BAB II DASAR TEORI · 2016. 9. 23. · DASAR TEORI . Pada bab ini akan ... data untuk telekomunikasi, pengontrolan daya atau tegangan yang masuk ke beban, regulator tegangan, efek

4

BAB II

DASAR TEORI

Pada bab ini akan dibahas beberapa teori pendukung yang digunakan sebagai

acuan dalam merealisasikan sistem. Teori-teori yang digunakan dalam pembuatan

skripsi ini adalah teori catu daya tak terputus, sinyal PWM (Pulse Width Modulation),

perbandingan si inverter, aki kering, IC XR2206, IC IR2110, konfigurasi h-bridge,

transformator, filter, dan SCR (Silicon Controlled Rectifier).

2.1. Teori Catu Daya Tak Terputus

Catu daya tak terputus adalah suatu sistem pencatu tegangan AC yang akan tetap

menghasilkan tegangan AC walaupun tidak ada sumber listrik dari jala-jala PLN. Catu

daya tak terputus ini terdapat 2 jenis yaitu catu daya tak terputus terbuka dan catu daya

tak terputus tersambung.

Catu daya tak terputus terbuka tidak tergantung pada tegangan jala-jala PLN dan

biasanya digunakan di luar ruangan. Catu daya ini bersumber pada aki kering.

Sedangkan catu daya tak terputus tersambung ini terhubung dengan tegangan jala-jala

PLN dan biasanya digunakan di dalam ruangan. Jika terjadi pemadaman listrik, maka

catu daya tak terputus ini akan menggantikan peran tegangan jala-jala PLN untuk

melayani beban.

Catu daya tak terputus tersambung ini digolongkan menjadi 2 yaitu catu daya

offline dan catu daya online. Pada catu daya offline, rangkaian yang bersumber pada

baterai dan berfungsi untuk menggantikan tugas jala-jala PLN atau sering kita kenal

dengan nama inverter, hanya bekerja pada saat tegangan jala-jala PLN mati.

Perpindahan sumber tegangan dari tegangan jala-jala PLN ke catu daya offline ini

menggunakan sebuah saklar otomatis sehingga terdapat sedikit jeda waktu yang

memungkinkan beban dapat reset/restart. Sedangkan pada catu daya online, inverter

bekerja secara terus menerus sejak tegangan jala-jala PLN masih hidup karena beban

yang dilayani oleh tegangan jala-jala PLN melalui rangkaian inverter. Oleh karena itu

pada catu daya online ini, jeda waktu yang memungkinkan beban reset/restart tidak

terjadi.

5

Gambar 2.1 dan 2.2 berikut ini merupakan diagram blok dari sistem UPS offline

dan online yang menunjukkan perbedaan dari sistem catu daya offline dan online.

Gambar 2.1. Sistem UPS offline

Gambar 2.2. Sistem UPS online

2.2. Sinyal PWM (Pulse Width Modulation)

PWM (Pulse Width Modulation) secara umum adalah sebuah cara memanipulasi

lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulsa dalam satu periode, untuk mendapatkan

tegangan rata-rata yang berbeda. Beberapa contoh aplikasi PWM adalah pemodulasian

data untuk telekomunikasi, pengontrolan daya atau tegangan yang masuk ke beban,

regulator tegangan, efek audio, penguatan, dan lain-lain. Sedangkan aplikasi PWM

berbasis mikrokontroler biasanya berupa pengendalian kecepatan motor DC,

pengendalian motor servo, dan pengaturan nyala terang.

Konsep dasar sinyal PWM pada umumnya memiliki amplitudo dan frekuensi

dasar yang tetap, namun memiliki lebar pulsa yang bervariasi. Lebar pulsa PWM

berbanding lurus dengan amplitudo sinyal asli yang belum termodulasi. Artinya, sinyal

PWM memiliki frekensi gelombang yang tetap namun duty cycle bervariasi antara 0%

sampai 100%.

Saklar Beban

Penyearah Inverter Baterai

Jala-jala PLN

Penyearah Inverter Beban

Baterai

Jala-jala PLN

6

Amplitudo (volt)

Waktu (detik)

Gambar 2.3. Sinyal PWM

dengan 𝑡𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 = 𝑡𝑜𝑛 + 𝑡𝑜𝑓𝑓

𝐷 = ton

𝑡𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙𝑥100%

𝑉𝑖𝑛 = 𝑡𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑖𝑔 𝑥 𝑡𝑜𝑛 + (𝑡𝑒𝑔𝑎𝑛𝑔𝑎𝑛 𝑙𝑜𝑤 𝑥 𝑡𝑜𝑓𝑓)

𝑡𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙

𝑉𝑜𝑢𝑡 = 𝐷 𝑥 𝑉𝑖𝑛

Dimana

ton = waktu pulsa bernilai high (detik)

toff = waktu pulsa bernilai low (detik)

D = duty cycle, yaitu lamanya pulsa high dalam 1 periode

𝑉𝑖𝑛 = tegangan masukan (volt)

𝑉𝑜𝑢𝑡 = tegangan keluaran (volt)

Dari persamaan-persamaan tersebut, diketahui bahwa perubahan duty cycle akan

merubah tegangan output atau tegangan rata-rata seperti pada Gambar 2.4

ton

toff

tegangan high

tegangan low

7

Gambar 2.4. Tegangan rata-rata PWM berdasarkan lebar pulsa

Sinyal PWM ini dapat dibangkitkan dengan banyak cara, baik secara digital

maupun secara analog. Secara digital perubahan PWM dipengaruhi oleh resolusi PWM

itu sendiri. Resolusi merupakan jumlah variasi perubahan nilai dalam PWM tersebut.

Misalkan suatu PWM memiliki resolusi 8 bit, berarti PWM ini memiliki variasi

perubahan sebanyak 256 variasi mulai dari 0 - 255 perubahan yang mewakili duty cycle

0% - 100% dari keluaran PWM tersebut.

8

Gambar 2.5. Sinyal PWM digital

Sedangkan sinyal PWM yang dibangkitkan secara analog dapat diperoleh dengan

membandingkan 2 buah sinyal dengan menggunakan komparator. Sinyal yang pertama

merupakan sinyal referensi yang masuk pada kaki non-inverting komparator. Sinyal

referensi ini biasanya berupa sinyal sinusoida dengan amplitudo dan frekuensi tertentu.

Sinyal yang kedua merupakan sinyal pembawa (sinyal carrier) yang masuk pada kaki

inverting komparator. Sinyal carrier ini biasanya berupa sinyal segitiga atau gergaji.

Gambar 2.6. Blok diagram pembentukan sinyal PWM dengan

membandingan sinyal referensi dan carrier

+

-

Sinyal Referensi

Sinyal Carrier

Opamp PWM

9

2.3. Gelombang Tangga 3 Tingkat dan PWM 3 Level

2.3.1. Gelombang Tangga 3 tingkat

Gelombang tangga 3 tingkat terdiri dari sinyal kotak dengan dutycycle kecil,

sinyal kotak dengan dutycycle sedang, dan sinyal kotak dengan dutycycle besar. Ketiga

sinyal kotak yang mempunyai dutycycle berbeda ini ditambahkan sehingga membentuk

sinyal yang menyerupai tangga sebanyak 3 tingkat. Gambar 2.7 berikut ini akan

menunjukkan sinyal kotak dengan dutycycle kecil, sedang, dan besar yang digabung

sehingga membentuk gelombang tangga 3 tingkat.

Gambar 2.7. Gelombang tangga 3 tingkat

10

2.3.2. Sinyal PWM 3 Level

Sinyal PWM 3 level dihasilkan dari pensaklaran empat buah MOSFET yang

membentuk konfigurasi H-bridge. Masing-masing MOSFET mendapat inputan sinyal

yang berbeda sehingga membentuk sinyal PWM 3 level seperti ditunjukkan oleh

Gambar 2.8 berikut ini.

Gambar 2.8. Sinyal PWM 3 level

2.4. Inverter

Inverter merupakan rangkaian elektronika daya yang digunakan untuk mengubah

tegangan searah (DC) menjadi tegangan bolak-balik (AC). Sumber tegangan input

inverter dapat menggunakan baterai, tenaga surya, atau sumber tegangan DC yang lain.

Output dari inverter ini dapat berupa tegangan AC yang berbentuk gelombang kotak

(square wave), gelombang sinus (sine wave), dan gelombang sinus termodifikasi (sine

wave modified). Proses konversi tegangan dari DC ke AC ini biasanya membutuhkan

rangkaian penaik tegangan.

Beberapa hal penting yang harus diperhatikan pada saat menggunakan inverter

adalah kapasitas beban yang akan ditahan oleh inverter, besar sumber tegangan input

yang akan digunakan, dan bentuk gelombang output inverter yang akan mempengaruhi

efisiensi dari inverter tersebut.

Inverter dapat dibedakan menjadi beberapa macam berdasarkan jumlah fasa

outputnya, pengaturan tegangannya, dan bentuk gelombang outputnya.

11

Berdasarkan jumlah fasa outputnya, inverter dapat dibedakan dalam

- Inverter 1 fasa, yaitu inverter dengan output 1 fasa.

- Inverter 2 fasa, yaitu inverter dengan output 3 fasa.

Sedangkan berdasarkan pengaturan tegangannya, inverter dapat dibedakan

menjadi

- Voltage Fed Inverter (VFI), yaitu inverter dengan tegangan input yang diatur

konstan.

- Current Fed Inverter (CFI), yaitu inverter dengan arus input yang diatur

konstan.

- Variable dc linked inverter, yaitu inverter dengan tegangan input yang dapat

diatur.

Kemudian berdasarkan bentuk gelombang output-nya inverter dapat dibedakan

menjadi

- Square wave inverter, yaitu inverter dengan output berbentuk gelombang

kotak, inverter jenis ini tidak dapat digunakan untuk mensupply tegangan ke

beban induktif atau motor listrik

- Sine wave inverter, yaitu inverter yang memiliki tegangan output dengan

bentuk gelombang sinus murni. Inverter jenis ini dapa memberikan supply

tegangan ke beban (Induktor) atau motor listrik dengan efisiensi daya yang

baik.

- Sine wave modified inverter, yaitu inverter dengan tegangan output berbentuk

gelombang kotak yang dimodifikasi sehingga menyerupai gelombang sinus.

Inverter jenis ini memiliki efisiensi daya yang rendah apabila digunakan untuk

mensupplay beban induktor atau motor listrik.

2.5. Aki Kering

Aki kering merupakan baterai yang terdiri dari beberapa sel yang dipasang secara

seri, dimana setiap selnya mempunyai tegangan sebesar 2 volt. Jadi untuk aki kering

yang memiliki tegangan 6 volt berarti memiliki 3 buah sel sedangkan aki kering yang

memiliki tegangan 12 volt memiliki 6 buah sel.

Setiap aki kering mempunyai kapasitas yang berbeda-beda. Kapasitas aki kering

atau sering kita sebut dengan kapasitas baterai dapat didefinisikan sebagai jumlah

12

ampere jam. Kapasitas aki kering ini dinyatakan dengan satuan ampere hour (Ah) yang

didapat dari perkalian kuat arus (ampere) dengan waktu (hour / jam).

Satu Ah pada aki kering mempunyai arti aki kering dalam keadaan ideal dapat

ditarik arus sebesar 1 ampere selama 1 jam penuh. Jika kapasitas aki kering yang

tersedia 1 Ah dan arus yang ditarik sebesar 2 Ah, maka aki kering hanya dapat bertahan

selama ½ jam saja. Sebaliknya jika arus yang ditarik sebesar 0,5 ampere, maka aki

kering dapat bertahan selama 2 jam. Lalu perhitungan daya pada aki kering didapat

dengan mengalikan tegangan dan kapasitas aki keringnya. Jika suatu aki kering

mempunyai tegangan 12 volt dengan kapasitas 7,2 Ah berarti energi yang dapat

dihasilkan oleh aki kering dalam keadaan ideal adalah 12 x 7,2 = 86,4 watt selama 1

jam.

2.6. IC XR2206

XR2206 adalah IC generator yang mampu menghasilkan sinyal sinusoida,

segitiga, kotak, dan gergaji. Bentuk dan akurasi sinyal yang dihasilkan oleh XR2206

mempunyai kualitas yang bagus. Amplitudo dan frekuensi sinyal dapat diatur dengan

menggunakan tegangan dari luar, dimana rentang frekuensi yang dapat dihasilkan

adalah 0,01Hz sampai dengan 1MHz. XR2206 ini mempunyai beberapa keunggulan

yaitu

- Distorsi rendah pada sinyal sinus yaitu sekitar 0,5%

- Mempunyai stabilitas termperatur yang baik

- Mempunyai rentang tegangan yang cukup besar yaitu 10 sampai dengan 26 volt

- Mempunyai rentang frekuensi kerja yang besar

Dengan keunggulan-keunggulan yang dimiliki oleh XR2206, XR2006 ini

biasanya diaplikasikan untuk

- Menghasilkan sinyal (sinus, segitiga, kotak, dan gergaji)

- Menghasilkan sinyal FSK (Frequency Shift Keying)

- Menghasilkan sinyal AM (Amplitude Modulation) / FM (Frequency

Modulation)

- Konverter tegangan ke frekuensi

- PLL (Phase Locked Loop)

Gambar 2.9 berikut ini menunjukkan konfigurasi dari kaki-kaki XR2206

13

Gambar 2.9. Konfigurasi IC XR2206

2.7. IC IR2110

IR2110 merupakan sebuah IC driver setengah gelombang untuk MOSFET

(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) atau IGBT (Insulated Gate

Bipolar Transistor) yang mempunyai tegangan dan kecepatan yang tinggi. IR2110 ini

mempunyai 2 buah input yaitu LIN dan HIN dan 2 buah output yaitu LO dan HO. Input

yang terhubung pada kaki LIN akan dikeluaran bagian rendahnya (low) saja pada kaki

LO. Sedangkan input yang terhubung pada kaki HIN akan dikeluarkan bagian tingginya

(high) saja pada kaki HO. Gambar 2.10 berikut menunjukkan konfigurasi dari IC

IR2110

Gambar 2.10. Konfigurasi IC IR2110

2.8. Konfigurasi H-Bridge

Konfigurasi H-bridge merupakan suatu rangkaian yang susunan transistornya

membentuk huruf H. Konfigurasi H-bridge ini banyak diaplikasikan untuk driver motor.

Transistor yang biasa digunakan pada konfigurasi H-bridge ini adalah BJT (Bipolar

Junction Transistor) dan MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect

14

Transistor). Transistor pada konfigurasi H-bridge ini difungsikan sebagai switching

atau sebagai saklar. Gambar 2.11 menunjukkan konfigurasi dasar dari konfigurasi H-

bridge

Gambar 2.11. Konfigurasi H-bridge

Konfigurasi H-bridge pada Gambar 2.11 akan bekerja jika beban mendapatkan

pasokan tegangan dan arus dapat mengalir dari Vcc ke ground. Dengan kata lain, saklar

3 dan saklar 2 harus dalam kondisi on secara bersamaan atau saklar 4 dan saklar 1

dalam kondisi on secara bersamaan.

2.9. Transformator

Teori dasar transformator atau sering kita kenal dengan sebutan trafo adalah suatu

alat listrik yang dapat memindahkan dan mengubah energi listrik dari satu atau lebih

rangkaian listrik ke rangkaian listrik yang yang lain, melalui suatu gandengan magnet

berdasarkan prinsip induksi electromagnet. Trafo ini dapat mengubah tegangan AC

(bolak-balik) menjadi lebih tinggi atau menjadi lebih rendah tanpa mengubah

frekuensinya.

Trafo terdiri dari 3 bagian penting yaitu kumparan primer, kumparan sekunder,

dan inti besi. Inti besi ini merupakan bagian dari trafo yang menghasilkan fluks untuk

menghubungkan bagian primer dan sekunder trafo. Ketika kumparan primer

dihubungkan dengan sumber tegangan AC, maka kumparan primer akan menghasilkan

garis-garis gaya magnet yang berubah-ubah. Perubahan garis-garis gaya dari kumparan

primer ini akan menginduksi kumparan sekunder sehingga timbul arus bolak-balik.

Gambar 2.12 berikut ini akan menunjukkan bagian primer dan sekunder trafo.

15

Gambar 2.12. Bagian primer dan sekunder trafo

Trafo biasanya digunakan untuk menyesuaikan atau merubah tegangan listrik

arus bolak-balik, untuk memisahkan suatu rangkaian dengan rangkaian yang lainnya,

dan untuk menyesuaikan impedansi antara rangkaian satu dengan lainnya.

Aplikasi penggunaan trafo dibedakan menjadi 2 macam

1. Trafo step-up (penaik tegangan), yaitu dengan memberikan tegangan masukkan

pada bagian sekundernya maka pada bagian primer trafo akan menghasilkan

tegangan yang lebih tinggi.

2. Trafo step-down (penurun tegangan), yaitu dengan memberikan tegangan

masukkan pada bagian primernya maka pada bagian sekunder trafo akan

menghasilkan tegangan yang lebih rendah.

Arus yang masuk pada bagian primer (Ip) dan sekunder (Is) trafo tidak sama. Hal

ini dipengaruhi oleh banyaknya lilitan primer (Np) dan lilitan sekunder (Ns) pada trafo,

Hubungan tegangan, arus, dan banyaknya lilitan pada bagian primer dan sekunder trafo

ditunjukkan oleh persamaan 𝑉𝑝

𝑉𝑠=

𝑁𝑝

𝑁𝑠=

𝐼𝑠

𝐼𝑝

2.10. Filter

Filter adalah suatu rangkaian yang dapat memisahkan sinyal berdasarkan

frekuensinya. Ada frekuensi yang diterima atau dalam hal ini dibiarkan lewat dan ada

juga frekuensi yang ditolak atau dalam hal ini secara praktis dilemahkan. Hubungan

keluaran dan masukan suatu filter ini dinyatakan dengan fungsi alih (transfer function).

Nilai dari fungsi alih sering disebut magnitude yang dinyatakan dalam satuan desibel

(dB).

16

Berdasarkan sifatnya filter ada 2 macam yaitu filter pasif dan filter aktif. Filter

pasif dapat dirancang dengan menggunakan komponen pasif seperti resistor, kapasitor,

dan induktor. Sedangkan filter aktif biasanya menggunakan komponen aktif seperti op-

amp dan transistor. Jika dibandingkan dengan filter pasif, filter aktif ini memiliki

beberapa keunggulan yaitu harga komponen untuk filter aktif yang relatif lebih murah,

tidak ada masalah pada pembebanan karena tahanan inputnya tinggi dan tahanan

outputnya rendah, serta pengaturan penguatan dan frekuensi yang relativf lebih mudah.

Rangkaian filter ini dapat diaplikasikan secara luas, baik untuk menyaring sinyal

pada frekuensi rendah, frekuensi audio, frekuensi tinggi, atau pada frekuensi-frekuensi

tertentu saja. Oleh karena itu, baik filter pasif maupun filter aktif dapat dikelompokkan

menjadi 4 tipe yaitu

1. Filter lolos bawah (LPF/Low Pass Filter)

2. Filter lolos atas (HPF/High Pass Filter)

3. Filter lolos pita (BPF/Band Pass Filter)

4. Filter tolak rendah (BSF/Band Stop Filter / Notch Filter)

Setiap filter pasti mempunyai frekuensi cut-off (fc), yaitu batas frekuensi dimana

tegangan akan dilewatkan secara penuh atau mulai diperlemah. Pada LPF, keluaran

tegangannya akan tetap sama sampai fc kemudian frekuensi di atasnya akan mulai

diperlemah. Pada HPF, keluaran di bawah fc masih lemah dan naik terus sampai

tegangan keluarannya stabil pada frekuensi tertentu. Untuk BPF dan BSF memiliki 2

buah frekuensi cut-off yaitu fL (low) dan fH (high), namun frekuensi yang akan

dilewatkan berbeda. Pada BPF, frekuensi yang dilewatkan adalah frekuensi antara fL

dan fH. Sedangkan pada BSF frekuensi yang dilewatkan adalah frekuensi di bawah fL

dan di atas fH

Bentuk tanggapan frekuensi filter berdasarkan tipenya dapat dilihat pada Gambar

2.13 berikut ini

17

Gambar 2.13. Bentuk tanggapan frekuensi filter

2.11. SCR (Silicon Controlled Rectifier)

SCR merupakan perpaduan antara transistor PNP dan NPN namun mempunyai

prinsip kerja yang berbeda dengan kedua jenis transistor tersebut. SCR ini mempunyai 3

buah kaki yaitu anoda, katoda, dan gate. Gambar 2.14 berikut ini akan menunjukkan

simbol dari sebuah SCR.

Gambar 2.14. Simbol SCR

18

SCR dapat ditriger menjadi on dengan memberikan arus pada kaki gate SCR.

Semakin besar arus gate yang diberikan (𝐼𝑔), maka tegangan minimum yang dibutuhkan

untuk membuat SCR menjadi on atau sering disebut sebagai tegangan breakover (𝑉𝑏𝑜 )

akan semakin kecil. Ketika SCR sudah on, SCR membutuhkan nilai arus tertentu atau

sering disebut dengan istilah arus holding (𝐼 ) yang digunakan untuk mempertahankan

SCR agar tetap on. Oleh karena itu, cara untuk membuat sebuah SCR menjadi off

adalah dengan cara menurunkan arus anoda ke katoda turun di bawah arus holding (𝐼 ).

Gambar 2.15 berikut ini akan menunjukkan karakteristik dari sebuah SCR.

Gambar 2.15. Karakteristik kurva I-V SCR