[1]Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Undip
[2]Dosen Jurusan Teknik Elektro Undip 1 of 6
PERANCANGAN MODUL PEMICUAN THYRISTOR UNTUK BERBAGAI APLIKASI PENYEARAH TERKONTROL DENGAN MENGGUNAKAN MIKROKONTROLLER ATMEGA8535
Pandu Sandi Pratama1, Agung Warsito2
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik – Universitas Diponegoro Jl. Prof. Soedarto SH Tembalang, Semarang 50275
e-mail : pandu_sandi@yahoo.com
Abstrak
Penyearah terkontrol merupakan peralatan yang umum digunakan di dunia industri untuk mengatur daya masukan pada suatu peralatan. Berbagai masalah sering ditemui dalam pengaplikasiannya di lapangan. Untuk itu perlu dibuat modul praktikum yang mampu membantu para mahasiswa untuk memahami prinsip kerja alat tersebut.
Dalam kerja praktek ini setelah melakukan studi literatur dan observasi telah berhasil dibuat modul pemicuan thyristor untuk berbagai aplikasi penyearah terkontrol dengan menggunakan mikrokontroller ATMEGA8535. Alat yang dibuat terdiri dari beberapa bagian diantaranya power suplai, zero cross detector, sistem minimum ATMEGA8535, serta driver dan optoisolator. Rangkaian zero cross detector membantu mikrokontroller mengetahui awal gelombang sinus sedangkan rangkaian driver dan optoisolator membantu memperkuat keluaran mikrokontroller agar mampu memicu thyristor. Alat ini dapat digunakan untuk memicu penyearah 1 fasa terkontrol penuh, penyearah 3 fasa setengah jembatan terkontrol, penyearah 3 fasa jembatan semi terkontrol, dan penyearah 3 fasa jembatan terkontrol penuh.
Alat yang dibuat mampu bekerja pada tegangan 220V. Tegangan kerja rangkaian daya (VLN) pada penyearah
terkontrol dapat divariasi mulai dari tegangan 50V hingga 220V, hal ini dikarenakan zero cross detector dapat bekerja pada rentang tegangan tersebut. Pada uji coba penyearah dengan beban 2 buah lampu pijar 100w, diketahui bahwa rentang pengaturan tegangan penyearah 3 fasa jembatan penuh semi terkontrol dan penyearah 1 fasa jembatan penuh yaitu sebesar 180˚, sedangkan pada penyearah 3 fasa setengah jembatan rentang pengaturan tegangan hingga 150˚, sedangkan penyearah 3 fasa terkontrol penuh rentang pengaturan tegangan sebesar 120˚.
Kata kunci : penyearah, terkontrol, ATMEGA8535
I. PENDAHULUAN 1.1. Latar Belakang
Seiring dengan kemajuan teknologi, berkembang pula berbagai peralatan yang memudahkan pekerjaan manusia. Kemajuan ini perlu diantisipasi dengan kesiapan SDM yang menjadi operator berbagai peralatan tersebut.
Salah satu bidang kompetensi konsentrasi ketenagaan adalah elektronika daya yang salah satu bagiannya adalah penyearah terkontrol. Di dunia industri, penyearah terkontrol umum digunakan untuk pengaturan daya pada berbagai peralatan. Dalam kegiatan kerja praktek ini telah dibuat modul praktikum yang dapat menjelaskan prinsip kerja penyearah terkontrol. Dengan adanya modul ini peserta praktikum dapat mengkombinasikan berbagai macam rangkaian penyearah serta mempelajari karakteristik
masing-masing rangkaian sehingga dapat menambah
pengetahuan para praktikan di bidang elektronika daya. Dengan pembuatan modul praktikum ini diharapkan dapat menambah kelengkapan sarana laboratorium sehingga diperoleh lulusan Teknik Elektro yang memiliki kompetensi dibidang ketenagalistrikan.
1.2. Tujuan Kerja Praktek
Tujuan dari penelitian ini adalah :
1. Membuat modul praktikum elektronika daya yaitu berupa rangkaian pemicuan penyearah terkontrol. 2. Mengetahui karakteristik secara umum
masing-masing rangkaian penyearah terkontrol.
1.3. Pembatasan Masalah
1. Alat yang dibuat hanya digunakan untuk pemicuan penyearah 1 fasa terkontrol penuh, penyearah 3 fasa setengah jembatan terkontrol, penyearah 3 fasa jembatan semi terkontrol, dan penyearah 3 fasa jembatan terkontrol penuh.
2. Mikrokontroller yang digunakan adalah
ATMEGA8535 dengan bahasa pemrograman C. 3. Tegangan kerja modul (VLN) 220 V.
4. Tegangan kerja rangkaian penyearah (VLN) dapat
divariasi dari 50-220V.
II. DASAR TEORI 2.1. Thyristor
Thyristor adalah piranti semikonduktor dengan empat lapisan bahan tipe N dan tipe P. Komponen ini bekerja seperti sebuah saklar, menghantar jika kaki GATE menerima pulsa tertentu, dan akan terus-menerus menghantar selama dicatu maju.
Gambar 2.1 Pemodelan thyristor oleh dua buah transistor
Thyristor memiliki tiga keadaan :
1. Reverse blocking mode (blokir mundur) : tegangan diberikan pada arah yang akan diblokir oleh dioda.
2 of 6
2. Forward bloking mode (blokir maju) : tegangan diberikan pada arah dimana dioda bisa menghantar, namun thyristor belum dipicu untuk menghantar. 3. Forward conducting mode (hantar maju) : thyristor
telah dipicu untuk menghantar dan akan tetap menghantar sampai arus panjar maju turun dibawah nilai ambang yang disebut “holding current”.
2.2. Penyearah Terkontrol
2.2.1. Penyearah 1 fasa jembatan terkontrol
Pada Gambar 2.2 dapat dilihat rangkaian penyearah dengan beban resitif. Pada rangkaian tersebut, terdapat dua pasang thyristor yang menyala secara bergantian yaitu T1,T2 dan T3,T4.1 T R Vo + -+ -2 T 3 T 4 T s i o i t t t 2 2 2 s V m V s V m V 0 0 0 0 V 2 1, D T T3, D4
Gambar 2.2 Rangkaian dan proses pembentukan gelombang
Besarnya tegangan rata-rata ditunjukkan persamaan:
) cos 1 ( ) ( m avg o V V ... 2.12.2.2. Penyearah 3 fasa setengah jembatan
Ketika thyristor T1 dipicu pada
t
/6
maka tegangan Van akan muncul pada beban dan akan
komutasi secara natural ketika Van berganti polaritas.
Ketika T2 dipicu maka tegangan Vbn akan muncul pada
beban hingga pergantian polaritas dan dilanjutkan dengan pemicuan T3 sehingga muncul Vcn pada beban.
a b c n a i b i c i 1 T 2 T 3 T o i o V +
-Gambar 2.3. Rangkaian Penyearah 3 fasa setengah jembatan
an V Vbn Vcn Van 2 3 6 6 1 T T2 T3 T1 t V Van msin t 2 3 t V Van msin 6 6 6 5 0 0 0 s V s V o V
Gambar 2.4 Gelombang keluaran
Jika tegangan Van Vmsin
t maka tegangan keluaranrata-ratanya adalah: untuk 0˚≤ α ≤30˚:
cos 2 3 3 m dc V V ... 2.2 untuk α ≥ 30˚:
1
cos
6
2
3
m dcV
V
... 2.32.2.3. Penyearah 3 fasa jembatan semi terkontrol
Pada gambar 2.5 dapat dilihat rangkaian dan pembentukan gelombang pada penyearah tiga fasa jembatan semi terkontrol. Frekuensi ripple keluaran 3 kali frekuensi sumber. Sudut pemicuan dapat diatur dari 0˚ hingga 180˚. Selama periode π/6 ≤ ωt ≤ 7π/6, thyristor T1 bias maju. Jika T1 dipicu setelah sudut tunda α, maka T1 dan D3 akan mengalir dan muncul tegangan Vac pada beban.
a b c n a i b i c i 1 T 3 D 2 T o i o V + -3 T 1 D D2 t t t 0 0 0 s V s V o V an V Vbn cn V 3 1,D T T2,D1 T3,D2 2 3,D T ac V Vba Vcb
3 of 6
Besarnya tegangan rata-rata ditunjukkan persamaan:
) cos 1 ( 2 3 3
m dc V V ... 2.42.2.4. Penyearah 3 fasa jembatan penuh
Pada gambar 2.6 dapat dilihat penyearah 3 fasa jembatan terkontrol. Tegangan keluarannya berupa enam pulsa. Thyristor dipicu pada interfal π/3. Frekuensi ripple tegangan keluaran adalah enam kali frekuensi fundamental dan kebutuhan filter lebih sederhana dari konverter setengah jembatan.
a b c n a i b i c i 1 T 2 T 3 T o i o V + -5 T 4 T T6 0 0 0 s V s V o V t t t an V Vbn cn V 6 5, T T T6, T1 T1, T2 T2, T3 T3, T4 T4, T5 T5, T6
Gambar 2.6 Rangkaian dan proses pembentukan gelombang
Tegangan keluaran rata-ratanya adalah:
untuk 0˚≤ α ≤60˚ :
cos 3 3 m dc V V ... 2.5 untuk α ≥ 60˚ : )) 3 cos( 1 ( 3 3
m dc V V .... 2.6III. PERANCANGAN DAN PEMBUATAN 3.1. Pembuatan Alat
Blok diagram modul yang telah dibuat dapat dilihat pada gambar 3.1 berikut ini:
AC Suplai AC 1Ф / 3Ф Rangkaian Daya Beban Mikrokontroller ATMEGA 8535 Zero Cross Detector A T M E G A 8 5 3 5 4 0 5 0 Driver dan optoisolator M O C 3 0 2 0
Gambar 3.1 Blok diagram penyearah terkontrol
3.1.1 Power Suplai
Power suplai terdiri dari 1 buah trafo stepdown, yang berfungsi menurunkan tegangan dari 220V AC menjadi 12V AC. Tegangan AC ini kemudian disearahkan oleh 4 buah dioda 1N4002 yang berfungsi
sebagai penyearah jembatan. Tegangan hasil
penyearahan kemudian difilter oleh dua buah kapasitor masing-masing 2200uF dan 100nF. Tegangan keluaran ini kemudian diatur agar sesuai dengan menggunakan regulator LM7805 menjadi 5V. Regulator 5V Vo 5 V 220V AC 50 Hz 12 V AC 50 Hz 2200uF 100nF 1 N 4 0 0 4
Gambar 3.2 Rangkaian power suplai
3.1.2. Zero cross detector
Prinsip kerja rangkaian zero cross detector ini yaitu ketika sisi primer trafo stepdown mendapat masukan tegangan fasa R dan netral sebesar 50 V hingga 220V, maka akan timbul tegangan disisi sekunder trafo yang besarnya seper sepuluh dari
tegangan sumber. Tegangan keluaran tersebut
kemudian disearahkan oleh diode 1N4002. Resistor R1 digunakan untuk membatasi arus basis yang masuk ke transistor BD139. Ketika tegangan sumber lebih besar dari 0,7 V maka akan mengaktifkan transistor BD139. Kapasitor nonpolar 1µF digunakan untuk memfilter ripple tegangan dan ripple arus akibat pensaklaran thyristor pada rangkaian daya. Ketika transistor pada kondisi ON, maka akan muncul tegangan 5V pada resistor R2. Buffer 4050 digunakan untuk menegaskan gelombang keluaran agar mikrokontroller dapat bekerja dengan baik. 50-220 V AC 50 Hz Potensio 50k Ω 1k Ω R1 1k Ω R2 10 : 1 BD 139 Buffer 4050 0,1 µF Vcc 5 VDC Gnd Output 1N4002
Gambar 3.3 Rangkaian Zero Cross Detector
3.1.3. Driver dan Optoisolator.
Prinsip kerja rangkaian driver dan optoisolator yaitu ketika salah satu pin pada port D diberi logika satu, maka akan mengaktifkan transistor BD139 sehingga akan mengalir arus yang menyalakan LED pada IC MOC3020. Besarnya arus yang mengalir ditentukan oleh resistor R2. Cahaya yang dipancarkan oleh LED akan diterima oleh photo TRIAC yang ada pada IC MOC3020. TRIAC ini akan memicu gate pada thyristor dengan menggunakan arus pada katodanya. Arus gate besarnya dibatasi oleh R3. Fungsi dioda 1N4002 yaitu untuk melindungi TRIAC agar tidak aktif pada saat siklus negatif.
4 of 6
R1 1 kΩ R2 1 kΩ R3 180 Ω 1N4002 BD139 MOC3020 PORTD.X Gate Katoda VCC 5 V DC GndGambar 3.4 Rangkaian driver dan optoisolator
3.1.4. ATMEGA8535
Agar dapat memicu thyristor pada sudut yang tepat maka rangkaian zero cross detector memberikan sinyal interupsi pada mikrokontroller ketika terjadi pergantian polaritas pada sumber. Pin yang dapat digunakan untuk memberikan interupsi dari luar yaitu
PORTD.2, PORTD.3, dan PORTB.2. Pada
perancangan, pin yang digunakan adalah PORTD.2. Untuk masukan sudut pemicuan digunakan keypad yang membutuhkan satu buah PORT khusus yang digunakan untuk masukan yaitu PORT B. Sedangkan
untuk tampilan digunakan LCD yang juga
membutuhkan sebuah PORT khusus untuk komunikasi data yaitu PORT C. Keluaran sinyal pemicuan dari mikrokontroller akan mengaktifkan rangkain driver dan isolator pulsa yang terdiri dari 6 set rangkaian yang akan memicu masing-masing thyristor. Dalam kasus ini sinyal pemicuan akan dihasilkan oleh PORT D.
PORT B PORT C PORT D Pin.0 . . Pin.7 Pin.0 . . Pin.7 A T M E G A 8 5 3 5 LCD 12 3 45 6 8 9 7 0 Keypad Halo… . Pin.2 Zero cross detector Pin.0 . . Pin.7 Driver dan Isolator PulsaGambar 3.5 Konfigurasi mikrokontroller
IV. PENGUJIAN 4.1. Pengujian masing-masing blok
Pengujian dilakukan di laboratorium konversi energi listrik dan sistem tenaga Jurusan Teknik Elektro Universitas Diponegoro. Peralatan yang digunakan dalam pengujian yaitu digital multimeter “Sanwa PC 100” dan osciloscope analog “Kenwood CS-4125”
4.1.1. Power Suplai
Hasil pengujian dapat dilihat pada tabel 4.1 berikut ini:
Tabel 4.1 Hasil pengujian power suplai
No Parameter yang diukur Hasil
1 Tegangan masukan trafo 237 V AC
2 Tegangan keluaran trafo 13.27 V AC
3 Tegangan penyearah sebelum
regulator 15.37 V DC
4 Tegangan setelah regulator 5.17 V DC
Dari hasil pengujian diatas, walaupun tegangan masukan dari jala-jala lebih besar dari yang seharusnya yaitu mencapai 237V tetapi besarnya tegangan keluaran power suplai yaitu 5,17V DC masih sesuai untuk catu daya mikrokontroller ATMEGA8535 yang memiliki tegangan kerja antara 4,5V DC hingga 5,5V DC.
4.1.2. Zero cross detector
Dari gambar 4.1 dapat dilihat bahwa gelombang keluaran rangkaian zero cross detector berbentuk gelombang kotak dengan duty cycle 50%. Tegangan puncak sebesar 5V sehingga sesuai untuk input mikrokontroller. Kondisi ON mewakili siklus positif tegangan line to netral pada rangkaian daya. Dengan demikian dapat diketahui bahwa gelobang sinus dimulai ketika gelombang kotak berubah dari logika 0 ke 1. Saat itulah gelombang akan mengaktifkan interupsi sehingga mikrokontroller bisa memberikan tunda pengaktifan thyristor.
Gambar 4.1 Gelombang keluaran zero cross detector
4.1.3. Driver dan optoisolator.
Hasil pengujian rangkaian driver dan optoisolator dapat dilihat pada gambar 5.8 dan 5.9.
Gambar 4.2 Gelombang keluaran PORT D pin 1
Gambar 4.3 Gelombang gate to anoda pada Thyristor
Pada gambar 4.2 tegangan puncak gelombang sebesar 5V dengan duty cycle sesuai mode yang dipilih. Besarnya duty cycle antara 30% hingga 50%. Pada gambar 4.3 dapat dilihat gelombang keluaran gate to
anoda pada thyristor.
4.2.Pengujian Penyearah Terkontrol
Dalam pengujian keluaran penyearah terkontrol ini digunakan Osciloscope analog “Kenwood CS-4125”. Beban yang digunakan adalah 2 buah lampu pijar 100w dan tegangan kerja VLN 100 V. simulasi
5 of 6
4.2.1. Pengujian Penyearah 1 fasa terkontrolPada gambar 4.4 dapat dilihat gelombang keluaran penyearah 1 fasa terkontrol.
Gambar 4.4 Keluaran pada sudut picu 0˚, 30˚, 60˚, 90˚, 120˚, 150˚
Perbandingan hasil pengukuran,simulasi dan perhitungan dapat dilihat pada tabel 4.2.
Tabel 4.2 Perbandingan perhitungan, simulasi dan hasil pengukuran tegangan keluaran (VDC).
No Sudut Perhitungan Simulasi Pengukuran
1 0 89.87 90 82.5 2 30 83.86 83 77.5 3 60 67.43 67 63.5 4 90 44.97 44 44.8 5 120 22.51 22 25.2 6 150 6.05 6 9.1 7 180 0 0 0
4.2.2. Pengujian Penyerah 3 fasa setengah jembatan terkontrol
Pada gambar 4.5 dapat dilihat gelombang keluaran penyearah 3 fasa setengah jembatan terkontrol.
Gambar 4.5 Keluaran pada sudut picu 0˚, 30˚, 60˚, 90˚, 120˚
Perbandingan hasil pengukuran,simulasi dan perhitungan dapat dilihat pada tabel 4.3.
Tabel 4.3 Perbandingan perhitungan, simulasi dan hasil pengukuran tegangan keluaran (VDC).
No Sudut Perhitungan Simulasi Pengukuran
1 0 116.99 116 108 2 30 101.33 101 92 3 60 67.6 67 62 4 90 33.84 33 31 5 120 9.09 9 7 6 150 0 0 0
4.2.3. Pengujian Penyearah 3 fasa jembatan semi terkontrol
Pada gambar 4.6 dapat dilihat gelombang keluaran penyearah 3 fasa jembatan semi terkontrol.
Gambar 4.6 Keluaran pada sudut picu 0˚, 30˚, 60˚, 90˚, 120˚, 150˚
Perbandingan hasil pengukuran,simulasi dan perhitungan dapat dilihat pada tabel 4.4.
Tabel 4.4 Perbandingan perhitungan, simulasi dan hasil pengukuran tegangan keluaran (V DC).
No Sudut Perhitungan Simulasi Pengukuran
1 0 233.99 233.00 222.00 2 30 218.33 218.00 207.00 3 60 175.55 175.00 170.00 4 90 117.09 116.00 121.00 5 120 58.61 58.00 60.00 6 150 15.75 15.00 12.00 7 180 0 0.00 0.00
4.2.4. Pengujian penyearah 3 fasa jembatan terkontrol
Pada gambar 4.7 dapat dilihat gelombang keluaran penyearah 3 fasa jembatan terkontrol.
Gambar 4.7 Keluaran pada sudut picu 0˚, 30˚, 60˚, 90˚
Perbandingan hasil pengukuran,simulasi dan perhitungan dapat dilihat pada tabel 4.5.
Tabel 4.5 Perbandingan perhitungan, simulasi dan hasil pengukuran tegangan keluaran (V DC).
No Sudut Perhitungan Simulasi Pengukuran
1 0 233.99 233.85 222
2 30 202.67 202.02 199
3 60 117.21 116.07 126
4 90 31.50 30.75 38
6 of 6
Gambar 4.8 Grafik perbandingan tegangan keluaran rata-rata masing-masing penyearah terkontrol
Dari gambar 4.8 dapat dilihat karakteristik pengaturan tegangan keluaran melalui pengaturan sudut fasa. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa pengaturan tegangan yang memiliki rentang paling luas adalah penyearah 3 fasa jembatan penuh semi terkontrol dan penyearah 1 fasa jembatan penuh yaitu sebesar 180˚. Sedangkan yang memiliki tegangan paling besar adalah penyearah 3 fasa jembatan penuh semi terkontrol dan penyearah 3 fasa jembatan penuh terkontrol.
IV. PENUTUP 5.1. Kesimpulan
Berdasarkan pembuatan, perancangan,
pengujian dan analisa dapat diperoleh kesimpulan sebagai berikut:
1. Telah berhasil dibuat alat pemicuan thyristor untuk berbagai topologi penyearah dengan menggunakan ATMEGA8535 yang mampu bekerja pada tegangan 220V.
2. Rangkaian daya pada penyearah terkontrol dapat menggunakan suplai tegangan Line to netral yang bervariasi mulai dari 50 V hingga 220 V.
3. Rentang pengaturan tegangan penyearah 3 fasa jembatan penuh semi terkontrol dan penyearah 1 fasa jembatan penuh yaitu sebesar 180˚, sedangkan pada penyearah 3 fasa setengah jembatan rentang pengaturan tegangan hingga 150˚ , sedangkan pada penyearah 3 fasa terkontrol penuh rentang pengaturan tegangan sebesar 120˚.
5.2. Saran
Beberapa saran untuk pengembangan alat yang telah dibuat diantaranya adalah:
1. Perlu analisa dan studi lebih lanjut untuk pengoperasian penyearah dengan beban induktif dan kapasitif.
2. Perlu dicari rangkaian zero cross detector yang mampu bekerja pada rentang tegangan yang luas tanpa perlu melakukan penyetingan ulang.
DAFTAR PUSTAKA
1. Jacob M. Ph.D, C.C. Halkias, Ph.D, Elektronika
Terpadu, Penerbit Erlangga, 1990.
2. Joseph A. Edminister, M.S.E. Seri Buku Schaum:
Teori Dan Soal – Soal Rangkaian Listrik. Edisi
kedua. ERLANGGA: Jakarta,1988
3. Lister, Rangkaian dan Mesin Listrik, Penerbit Erlangga,Jakarta,1993.
4. Mohan.Ned ,Tore M.Undeland ,William P
Robbins, Power Electronics : Converter,
Applications, and Design, John Wiley and Sons
Inc, Canada, 1995.
5. P C Sen, Power Electronics, Tata McGraw-Hill, 1987.
6. Rashid, Muhammad, Power Electronics circuits,
devices, and applications, 1988, New Jersey :
Prentice-Hall International, Inc.
7. Theraja, BL dan AK, A Text Book of Technology
Volume II, Nirja Construction and Development
co.(p) LTD, New Delhi, 1994.
8. Wildi, Theodore, Electrical Machines, Drives, and
Power Sstems 3rd, Prentice-Hall International, Inc.
New Jersey, 1997.
9. Zuhal, Dasar Tenaga Listrik Dan Elektronika
Daya, Gramedia, 1995
10. ____________, Thyristor and Triac, Philips Semiconductors, 1999.
BIODATA PENULIS
Pandu Sandi Pratama L2F 004 499, Ketenagaan
Lahir di Semarang 1 November
1986. Telah menempuh
pendidikan di TK Mardi Utomo Bulusan, SD Bulusan 02, SLTPN 27 Semarang, SMUN 3 Semarang dan sekarang sedang menempuh pendidikan Strata-1 di Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro.
Menyetujui, Dosen Pembimbing
Ir. Agung Warsito DHET
