PENGARUH BEBAN DAN FILTER PADA PENYEARAH ACDC TERKENDALI UNTUK RANGKAIAN PENGISI LI-ION BERBASIS BRIDGE RECTIFIER DAN BUCK CONVERTER MENGGUNAKAN METODE CC/CV - Repository ITK

7

BAB II

TINJAUAN PUSTAKA

Pembahasan pada bab ini berisi tentang tinjauan pustaka dari penelitian yang akan dilakukan. Adapun tinjauan pustaka meliputi baterai Li-ion, pengisian CC/CV, single-phase full wave rectifier, bridge rectifier dengan PWM, buck converter, dan desain filter pada single-phase full wave rectifier.

2.1. Baterai Li-ion (Lithium-Ion)

Definisi dari baterai Li-ion tidak sepenuhnya resmi. Namun, secara umum sebuah baterai yang menggunakan reaksi dari elektroda positif dan negatif menggunakan lithium-ion sebagai pembawa muatan dapat disebut sebagai baterai Li-ion. Sehubungan dengan definisi ini, terdapat banyak tipe sel kimia untuk baterai Li-ion, jadi baterai Li-ion bukanlah sebuah baterai yang menggunakan sel kimia tunggal, seperti lead acid atau nickel cadmium, tetapi kumpulan beberapa sel kimia (Horiba, 2013). Dalam hal gravimetric dan volumetric, baterai Li-ion adalah baterai yang lebih baik dibandingkan baterai-baterai rechargeable lainnya. Pada gambar 2.1 menunjukkan perbandingan kerapatan energi dari jenis-jenis baterai rechargeable dan dapat dilihat bahwa baterai Li-ion memiliki kerapatan energi yang lebih baik dibandingkan yang lainnya. Walaupun baterai lithium metal memiliki kerapatan energi yang lebih tinggi dibandingkan Li-ion, tetapi lithium metal memiliki kekurangan seperti kemampuan recharge yang buruk dan sangat rentan sehingga dapat menyebabkan kebakaran bahkan ledakan (Deng, 2015).

Kerapatan energi pada baterai berpengaruh pada kapabilitas baterai untuk menyimpan energi. Karena hal ini diperhitungkan berdasarkan proses pemakaian, nilai kerapatan energi adalah jumlah energi yang dapat diberikan oleh baterai (Eftekhari, 2017).

Sebuah baterai Li-ion merupakan gabungan dari beberapa sel Li-ion yang dihubungkan secara paralel (untuk menaikkan tegangan), seri (untuk menaikkan arus), atau kombinasi keduanya. Beberapa sel baterai dapat dikombinasikan menjadi sebuah modul, dan beberapa modul dapat dikombinasikan menjadi sebuah

8

battery pack (Deng, 2015). Sebuah sel tunggal dari baterai Li-ion memiliki tegangan sekitar 3-4 V. Tegangan ini merupakan tegangan sel yang sangat tinggi untuk sebuah baterai sekunder (Horiba, 2013).

Gambar 2.1 Kerapatan Energi Baterai Rechargeable (sumber: Deng, 2015)

2.2. Metode Pengisian CC/CV

Metode CC/CV (Constant Current/Constant Voltage) adalah penggabungan dari pengisian arus konstan (CC) dan pengisian tegangan konstan (CV). Pada pengisian ini, sebuah baterai akan diisi dengan arus konstan yang telah ditentukan pada fase CC dan tegangan baterai akan meningkat hingga mencapai nilai maksimum yang aman. Lalu, baterai akan memasuki fase CV dengan tegangan konstan yang telah ditentukan, menyebabkan arus pengisian kontinyu menurun.

Fase CV akan berakhir ketika arus yang berkurang mencapai nilai tertentu atau kapasitas tujuan telah tercapai (Liu dkk, 2018).

Pengisian CC/CV standar pertama kali digunakan pada pengisian baterai lead acid dengan nilai arus konstan dan tegangan konstan yang telah ditentukan berdasarkan rekomendasi pembuat baterai, dan sekarang telah digunakan untuk pengisian baterai Li-ion dengan beberapa modifikasi. Karena tegangan terminal dan penerimaan pengisian lebih tinggi pada baterai Li-ion, sehingga arus konstan pada CC/CV untuk baterai Li-ion harus lebih tinggi dibandingkan baterai lead acid, yang biasanya dipilih dari nilai 0,5C sampai 3,0C. Pada proses pengisian CC/CV, fase

9 CC dan fase CV dapat saling melengkapi dengan cara tertentu, rugi-rugi kapasitas yang disebabkan oleh besarnya polarisasi elektrokimia pada fase CC dapat dikompensasi secara efektif pada fase CV. Sehingga, pengisian CC/CV menjadi lebih baik dibandingkan pengisian CC ataupun pengisian CV saja (Liu dkk, 2018).

Gambar 2.2 Kurva Pengisian CC/CV (sumber: Liu dkk, 2018)

Rangkaian charger yang digunakan untuk mengisi baterai Li-ion memiliki regulasi tegangan dengan toleransi lebih tinggi ±1% sebagaimana yang direkomendasikan oleh manufaktur baterai untuk memaksimalkan performa baterai Li-ion. Metode pengisian untuk baterai Li-ion adalah metode CC/CV (Constant Current/Constant Voltage). Pada metode ini, pengisian biasanya dihentikan dengan arus pengisian minimum. Arus minimum memiliki pendekatan arus pengisian saat mode CV dan menghentikan pengisian ketika arus bernilai 0,02C sampai 0,07C.

Kondisi ini menyiratkan bahwa ripple arus keluaran charger tidak boleh melebihi nilai ini. Besaran nilai ripple pada arus keluaran sangat penting untuk keandalan performa dan memperpanjang masa penggunaan baterai (Nguyen dkk, 2014).

2.3. Bridge Rectifier

Terdapat dua tipe single-phase full wave rectifier atau penyearah satu-fasa gelombang penuh, yaitu penyearah gelombang penuh dengan trafo center-tapped dan bridge rectifier. Pada gambar 2.3 adalah bridge rectifier yang menggunakan empat buah dioda. Penyearah ini tidak membutuhkan trafo center-tapped. Selama setengah siklus positif dari tegangan sekunder trafo, arus akan mengalir menuju beban dari dioda D1 dan D2. Selama setengah siklus negatif, D3 dan D4 akan

10

mengalami konduksi. Bridge rectifier tersusun dari sebuah trafo, empat buah dioda, dan sebuah beban resistif R. Selama setengah siklus positif dari tegangan sekunder trafo, tegangan akan mengalir melewati dioda D1 menuju beban R lalu menuju dioda D2 dan kembali ke sekunder trafo. Saat setengah siklus negatif dari tegangan sekunder trafo, tegangan akan mengalir melewati dioda D3 menuju beban R lalu menuju dioda D4 dan kembali ke sekunder trafo. Tegangan rata-rata yang dihasilkan bridge rectifier (Rashid, 2018).

2

2 sin 2

0,636 (2.1)

Gambar 2.3 Bridge Rectifier (Rashid, 2018)

Gambar 2.4 Bentuk Gelombang Tegangan dan Arus Bridge Rectifier (Rashid, 2018)

11 Vm adalah nilai tegangan puncak dari tegangan sumber (Pyakuryal dkk, 2013). Dan tegangan rms (root-mean-square) keluaran bridge rectifier (Rashid, 2018).

2

2 sin

√2 0,707 (2.2)

Arus rata-rata yang dihasilkan bridge rectifier dengan beban resistif murni didapatkan dari persamaan (2.1).

2 0,636

(2.3) dan arus rms bridge rectifier berdasarkan persamaan (2.2) adalah.

√2

0,707

(2.4)

Tabel 2.1 merupakan parameter desain dari bridge rectifier dengan beban resistif.

Tabel 2.1 Parameter Dasar Bridge Rectifier Dengan Beban Resistif

Parameter Nilai Puncak tegangan balik berulang ( ) atau 1,57

Arus rata-rata dioda ( ) 0,5

Rectification ratio 0,81 atau 81%

Ripple factor 0,482 atau 48,2%

Frekuensi ripple keluaran ( ) 2 (Rashid, 2018).

12

2.3.1. Ripple Factor

Ripple factor atau faktor ripple merupakan pengukuran muatan ripple yang memiliki persamaan (Rashid, 2018).

(2.5)

Dimana VAC adalah nilai efektif (rms) dari ripple AC pada tegangan beban VL:

(2.6)

Dengan melakukan substitusi persamaan (2.10) dan (2.11), RF dapat dicari dengan persamaan.

1 1 (2.7)

Pada penyearah satu fasa gelombang penuh, nilai RF didapatkan.

1.11 1 0,482 (2.8)

2.3.2. Rectification Ratio

Rectification ratio atau rasio penyearahan adalah cara untuk mengetahui efektivitas dari penyearah, nilai ini didapatkan menggunakan persamaan (Rashid, 2018).

(2.9)

Untuk bridge rectifier yang merupakan penyearah satu fasa gelombang penuh, didapatkan nilai rasio penyearahan.

0,636

0,707 81% (2.10)

13

2.4. Pulse Width Modulation

Pulse Wide Modulation (PWM) merupakan metode yang digunakan untuk mengatur lebar sinyal digital. Lebar sinyal ini direpresentasikan sebagai lebar pulsa dalam satu periode waktu. Umumnya PWM memiliki besar amplitudo dan frekuensi dasar yang sama, tetapi dengan lebar pulsa bervariasi. Dengan teknik PWM, beberapa pulsa on dan off akan terbentuk. Persentase pulsa ditampilkan dalam duty cycle. Duty cycle memiliki rentang 0 hingga 100 % (Dinniyah, 2017).

Gambar 2.5 Sinyal PWM (Hart, 2011)

2.5. Switching Converter Dasar

Sebuah alternatif efisien dari regulator linear adalah switching converter. Di dalam rangkaian switching converter, transistor berfungsi sebagai saklar elektronik dengan kondisi sepenuhnya on atau sepenuhnya off. Rangkaian ini juga dikenal dengan nama DC chopper. Dengan asumsi bahwa saklar pada gambar 2.6 ideal, keluaran akan bernilai sama dengan masukkan saat saklar keadaan tertutup, dan keluaran akan bernilai nol ketika saklar keadaan terbuka. Pembukaan dan penutupan secara periodik dari saklar menghasilkan sinyal pada gambar 2.6(c).

Tegangan rataan dari tegangan keluaran bernilai (Hart, 2011).

1 1

(2.11)

Komponen DC dari tegangan keluaran dikendalikan dengan mengatur rasio kerja D, yang merupakan bagian dari periode penyaklaran ketika saklar tertutup.

(2.12)

14

Dimana adalah frekuensi penyaklaran. Komponen DC dari tegangan keluaran akan lebih kecil atau sama dengan tegangan masukkan untuk rangkaian ini.

Gambar 2.6 (a) Switching Converter Dasar, (b) Rangkaian Saat Penyaklaran, dan (c) Tegangan Keluaran (Hart, 2011)

2.6. Single-Phase Full Wave Rectifier Menggunakan PWM

Metode pemotongan sinyal adalah metode kendali yang dapat digunakan untuk membentuk sinyal keluaran. Pemotongan sinyal juga dapat digunakan untuk mengubah model matematis dari sebuah sinyal. Pada metode ini, tegangan keluaran dari bridge rectifier akan “dipotong” menggunakan sebuah urutan dengan sejumlah pulsa dan duty cycle untuk mengendalikan aliran arus menuju beban. Teknik ini menawarkan kendali linear untuk komponen DC dan dapat mendistribusikan komponen AC (ripple) (Asiri dkk, 2007).

Gambar 2.7 Konfigurasi Dasar Keluaran Terkendali Bridge Rectifier (Asiri dkk, 2007)

15 Gambar 2.8 Bentuk Sinyal 2-Pulsa Penyearah Terkendali dengan

Duty Cycle 50% (Asiri dkk, 2007)

Pada gambar 2.8, diketahui sinyal AC yang telah disearahkan masing-masing memiliki periode sebesar π dikendalikan menggunakan PWM dengan 2 buah pulsa pada setiap setengah sinyal AC positif dengan duty cycle sebesar 50%. Fourier series dari tegangan keluaran sinyal tersebut dapat diperoleh (Hart, 2011).

cos sin

, , ,….

(2.13)

Dimana nilai VDC didapatkan (Asiri dkk, 2007).

sin sin (2.14)

Pada persamaan (2.14), diketahui bahwa sebuah sinyal AC bersiklus positif yang telah disearahkan memiliki 2 pulsa kendali dengan duty cycle 50%. Hasil dari persamaan tersebut dapat diverifikasi dengan perhitungan sederhana sebagai berikut.

2 0,52

(2.15)

Perhitungan koefisien dari fourier series (an + bn) menggunakan pendekatan yang dibuat secara umum. Dikarenakan sinyal AC yang telah disearahkan hanya berada pada fungsi genap, sehingga komponen ganjil dari fourier series tidak ada (Asiri dkk, 2007).

16

, , ,.. , , ,.. 0 (2.16)

Untuk kasus dengan orde harmonik genap, n ≥ 2. Diperoleh aⁿ. 2

2 sin cos (2.17)

1

1 cos 1

cos 1

1

1 cos 1

cos 1

(2.18)

dan bn. 2

2 sin sin (2.19)

2

1

1 sin 1

sin 1

2

1

1 sin 1

sin 1

2

1

1 sin 1

sin 1

2

1

1 sin 1 sin 1

(2.20)

17

2.7. Buck Converter

Buck converter adalah sebuah step-down DC-DC converter yang menghasilkan rata-rata tegangan keluaran lebih rendah dari tegangan masukannya.

Pada gambar 2.9, sebuah buck converter terdiri dari sumber tegangan DC (Vs), saklar kontrol (S), dioda (D), filter induktor (L), filter kapasitor (C), dan beban resistansi (R). Pada buck converter diasumsikan arus induktor selalu positif.

Kondisi dari converter ketika arus induktor tidak pernah bernilai nol kapanpun disebut sebagai CCM (Continuous Conduction Mode). Pada rangkaian ini, ketika saklar S pada keadaan on, dioda D akan mengalami bias mundur. Ketika saklar off, dioda akan mengalami konduksi untuk menyuplai arus yang tak terinterupsi pada induktor (Rashid, 2018). Saat saklar dalam posisi on, dioda pada gambar 2.9 (a) akan mengalami bias mundur sehingga rangkaian berada pada gambar 2.9 (b). Saat saklar dalam posisi off, dioda pada gambar 2.9 (a) akan mengalami bias maju sehingga rangkaian berada pada gambar 2.9 (c).

Gambar 2.9 (a) Buck Converter, (b) Buck Converter Saat Saklar On, dan (c) Buck Converter Saat Saklar Off (Hart, 2011)

18

Gambar 2.10 Gelombang Buck Converter (a) Tegangan Induktor, (b) Arus Induktor, dan (c) Arus Kapasitor (Hart, 2011)

2.8. Fourier Series

Sebuah gelombang periodik non-sinusoidal dapat dideskripsikan dengan sinusoid deret Fourier (Fourier series). Deret fourier untuk fungsi periodik dapat dirumuskan menggunakan bentuk trigonometri (Hart, 2011). Didapatkan persamaan deret Fourier sebagai berikut (Spiegel, 1974).

2 cos sin (2.21)

Dimana nilai , , dan (Hart, 2011).

2 (2.22)

2 cos (2.23)

19

2 sin (2.24)

Sinyal sinus dan cosinus dari frekuensi yang sama dapat dikombinasikan ke dalam sebuah sinusoid, hal ini menghasilkan persamaan alternatif untuk deret Fourier (Hart, 2011).

cos (2.25)

Dimana nilai dan .

(2.26)

tan (2.27)

2.9. Desain Filter pada Rectifier

Ketika tegangan AC dikonversi menjadi DC menggunakan rectifier, tegangan keluaran DC membawa komponen AC yang tidak diinginkan yang disebut dengan ripple. Banyak pengaplikasian penyearah yang memerlukan agar ripple tidak melewati nilai yang ditetapkan. Ketika ripple melewati nilai tersebut, maka akan muncul hal-hal yang tidak diinginkan seperti rugi-rugi panas, audible noise, dan lain-lain. Ripple ini dapat dikurangi menggunakan sebuah filter. Sistem filter dapat dibuat dari sebuah kapasitor, sebuah induktor, atau kombinasi keduanya. Filter kapasitor digunakan pada penyearah daya rendah dan sebaliknya, induktor digunakan pada penyearah daya tinggi (Pyakuryal dkk, 2013).

2.9.1. Filter Kapasitor

Sebuah rangkaian penyearah tanpa filter dapat menghasilkan denyut pada keluarannya. Fluktuasi tersebut dapat dikurangi jika sejumlah energi dapat disimpan di kapasitor ketika penyearah menghasilkan denyut dan kapasitor dapat melakukan discharge diantara denyut tersebut (Pyakuryal dkk, 2013). Pada gambar 2.11 adalah rangkaian bridge rectifier dengan sebuah filter kapasitor. Kapasitor

20

akan bereaksi terhadap perubahan tegangan pada rangkaian. Karena rating charging kapasitor hanya dibatasi oleh impedansi dari sisi sumber, yang mana nilai impedansinya rendah, tegangan diseberang kapasitor dapat naik dengan kecepatan setengah gelombang sinus tegangan dari penyearah. Dengan kata lain, nilai charging RC sangat singkat. Charge dari kapasitor adalah sebuah penyimpanan energi. Ketika tegangan penyearah sama dengan nol, tegangan kapasitor tidak akan turun secara langsung. Energi yang disimpan oleh kapasitor akan dikeluarkan oleh beban selama penyearah tidak memberikan tegangan. Pada gambar 2.12 adalah gelombang tegangan keluaran dari bridge rectifier, garis merah adalah keluaran penyearah tanpa filter kapasitor dan garis hijau adalah penyearah dengan filter kapasitor (Pyakuryal dkk, 2013).

Berdasarkan gambar 2.13, ketika tegangan dari sumber bernilai lebih tinggi dari tegangan kapasitor, dioda D1 atau D3 akan mengalami bias maju dan mengisi kapasitor C serta memberikan tegangan pada beban R. Ketika tegangan dari sumber bernilai lebih rendah dari tegangan yang tersimpan oleh kapasitor, dioda D1 atau D3 akan mengalami bias mundur dan kapasitor akan mengalami discharge melalui beban R. Hal ini mengakibatkan tegangan pada kapasitor mengalami variasi dengan nilai maksimum Vm dan nilai minimum Vm - Vr(pp) dimana Vr(pp) adalah tegangan ripple peak-to-peak. Seperti pada gambar 2.13, sudut konduksi θc dari dioda menjadi lebih kecil saat ripple tegangan keluaran berkurang. Tetapi, jika ripple tegangan keluaran terlalu kecil akan menyebabkan kerusakan pada power supply dan dioda dikarenakan tingginya arus surja berulang (repetitive surge current).

Gambar 2.11 Penyearah Bridge Rectifier dengan Filter Kapasitor (Pyakuryal dkk, 2013)

21 Gambar 2.12 Gelombang Tegangan Keluaran Bridge Rectifier (merah) Tanpa

Filter Kapasitor dan (hijau) dengan Filter Kapasitor (Pyakuryal dkk, 2013)

Gambar 2.13 Gelombang Tegangan dan Arus Penyearah Gelombang Penuh dengan Filter Kapasitor (Rashid, 2018)

Pada praktiknya, jika tegangan ripple peak-to-peak kecil, maka nilai tersebut dapat dimodelkan sebagai (Rashid, 2018).

(2.28)

Dimana fr adalah frekuensi ripple. Pada single-phase half wave rectifier, fr

22

bernilai sama dengan frekuensi tegangan masukannya, sedangkan pada single- phase full wave rectifier akan bernilai dua kali lipat dari frekuensi tegangan masukannya. Maka, tegangan keluaran rata-rata VDC dan nilai rms ripple tegangan keluaran VAC didapatkan dari.

1 1

2 (2.29)

2√2 (2.30)

Menurut (Rashid, 2018) nilai faktor ripple filter kapasitor didapatkan menggunakan persamaan.

1

√2 2 1 (2.31)

2.9.2. Filter Induktor

Induktor adalah komponen yang bereaksi terhadap perubahan arus. Induktor menyebabkan penundaan terhadap arus. Karena arus pada sebuah rangkaian seri bernilai sama, sebuah induktor L terhubung dengan beban seperti pada gambar 2.14.

Penggunaan induktor berfungsi untuk mencegah arus meningkat terlalu tinggi atau turun terlalu cepat. Jika nilai induktor yang digunakan cukup besar, arus bisa menjadi kontinyu dan mendekati konstan. Induktor mencegah agar arus yang dihasilkan tidak mencapai nilai puncak, sehingga tegangan keluaran tidak akan mencapai nilai puncak dari gelombang sinus yang digunakan. Penyearah yang menggunakan filter induktor tidak akan menghasilkan tegangan sebesar filter kapasitor. Namun, kekurangan ini teratasi karena filter induktor dapat menghasilkan arus yang lebih tinggi tanpa perubahan yang signifikan pada tegangan keluarannya. Hal ini yang menjadikan filter induktor cocok untuk pengaplikasian daya tinggi (Pyakuryal dkk, 2013). Pada gambar 2.15 adalah gelombang arus keluaran dari bridge rectifier, garis merah adalah keluaran dari penyearah tanpa filter induktor dan garis hijau adalah keluaran dari penyearah dengan filter induktor.

23 Gambar 2.14 Penyearah Bridge Rectifier dengan Filter Induktor

(Pyakuryal dkk, 2013)

Gambar 2.15 Gelombang Arus Keluaran Bridge Rectifier (merah) Tanpa Filter Induktor dan (hijau) dengan Filter Induktor (Pyakuryal dkk, 2013)

Untuk rangkaian dengan filter induktor sederhana seperti pada gambar 2.14, ripple dapat dikurangi dengan persamaan (Rashid, 2018).

2 (2.32)

Dimana V^L adalah tegangan ripple sebelum menggunakan filter, V^O adalah tegangan ripple setelah menggunakan filter, dan Fr adalah frekuensi ripple yang bernilai 2 kali dari frekuensi masukkan.

Pada gambar 2.16, diketahui bahwa ketika induktansi LF bernilai tak hingga, arus yang mengalir melewati induktor dan tegangan keluaran akan bernilai konstan.

Ketika induktor LF bernilai terbatas, arus yang mengalir melewati induktor akan memiliki komponen ripple, seperti yang digambarkan menggunakan garis titik pada

24

gambar 2.16. Jika masukkan induktor terlalu kecil, arus akan jatuh menuju nol (menjadi discontinue) selama porsi waktu antara puncak dari tegangan keluaran penyearah. Pada praktiknya, pemilihan nilai induktor bergantung pada faktor ripple tegangan keluaran yang dibutuhkan.

Gambar 2.16 Tegangan dan Arus pada Penyearah Gelombang Penuh dengan Filter Induktor (Rashid, 2018)

Ripple tegangan dari penyearahan tanpa filtrasi dapat diperoleh dari rataan analisis fourier. Sebagai contoh, koefisien dari komponen harmonik ke-n dari tegangan penyearahan V^L pada gambar 2.16 dapat diperoleh (Rashid, 2018).

4

1 (2.33)

Dimana n bernilai genap. Dengan menggunakan persamaan (2.33), persamaan (2.5) dan nilai DC penyearahan pada persamaan (2.1), faktor ripple diperoleh (Rashid, 2018).

2 1

, ,.. 1

(2.34)

Mempertimbangkan bahwa hanya harmonik orde terendah (n=2), faktor ripple keluaran dari filter induktor sederhana (tanpa filter kapasitor) didapatkan dari

25 persamaan (2.34) dan (2.32) (Rashid, 2018).

′ 0,4714

1 4 (2.35)

Dimana fi adalah frekuensi tegangan masukan.

2.9.3. Filter Kapasitor-Induktor

Filter kapasitor-induktor digunakan untuk memperbaiki filtrasi dari penyearahan tegangan dan arus. Pada filter kapasitor ataupun filter induktor tidak memberikan hasil yang memuaskan, filter kapasitor hanya cocok untuk daya rendah dan filter induktor hanya cocok untuk daya tinggi. Tetapi, jika filter kapasitor dan induktor digabungkan, filter tersebut akan menghasilkan kualitas tegangan dan arus yang tinggi. Kapasitor berfungsi untuk menghaluskan gelombang tegangan sedangkan induktor untuk menghaluskan gelombang arus (Pyakuryal dkk, 2013).

Pada gambar 2.17 adalah rangkaian penyearah dengan filter kapasitor-induktor dan pada gambar 2.18 adalah gelombang yang dihasilkan oleh penyearah bridge rectifier, garis merah adalah gelombang tegangan keluaran dari penyearah tanpa filter, garis hijau adalah gelombang tegangan keluaran dari penyearah dengan filter, dan garis biru adalah gelombang arus keluaran dari penyearah dengan filter (Pyakuryal dkk, 2013). Untuk rangkaian dengan filter induktor-kapasitor seperti pada gambar 2.17, jumlah pengurangan tegangan ripple dapat diestimasikan sebagai berikut (Rashid, 2018).

1

1 2 (2.36)

Dimana VL adalah tegangan ripple sebelum menggunakan filter, VO adalah tegangan ripple setelah menggunakan filter, dan Fr adalah frekuensi ripple jika R

≫ 1/2πf^rC^f.

26

Gambar 2.17 Penyearah Bridge Rectifier dengan Filter Kapasitor-Induktor (Pyakuryal dkk, 2013)

Gambar 2.18 Gelombang Keluaran Bridge Rectifier (merah) Tegangan Tanpa Filter, (hijau) Tegangan dengan Filter dan (biru) Arus dengan Filter

(Pyakuryal dkk, 2013)

2.10. Hukum OHM

Resistor adalah sebuah konduktor dengan resistansi tertentu. Resistor memiliki nilai resistansi yang sama walaupun besaran dan arah dari beda potensial yang diberikan berbeda-beda. Tetapi terdapat alat konduktif lainnya yang memiliki resistansi yang dapat berubah-ubah sesuai dengan beda potensial yang diberikan.

Berdasarkan hukum OHM, diketahui bahwa nilai resistansi adalah hasil bagi antara beda potensial yang diberikan pada resistor dengan aliran arus yang mengalir melalui resistor tersebut, persamaan tersebut ditulis sebagai berikut.

27 (2.37) Dimana R adalah nilai resitansi dari resistor, V adalah beda potensial yang diberikan pada resistor dan i adalah aliran arus yang mengalir pada resistor (Halliday, 2014).

2.11. Impedansi dan Reaktansi

Pada sebuah rangkaian resistif murni AC maupun DC, sesuatu yang menghambat aliran arus disebut dengan resistansi. Tetapi, pada rangkaian AC, arus juga dapat dihambat dengan induktansi, kapasitansi, atau keduanya. Hal yang menghambat aliran arus dari sebuah kapasitansi disebut dengan reaktansi kapasitif (XC). Semakin besar nilai kapasitansinya, maka semakin kecil nilai reaktansi kapasitifnya. Sedangkan yang menghambat aliran arus dari induktansi disebut dengan reaktansi induktif (XL). Semakin besar nilai induktansinya, maka semakin besar pula nilai reaktansi induktifnya. Layaknya resistansi, reaktansi memiliki satuan ohm (Ω). Maka, total reaktansi pada rangkaian AC bergantung pada reaktansi induktif dan kapasitifnya. Reaktansi kapasitif dan induktif dapat diketahui dengan persamaan (Preston,2020).

1

2 (2.38)

2 (2.39)

Dimana f adalah nilai frekuensi sistem, C adalah nilai kapasitansi, dan L adalah nilai induktansi. Lalu, impedansi (Z) yang memiliki satuan ohm (Ω), adalah total hambatan pada rangkaian AC yang terdiri dari resistansi, reaktansi kapasitif, dan reaktansi induktif. Impedansi RLC yang terhubung seri didapatkan menggunakan persamaan.

(2.40) Dimana Z adalah nilai impedansi, R adalah nilai resistif, XL adalah nilai reaktansi induktif, dan XC adalah nilai reaktansi kapasitif (Preston, 2020). Sedangkan

28

Impedansi RLC yang terhubung paralel didapatkan menggunakan persamaan (O’malley, 1992).

(2.41)

2.12. Parameter Semikonduktor

Penentuan komponen semikonduktor pada bagian buck converter dapat diperoleh dengan mempertimbangkan beberapa penilaian, seperti tegangan puncak dan disipasi daya pada rangkaian.

2.12.1. MOSFET

Pada saklar semikonduktor diketahui stress tegangan dan arus maksimum dalam CCM saat kondisi steady-state bernilai (Kazimierczuk, 2016).

(2.42)

∆

2 (2.43)

Rugi-rugi konduksi saklar semikonduktor dapat diperoleh dengan persamaan.

(2.44) Dimana bernilai.

1 1

√ (2.45)

Dengan asumsi kapasitansi dari kapasitor keluaran bernilai linear, rugi-rugi penyaklaran dari saklar semikonduktor didapatkan.

(2.46) Total disipasi daya pada saklar semikonduktor bernilai.

29

2 (2.47)

2.12.2. Dioda

Pada dioda diketahui stress tegangan dan arus maksimum dalam CCM saat kondisi steady-state bernilai (Kazimierczuk, 2016).

(2.48)

∆ 2

(2.49)

2.13. Lilitan Induktor Toroid

Menghitung induktansi dari sebuah induktor toroid adalah hal yang mudah.

Pertama, harus diketahui terlebih dahulu nilai indeks induktansi dari inti yang akan digunakan. Nilai ini diketahui bernama AL, dapat diketahui dari data pembuat inti.

Jumlah lilitan pada induktor toroid untuk menghasilkan nilai induktansi yang diinginkan dapat dicari dengan (Silver, 2008).

1000 /1000 (2.50)

Dimana N merupakan jumlah lilitan, L merupakan nilai induktansi dalam satuan mH dan AL merupakan induktansi indeks dalam mH per 1000 lilitan.

2.14. Pembagi Tegangan

Resistor sering digunakan untuk mengontrol aliran arus. Teori ini dapat diaplikasikan menjadi potensiometer. Potensiometer bekerja berdasarkan prinsip pembagi tegangan yang dapat diatur. Potensiometer untuk pengaturan tegangan biasa dipakai sebagai kontrol volume atau level pada radio, TV, dan perangkat lainnya (Alexander, 2013).

30

Gambar 2.19 Rangkaian Pembagi Tegangan (Alexander, 2013)

Pada gambar di atas rangkaian pembagi tegangan dapat diketahui dengan menggunakan persamaan berikut.

(2.51)

2.15. Sensor Arus

Sensor arus ACS712 yang ditawarkan dipasaran didesain agar dapat mudah digunakan menggunakan mikrokontroler seperti Arduino. Sensor ini adalah sensor berbasis chip Allegro ACS712ELC, sensor arus ini memiliki skala nilai dari 5A, 20A, dan 30A. Tiap sensor memiliki fungsi dasar yang identik, perbedaannya hanya terdapat pada faktor skala keluaran seperti pada tabel berikut (energiazero.org, 2021). Gambar 2.20 merupakan gambar dari modul ACS712 beserta pinout.

Tabel 2.2 Spesifikasi Sensor

Parameter Modul 5A Modul 20A Modul 30A

Tegangan Suplai 5VDC 5VDC 5VDC

Rentang Ukur -5A ~ +5A -20A ~ +20A -30A ~ +30A

Tegangan Saat 0A 2,5VDC 2,5VDC 2,5VDC

Skala Faktor 185mV/A 100mV/A 66mV/A

Chip ACS712ELC-

05A

ACS712ELC- 10A

ACS712ELC- 30A (energiazero.org, 2021).

31 Gambar 2.20 Modul ACS712 (energiazero,2021)

2.16. Arduino Mega

Arduino mega 2560 adalah sebuah papan mikrokontroler berbasis ATmega 2560. Mikrokontroler ini memiliki 54 pin masukan/keluaran digital (yang mana 14 dari pin tersebut dapat digunakan sebagai keluaran PWM), 16 masukan analog, 4 UART (hardware serial ports), sebuah 16MHz crystal oscillator, sebuah koneksi USB, sebuah power jack, sebuah ICSP header, dan sebuah tombol reset (robotshop.com, 2021). Tabel 2.3 merupakan spesifikasi Arduino mega dan gambar 2.21 adalah gambar Arduino mega.

Tabel 2.3 Spesifikasi Arduino Mega

Parameter Spesifikasi Mikrokontroler ATmega2560

Tegangan operasi 5V

Tegangan masukan (rekomendasi) 7-12V

Tegangan masukan (batas) 6-20V

Jumlah pin I/O digital 54 (14 untuk PWM)

Jumlah pin analog masukan 16

Arus DC per pin I/O 40mA

Arus DC untuk pin 3.3V 50mA

Clock speed 16MHz

(robotshop.com, 2021).

32

Gambar 2.21 Arduino Mega (robotshop.com, 2021)

2.17. MOSFET Driver

Toshiba TLP250 adalah sebuah IC yang dapat digunakan pada rangkaian driver gate dari IGBT atau MOSFET daya. IC ini terdiri dari sebuah LED infrared dan pendeteksi cahaya yang terintegrasi (Toshiba, 2019). Penggunaan IC ini adalah untuk memisahkan Arduino dengan rangkaian uji coba. Spesifikasi singkat IC ini dapat dilihat pada tabel 2.4 dan rangkaian yang digunakan dapat dilihat pada gambar 2.22.

Tabel 2.4 Spesifikasi TLP250

Parameter Spesifikasi

Arus Maksimum Masukan 5mA

Arus Suplai 11mA

Tegangan Suplai 10-35V

Arus Keluaran ±1,5A

(Toshiba, 2019).

Gambar 2.22 Contoh Penggunaan TLP250 (Toshiba, 2019)

33

2.18. Penelitian Terdahulu

Pada tabel 2.5 merupakan penelitian terdahulu yang memiliki keterkaitan dengan penelitian yang dilakukan.

Tabel 2.5 Penelitian Terdahulu Nama dan Tahun

Publikasi Hasil

Asiri, dkk. 2007 Metode: Penyearah terkendali tanpa filter.

Hasil: Nilai VDC berbanding lurus dengan duty cycle.

Pyakuryal, dkk. 2013

Metode: Penyearah tak terkendali dengan filter induktor, kapasitor, dan induktor-kapasitor.

Hasil: Filter yang digunakan untuk mendapatkan nilai ripple 1%-5% berbeda-beda.

Razak, dkk. 2016

Metode: Penyearah tak terkendali dengan filter kapasitor.

Hasil: Variasi tegangan masukkan menyebabkan nilai ripple berbeda-beda, tetapi ripple dengan filter lebih kecil dibanding tanpa filter.

34

(Halaman ini sengaja dikosongkan)