19
BAB III
PERANCANGAN SISTEM
Pada bab ini akan dijelaskan perancangan sistem perangkat keras dari UPS (Uninterruptible Power Supply) yang dibuat dengan menggunakan inverter PWM 3 level.
3.1. Gambaran Sistem
Gambar 3.1. Blok diagram UPS
Gambar 3.1 menunjukkan blok diagram keseluruhan sistem yang dirancang. Secara umum sistem yang dirancang terdiri dari dua bagian utama yaitu charger aki kering dan modul inverter. Modul charger aki kering berfungsi untuk mengisi aki kering yang berguna sebagai sumber tegangan cadangan yang menyuplai modul inverter. Sedangkan modul inverter berfungsi untuk mengubah tegangan DC menjadi AC. Inverter itu sendiri terdiri dari beberapa bagian penting seperti modul pembangkit sinyal, modul h-bridge, modul step-up (penaik) tegangan, dan modul filter.
3.2. Perancangan Perangkat Keras
Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan hingga perealisasian perangkat keras sistem. Perancangan perangkat keras meliputi perancangan pada modul charger aki kering otomatis dan modul inverter yang terdiri dari modul pembangkit sinyal, modul h-bridge, modul step-up tegangan, dan modul filter.
20 3.2.1. Modul Charger Aki Kering
Pada bagian ini akan dijelaskan mengenai perancangan perangkat keras modul charger aki kering beserta cara kerjanya. Modul charger aki kering ini membutuhkan sumber tegangan 12V yang berasal dari tegangan AC 220V yang sudah di step-down. Modul charger aki kering ini menggunakan SCR (Silicon Controlled Rectifier) sebagai komponen switchingnya. Pada dasarnya rangkaian charger aki kering yang dirancang ini memiliki cara kerja yang sangat sederhana, dimana rangkaian yang dirancang tidak terjadi short circuit atau hubungan pendek antara sumber tegangan dengan aki kering ketika aki kering yang dicharge sudah penuh.
Ketika aki kering dihubungkan langsung dengan sumber tegangan maka aki kering akan terisi, tetapi arus yang mengalir melalui aki kering yang dicharge tidak bisa dikontrol. Arus yang tidak terkontrol ini lama-lama akan membuat aki kering menjadi rusak jika sudah penuh karena aki kering berada pada kondisi hubungan pendek. Gambar 3.2 berikut ini menunjukkan rangkaian charger untuk aki kering.
Gambar 3.2. Modul charger aki kering
Pada saat aki kering kosong, aki kering dipasang pada terminal pengisian. SCR1 akan langsung aktif dikarenakan arus akan mengalir melalui R1 dan akan memicu gate SCR1. Pada kondisi ini arus yang akan mengisi aki kering sebagian besar berasal dari kolektor SCR1 yang terhubung langsung dengan terminal positif sumber tegangan. Kemudian selama proses pengisian berlangsung, kenaikan tegangan pada aki kering
21
akan memperbesar arus yang mengalir pada kaki gate SCR2 melalui R4, potensio/trimpot P, dan dioda D2.
Potensio P merupakan komponen yang digunakan sebagai kalibrasi awal untuk menentukan posisi yang tepat dalam perencanaan proses switching rangkaian. Pada awal pengisian, potensio diatur sehingga led indikator dalam kondisi mati, serta arus yang mengalir masuk pada kaki anoda SCR1 tidak terlalu besar dan tidak terlalu kecil. Jika aki kering sudah terisi penuh maka led indicator secara otomatis akan menyala dikarenakan kenaikan tegangan pada aki kering yang dicharge akan menyebabkan kenaikan arus yang mengalir pada gate SCR2 serta akan memutuskan siklus pengisian karena SCR1 menjadi tidak aktif dikarenakan kekurangan arus gate. Kondisi tersebut dikarenakan hampir semua arus yang mengalir pada R1 akan berpindah ke dioda D1.
3.2.2. Modul Inverter
Modul inverter merupakan bagian dari perangkar UPS yang akan mengubah tegangan DC menjadi AC dengan menggunakan sumber tegangan 12V dari aki kering. Inverter yang akan dirancang adalah inverter 1 fasa dimana tegangan inputnya akan diatur secara konstan dan mempunyai keluaran sinus murni. Inverter ini dibuat dengan menggunakan metode PWM 3 level. Inverter ini mempunyai 4 bagian utama yaitu modul pembangkit sinyal, modul H-bridge dengan menggunakan MOSFET tipe-N, modul step-up (penaik) tegangan, dan modul Band Pass Filter (BPF). Selanjutnya akan dijelaskan perancangan dan fungsi masing-masing bagian dari modul inverter.
3.2.2.1. Modul Pembangkit Sinyal
22
23
Mula-mula modul sinyal yang dibuat adalah pembangkit sinyal sinus dan sinyal segitiga. Sinyal sinus dan segitiga ini dihasilkan dengan menggunakan IC XR-2206. Sinyal sinus yang dihasilkan mempunyai frekuensi 50Hz dan sinyal segitiganya 1kHz. Frekuensi pada rangkaian pembangkit sinyal sinus dan segitiga dapat dicari dengan menggunakan rumus �= 1 dimana R merupakan resistor yang terhubung pada kaki 7 XR2206 dan C merupakan kapasitor yang terhubung antara kaki 5 dan 6 XR-2206
Gambar 3.4. Rangkaian penghasil sinyal sinus dan kotak 1 50Hz 1 3
3
24
Gambar 3.5. Sinyal sinus dengan frekuensi 50Hz
Gambar 3.6. Rangkaian penghasil sinyal segitiga 1kHz
2 3
25
Gambar 3.7. Sinyal segitiga dengan frekuensi 1kHz
Lalu sinyal sinus dan segitiga yang sudah dihasilkan digunakan untuk membuat sinyal PWM (PWM 1) dan invertingnya (PWM 2) dengan menggunakan LM324. Sinyal PWM 1 dihasilkan dengan membandingkan sinyal sinus pada kaki non-inverting LM324 dan sinyal segitiga pada kaki inverting LM324. Sedangkan sinyal PWM 2 dihasilkan dengan membandingkan sinyal sinus pada kaki inverting LM324 dan sinyal segitiga pada kaki non-inverting LM324. Untuk sinyal kotaknya (kotak 1) dihasilkan langsung oleh IC XR-2206, sedangkan inverting sinyal kotaknya (kotak 2) dihasilkan dengan membandingkan sinyal kotak dengan ground menggunakan LM324 juga.
Gambar 3.8, gambar 3.9, gambar 3.10, dan gambar 3.11 berikut ini menunjukkan sinyal yang dihasilkan oleh modul yang dibuat
26
Gambar 3.9. Sinyal inverting PWM (PWM 2)
Gambar 3.10. Sinyal kotak (kotak 1)
27 3.2.2.2. Modul H-bridge
Modul H-bridge yang dirancang ini terdiri dari 4 buah MOSFET tipe-N dengan tipe IRFP460 yang menggunakan IC IR2110 sebagai drivernya. Rangkaian H-bridge ini mempunyai 4 kondisi, yaitu MOSFET kiri atas on lalu MOSFET sebelah kanan bagian atas dan bawah akan on secara bergantian. Kemudian kondisi berikutnya adalah ketika MOSFET sebelah kiri bawah on, maka MOSFET sebelah kiri atas akan off dan MOSFET sebelah kanan bagian atas dan bawah akan on secara bergantian pula. Untuk masing-masing kondisi pada modul H-bridge ini mempunyai keluaran yang berbeda-beda, seperti Tabel 3.1 berikut ini
Tabel 3.1. Pensaklaran H-Bridge dengan MOSFET Tipe-N
Kiri Atas Kanan Atas Kiri Bawah Kanan Bawah Tegangan
On Off Off On Positif
Off On On Off Negatif
On On Off Off Nol
Off Off On On Nol
Berdasarkan tabel pensaklaran H-bridge tersebut, keluaran yang akan dihasilkan ada tiga jenis yaitu positif, nol, dan negatif.
28
Gambar 3.12. Rangkaian sebelah kiri H-bridge
Gambar 3.13 berikut ini menunjukkan sebelah kanan dari rangkaian H-bridge dengan IR2110 yang berfungsi sebagai drivernya. IR2110 yang sebelah kanan ini dikontrol dengan menggunakan sinyal PWM 1 pada bagian HIN-nya dan sinyal PWM 2 (inverting kotak) pada bagian LIN-nya.
Gambar 3.13. Rangkaian sebelah kanan H-bridge
29
Gambar 3.14. Sinyal PWM 3 level 3.2.2.3. Modul Step-up Tegangan
Modul step-up tegangan dirancang untuk menaikkan tegangan keluaran pada modul H-bridge. Tegangan yang dibutuhkan adalah tegangan DC sebesar 311V. Mula-mula aki kering 12V digunakan untuk mencatu IC 4047 yang berfungsi sebagai penghasil sinyal kotak dengan keluaran high sebesar 12V dan low sebesar 0V. Sinyal kotak ini masuk ke bagian sekunder trafo untuk distep up. Trafo yang digunakan adalah 2 buah trafo 3A yang dipasang secara parallel. Pada bagian primer trafo akan menghasilkan tegangan kotak AC sebesar 220V, kemudian disearahkan dengan diode agar memperoleh tegangan DC sebesar 311V. Gambar 3.15 berikut ini menunjukkan rangkaian dari modul step-up tegangan
Gambar 3.15. Rangkaian step-up tegangan input
3
output
30 3.2.2.4. Modul BPF (Band Pass Filter)
Filter yang digunakan pada perancangan ini adalah Band Pass Filter. BPF (Band Pass Filter) adalah filter yang akan meloloskan sinyal pada range frekuensi di atas frekuensi batas bawah (fL) dan di bawah frekuensi batas atas (fH). Berdasarkan faktor
kualitasnya (Q), BPF ini terdiri dari 2 macam yaitu BPF bidang lebar dan BPF bidang lebar. Bila nilai Q kurang dari 10, maka BPF dapat digolongkan sebagai BPF bidang lebar. Bila nilai Q lebih dari 10, maka BPF dapat digolongkan sebagai BPF bidang sempit. Perhitungan factor kualitas untuk BPFdapat dicari dengan
= �� = ��
Salah satu rangkain BPF yang dapat digunakan adalah dengan menggunakan komponen L (inductor) dan C (kapasitor) seperti gambar 3.16
Gambar 3.16. BPF dengan komponen LC
Fungsi alih untuk rangkaian filter tersebut adalah
31 1 = �2�
�2= 1
� dimana wo = 2πfo maka frekuensi pusatnya (fo)
fo = 1
2� �
Jadi untuk BPF dengan pusat frekuensi 50Hz dan menggunakan nilai C = 10uF, nilai L dapat dicari dengan
�= 1 4�2.�
�2.
= 1
4�2. 502. 10 10−6
�= 1,0132 �
Gambar 3.17 berikut ini menunjukkan BPF (Band Pass Filter) yang dipasang pada keluaran H-bridge
Gambar 3.17. Band Pass Filter LC 9
10 11
