × =

Nilai tegangan tersebut mendekati nilai tegangan dari PLN yang memiliki tegangan

3.2 Tapis Kapasitor

Karena keluaran dari penyerah masih memiliki ripple maka digunakan tapis

kapasitor, penapisan dilakukan dengan menghubung paralel kapasitor dengan beban.

Kapasitor akan memperlama arus yang mengalir ke beban sehingga mengurangi ripple

pada tegangan keluaran (gambar 2.3).

0 Vd

Ce Vdc

0

Gambar 3.3. Tapis kapasitor.

Dengan resistansi beban sebesar 50Ω dan induktansi sebesar 121,7mH, serta

frekuensi suplai sumber penyearah sebesar 50Hz maka besarnya yang dipakai dapat

diselesaikan dengan persamaan (2-6).

e

C

Dengan nilai n = 2:

e

C L

R

ω ω

2 10 )

2

( 2

2 _{+ =}

(

)

2

2 ₄

4

10

fL R

f C_e

π

π +

=

(

)

uF

C_e 174,202

1217 . 0 50 4 50 50 4

10

2

2 _{+ × ×} =

× =

π π

Maka kapasitor yang dipakai harus lebih besar dari 174,202uF dan pada rangkaian

dipakai nilai kapasitor sebesar 940uF/450V. Dengan menggunakan 2 buah kapasitor

38

3.3 Pembangkit Gelombang Sinus

Gelombang sinus dibangkitkan oleh XR-2206 yang merupakan sebuah generator

fungsi. Rangkaian pembangkit gelombang sinus seperti terlihat pada gambar 3.5.

frekuensi kerja XR-2206 dapat dipilih diantara rentang 0.01Hz sampai dengan 1MHz.

Nilai resistor pewaktu dapat diperoleh menggunkan persamaan 2-7:

RC f = 1

Dengan frekuensi keluaran yang diinginkan dari 15Hz sampai dengan 50Hz, dan

dipilih C sebesar 470nF, maka:

Ω ≈

Ω =

× × =

= ₋ k

C f

R 141944 142

10 470 15

1 1

9 min

max

Ω ≈ Ω =

× × =

= ₋ k

C f

R 42553 42

10 470 50

1 1

9 max

min

Dari hasil perhitungan diketahui bahwa besarnya nilai R maksimum adalah

142kΩ, sehingga dibutuhkan potensiometer senilai 100kΩ untuk mengatur nilai frekuensi

keluaran yang dihubungkan seri dengan resistor 42kΩ untuk membatasi frekuensi

maksimal sebesar 50Hz. Dengan keluaran sinus mendekati 60mV/kΩ dan nilai amplitudo

maksimum sebesar 6V maka dibutuhkan R3 sebesar :

Ω =

×

= ₋ k

R 100

10 60

6

3 ₃

Rangkaian pembangkit gelombang sinus seperti terlihat pada gambar 3.5.

keluaran gelombang sinus dihubungkan dengan buffer sebagai penyangga agar tegangan

AMSI VCC R3 5.1K R1 42K TR2 C3 1uF SYMA2 C1 470nF SYMA1 100K POT 1 3 2 WAVEA2 VCC WAVEA1 GND SYNCO VEE STO BIAS sinus FSKI VCC + -Op1 3 2 6 7 4

XR-2206

MO R3 5.1K 100K POT 1 3 2 Vcc R5 10K R6 200 C5 10uF Pengatur frekuensi. TC1 C4 1uF _TC2 TR1

Gambar 3.4. Pembangkit gelombang sinus menggunakan XR-2206.

3.4 Pembangkit Gelombang Segitiga

Rangkaian pembangkit gelombang segitiga ditunjukkan pada gambar 3.6.

Tegangan puncak dari gelombang segitiga dirumuskan dengan rasio p antara resistor

umpan balik pR ke resistor R dengan tegangan saturasi. Frekuensi gelombang segitiga

yang dibangkitkan diperoleh melalui persamaan 2-12 dan tegangan puncak diperoleh

dengan persamaan 2-11. Dengan yang diinginkan adalah 1 dan tegangan puncak

gelombang sinus adalah 6V maka besarnya nilai tegangan puncak gelombang segitiga

40

Nilai rasio p antara resistor umpan balik pR ke resistor R diperoleh dengan

persamaan 2-9: 67 , 1 6 10 = − − = − − = V V V p UT sat

Dengan R = 12kΩ maka pR:

R pR p= Ω = × = ×

= p R 1,67 103 20040

pR

Diperoleh pR = 20kΩ

Ω = × + × × × × = + × = 7500 ) 10 2 , 1 ( ) 10 2 ( ) 10 2 , 1 ( ) 10 2 ( 4 4 4 4 R pR R pR Rc

Sehingga besarnya Rc yang dipakai 6,8kΩ

Dengan yang diinginkan adalah 40 dan frekuensi maksimal gelombang sinus adalah

50Hz. Maka nilai frekuensi gelombang segitiga dapat diperoleh dengan persamaan 2-12: f m Hz f m f f f m f s s f 2000 50 40 1 1 = × = × = =

Dengan f = 2000Hz dan C yang dipilih = 100nF

RiC p f 4 = Ω = × × =

= ₋ 2087,5

10 2000 4 67 , 1

4fC 8

p Ri

segitiga +

-3

2

6

7

4

VEE

+

-3

2 6

7

4

VEE VCC R

VCC

Ri pR

C1

Rc

Gambar 3.5. Pembangkit gelombang segitiga.

3.5 SPWM

Dengan SPWM akan didapatkan nilai duty cycle yang berubah-ubah tergantung

nilai amplitudo sinusnya. SPWM ini membandingkan gelombang segitiga yang memiliki

periode konstan dengan gelombang sinus yang dapat diatur frekuensinya. Untuk

pembanding dan pendeteksi perpotongan dengan nol pada SPWM ini dengan

mengunakan OpAmp. Rangkaian SPWM ditunjukkan pada gambar 3.6.

Gelombang sinus sebagai referensi dihasilkan dari generator gelombang sinus

XR2206. Gelombang segitiga sebagai gelombang pembawa dibandingkan dengan

gelombang sinus sebagai referensi. Menghasilkan setengah periode inverter pada

pembanding OpAmp-1 dan setengah periode berikutnya diperoleh dari pembanding

OpAmp-3. OpAmp-2 digunakan sebagai pendeteksi perpotongan dengan 0 (nol), sebagai

kontrol frekuensi keluaran setengah periode pertama. Dan untuk setengah periode

berikutnya dengan OpAmp-4. Untuk kontrol periode keluaran digunakan saklar analog

menggunakan transistor. Untuk setengah periode pertama S1, dan untuk setengah periode

42

S2 +

-Op2 3

2 6

7

4

VEE +

-Op1 3

2 6

7

4

VEE

D4 VCC

S2+ sinus

R2

R1 R1

Q2 S1

D3

VCC D1

segitiga

VEE

S1+

VEE

D2

+

-Op4 3

2

6

7

4

VCC

Q1

VCC

+

-Op3 3

2

6

7

4

Q1

VCC

R2 Q2

VCC

Gambar 3.6. Rangkaian SPWM.

Untuk menentukan hambatan pada kaki emitor (R1), maka perlu diketahui arus

kolektor maksimum, dengan Ic =20 mA dan tegangan masukan sebesar +Vsat =10V

emitor , tegangan maju dioda Vd = 1V dan tegangan infra merah

sehingga:

V

Vbe =1,3 VL =1,7V

(

)

(

)

(

)

_{= Ω} × + − − − = + − − − = − − − = − 280 10 20 ) 7 , 1 4 , 0 ( 3 , 1 1 10 1 ) ( 1 1 3 R I Vl Vce V Vd V R I Vee V Vd V R c sat be sat c be sat

Dan nilai R1 yang dipakai sebesar 330Ω

Untuk menentukan hambatan pada kaki basis (R2) saat transistor Q2 pada kondisi

saturasi, arus kolektor maksimum sebesar Ic = 20 mA dan tegangan masukan sebesar

sedangkan Vbe = 1,3V dan V

V_sat =10

+ β_dc =100sehingga;

(

)

(

)

(

)

_{= Ω} × − = − = − = − 43500 100 10 20 3 , 1 10 2 2 2 3 R I Vbe Vcc R I Vbe Vcc R DC c b β

Nilai R2 harus kurang dari 43500Ω agar transistor dapat saturasi, dan nilai hambatan

yang dipakai sebesar 10kΩ

3.6 Kendali Kaki Gate

Rangkaian kendali pada kaki gate ini berfungsi sebagai isolasi antara kendali gate

pada tingkat rendah dengan tingkat tinggi pada rangakaian inverter, serta sebagai kendali

chopper. Rangkaian kendali kaki gate terdiri dari bagian optokopler dan penguat.

44

Untuk menentukan hambatan pada kaki emitor (R1) pada photo transistor , arus

kolektor maksimum Ic = 5mA denga Ie ≈ Ic, tegangan basis emitor Vbe = 1,4V tegangan

masukan sebesar S+ = 10 Volt sehingga;

(

)

(

)

_{= Ω}

× − =

− + =

− 1720

10 5

4 , 1 10 1 1

3 R

I V Vs R

e be

Besarnya nilai R1 yang dipakai sebesar 2kΩ

Untuk menentukan hambatan pada kaki kolektor (R2) saat transistor Q2 pada

kondisi saturasi, diinginkan arus kolektor maksimum sebesar Ic = 10 mA dan tegangan

masukan sebesar Vcc = 10 Volt sedangkan Vce = 0,4V saat transistor pada kondisi

saturasi sehingga;

(

)

(

)

_{= Ω}

× − =

− =

− 960

10 10

4 , 0 10 2 2

3 R

I Vce Vcc R

c

R1 2k G2 R2 1k S2 R3 1k GND4 R1 2k R3 1k Gnd2 Q3 R2 1k Vcc2 Q2 3 2 1 Gnd1 G1 1 2 5 4 Q2 3 2 1 Gnd4 R1 2k Vcc1 1 2 5 4 G4 GND2 GND1 Vcc4 Q3 R2 1k R3 1k G3 Gnd3 GND3 Q2 3 2 1 R2 1k Q2 3 2 1 R3 1k R1 2k 1 2 5 4 S2+ S1+ 1 2 5 4 Vcc3 Q3 Q3 S1

Gambar 3.7. Rangkaian kendali kaki gate.

Untuk menentukan hambatan pada kaki kolektor (R3) saat transistor Q3 pada

46

masukan sebesar Vcc = 10 Volt sedangkan Vce = 0,4V saat transistor pada kondisi

saturasi sehingga;

(

)

(

)

_{= Ω}

× − =

− =

− 480

10 20

4 , 0 10 3 3

3 R

I Vce Vcc R

c

Besarnya nilai R3 yang dipakai sebesar 1kΩ

3.7 Chopper

Chopper dapat digunakan sebagai inverter satu fasa karena memiliki kemampuan

untuk bekerja dalam semua kuadran. Chopper empat kuadran pada gambar 3.8

dihubungkan dengan motor AC sebagai beban. Pada satu siklus gelombang, setengah

periode M1 dan M4 on sesuai dengan sinyal yang masuk kaki gate. Dan untuk setengah

periode berikutnya M2 dan M3 on.

Nilai tegangan gate-source yang diinginkan VGS =9,9V, maka besarnya nilai

hambatan gate-source R_G, diperoleh dengan persamaan 2-24.

Ω =

− × =

− × =

99000 9

, 9 10

9 , 9 1000

3

G

GS G

GS G

R

V V

V R R

Vd

RG1 100K

Gnd3

F1 FUSE

MG1

MOTOR AC

1 2

Gnd1

D1 D1N4007

F5

FUSE

Gnd2

G1 G2

M3

2SK2611 M1

2SK2611

M2

2SK2611

RG4 100K

F4 FUSE F2

FUSE

G4

M4

2SK2611 D3

D1N4007 F3

FUSE

0

RG2 100K

D2 D1N4007

D4 D1N4007 RG3

100K G3

Gnd4

Gambar 3.8. Chopper empat kuadran.

Tipe MOSFET yang dipakai 2SK2611 yang memiliki tegangan Drain to source

, arus drain , sehingga dapat digunakan pada rangkaian ini yang

memiliki tegangan masukan dc sebesar 312,327V. V

VDSS =900 ID =9A

3.8 Motor AC

Motor AC satu fasa digunakan sebagai beban dari chooper dengan tegangan

keluaran tetap dan frekuensi yang dapat di atur. Dengan pengaturan frekuensi maka

putaran motor juga akan berubah. Hubungan antara frekuensi dengan kecepatan dapat

48

p f n=120×

Dengan jumlah pole pada motor adalah 2 dan frekuensi chooper dari 15Hz sampai

dengan 50Hz.

Tabel 3.1 hubungan frekuensi dan kecepatan

Jumlah pole Frekuensi (Hz) Kecepatan (rpm)

2 15 900

2 16 960

2 17 1020

2 18 1080

2 19 1140

2 20 1200

2 21 1260

2 22 1320

2 23 1380

2 24 1440

2 25 1500

2 26 1560

2 27 1620

2 28 1680

2 29 1740

2 30 1800

2 31 1860

2 32 1920

2 33 1980

2 34 2040

2 35 2100

2 36 2160

2 37 2220

2 38 2280

2 39 2340

2 40 2400

2 41 2460

2 42 2520

2 43 2580

2 44 2640

2 45 2700

2 46 2760

2 47 2820

2 48 2880

2 49 2940

3.9 Pewaktu

Sistem ini menggunakan tiga buah pewaktu yaitu pewaktu untuk membangkitkan

pulsa 1 detik, pewaktu untuk mereset pencacah dan pewaktu untuk mengaktifkan dekoder

7-segmen LED. Pewaktu yang digunakan untuk membangkitkan pulsa satu detik adalah

IC NE555 yang dirancang untuk menghasilkan gelombang kotak. Disamping untuk

membangkitkan pulsa satu detik, pewaku ini juga digunakan untuk penyulut kedua

pewaktu yang lainnya. Nilai resistor pewaktu dapat diperoleh dengan persamaan 2-27.

Dengan C = 1uF, Ra = 10K Ω dan T = 1 maka:

Ω = × × × × − = × − = + = − − 716500 10 2 693 , 0 ) 10 10000 693 , 0 ( 1 2 693 , 0 ) 693 , 0 ( ) 2 ( 693 , 0 6 6 Rb C C R T R C R R T a b b a

Digunakan potensiometer sebesar 1MΩ.

Besarnya duty cycle keluaran diperoleh lewat persamaan 2-29.

% 34 , 50 % 100 10 . 7165 2 10 10 . 7165 10 % 100 2 2 4 2 4 = × × + + = × + + = δ δ b a b a R R R R

Sedangkan pewaktu untuk me-reset pencacah dekade dan pewaktu untuk

mengaktifkan dekoder 7 segmen menggunakan gerbang NAND, kapasitor dan resistor.

Rangkaian RC digunakan untuk menghasilkan pulsa sempit dengan tetapan waktu:

C R

50

Dengan waktu yang diinginkan adalah 0,0001 detik dan nilai C ditetapkan 10nF maka

nilai R diperoleh:

Ω =

× =

= ₋ 10000

10 10 0001 , 0