Pikir dan Rasa

cogito ergo sum

Tutorial cara melakukan filtering sinyal pada DSO GW INSTEK GDS-2104A

leave a comment »


Gambar 1. Unwanted signal.

Kadang-kadang untuk memperoleh kejelasan tampilan, kita perlu membuang unwanted signal alias noise dari kurva data. Beberapa oscilloscope memiliki fasilitas ini untuk kita manfaatkan.


Gambar 2. DSO GW INSTEK GDS-2104A

GDS-2104A memiliki 4 kanal (channel) masing-masing dapat diatur dengan tombol seperti tombol #1 dan #2. Fasilitas Autoset (tombol #3) dapat dipergunakan untuk membiarkan DSO mencoba melakukan pengaturan secara otomatis dan mencoba memberikan tampilan sinyal terukur yang paling baik. Dengan fasilitas ini volt/div dan time/div diatur oleh software DSO. Tombol #4, Run/Stop memudahkan untuk pengguna antara lain untuk mendapatkan gambar yang stabil untuk disimpan. Tombol #5 berguna untuk mendapatkan hasil single shot saat terpicu (triggered). Tombol (knob) #6 adalah tombol pengaturan time/div dengan cara diputar.

 


Gambar 3. Bagian panel muka dari
GDS-2104A

Untuk mengakses menu pengaturan tapis (filter), pertama, tekan tombol acquire yang terletak dekat tombol autoset, pada Gambar 3. Lalu akan muncul menu seperti terlihat di Gambar 4.


Gambar 4. Menu Digital Filter

Pada tampilan menu DSO, seperti Gambar 4, tekan tombol tepat di bawah tulisan Mode Sample (tanda #1). Lihat tombol yang sesuai pada Gambar 2 (ditandai dengan kotak merah horizontal). Setelah menu vertikal muncul, tekan tombol yang berada tepat di sebelah tulisan Digital Filter (tanda #2 pada Gambar #4), pada Gambar 2 (ditandai dengan kotak merah vertical). Lalu atur nilai batas penapisan dengan menggunakan variable knob, yang terletak antara tombol hardcopy dan measure, pada Gambar 3. Putarlah hingga tampilan kurva menjadi jelas sesuai yang diinginkan. Tentu semakin rendah nilai frekuensi filtering yang ditetapkan akan semakin banyak data frekuensi tinggi yang dibuang.


Gambar 5. Contoh hasil penapisan

Pada Gambar 5, ditampilkan contoh hasil filtering dengan batas frekuensi 50 KHz, ini nilai terendah pada percobaan ini, pada konfigurasi lain nilainya dapat diatur berbeda. Misalnya nilai terendah penapisan bergantung pada nilai time/div pengukuran. Juga, hati-hati untuk tidak memberikan nilai filter yang terlalu rendah, sebab berpotensi untuk merusak juga sinyal yang sesungguhnya merupakan data yang kita ukur. Mulailah dari nilai frekuensi filter yang paling rendah lalu naikkan sampai nilai tertinggi yang hasil keluaran gambar gelombangnya masih dalam batas toleransi, tidak teralalu mengandung noise. Hasil filtering pada Gambar 5 bisa dibandingkan dengan Gambar 1 dan Gambar 4.

Written by sunupradana

January 15, 2015 at 12:45 am

Simulasi perwujudan sakelar 90 derajat dengan SCR

with one comment

Sebelumnya kita telah mem[p]elajari sakelar sebagai dasar dari komponen aktif di elektronika daya (power electronics). Dari pemahaman itu kita mencoba mempelajari diode sebagai perwujudan sakelar elektronik. Lalu sebelum belajar bagaimana upaya penyearahan, kita belajar terlebih dahulu masukan yang akan kita searahkan, dalam hal ini yaitu tegangan A.C. dan kita belajar parameter yang penting dari gelombang sinus. Lalu kita berkenalan dengan penggunaan sebuah diode sebagai penyearah setengah gelombang (half wave rectifier).

Sebelum melakukan simulasi penyulutan pada SCR, kita telah mempelajari bahwa simulasi dan perhitungan gelombang sinus sebagai akibat dari pensaklaran dapat dibawa ke tingkat abstraksi yang lebih tinggi. Kesemuanya tidak lain adalah perhitungan matematis terhadap luasan di bawah kurva. Di artikel sebelumnya itu juga telah dilakukan perhitungan untuk sudut pensaklaran 90°, juga simulasi dengan LTspice menggunakan suatu bentuk sakelar ideal. Nah, kali ini simulasi dilakukan dengan menggunakan komponen SCR untuk menggantikan komponen sakelar ideal. Sudut pensaklaran tetap 90°.

[Untuk memudahkan proses membaca, disarankan untuk membuka halaman ini dalam dua tab atau dua window (jendela). Supaya mudah untuk membaca keterangan dan membandingkan dengan / mengamati gambar. Agar tidak bolak-balik melakukan scroll.]

Tulisan ini dan tulisan lain dalam seri ini disusun dengan mode fail safe, artinya memang ditujukan terutama bagi yang ingin belajar secara mandiri. Dengan bemikian kadang-kadang bagi mereka yang sudah paham, akan terasa agak panjang. Silahkan skim and scan :-).

 

PERBANDINGAN

Mari kita mulai dengan penyegaran tentang perbandingan, tentang skala. Beberapa menyebutnya sebagai “rule of 3“. Sesuatu yang sebenarnya sangat sederhana tetapi berguna. Misalnya perhatikan perbandingan berikut:

Secara umum artinya kita bisa memperoleh persamaan sederhana (yang sebenarnya sudah dipakai pada artikel sebelum ini):


Dengan cara sama kita bisa mendapatkan acuan sederhana sebagai berikut:


 

SIMULASI

Dengan menggunakan perbandingan di atas, untuk penyulutan (firing angle) sudut 90°, kita memperoleh perbandingan sebagai berikut:


Sebelum melanjutkan pada simulasi dengan SCR ada baiknya kita melihat lagi gambar-gambar yang relevan dari artikel sebelum ini.


Gambar 1. Perhatikan demua informasi aplikasi Wolfram ini untuk sudut
90°.

 


Gambar 2. Simulasi rangkaian sakelar dengan LTspice untuk memberikan sudut penyalaan 90
°.


Gambar 3. Hasil simulasi rangkaian pada Gambar 2.

Sekarang dengan informasi acuan di atas kita bisa mencoba langkah berikutnya, yaitu mencoba melakukan simulasi penyulutan dengan model SCR SPICE pada software LTspice.

 

Kita menggunakan frekuensi standar untuk sistem kelistrikan yang umum kita jumpai dari sistem PLN yaitu 50 Hz. Karena f = (1/T), dengan T adalah periode, maka kita mengetahui kita bisa melakukan pendekatan bahwa periode satu siklus gelombang sinus adalah 20 mS. Jadi 360° dilalui selama 20 mS, karena itu dengan perhitungan perbandingan kita bisa memperoleh bahwa 90° dicapai setelah 5 mS dari titik crossing (persilangan) 0° (misal dari awal, yaitu 0 mS). Berikut adalah simulasi SCR penyulutan 90° dengan simulator LTspice.


Gambar 4. Rangkaian simulasi.


Gambar 5. Kurva hasil simulasi.

Pada Gambar 5, dapat kita lihat kurva tegangan V(n3) dan arus I(R1) sebagai akibat aksi pensaklaran dari SCR U2 (tipe S6025L). Sebagaimana yang telah pernah dibahas di artikel terdahulu, terjadi kehilangan beda potensial (hubung pendek) di kaki-kaki suatu komponen dan pada saat yang sama munculnya arus pada beban adalah ciri khas dari komponen sakelar (switch), (terutama sakelar ideal). Di bagian pane paling atas, dapat dilihat kurva perhitungan daya sebagai akibat perkalian antara tegangan pada kaki-kaki beban dan arus yang melintasinya. Seperti halnya tegangan dan arus yang tidak selalu ada, begitupun dayanya.


Gambar 6. Kurva hasil simulasi, tegangan dan arus di beban resistif.

Pada Gambar 6 kurva tegangan dan arus pada beban berupa komponen terlihat lebih jelas. Juga bisa kita bandingkan dengan kurva tegangan pada catu daya utama. Di gambar itu kita bisa melihat pemotongan kurva tegangan sakelar yang tepat pada sudut 90 derajat.


Gambar 7. Kurva dan penghitungan tegangan puncak pada kaki-kaki beban, bukti adanya jatuh tegangan pada SCR sebagai sakelar.


Gambar 8. Perhitungan nilai average dan rms untuk tegangan pada beban.

 

Mari kita lihat lagi persamaan yang sudah diuji pada artikel sebelumnya.


Gambar 9. Persamaan perhitungan rata-rata (average, DC) pada beban R untuk controlled-half wave rectifier.


Gambar 10. Hasil perhitungan numeris rata-rata untuk tegangan Vp ternormalisasi, 1 Volt (
penting: perhitungan dalam radian).

Pada Gambar 10, kita memperoleh nilai 0.15915494309189 untuk tegangan puncak yang dinormalisasi menjadi 1 Volt, artinya kita akan mendapatkan nilai rata-rata (average, DC) 0.15915494309189 V untuk setiap 1 V tegangan puncak dengan sudut penyalaan 90°. Dengan begitu kita mendapatkan;


Gambar 11. Hasil perhitungan dengan menggunakan skala dari hasil acuan ternormalisasi.

KIta bisa memeriksa kebenaran hasil perhitungan dengan penggunaan skala acuan pada Gambar 11 dengan melakukan perhitungan langsung dari persamaan sebagaimana yang diperlihatkan pada Gambar 9. Walaupun sebenarnya, kalau kita melihat persamaan akhir di Gambar 9, maka mudah bagi kita untuk mengetahui bahwa untuk suatu nilai sudut penyalaan (firing angle) yang tetap, maka nilai Vp dapat diganti dan berubah-ubah dan cukup faktor pengali dapat dipergunakan untuk memperoleh hasil tegangan yang baru :-).


Gambar 12. Hasil perhitungan dengan menggunakan persamaan dasar.

Bisa ditarik kesimpulan sejauh ini dari Gambar 11 dan Gambar 12, bahwa satuan skala dari perhitungan (misalnya; tegangan atau arus) yang ternormalisasi dapat dipergunakan dan memang sama hasilnya dengan perhitungan dengan persamaan dasar untuk sudut penyalaan (pemicuan atau firing) yang sama. Ini memudahkan dalam melakukan perhitungan manual atau dengan perangkat bantu yang tidak mempunyai kemampuan komputasi yang tinggi.

Juga bisa dilihat bahwa tegangan rata-rata hasil simulasi pada Gambar 8, yaitu 2.4921 V, lebih kecil dari hasil perhtungan. Hal ini wajar karena simulasi sudah mempergunakan model SPICE dari SCR yang sesungguhnya (bukan sakelar ideal). Untuk rangkaian dengan komponen fisik yang riil, nilainya kemungkinan akan lebih jauh berbeda (berselisih). Ada tambahan sejumlah kondisi tidak ideal yang mempengatuhi unjuk kerja sistem. Karena itu hasil simulasi dan perhitungan serupa ini lebih banyak dijadikan sebagai acuan dasar, jika nilainya hendak dipakai maka harus ada rentang toleransi. Sebagaimana semua komponen fisik yang dipakai juga punya nilai toleransi. Istilahnya nilai ballpark, nilai estimasi.

 

Berikutnya untuk nilai rms, kita lihat kembali beberapa format penulisan persamaan yang sesungguhnya memiliki nilai yang sama.


Gambar 13. Penurunan persamaan rms untuk controlled half-wave rectifier (SCR tunggal).


Gambar 14. Penurunan persamaan dan pengujian dengan nilai numeris sudut (
penting: perhitungan dalam radian).

Pada perhitungan di Gambar 14, kita telah mendapatkan nilai dasar ternormalisasi untuk Vpeak sebesar 1 V pada sudut penyulutan 90°. Kita bisa mencoba menggunakan nilai ini untuk menghitung nilai rms pada beban resistor untuk nilai puncak tegangan masukan yang pain (Vpeak) dengan pada sudut penyulutan yang sama yaitu 90°.


Gambar 15. Penggunaan nilai rms beban ternormalisasi Vpeak masukan 1 V, untuk nilai Vpeak lain  (
penting: perhitungan dalam radian).


Gambar 16. Perhitungan rms untuk sudut
90° dengan persamaan dasar rms (penting: perhitungan dalam radian).


Gambar 17. Perhitungan rms untuk sudut
90°, persamaan #12 pada Gambar 13 (penting: perhitungan dalam radian).

Dari Gambar 15, Gambar 16 dan Gambar 17 kita bisa melihat bahwa nilai perhitungan rms yang diperoleh sama. Tetapi sebagaimana juga nilai average pada beban, nilai rms pada beban ini juga berbeda dengan hasil simulasi dengan model SPICE dari komponen SCR fisik yang menghasilkan nilai 5.6254 V. Lagi, ballpark :-).

 

SIMULASI HIGH-SIDE SWITCHING

Sejauh ini konfigurasi sakelar pada rangkaian adalah low-side switcher, sakelar (SCR) terhubung langsung dengan ground/netral melalui kaki cathode. Beban resistif diletakkan di sisi hot, antara fasa dengan kaki anode dari SCR. Konfigurasi seperti ini termasuk yang paling mudah untuk diwujudkan. Tetapi untuk alasan keamanan kadang-kadang konfigurasi lain diterapkan, yaitu high-side switching. Pada konfigurasi ini beban diletakkan antara kaki katode SCR dengan netral atau “ground“. Sedangkan kaki anode langsung terhubung pada terminal jala-jala yaitu dengan fasa.

Cara belajar yang sistematis, menuntun kita untuk tidak langsung mencoba-coba mengutak-atik konfigurasi yang kita sama sekali tidak mengetahui dasarnya. Cara seperti ini lebih sering menghabiskan sumbar daya waktu dengan hasil yang minim. Cara yang lebih baik adalah dengan mempelajari terlebih dahulu setahap demi setahap. Usahakan, jika memungkinkan, hanya mengubah satu hal setiap waktu. Tentu saja selalu ada pengecualian dari cara belajar yang sistematis ini. Tetapi di era informasi, zaman Internet, di mana untuk banyak hal terdapat banyak bahan belajar (bahkan tutorial) kita lebih dimungkinkan untuk belajar dengan cara yang sistematis, setahap demi setahap menerima tambahan faktor kesulitan.

Kita memahami simulasi dasar pensaklaran pada low-side switching, di mana sakelar berada di sisi jala-jala netral. Pada konfigurasi (topologi) itu mudah untuk dipelajari nilai tegangan antara kaki gate dengan kaki katode pada SCR. Nilainya kurang lebih sama dengan tegangan maju pada diode silikon diskrit (misal 1N4007) yaitu 0.7 Volt. Tegangan inilah yang penting untuk dijaga dari kelebihan tegangan pemaksa selain dari arus minimum pada gate untuk penyulutan. Tegangan (VGT) dapat lebih mudah diamati jika katode terhubung langsung dengan node netral dari catu daya, seperti pada topologi low-side switching. Setelah ini dipahami, baru kita melangkah ke tahap berikutnya, topologi high-side switching sebagai berikut.


Gambar 18. Konfigurasi high-side switching untuk SCR.


Gambar 19. Hasil uji simulasi konfigurasi high-side switching, memberikan hasil yang sama dengan hasil simulasi di Gambar 8.

Dengan simulasi seperti pada Gambar 18, kita bisa melihat hasilnya pada Gambar 19 bahwa kita hanya perlu memberikan penyulutan kaki gate SCR selama 1 mS. Rentang waktu on ini cukup untuk membuat SCR terkunci, latched, sehingga pemicu tidak perlu terus menerus on.  Kita juga bisa melihat bahwa sungguh pun gate hanya terpicu selama 1 mS, VGT , tetap memberikan nilai tegangan yang mengindikasikan bahwa SCR tetap berada dalam kondisi on. SCR kemudian off karena prinsip komutasi natural, yaitu turunnya nilai tegangan catu di akhir setengah siklus positif gelombang sinus. Nilai tegangan yang turun ini (dengan hukum Ohm) membuat nilai arus anode (principal current) nilainya turun sampai di bawah nilai holding current yang diperlukan oleh SCR untuk tetap on sekalipun sedang tidak ada pemicuan di kaki gate.

 

SIMULASI HIGH-SIDE SWITCHING SUMBER TUNGGAL 

Konfigurasi pensaklaran SCR seperti Gambar 18, AFAIK (AsFarAsIKnow), adalah pengaturan standar high-side switcher untuk simulasi penyulutan sudut tertentu pada SCR/TRIAC di simulator berbasis SPICE, termasuk LTspice. Namun konfigurasi seperti itu jarang dipergunakan untuk banyak keperluan praktis, dari segi penyediaan sumber tegangan terpisah untuk penyulutan SCR saja sudah membuat konfigurasi (topologi) ini jarang diimplementasikan dalam rangkaian riil. Cara lebih ringkas dan baik, walaupun tetap bisa sederhana adalah dengan menggunakan suplai tunggal, sumber catu daya sekaligus sumber tegangan untuk penyulutan gate.


Gambar 20. Konfigurasi high-side switching untuk SCR, resistance triggering/r triggering.


Gambar 21. Hasil simulasi penyulutan sudut
90° untuk resistance triggering.

Bisa dilihat pada Gambar 20 nilai R2 adalah 806, nilai ini adalah nilai standar E96 (±1%). Tetapi hal ini hanyalah kebetulan, rangkaian ini tidak dirancang untuk memiliki nilai R yang tepat sesuai standar resistor komersial. Bahkan dalam praktiknya biasanya resistor pembatas ini lebih sering merupakan potensiometer. Namun demikian kita bisa memperkirakan nilai R2 dengan nilai pendekatan pada topologi ini.

Syarat pertama untuk dapat memperkirakan nilai R dalam toplogi ini adalah kita harus bisa mengingat hubungan sederhana antara jumlah derajat sudut (atau radian) dengan periode gelombang sinus. Juga mengingat bahwa rasio antara sudut tertentu dengan total sudut satu siklus penuh (360°) sama dengan rasio antara selang waktu tertentu (wantu tunda penyulutan) dengan periode segombang satu siklus penuh. Berikut ringkasannya:


Dengan ringkasan di atas, kita, misalnya, bisa mengetahui bahwa jika kita ingin menyakalan SCR pada sekitar ±90°, dan frekuensi gelombang sinus AC masukan ±50 Hz, maka kita menunda penyulutan sekitar ±5 mS. Sekali lagi seperi keterangan pada bagian sebelumnya, ini adalah nilai ballpark (pendekatan, perkiraan). Pertanyaannya kemudian, untuk bentuk rangkaian (topologi) di atas, bagaimana kita bisa menunda penyulutan sampai sekitar 5 mS setelah crossing ? Ingat ini gelombang sinus yang periodik.

Kita mengetahui pentingnya paramater VGT , IGT, IL, dan IH. Kuncinya pada kemampuan kita untuk menyediakan arus pemicu pada kaki gate, IGT. Setiap SCR memiliki nilai yang IGT spesifik, bahkan untuk tiap komponen dalam satu tipe yang sama terdapat variasi. Selama nilainya belum tercapai, dalam keadaan normal (yaitu saat sumber pemicuan liar tidak ada), maka  SCR akan selalu dalam keadaan off. Inilah kuncinya.

Pada Gambar 20, kita lihat nilai catu utama yang mencatu SCR (catu anode) adalah sumber tegangan AC. Karena itu nilainya berubah, naik dan turun secara periodik terhadap node acuan. Sumber tegangan ini tidak hanya terhubung dengan anode SCR secara langsung, tetapi juga dengan kaki gate SCR melalui komponen resistor, R2. Dengan mengingat persamaan modifikasi dari hukum Ohm (V = I x R atau v(t) = i(t) x R) maka kita bisa mengetahui arus gate yang disuplai dari sumber tegangan AC ini. Dan karena nilai tegangan di sumber berubah, naik dan turun, maka demikian juga tegangan di kaki gate SCR. Yang lebih penting, sebagai konsekuensi begitu pula nilai arus gate, akan juga ikut berubah naik dan turun. Kapan nilai arus gate memenuhi sayarat minimal pemicuan, itulah waktu tunda yang kita tetapkan.

Hukum Kirchhoff tentang tegangan berlaku di sini; jika dijumlahkan untuk satu saat yang sama nilai tegangan di sumber, tegangan di resistor R2 dan tegangan gate adalah nol.
V1 – VR2 – VGT = 0
V1 – VGT = VR2
V1 - VGT = IR2 x R2
(V1 - VGT) / IR2 R2

Dari penyusunan ulang persamaan di atas, kita memerlukan pengetahuan terhadap tiga besaran (tiga variabel) agar kita bisa menentukan nilai R2. Pada artikel sebelumnya tentang uji penyulutan SCR, kita temukan bahwa untuk model SPICE dari komponen SCR tipe S6025L, simulator LTspice memberikan indikasi bahwa nilai arus turn-on untuk gate SCR, IGT tipe ini adalah 20.2 mA. Sedangkan nilai tegangan gate, VGT pada kondisi arus gate senilai 20.2. mA itu, adalah sebesar 0.7 Volt.



Gambar 22. Hasil simulasi
IGT dan VGT untuk model SPICE SCR tipe S6025L.

 

Tetapi penting juga diingat nilai di atas ini adalah nilai-nilai pendekatan, dari artikel yang sama kita telah membuktikan pada pengujian dengan komponen riil, nilainya bisa jadi berbeda. Kita dapati uji penyulutan DC memerlukan arus gate IGT “hanya” sebesar 4.72 mADC dengan tegangan gate VGT sebesar 0.75 VDC. Sepintas hasil uji riil yang berbeda dengan hasil simulasi model ini membingungkan (kalau kita lupa bahwa model komponen sangatlah terbatas). Tetapi kalau kita mengacu pada datasheet yang dikeluarkan oleh produsen tipe SCR ini (Gambar 24), kita dapati memang dengan kondisi test yang mereka cantumkan, arus gate yang diperlukan untuk pemicuan SCR ini bervariasi antara minimum 1 mA sampai dengan maksimum 35 mA.


Gambar 23.Uji pensaklaran dengan komponen riil.


Gambar 24. Cuplikan parameter operasi dari SCR Littelfuse
S6025L (sumber: Littelfuse)

Nah sekarang sekedar untuk pendekatan untuk simulasi ini kita pergunakan , IGT sebesar 20.2 mA dan VGT  sebesar 0.7 Volt. Lalu kita lakukan subtitusi sederhana pada persamaan yang kita ubah sebelumnya: (V1 - VGT) / IR2 = R2
(V1 - 0.7 Volt)  / 20.2 mA R2

Karena kita mengetahui bahwa sumber tegangan catu daya adalah sumber tegangan AC sinus, artinya tegangan puncak berada pada sudut 90°. Dengan demikian short-cutnya adalah jika kita perlu menyulut di sekitar sudut  90°, gunakanlah tegangan puncak dari input.
(V1 – 0.7 Volt)  / 20.2 mA = R2
(17 – 0.7 Volt)  /  20.2 mA = R2 = 806.93  Ω

Bisa kita lihat nilai R2 dari hasil perhitungan ini, sekalipun merupakan nilai pendekatan, tidak berbeda dengan nilai R2 pada Gambar 20 yang terbukti memberikan hasil simulasi penyulutan di sudut 90°.

Nah, jika sudut 90° dapat dengan mudah dicari karena bertepatan dengan nilai puncak, bagaimana dengan nilai sudut lainnya? Untuk menjawab pertanyaan ini kita kembali membuka persamaan dasar untuk tegangan di sistem AC sinus resistif.


Gambar 25. Persamaan dasar tegangan AC sinus untuk mencari nilai v(t).

Persamaan (V1 - VGT) / IR2 = Rdapat diubah sedikit menjadi (V(t) - VGT) / IR2 = R2 , dan dari situ kita mengetahui kita memerlukan nilai v(t) yang bersesuaian dengan sudut pemicuan yang kita kehendaki. Dengan asumsi (yang tentu saja sering meleset) bahwa tegangan suplai berbentuk gelombang sinus ideal maka kita bisa menghitung nilai v(t) dengan persamaan #3, #4, #5 di Gambar 25.


Perlu diingat bahwa semua perhitungan dilakukan dalam mode radian. Namun demikian sebagaimana yang bisa kita lihat di contoh perhitungan pembuktian di atas, untuk rasio kita bisa mempergunakan selain dari nilai radian. Yang penting yang dibagi dan pembagi merupakan tipe dengan satuan yang sama. Dengan contoh di atas kita bilsa mennganti nilai variabel sudut penyulutan dengan sudut selain 90
°. Jika kita mengubah nilai tegangan input, kita juga bisa mengganti nilai variabel Vpeak (lihat Gambar 25).

 

Kita juga bisa mengubah persamaan pada Gambar 25 agar kita bisa melakukan pemeriksaan ulang.


Gambar 26. Modifikasi persamaan pada Gambar 25 untuk pemeriksaan ulang hasil perhitungan dan uji coba.


Semua perhitungan balik ini berhasil dipergunakan untuk memeriksa penentuan kita sebelumnya. Untuk sudut 90° semua perhitungan in tampak tidak menarik, karena sudut 90° gampang ditebak bertepatan dengan Vpeak suplai. Tetapi perhitungan ini akan sangat bermanfaat untuk sudut yang lain. Semua persamaan ini bersifat generik bisa dipergunakan untuk nilai tegangan puncak dan nilai sudut yang lain.

Berikutnya sedikit akan ditunjukkan pengaruh besar nilai R2 terhadap nilai sudut pemicuan SCR. Akan ditunjukkan pengaruh nilai tahanan sebesar 100 Ω, 500 Ω dan 800 Ω, agar mudah terlihat bedanya, tetapi pada prinsipnya ini berlaku juga untuk potensiometer. Semakin besar nilai resistansi, akan semakin besar nilai sudut penyulutan (firing angle) dan akan semakin kecil nilai conduction angle. Sehingga semakin kecil nilai tegangan rata-rata (average) dan tegangan rms.


Gambar 27. Rangkaian simulasi tiga nilai R2
100 Ω, 500 Ω dan 800 Ω.


Gambar 28. Kurva hasil simulasi, pengaruh besar nilai R2 (tahanan arus gate) terhadap besar sudut penyulutan.

 

SUDUT PENYULUTAN MAKSIMUM

Dari semua konfigurasi di atas tampaknya kita mendapatkan rangkaian yang sangat ringkas dengan pengendalian sudut hanya dengan sebuah resistor atau potensiometer. Tetapi ternyata bentuk konfigurasi/topologi ini punya keterbatasan, sudut penyulutan maksimumnya hanya 90° (5 mS delay untuk f = 50 Hz). Artinya dengan rangkaian bentuk ini kita tidak bisa menyulut misalnya 120° atau 150° atau delay lebih besar dari ±5 mS.


Gambar 29. Zoom dari Gambar 28.

Pada Gambar 29, titik berat bukan pada nilai resistor yang berubah, dapat kita lihat untuk satu siklus gelombang penuh sinus, ada kemungkinan terdapat dua waktu yang punya nilai (tegangan) yang sama. Terkecuali untuk sudut 90° (5 mS pada 50 Hz). Padahal kita mengetahui bahwa untuk SCR (juga TRIAC), tanpa adanya komutasi paksa maka jika SCR sudah melewati batas arus latching, SCR akan tetap hidup (on, sakelar tertutup) selama arus anode-katode tidak lebih rendah dari batas ambang nilai arus holding. Pada Gambar 29 dapat kita lihat, setelah nilai tertinggi (dalam contoh adalah tegangan, tetapi juga bisa arus) pada sudut 90° tidak ada lagi nilai yang lebih tinggi. Misalnya saat sudah tersulut saat suplai berada pada level tegangan 10.9 V di 2.41 mS (periode 20 mS), SCR akan terus on, latched. Kita tidak akan bisa memicunya pada 7.59 mS walaupun level tegangannya sama yaitu 10.9 V.

Jadi pada prinsipnya bentuk penyulutan seperti ini hanya bisa maksimum untuk sudut ± 90°. Karena itu ada yang menyebut bentuk penyulutan seperti ini sebagai rangkaian 90° phase control. Jika kita membutuhkan penundaan yang lebih panjang kita perlu bentuk konfigurasi/topologi yang lain, misalnya yang lazim disebut RC phase control atau 180° phase control yang akan dibahas di artikel lain lain waktu.

 

RESISTANCE TRIGGERING (R TRIGGERING)

Sebelum ditambahi pengaman berupa diode dan tambahan resistor, kita akan meninjau satu lagi evolusi dari bentuk penyulutan sudut untuk SCR. Saya masih setia dengan pola yang sistematis, selagi memungkinkan. Itu jauh lebih baik daripada sekedar agar terlihat keren dan rumit, tapi tidak mendapatkan dasar yang baik :-D. Walaupun kita bukan ilmuwan seperti salah satu pengertiannya, menyumbang pemahaman yang benar-benar baru bagi umat manusia, kita bisa dan perlu belajar dari mereka, para ilmuwan. Tentu dari ilmuwan yang sebenarnya ya :-P.

Rangkaian berikut ini adalah model yang lebih umum dijumpai bila dibandingkan topologi pada Gambar 4, Gambar 18 atau Gambar 20. Beban langsung dihubungkan secara seri dengan catu daya, juga semua arus gate dan arus anode melewati beban. Keuntungan cara ini adalah beban juga berfungsi sebagai pembatas arus setidaknya saat SCR dalam keadaan on, juga meringankan resiko pada kaki gate.


Gambar 30. Rangkaian resistance triggering (90 degree phase control).


Gambar 31. Hasil simulasi rangkaian pada Gambar 30.

Dari simulasi dengan LTspice, kita dapat melihat tidak ada perubahan yang signifikan pada rangkaian di Gambar 30 ini. Prinsip kerja suatu rangkaian pengendali sudut penyulutan SCR dengan resistance triggering, tetap, tidak berubah. Itulah baiknya kalau kita belajar dengan cara melihat evolusi rangkaian sederhana, setahap demi setahap :-). Tetapi selain secara nalar, kita juga bisa melihat dari hasil simulasi pada Gambar 31, bahwa karena pada contoh beban adalah komponen resistor murni, dan arus yang menuju gate juga melewatinya maka nilai resistansinya menjadi berpengaruh. Nilai arus gate tidak lagi hanya ditentukan oleh nilai R2, tetapi juga nilai resistansi pada beban. Karena itu kita lihat pada Gambar 31, jika kita menggunakan tahanan sebesar 800 Ω maka SCR akan gagal picu. Jadi nilai R2 harus dikurangi karena sudah ada nilai resistansi pada beban yang juga mempengaruhi nilai arus pada gate IGT.

Terakhir kita melihat bagaimana beberapa rangkaian yang lebih realistis lagi dengan perubahan yang lebih kecil (hanya menggunakan resistor), ini perjalanan terakhir kita untuk mempelajari rangkaian half-wave controlled rectifier, thyristor SCR, dengan penyulutan resistance (r) triggering. Dengan mengamati evolusi rangkaian setahap demi setahap, diharapkan hasilnya menjadi fondasi pemahaman yang kuat untuk mengembangkan lebih lanjut.


Gambar 32. Rangkaian resistance triggering yang dilengkapi resistor dan diode pengaman.


Gambar 33. Hasil simulasi pengoperasian potensiometer pada sudut penyulutan.


Gambar 34. Hasil simulasi pengoperasian potensiometer pada paramater operasi SCR.

Mengapa ada komponen diode terhubung dengan kaki gate dari SCR di Gambar 32? Diode itu dipergunakan sebagai pengaman untuk kaki gate dari SCR, juga mengurangi beban dari resistor pembatas arus gate. Mari kita kutip apa penjelasan dari produsen SCR yang dipergunakan:

This protects the reverse gate junction of sensitive SCRs and keeps power dissipation low for gate resistors on the negative half cycle. The diode is rated to block at least the peak value of the AC supply voltage.

 

 

Gambar 35. Modifikasi rangkaian pada Gambar 32, beban ditempatkan di titik acuan (common).


Gambar 36. Hasil simulasi rangkaian pada Gambar 35.


Gambar 37. Pemeriksaan jumlah arus gate (diode) berdasar arus beban dikurangi arus anode, rangkaian Gambar 35.

Menurut saya tidak banyak yang lebih baik dari mempelajari SCR dan thyristor lainnya selain dari application note dan tutorial dari para produsen. Selain memang isinya bagus, juga dijamin halal, tidak perlu “nyolong” alias mencuri. Walau kadang ada polesan (namanya juga orang dagang), isi dari artikelnya sarat ilmu dan bermanfaat. Jadi jangan ragu buka kamus, jika perlu, ilmu itu mahal … . Dulu orang rela berpergian ratusan kilometer sekedar untuk mencari satu keterangan ilmu. Sekarang, buka google translate saja masa iya masih malas? :-D.

 

sumber: Littelfuse


Gambar 38. Perwujudan rangkaian low-side switch dengan tambahan rleg.


Gambar 39. Simulasi pengaruh beberapa nilai rleg terhadap arus dan tegangan pada rangkaian.


Gambar 40. Tambahan rkaki pada rangkaian high-side switcher.


Gambar 41. Hasil simulasi rangkaian pada Gambar 40 dengan beberapa nilai rkaki.

 

Nah, telah selesai kita mempelajari dengan lebih sistematis suatu perwujudan simulasi dari rangkaian half-wave controlled rectifier dengan menggunakan SCR. Dari yang tadinya berupa konsep dengan simulasi sakelar ideal dan abstraksi dengan perhitungan matematis, di artikel ini kita mewujudkannya dengan simulasi LTspice menggunakan bukan model SCR yang ideal, melainkan model SPICE SCR yang diturunkan dari komponen yang riil. Simulasi mempermudah dan mempermudah kita dalam mempelajari prinsip dasar kerja komponen dan rangkaian elektronika. Termasuk elektronika daya (power electronics).

Dalam artikel ini sudut yang dibahas adalah sudut 90°, sekedar supaya bisa cepat untuk membandingkan dengan pemaparan pada artikel sebelumnya. Tetapi hasil pemahaman dan persamaan-persamaan dari tulisan ini bisa dipergunakan untuk nilai tegangan catu daya yang berbeda dan juga untuk sudut penyulutan (firing angle) yang berbeda.

Selain contoh untuk sudut yang berbeda, lain waktu jika memungkinkan akan dibahas rangkaian penyearah setengah gelombang terkendali dengan SCR, tetapi dengan metode penyulutan berbeda yaitu RC dan pulsa menggunakan optocoupler. Lain waktu juga akan didokumentasikan uji lanjutan dengan komponen riil. Untuk sementara silahkan dibaca beberapa sumber bacaan lanjut berikut:

  1. https://www.pantechsolutions.net/power-electronics/r-triggering-circuit
  2. http://www.circuitstoday.com/scr-control-circuits
  3. http://www.completepowerelectronics.com/scr-triggering-turn-on-methods/
  4. littelfuse.com

 

Menurut Littelfuse:

Gate Trigger Voltage (VGT) − Gate voltage required to produce the gate trigger current

Gate Trigger Current (IGT) − Minimum gate current required to maintain the Thyristor in the on state

Principal Current − Generic term for the current through the collector junction (the current through main terminal 1 and main terminal 2 of a Triac or anode and cathode of an SCR)

Holding Current (IH) − Minimum principal current required to maintain the Thyristor in the on state

Latching Current (IL) − Minimum principal current required to maintain the Thyristor in the on state immediately after the switching from off state to on state has occurred and the triggering signal has been removed

On-state Current (IT) − Principal current when the Thyristor is in the on state
On-state Voltage (VT)
Principal voltage when the Thyristor is in the on state

 

font cache: Ψ α β π θ μ Φ φ ω Ω ° ~ ±  ≈ ≠ ≡ ≤ ≥  ∞    

Written by sunupradana

January 5, 2015 at 1:09 am

Tinjauan matematis untuk sudut penyulutan SCR

with one comment

Sebelumnya kita telah mempelajari sakelar sebagai dasar dari komponen aktif di elektronika daya (power electronics). Dari pemahaman itu kita mencoba mempelajari diode sebagai perwujudan sakelar elektronik. Lalu sebelum belajar bagaimana upaya penyearahan, kita belajar terlebih dahulu masukan yang akan kita searahkan, dalam hal ini yaitu tegangan A.C. dan kita belajar parameter yang penting dari gelombang sinus. Lalu kita berkenalan dengan penggunaan sebuah diode sebagai penyearah setengah gelombang (half wave rectifier).

Sebelum melakukan simulasi penyulutan pada SCR, kali ini kita akan mempelajari tinjauan matematis sederhana pada bentuk gelombang sinus setengah gelombang. Perbedaannya dengan pembahasan terdahulu adalah pada pembahasan rangkaian penyearah setengah gelombang kita membahas sebuah gelombang dari 0 derajat sampai 180 derajat. Sedangkan pada artikel kali ini sudut awal tidak selalu dimulai dari nol.

[Untuk memudahkan proses membaca, disarankan untuk membuka halaman ini dalam dua tab atau dua window (jendela). Supaya mudah untuk membaca keterangan dan membandingkan dengan / mengamati gambar. Agar tidak bolak-balik melakukan scroll.]

Tulisan ini dan tulisan lain dalam seri ini disusun dengan mode fail safe, artinya memang ditujukan terutama bagi yang ingin belajar secara mandiri. Dengan bemikian kadang-kadang bagi mereka yang sudah paham, akan terasa agak panjang. Silahkan skim and scan :-).

 

PERANGKAT BANTU

Di era modern ini jika kita mendengar kata komputer, maka yang ada dalam bayangan kita biasanya adalah gambaran CPU PC atau laptop. Semuanya adalah perangkat berbasis komponen elektronika. Tetapi dahulu computer adalah sebutan untuk pegawai manusia yang bertugas untuk melakukan perhitungan, biasanya wanita. KIta telah melalui rentang otomatisasi banyak hal dalam bidang kehidupan kita, termasuk dalam hal melakukan perhitungan. Sekarang kita bisa mengalihkan energi dan waktu kita untuk melakukan hal lain selain melakukan perhitungan manual. Tetapi untuk beberapa bidang pekerjaan, masih penting bagi kita untuk memahami filosofi dasar dari suatu perhitungan. Meskipun kita tidak lagi perlu melakukan perhitungan secara mekanis dengan pensil, kertas dan kalkulator manual.

Di artikel ini nanti akan kita temui contoh saat perhitungan dari suati aplikasi bantu tidak cocok dengan perhitungan manual maupun perangkat lunak  penghitung lainnya. Tetapi sebagai awal mari mulai dari yang sederhana, untuk sudut penyulutan tertentu yang hasilnya sama antara semua perhitungan. Kita mulai dari sudut 90 derajat dan menggunakan platform Wolfram dan LTspice.

 


Gambar 1. Aplikasi bantu untuk simulasi perhitungan tegangan berdasarkan luasan di bawah kurva dengan Wolfram.


Gambar 2. Persamaan sebagai dasar perhitungan digital pada aplikasi Wolfram.

 


Gambar 3. Simulasi rangkaian sakelar dengan LTspice untuk memerikan sudut penyalaan 90
°.


Gambar 4. Hasil simulasi rangkaian pada Gambar 3.

Pada gambar 4, pada indikator #1 kita bisa melihat kurva tegangan listrik pada resistor R2. Indikator #2 menunjukkan informasi perhitungan nilai rata-rata (average) dan nilai rms. Nilai average sebesar 159.15 mV bersesuaian dengan hasil perhitungan pada Wolfram, yaitu 0.159 V (dengan skala ternormalisasi sebesar 1 V). Nilai rms pada Gambar 4, 353.48 mV juga bersesuaian dengan 0.354 V pada Gambar 1. Indikator #3 adalah rekonstruksi gelombang ac dari catu. Indikator #4 adalah kurva gelombang sinus ac masukan dan kurva tegangan pada beban R2 yang ditumpuk menjadi satu (interposed). Ini dimaksudkan untuk memudahkan kita melihat sudut penyalaan (pensakelaran) dari SCR atau bentuk sakelar lainnya.

 

PERHITUNGAN RATA-RATA (AVERAGE)

Agar nantinya bisa memahami lebih baik tentang pengaruh sudut penyalaan pada sakelar pada tegangan, arus dan daya di beban, maka kita perlu meninjau persamaan yang dipergunakan untuk menghitung, baik secara manual maupun secara otomatis melalui perangkat bantu.


Gambar 5. Persamaan perhitungan rata-rata (average, DC) pada beban R untuk controlled-half wave rectifier.

 


Gambar 6. Pembuktian penurunan persamaan dengan cara manual pada Gambar 5.

Dengan menggunakan persamaan pada Gambar 5 untuk memeriksa hasil perhitungan pada Gambar 1 dan hasil simulasi pada Gambar 4. Sangat penting untuk diingat bahwa perhitungan ini dan hampir semua perhitungan lainnya dilakukan dalam radian. Jika dilakukan dalam derajat (degree) tanpa penyesuaian yang benar maka akan menghasilkan nilai yang salah.


Gambar 7. Hasil perhitungan numeris rata-rata untuk tegangan Vp ternormalisasi, 1 Volt (
penting: perhitungan dalam radian).

Hanya sebagai tambahan pengetahuan, untuk rangkaian controlled full-wave bridge rectifier, sedikit perbedaan persamaan untuk menghitung nilai rata-rata. Ini karena nilai pembagi bukan lagi 2π (setengah siklus untuk satu siklus penuh gelombang sinus), melaikan hanya π (luas setengah siklus dibagi untuk setengah siklus penuh gelombang sinus). Perhitungan diulang untuk setiap setengah siklus karena sinyal keluaran memang berulang terjadi setiap setengah gelombang. Gampangnya, nilai rata-rata untuk penyearah gelombang penuh terkendali adalah dua kali dari penyearah setengah gelombang terkendali, dengan sudut penyulutan yang sama. Untuk lebih jelasnya silahkan membaca ulang tentang penyearah gelombang penuh, Graetz.

Gambar 8. Persamaan perhitungan rata-rata (average, DC) pada beban R untuk controlled-full wave rectifier.

 

PERHITUNGAN R.M.S.

Selain nilai rata-rata (DC), parameter gelombang yang juga penting adalah nilai rms.


Gambar 9. Penurunan persamaan rms untuk controlled half-wave rectifier (SCR tunggal).

Pada Gambar 9, persamaan #2 adalah format dasar untuk rms, ini berlaku untuk taganan, arus (v diganti i) dan besaran lainnya. Persamaan #3 sama dengan persamaan #4, adalah subtitusi persamaan #1 ke persamaan #2. Penurunan persamaan ini menghasilkan empat bentuk persamaan yang sebenarnya sama yaitu persamaan #10, #11, #12, #13.

Penurunan persamaan juga bisa dilakukan secara otomatis dengan bantuan komputer:

V_rms_half-wave = sqrt( ((1)/(2 * %pi))*integrate((Vp*sin(%theta))^2, %theta, %alpha, (%beta)) );
V_rms_half-wave = sqrt( ((1)/(2 * %pi))*integrate((1*sin(%theta))^2, %theta, %alpha, (%pi)) );


Gambar 10. Penurunan persamaan dan pengujian dengan nilai numeris sudut (penting: perhitungan dalam radian).

Pada Gambar 10, kita bisa melihat bagaimana dunia modern mempermudah pekerjaan kita untuk menurunkan persamaan dan sekaligus memeriksa hasilnya. Di persamaan nomor dua dari atas, kita mengganti nilai vp dengan 1 (satu) dan β dengan π. Berikutnya untuk mencoba kebenaran persamaan, kita memasukkan nilai sudut 90° ke persamaan. Di persamaan, kita perlu mengkonversi sudut dalam derajat (degree) ke bentuk radian. Caranya dengan melakukan perkalian sederhana on-the-fly; nilaiRadian = ( (π/180) * sudutDerajat). Hasil perhitungan numerisnya memberikan bukti kesamaan dengan hasil perhitungan Wolfram pada Gambar 1 dan hasil simulasi sakelar ideal dengan LTspice pada Gambar 4.

 


Gambar 11. Pengujian persamaan #10 pada Gambar 9
(penting: perhitungan dalam radian).

v_rms = sqrt( ( (vp^2)/(2*%pi)) * ( ((1/2)*(%pi-%alpha))+((1/4)*sin(2*%alpha)) ) );

 


Gambar 12. Pengujian persamaan #11 pada Gambar 9
(penting: perhitungan dalam radian).

 


Gambar 13. Pengujian persamaan #12 pada Gambar 9
(penting: perhitungan dalam radian).

v_rms = (vp/2)*sqrt[1 – (%alpha/%pi) + (sin(2*%alpha)/(2*%pi))];

 


Gambar 14. Pengujian persamaan #13 pada Gambar 9
(penting: perhitungan dalam radian).

v_rms = (vp/2)*sqrt(  (1/(2*%pi))*((2*(%pi-%alpha))+(sin(2*%alpha)))  );

 


Gambar 15. Pengujian persamaan pada Gambar 2 sebagai dasar untuk perhitungan yang terlihat di Gambar 1 (penting: perhitungan dalam radian).

v_rms = (vp/(2*sqrt(%pi)))*sqrt(%pi – %lambda + ((1/2)*sin(2*%lambda)));

 

 

PERBANDINGAN PERHITUNGAN.

Pada bagian sebelum ini kita telah melihat bagaimana kita bisa menurunkan persamaan dengan lebih mudah di dunia modern. Barangkali kita bertanya untuk apa kita mengetahui atau belajar persamaan dasar yang membentuk persamaan akhir yang jauh lebih ringkas? Beberapa jawaban bisa diberikan, tapi untuk mempersingkat kali ini kita sekaligus menunjukkan sekaligus contoh kasus saat kita perlu memahami filosofi dasar dan tidak hanya menggunakan “rumus jadi” saja.


Gambar 16. P
erhitungan avg dan rms untuk sudut penyulutan 18
° (0.314159 rad) dengan Wolfram.


Gambar 17. Perhitungan avg dan rms untuk sudut penyulutan 18° (0.314159 rad) dengan simulasi LTspice.

Salah satu permaslahan dengan perhitungan adalah masalah rounding pada komputer, ini yang sering membuat perhitungan yang sebenarnya identik menjadi berbeda. Khusus pada contoh ini kita lihat bahwa perhitungan rata-rata (average) beresuaian antara semua perhitungan, tetapi untuk perhitungan rms hasilnya berbeda seperti yang akan kita buktikan.


Gambar 18. P
erhitungan avg sebagai permbanding hasil pada Gambar 16 dan Gambar 17
(penting: perhitungan dalam radian).

 




Gambar 19. Perhitungan nilai rms sebagai permbanding hasil pada Gambar 16 dan Gambar 17 (penting: perhitungan dalam radian).

Hasil perhitungan pada Gambar 19, lebih mendekati hasil simulasi pada Gambar 17 daripada hasil perhitungan dengan Wolfram pada Gambar 16. Bahkan perhitungan dengan persamaan yang dipergunakan pada Gambar 1, yaitu sebagaimana terlihat pada Gambar 15, memberikan hasil yang jauh menyimpang untuk perhitungan sudut ini. Ini adalah contoh pentingnya melakukan pemeriksaan silang.

 

Berikutnya akan dipaparkan simulasi dari persamaan yang dibahas di artikel ini, sebagai contoh akan tetap dipakai sudut sebesar 90°.

 

font cache: Ψ α β π θ μ Φ φ ω Ω ° ~ ±  ≈ ≠ ≡ ≤ ≥  ∞    

Written by sunupradana

January 4, 2015 at 2:57 pm

Penyearah gelombang penuh jembatan Graetz

with one comment

Pada artikel/tulisan sebelumnya, kita telah mencoba memahami pensaklaran sebagai aksi dasar dari kerja komponen di elektronika daya. Dari pemahaman itu kita mencoba mempelajari diode sebagai perwujudan sakelar elektronik. Lalu sebelum belajar bagaimana upaya penyearahan, kita belajar terlebih dahulu masukan yang akan kita searahkan, dalam hal ini yaitu tegangan A.C. dan kita belajar parameter yang penting dari gelombang sinus. Lalu kita berkenalan dengan penggunaan sebuah diode sebagai penyearah setengah gelombang (half wave rectifier).

Kali ini kita akan membahas tentang konfigurasi dasar dari penyearah gelombang penuh (full-wave rectifier) dalam bentuk jembatan Graetz (Graetz bridge).

[Untuk memudahkan proses membaca, disarankan untuk membuka halaman ini dalam dua tab atau dua window(jendela). Supaya mudah untuk membaca keterangan dan membandingkan dengan / mengamati gambar. Agar tidak bolak-balik melakukan scroll.]

Tulisan ini dan tulisan lain dalam seri ini disusun dengan mode fail safe, artinya memang ditujukan terutama bagi yang ingin belajar secara mandiri. Dengan bemikian kadang-kadang bagi mereka yang sudah paham, akan terasa agak panjang. Silahkan skim and scan :-) .

 

BENTUK FISIK

Sebelum mempelajari cara kerja dan melakukan analisis dasar, kita berkenalan dulu dengan bentuk fisik dari komponen jembatan diode yang telah cukup banyak dijual umum di pasaran.


Gambar 1. Contoh bentuk fisik komponen penyearah
jembatan diode (sumber:Wikipedia).


Gambar 2. Contoh fisik komponen komersial bridge rectifier (sumber:WestFlorida components).

Sebelum adanya komponen jembatan diode yang sudah diringkas dalam satu package, konfigurasi jembatan diode ini dibangun dari komponen diode diskrit. Cara seperti ini masih bisa dipergunakan hingga saat ini, misalnya karena alasan harga atau ketersediaan komponen.


Gambar 3. Penyearah jembatan
diode dari komponen diode diskrit (tunggal), (sumber:Wikipedia).

 

 OPERASI DASAR

Berikutnya untuk memahami cara kerja komponen/konfigurasi jembatan diode ini, kita mulai dengan memperhatikan seksama animasi berikut. Luangkan waktu beberapa saat untuk benar-benar memperhatikan pergantian siklus dan diode yang aktif pada tiap saat itu.


Gambar 4. Animasi operasi dasar Graetzr bridge rectifier
, (sumber:Wikipedia).

 


Gambar 5. Setengah siklus positif dari penyearah jembatan gelombang penuh, Graetzr bridge rectifier
, (sumber:Wikipedia).

Pada Gambar 5, bisa kita lihat operasi Graetz bridge rectifier saat setengah siklus positif sumber tegangan A.C., yaitu dalam gambar ini saat jalur arus di bagian atas sedang bernilai lebih positif jika dibandingkan dengan jalur arus yang di bawahnya. Jalur arus yang memiliki tegangan yang lebih positif itu diberi warna merah, sedang yang lebih negatif berwarna biru.

Dalam gambar itu saat jalur sumber di bagian atas lebih positif dari jalur di bawahnya, diode pada bagian kiri atas pola diamond (berlian) akan aktif. Diode akan menghantar seperti sakelar tertutup, dan pada Gambar 5 itu semua yang aktif dalam potensi listrik positif diberi warna merah. Sedangkan bagian rangkaian yang berpotensi lebih negatif diberi warna biru. Jika terminal terhubung dengan beban maka arus listrik dari sumber akan melewati diode (yang diberi tanda warna merah) ke beban dan kembali ke sumber melalui jalur yang diberi tanda pembeda berupa warna biru. Diode kanan bawah pola berlian itu diberi penanda beda dengan warna biru. Diode biru itu menjadi jalur pulang arus listrik dari beban menuju sumber catu daya.


Gambar 6. Setengah siklus negatif dari penyearah jembatan gelombang penuh, Graetzr bridge rectifier
, (sumber:Wikipedia).

Kondisi yang digambarkan pada Gambar 6 berkebalikan dari kondisi yang digambarkan pada Gambar 5. Polaritas tegangan pada terminal sumber terbalik, yang di atas sekarang lebih negatif dari yang di bawah. Pada kondisi ini semua diode yang tadi aktif pada situasi di Gambar 5 akan mati (off, tidak bekerja). Sebaliknya diode yang tadinya tidak aktif, maka pada situasi ini akan aktif. Dalam gambar terlihat diode yang aktif berwarna merah (arus untuk polaritas tegangan yang lebih positif) dan berwarna biru (arus untuk polaritas tegangan yang lebih negatif).

Salah satu ciri yang menonjol pada rangkaian  jembatan diode ini adalah bahwa dari sisi terminal beban, polaritas tegangan akan tetap sama, tidak berubah. Pergantian terus-menerus, periodik, dari polaritas sumber tegangan arus bolak-balik tidak berpengaruh pada polaritas tegangan beban. Ciri lainnya yang lebih ringan (trivia) adalah bentuk lambang diagram yang berupa berlian (diamond) yang iconic yang terkenal itu. Ciri ini sebenarnya tidak merupakan keharusan, baik dalam diagram maupun dalam perwujudannya. Bentuk tidaklah mengikat sepanjang koneksi antar node-nya tetap.


Gambar 7. Bentuk lain diagram koneksi beserta warna aktifasinya, Graetzr bridge rectifier
, (sumber:Wikipedia).

 

 OPERASI DASAR


Gambar 8. Konfigurasi dasar simulasi dan pengukuran riil penyearah jembatan
diode rangkaian terbuka.

Di Gambar 8, semua node diberi tanda secara eksplisit untuk memudahkan (n1, n2, n3, n4). Pada konfigurasi ini perlu diperhatikan bahwa titik common sebagai acuan pengukuran (lazim juga disebut gnd, ground) adalah node di sisi sumber tegangan AC. Node gnd adalah juga node n3 di rangkaian ini. Semua pengukuran dengan DSO di kanal satu (CH1) dan kanal dua (CH2) akan dibandingkan nilainya dengan node ini.

 


Gambar 9. Hasil simulasi rangkaian pada Gambar 8.

Di Gambar 8, node n3 dipakai sebagai titik acuan (common) bagi perhitungan level tegangan di semua node di satu saat yang sama. Hasilnya tampak di Gambar 9, tegangan di node n1; V(n1) dapat menjadi panduan pembanding visual bagi semua gelombang hasil pengukuran lainnya.

Saat tegangan di n1 memasuki fase siklus nilai tegangan lebih positif terhadap nilai tegangan di n3 (yang dipakai sebagai acuan, common, gnd), begitu pun nilai tegangan di n4. Di node n4, saat yang sama, nilai tegangannya juga lebih positif daripada nilai tegangan di n3 yang dipakai sebagai acuan. Dengan begitu kita bisa melihat bahwa tegangan n4 mengikuti trend nilai tegangan yang sama dengan n1 pada setengah siklus positif n1 (kurva biru). Sedangkan nilai tegangan di n2 akan mengikuti trend nilai tegangan n1 di setengah siklus negatif (kurva pink). Hal ini akan lebih mudah dipahami nanti dengan penggunaan beban resistor. Pada bagian ini yang lebih penting mengetahui pergantian polaritas pada pasangan node sumber seperti yang diungkap pada Gambar 8 dan Gambar 9, tidak mengubah polaritas di node n2 dan n4. Sekali lagi artinya polaritas tegangan di n2 dan n4, tetap.

 


Gambar 10.Pengujian dengan DSO konfigurasi rangkaian seperti pada Gambar 8.


Gambar 11. Hasil dari proses uji (Gambar 10), #1 n1, #2 n4, #3 n2.

Gelombang pada Gambar 11 adalah hasil pengujian diode bridge riil sebagaimana yang diperlihatkan pada Gambar 10. Ground dari DSO (oscilloscope) dihubungkan dengan salah satu keluaran transformer. Untuk mempermudah pengujian mengikuti pengaturan penamaan node seperti pada Gambar 8. Point nomor satu di Gambar 11, adalah kurva gelombang sinus di n1, ini sama seperti kurva pada Gambar 9. Kurva yang diberi tanda nomor dua adalah hasil pengukuran pada n4, kebetulan foto pada Gambar 10 tepat menggambarkan konfigurasi probe saat pengambilan nilai tegangan di node ini. Keluaran terminal positif dari komponen diode bridge (n4) sama polanya dengan hasil simulasi di Gambar 9. Karena DSO yang dipergunakan hanya memiliki dua kanal, maka kurna no 3 sebenarnya adalah tampilan hasil penyimpanan dari pengukuran sebelumnya. Dalam uji ini kurva no 3 adalah tegangan di node n2, terminal negatif dari diode bridge. Hasilnya juga sesuai dengan hasil simulasi pada Gambar 9.


Gambar 12. Anotasi lebih rinci dari Gambar 11.

Di Gambar 12, anotasi no 1 menggambarkan saat node n1 berada dalam setengah siklus positif (tegangannya lebih positif dari node acuan n3). Pada setengah siklus positif itu tegangan di n4 juga positif, ditunjukkan dengan anotasi no 2. Sedangkan no 3 menunjukkan bahwa pada setengah siklus positif itu tegangan di n2 mendekati nol. Sebaliknya pada setengah siklus negatif tegangan di n4 mendekati nol dan tegangan di n2 (anotasi no 6) bernilai negatif terhadap n3 seperti tegangan di n1 pada saat itu.

 


Gambar 13. Konfigurasi uji diode bridge CH1 untuk n4 dan CH2 untuk n2.


Gambar 14. Hasil uji diode bridge (Gambar 13), CH1 (kuning)  untuk n4 dan CH2 (cyan) untuk n2.

 


Gambar 15. Konfigurasi simulasi dan pengujian dengan node n2 sebagai acuan.


Gambar 16. Hasil pengujian dengan node n2 sebagai acuan.


Gambar 17. Pengenal diode untuk simulasi dan pengujian, D1, D2, D3, D4.

Konfigurasi rangkaian pada Gambar 15, memiliki kesamaan dengan rangkaian pada Gambar 8. Perbedaannya adalah pada Gambar 15, terdapat resistor 200 Ohm (2 x 100 Ohm, 5 Watt di rangkaian uji) dan node yang dipergunakan sebagai acuan adalah n2 dan bukan lagi n3. Hasil simulasi terlihat pada Gambar 16, tegangan antara n1 terhadap n3 masih bisa disimulasikan dengan menggunakan cara pengukuran diferensial. Kita bisa melihat bahwa untuk rentang 20 mS (satu siklus penuh gelombang sinus 50 Hz), satu siklus sinus masukan menghasilkan dua pulsa (two pulse). Ini berbeda dengan penyearah setengah-gelombang yang hanya menghasilkan satu pulsa setiap satu siklus penuh gelombang sinus masukan. Dengan demikian pada full wave bridge rectifier ini baik setengah siklus positif maupun setengah siklus negatif dari input akan menghasilkan keluaran di sisi DC.

Kita bisa membandingkan kurva hasil simulasi pada Gambar 16,  V(n1,n3) dengan V(n4), dan pada saat yang sama dengan V(n1) dan V(n3).  Misalnya dapat dilihat bahwa V(n4) berasal dari gabungan V(n1) dengan V(n3). Pada Gambar 16, pulsa pertama pada V(n4) berasal dari V(n1). Pulsa ini berasal dari diode D1 (Gambar 17) yang aktif bersama diode D2, sedangkan D3 dan D4 dalam keadaan off. Ini terjadi saat V(n1,n3) berada dalam setengah siklus positif.

Pulsa kedua pada V(n4), yaitu dari 10 mS sampai 20 mS, merupakan “sumbangan” dari V(n3) karena D3 dan D4 menjadi aktif (on) pada saat V(n1,n3) berada dalam setengah siklus negatif. Pada saat ini D1 dan D2 dalam keadaan mati (off). Pola yang sama berlangsung berulang terus menerus (periodik) selama kondisi prasyarat terpenuhi.

 


Gambar 18. Bentuk lain penyusunan diode diskrit dari penyearah gelombang penuh, Graetzr bridge rectifier
, (sumber:Wikipedia).

 

PENGUKURAN RANGKAIAN


Gambar 19. Foto test bed untuk menguji hasil simulasi pada komponen riil.


Gambar 20. Kurva hasil uji; #1:V(n4), #2:V(n1), #3:V(n3).

Semua kurva pada Gambar 20 adalah perbandingan pengukuran dengan node n2 sebagai acuan. Konfigurasi pengujian sama dengan konfigurasi pada Gambar 15. Karena pengukuran dilakukan dengan menggunakan DSO yang hanya memiliki dua kanal maka fasilitas Ref dipergunakan untuk menyimpan dan menampilkan kurava gelombang ketiga, (dalam Gambar 20 adalah kurva #3).  Kurva #1 menunjukkan V(n4), tegangan kaki positif pada komponen diode bridge. Kurva #2 menunjukkan V(n1), tegangan pada salah satu sumber AC. Kurva #3 menunjukkan V(n3), tegangan pada salah satu sumber AC yang berbeda dari yang diukur dan menghasilkan kurva #2. Sekedar untuk memudahkan pengenalan, dapat ditetapkan kurva #2 adalah hasil pengukuran pada  terminal fasa pada/dari trafo sedangkan kurva #3 adalah hasil pengukuran pada terminal 0 (nol) pada trafo.


Gambar 21. Kurva hasil uji; #4:V(n4), #5:V(n1), #6:V(n3), dengan base yang diatur sama.

Gambar di atas sebenarnya tidak berbeda jauh dengan Gambar 20, perbedaannya hanyalah posisi vertikal dari kurva #5 dan #6 telah dibuat sama (satu level). Dengan begitu saya harapkan akan lebih mudah untuk membayangkan bahwa kurva #4 sebenarnya terdiri dari kurva #5 dan #6.

 


Gambar 22. Setup untuk menguji komponen riil dengan fasilitas MATH di DSO.


Gambar 23. Kurva hasil pengukuran pada Gambar 22.

Setup pada Gambar 22 masih mengikuti setup pada Gambar 15, tanpa R2. Pada uji kali ini fasilitas penyimpanan kurva pada DSO (REF) tidak lagi dipergunakan. Yang dipakai adalah fasilitas MATH, sehingga dua hasil pengukuran bisa langsung ditambahkan. Dari gambar 22 dan 23, CH1 dipergunakan untuk mengukur n3 sedangkan CH2 dipergunakan untuk mengukur n1. Kurva #1 adalah hasil perhitungan langsung, penambahan CH1 dengan CH2. Dari gambar 20, 21 dan 23 kita bisa yakin bahwa tegangan yang terukur pada kaki positif jembatan diode (node n4) adalah hasil dari penjumlahan tegangan pada masing-masing terminal/kaki fasa masukan tegangan arus bolak-balik, dengan titik acuan (pembanding)  adalah terminal negatif pada kaki jembatan diode  (n2).

 


Gambar 24. Dua siklus penuh gelombang masukan memberikan empat pulsa keluaran pada penyearah jembatan.


Gambar 25. Pengukuran satu pulsa keluaran penyearah menggunakan manual cursor.


Gambar 26. Pengukuran frekuensi pulsa keluaran penyearah Graetz menggunakan auto cursor.


Gambar 27. Nilai Vmax pada tegangan keluaran.


Gambar 28. Nilai Vtop pada tegangan keluaran.


Gambar 29. Visualisasi nilai Vpp pada tegangan keluaran.


Gambar 30. Visualisasi nilai Vmean pada tegangan keluaran.


Gambar 31. Visualisasi nilai Vrms pada tegangan keluaran.


Gambar 32.
Panduan untuk memahami definisi parameter pada pengukuran pada DSO.


Gambar 33. Parameter pengukuran tegangan pada CH1
DSO, tegangan keluaran penyarah jembatan.


Gambar 34. Parameter pengukuran pada tegangan masukan
penyarah jembatan.

 

 

PERSAMAAN RATA-RATA (AVG, Average)


Gambar 35. Persamaan Vavg untuk penyearah gelombang penuh

Dari hasil simulasi dan pengukuran pada rangkaian riil yang telah dilakukan, diketahui bahwa penyearah jembatan Graetz akan memberikan tegangan keularan baik pada setengah siklus positif maupun negatif dari tegangan masukan. Karena itu pada persamaan #1 dan #2 di Gambar 35, perhitungan untuk mencari nilai rata-rata menggunakan satu satu siklus penuh (setengah siklus positif dan setengah siklus negatif)


Gambar 36. Perhitungan untuk nilai Vavg

Dari uji persamaan seperti yang terlihat pada Gambar 36, kita bisa mendapatkan persamaan sederhana dengan pembulatan. Persamaan nilai rata-rata yang didapat untuk penyerah gelombang penuh mudah ditebak ternyata nilainya dua kali dari nilai rata-rata pada penyerah setengah gelombang.

Vavg bridge full-wave = 0.637 x Vinput_peak.


Gambar 37. Subtitusi Vpeak dengan Vrms.

Vavg bridge full-wave = 0.900 x Vinput_rms.

Sebagai contoh, jika tegangan puncak pada sisi suplai adalah 17.6 V maka,
Vavg bridge full-wave = 0.637 x 17.6 = 11.211 = 12.1 Volt.
Atau jika menggunakan nilai rms dari suplai sebesar 12 V maka ,
Vavg bridge full-wave = 0.900 x 12.0 = 10.80 = 10.8 Volt.
Sebagaimana pada penyearah setengah gelombang, setidaknya ada dua faktor yang harus diperhatikan pada perhitungan. Pertama adalah adanya jatuh tegangan pada diode, semakin banyak diode dalam rangkaian maka akan semakin banyak jatuh tegangan dan ketidakidealan lainnya yang berkaitan dengan adanya komponen fisik dalam rangkaian. Kedua, bahwa semua persamaan yang dipergunakan berasal dari asumsi bahwa masukan dari catu daya adalah tegangan AC dengan bentuk gelombang sinus yang ideal. Padahal kenyataannya tidaklah demikian, seperti yang terlihat dari hasil pengukuran di oscilloscope.


 

PERSAMAAN RMS (root mean square)


Gambar 38. Perhitungan untuk mendapatkan persamaan rms dari penyearah gelombang penuh.


Gambar 39. Pengujian dan penyederhanaan untuk mendapatkan nilai rms dari penyearah gelombang penuh.

Pada Gambar 38 dan Gambar 39, hasil perhitungan memberikan informasi bahwa ternyata nilai rms untuk penyearah gelombang penuh sama dengan nilai rms untuk perhitungan satu siklus penuh dari gelombang sinus ideal. Artinya untuk nilai efektif, rms, kondisi polaritas positif atau negatif tidak memberikan perbedaan pada beban resistor. Efek panas yang dihasilkan sama saja antara keluaran penyearah gelombang penuh berupa tegangan DC maupun tegangan suplai dengan gelombang sinus, selama keduanya memiliki nilai rms yang sama.

maj rev 2

 

 

Written by sunupradana

January 2, 2015 at 3:26 pm

Kutipan datasheet 1N4001 sampai 1N4007

with one comment

Berikut adalah contoh kutipan beberapa parameter penting dari diode 1N4001 sampai 1N4007:

 

 

 

 

 

 

Written by sunupradana

January 2, 2015 at 6:13 am

Dasar penyearah setengah gelombang

with 3 comments

Sebelumnya telah dibahas mengenai mengenai bagaimana kita mulai belajar komponen pensaklar elektronika dengan mengenal komponen pensaklar dengan mempelajari simulasi sakelar dengan bantuan LTspice. Dari sana kita sudah bisa mulai menerka bagaimana kira-kira tanggapan tegangan dan arus pada komponen pensaklar. Kemudian kita mempelajari diode sebagai komponen sakelar yang tidak bisa dikendalikan. Sebenarnya rangkaian pada artikel ini juga sama dengan rangkaian pada artikel itu. Bedanya pada artikel yang lalu titik beratnya pada diode sebagai komponen sakelar, sedangkan pada artikel ini titik beratnya pada komponen resistor sebagai beban.

Salah satu filosofi dasar di ilmu sistem kendali menyatakan sebelum kita mengendalikan sesuatu, kita seharusnya paham tentang apa yang akan kita kendalikan itu. Ungkapan yang sederhana tetapi dakam dan sering sungguh sulit untuk dipraktikan. Karena itu agar proses belajar dapat berlangsung secara lebih sistematis, sebelumnya kita telah membahas tentang gelombang sinus. Tegangan A.C. yang akan kita searahkan mengambil bentuk sinus (sine) maka kita harus berusaha terlebih dahulu untuk memahaminya sebelum berusaha menyearahkannya :-D

[Untuk memudahkan proses membaca, disarankan untuk membuka halaman ini dalam dua tab atau dua window(jendela). Supaya mudah untuk membaca keterangan dan membandingkan dengan / mengamati gambar. Agar tidak bolak-balik melakukan scroll.]


Gambar 1. Rangkaian percobaan (simulasi LTspice dan uji hardware).


Gambar 2. Hasil simulasi dengan LTspice. 

Gambar 2 menunjukkan hasil simulasi rangkaian penyearah setengah gelombang (half-wave rectifier) berupa tegangan pada beban yaitu komponen resistor 100 Ohm.


Gambar 3. Hasil uji dengan DSO.

Pada Gambar 3, kita bisa melihat hasil pengujian rangkaian dengan konfigurasi sama dengan rangkaian yang disimulasikan pada Gambar 1. Kurva berwarna kuning, adalah kurva CH1 (kanal satu) yang pada percobaan kali ini dipergunakan untuk mengukur tegangan terminal. Yaitu tegangan antara anode pada diode dengan ground (common, terminal negatif catu atau titik kembali arus ke sumber catu daya). Pada simulasi di Gambar 1, ini adalah tegangan (beda potensial) antara node n001 dengan gnd.

Sedangkan kurva yang berwarna cyan adalah hasil pengukuran dengan CH2 (kanal dua pada DSO). Pada percobaan ini, CH2 dipergunakan untuk mengukur tegangan pada beban berupa resistor. Pada Gambar 1, ini artinya antara node n002 dengan node gnd.

Di Gambar 3 ini juga kita bisa melihat tegangan di resistor yang diukur oleh CH2 sebenarnya mewakili arus pada rangkaian. Dan bentuk gelombangnya yang seperti terpotong itu memberi informasi kepada kita bahwa diode hanya bisa menghantar seperti sakelar tertutup pada siklus positif. Yaitu saat nilai tegangan pada anode diode lebih positif daripada sisi anodenya. Saat diode menghantar, seperti sakelar yang tertutup, maka ada arus yang mengalir. Arus yang mengalir melintasi komponen resistor akan menimbulkan tegangan listrik, seperti yang telah diperlihatkan pada kurva CH2 pada Gambar 3. 


Gambar 4. Bentuk gelombang hasil pengujian yang tidak ideal.

Pada Gambar 4, kita bisa lebih melihat bahwa dalam pengujian ini, seperti yang sering terjadi, bentuk gelombang sinus pada input tidaklah ideal. Maka gelombang hasil penyearahan juga tidak akan ideal.


Gambar 5. Parameter pengukuran rangkaian penyearah setengah gelombang.


Gambar 6. Informasi detail parameter pengukuran pada CH1.


Gambar 7. Informasi detail parameter pengukuran pada CH2.

Sebelum melanjutkan pembahasan, jika anda belum membaca artikel yang saya susun sebelumnya, tentang sakelar, maka ada baiknya melihat artikel tersebut sebelum melanjutakan membaca pembahasan pada tulisan ini. 

Sebelum kita membahas hasil simulasi LTspice dengan model komponen yang sesungguhnya (1N4007) dan hasil pengukuran rangkaian dengan tipe diode yang sama, kita perlu kembali ke bentuk sakelar yang ideal.


Gambar 8. Simulasi penyearah setengah gelombang dengan sakelar sebagai pengganti diode.

Seperti yang telah dibahas sebelumnya, diode dapat dianggap sebagai sakelar (tanpa kendali) yang tidak ideal. Terutama jika model SPICE yang kita pergunakan adalah model dari komponen sesungguhnya. Maka, untuk memudahkan pembahasan, kita mulai dengan model komponen yang lebih ideal, yaitu sakelar. Pada Gambar 8, kita mempergunakan sakelar sebagai pengganti diode 1N4007. Dengan demikian untuk sementara secara sistematis kita mempermudah proses belajar dengan menyingkirkan sedapat mungkin sumber ketidakidealan.


Gambar 9. Hasil simulasi half wave rectifier dengan LTspice.

Gambar 9 adalah hasil simulasi dari rangkaian pada Gambar 8, yaitu bentuk gelombang tegangan dari masing-masing node nd1 dan n001 terhadap node gnd.Pada gambar ini kita juga bisa memperoleh data berupa tegangan puncak, Vpeak = 16.799945V, tegangan rata-rata Vaverage = 5.3476V, dan tegangan efektif Vrms = 8.4V. Informasi ini nanti akan kita pergunakan dalam perhitungan. Bisa diperhatikan dengan contoh yang menggunakan model sakelar ideal ini, tidak ada jatuh tegangan pada sakelar. Tegangan puncak Vpeak = 16.799945V, sama nilainya antara  node nd1 terhadap gnd maupun dengan node n001 terhadap gnd.


Gambar 10. Persamaan untuk menentukan nilai rata-rata pada penyearah Vavg


Gambar 11. Pembulatan hasil perhitungan.

Berdasarkan capture pada Gambar 10 dan Gambar 11, kita memperoleh nilai tegangan rata-rata pada beban resistor di rangkaian penyearah setengah gelombang adalah 0.318 dari nilai tegangan puncak tegangan sinus masukan. Secara ringkas:

Vaverage = 0.318 x Vpeak input,

Pada hasil contoh simulasi di Gambar 9, persamaan ini menjadi Vaverage = 0.318 x Vpeak_V(n001) . Jika hasil simulasi numeris dimasukkan maka perhitungan manjadi   Vaverage = 0.318 x 16.799945 = 5.3424 Volt. Hasil ini tidak jauh berbeda dengan hasil perhitungan simulasi LTspice yaitu Vaverage = 5.3476 V. Bahkan kalau kita melakukan perhitungan menggunakan kalkulator dengan menggunakan (16.799945 / pi) maka hasil pembulatannya sama, yaitu 5.3476 V.

Pada Gambar 2 dengan model diode 1N4007 memberikan hasil perhitungan Vaverage = 0.318 x 16.799945 = 5.088712956 Volt = 5.089 Volt. Hasil perhitungan simulasi LTspice tidak jauh berbeda yaitu Vaverage = 4.9713V. Jatuh tegangan pada diode dalam simulasi ini adalah 0.7977 Volt.

Jika kita melakukan perhitungan untuk komponen dan sistem riil, perlu diperhatikan adanya jatuh tegangan pada komponen diode. Karena alasan inilah kita menggunakan sakelar ideal pada simulator LTspice sembagai permulaan untuk belajar seperti terlihat pada Gambar 8.

Untuk perhitungan pada pengujian komponen riil pada Gambar 7 dan Gambar 6, kita melakukan perhitungan nilai tegangan rata-rata sebagai berikut.

Vaverage = 0.318 x Vpeak input,

Vaverage = 0.318 x 16.80 V = 5.3424 V, nilai ini sama dengan perhitungan untuk sakelar pada Gambar 8. Tetapi nilai ini tentu jauh dari nilai pengukuran yang dilakukan dengan DSO pada komponen riil. Begitupun jika kita menggunakan Vtop dan bukan Vmax, hasilnya masih cukup jauh dari nilai pengukuran Vmean.  Jatuh tegangan pada diode (Vforward) tidak diikutkan pada perhitungan ini.

Salah satu pilihan adalah dengan menggunakan nilai tegangan puncak pada beban, sehingga jatuh tegangan pada diode bisa diabaikan. Ini jalan yang baik untuk sementara dalam upaya melakukan pembuktian,

Vaverage = 0.318 x Vpeak beban_resistor.

Maka nilai perhitungan menjadi  Vaverage = 0.318 x 15.20 V = 4.838 V, nilai ini berbeda dengan hasil pengukuran yaitu 4.40 Volt. Perbedaan ini dapat diduga antara lain sebagai akibat dari bentuk gelombang tegangan masukan yang tidak sempurna mengikuti bentuk gelombang sinus. Sehingga faktor pengali tidak lagi menghasilkan nilai yang tepat.

Jika kita mengunakan nilai Vtop (mengabaikan kemungkinan noise atau kesalahan pengukuran berupa spike) untuk menghitung jatuh tegangan pada diode di Gambar 6 dan Gambar 7. Maka hasilnya kita memperoleh 16.0 V – 15.0 V = 1 V.

Sebelum melanjutkan ke pembahasan rms, ada baiknya kita meninjau lagi tentang nilai tegangan rata-rata. Agar di masa depan kebingungan yang tidak perlu dapat dihindari. Coba perhatikan persamaan yang di-capture pada gambar berikut:


Gambar 12. Perbandingan persamaan nilai rata-rata.

Gambar 12 sebenarnya berisi dua bagian blok persamaan, di bagian atas adalah persamaan nilai rata-rata setengah gelombang yang dipergunakan untuk mewakili nilai rata-rata sesungguhnya pada gelombang sinus sat siklus penuh yang bernilai nol. Di bagian bawah adalah persamaan nilai rata-rata untuk penyearah setengah gelombang. Perhatikan perbedaan antara Vaverage = 0.637 x Vpeak input, dengan Vaverage = 0.318 x Vpeak input. Pada persamaan integral, batas bawahnya sama yaitu 0 (nol), batas atasnyapun sama yaitu pi radian (180 derajat). Perbedaannya jelas terlihat ada pada pembagi. Persamaan yang di atas (persamaan untuk mewakili satu siklus penuh) menggunakan pembagi pi radian (180 derajat). Artinya luasan yang dicari hanya daerah dibawah kurva pada setengah siklus saja. Jadi nilai rata-rata sebenarnya dihitung hanya untuk setengah sikus. Sebab berdasar perhitungan yang kita bisa lihat pada Gambar 7 di artikel sebelumnya, nilai rata-rata untuk satu gelombang penuh adalah 0.

Pada persamaan bagian bawah pembagi adalah 2*pi bukan pi. Sebab nilai rata-rata yang dihitung untuk penyearah setengah gelombang adalah untuk satu sikus penuh, sebab masukkannya memang berupa gelombang bolak-balik (AC) satu siklus penuh (pi radian atau 360 derajat).

RMS

Berikutnya kita mempelajari perhitungan nilai R.M.S. untuk penyearah setengah gelombang ini.


Gambar 13. Perhitungan persamaan untuk nilai rms pada penyearah setengah gelombang.


Gambar 14. Pembulatan untuk perhitungan nilai rms.

Dari perhitungan yang di-capture pada Gambar 13 dan Gambar 14, kita bisa mengetahui bahwa sesungguhnya nilai rms pada beban resistif di rangkaian half wave rectifier ini nilainya adalah separuh dari nilai puncak pada input. Atau, dengan pembulatan, nilainya rms pada beban resistif setara dengan 0.707 x nilai rms pada input.

Misalnya pada contoh hasil simulasi dengan sakelar ideal pada Gambar 9, nilai rms pada beban adalah roundoff(16.799945/2, 3) = 8.4 V. Persis sama dengan hasil simulasi LTspice. Sedangkan perhitungan untuk hasil simulasi dengan model diode 1N4007 pada Gambar 2, nilai simulasi tidak mencapai 8.4 V seperti pada perhitungan manual dengan kalkulator. Ini disebabkan adanya, lagi, jatuh tegangan pada diode. Jika kita menggunakan nilai tegangan puncak pada resistor dan bukan nilai tegangan puncak pada masukkan (tegangan terminal), maka hasilnya akan lebih mendekati hasil perhitungan simulator LTspice. Nilai perhitungannya adalah roundoff(16.002242/2, 3) = 8.001 V, sedang nilai hasil simulasi sebesar 7.9055 V.

Untuk perhitungan dengan komponen yang nyata, dengan bentuk gelombang tegangan masukan yang tidak berupa gelombang sinus ideal, hasilnya akan lebih jauh lagi berbeda dengan hasil perhitungan.

Vrms = 0.5 x Vpeak input.

Tabel 1. Perhitungan Vrms pada beban resistif.

No   Vpeak Vrms_beban Keterangan
1 0.5 16.80 8.40 Vmax input
2 0.5 16.00 8.00 Vtop input
3 0.5 15.20 7.60 Vmax beban
4 0.5 15.00 7.50 Vtop beban

Berdasarkan pengukuran dengan DSO pada CH2, nilai tegangan rms pada beban komponen resistor adalah 7.40 V, sebagimana terlihat pada Gambar 7. Mengacu pada nilai ini maka hasil perhitungan yang paling mendekati pada Tabel 1, adalah jika kita menggunakan nilai Vtop pada beban dan bukannya Vpeak dari gelombang input. Atau kita bisa memodifikasi persamaan untuk memasukkan jatuh tegangan pada diode yang terbukti tidak bisa diabaikan (selain faktor bentuk gelombang sinus yang tidak ideal).

Vrms = 0.5 x (Vpeak input – Vforward diode).

Sedangkan persamaan ;Vrms = 0.5 x sqrt(2) x Vrms input, menghasilkan nilai 0.5 x sqrt(2) x 12.4 V = 8.7681 V.

Penting untuk mengetahui penggunaan substitusi untuk Vpeak pada manipulasi aljabar untuk perhitungan penyearah setengah gelombang ini , mari perhatikan gambar berikut:


Gambar 15. Subtitusi nilai
Vpeak dengan nilai Vrms.

Nilai Vrms yang dipakai adalah nilai Vrms untuk satu siklus penuh gelombang, seperti pada gambar di bawah ini:


Gambar 16. Perhitungan
Vrms untuk satu siklus penuh gelombang sinus.

Tabel 2. Perbandingan antara teori dengan perhitungan dari hasil pengukuran.

Pada diode di rangkaian penyearah setengah gelombang ini, kurva tegangan dan kurva arus tampak bergantian, selang seling seperti pada gambar berikut (Gambar 17) yang berasal dari artikel sebelumnya tentang komponen diode. Jika lupa, untuk bisa memahami kembali gambar ini ingatlah bahwa diode pada dasarnya dapat diumpamakan sebagai sebuah sakelar elektronik. Pada sakelar, saat terbuka dan tidak menghantarkan arus maka akan ada tegangan di antara node-node atau kaki-kakinya, jika sakelar itu sebenarnya adalah bagian dari suatu loop tertutup (circuit) yang dihubungkan dengan catu daya. Sebaliknya, pada rangkaian yang sama, jika sakelar itu dalam keadaan tertutup (menghantar) maka akan sakelar kehilangan besar tegangan, ini seperti gejala hubung singkat. Tetapi pada saat yang sama arus yang melintasi sakelar dan melintasi komponen lain (dalam percobaan ini adalah komponen resistor) akan menimbulkan kenaikan besar tegangan listrik di komponen lain.

Karena diode dan resistor dalam rangkaian uji coba ini terhubung secara seri. Nilai arus pada resistor di rangkaian percobaan ini, lagi, adalah nilai tegangan antara kali-kalinya dibagi dengan nilai resistansinya, dan sama dengan nilai arus pada diode saat yang sama. Kita bisa mengabaikan polaritas gelombang pada Gambar 17 berikut, yang terpenting untuk artikel ini gambar tersebut bisa memberikan gambaran tegangan dan arus di diode yang tampak berselang-seling sebagai akibat pensaklaran.


Gambar 17. G
elombang tegangan pada diode (kuning) dan resistor (biru / cyan) yang belum dibalik.


Gambar 18. Kurva hijau menggambarkan arus pada rangkaian (diode & resistor) dan kurva biru menggambarkan tegangan sumber.

PIV

NIlai PIV (peak inverse voltage) atau PRV (peak reverse voltage) yang berulang (repetitive, VRRM) dapat diketahui dari nilai tegangan puncak balikan seperti pada Gambar 2 atau Gambar 3 atau Gambar 6. Nilainya adalah nilai tertinggi gelombang sinus masukan, Vpeak. Berdasarkan persamaan pada Gambar 10, maka kita mengetahui Vavg_beban = Vpeak_input / pi. Jika persamaannya diubah maka  Vpeak_input = pi x Vavg_beban atau dengan pembulatan; Vpeak = 3.14 x Vavg. Begitu pula dari Gambar 16, kita bisa memperoleh persamaan Vrms_input = Vpeak_input / sqrt(2), yang dapat diubah menjadi Vpeak_input = Vrms_input x sqrt(2) = Vrms_input x 1.41 V.

Pada contoh Gambar 6 dan Gambar 7, kita mengetahui bahwa nilai PIV (atau PRV) minimal adalah nilai Vpeak yaitu 16.8 Volt. Jika yang tersedia adalah nilai Vavg_beban maka kita dapat mencari dengan Vpeak_input = pi x Vavg_beban atau misalnya Vpeak_input = pi x 4.40 V = 13.82 V. Jika yang diketahui adalah nilai Vrms_input makaVpeak_input = Vrms_input x sqrt(2) = 12.4 x sqrt(2) = 17.54 V. Dari beberapa perhitungan di paragraf ini kita memperoleh nilai PIV yang berbeda-beda. Pelajaran moralnya adalah kita lebih aman dan lebih baik mengambil nilai tegangan yang tertinggi sebagai PIV, ditambah spasi yang besar untuk antisipasi.

Sebagai contoh, kutipan datasheet yang memuat nilai PIV atau PRV atau VRRM dan parameter dasar penting lainnya terdapat di halaman berikut ini.

Written by sunupradana

January 1, 2015 at 7:14 pm

Transformer tegangan bolak-balik satu fasa dengan beban resistor

with one comment

Pada artikel sebelumnya tentang gelombang sinus pada tegangan A.C., trafo tidak dibebani. Kali ini transformer dibebani dengan dua buah resistor 100 Ohm dengan rating 5 Watt.

 


Gambar 1. Konfigurasi rangkaian percobaan

 


Gambar 2. Set-up uji dengan komponen.

 


Gambar 3. Bentuk gelombang sinus pada kedua kanal menunjukkan bentuk gelombang sinus yang tidak ideal.

 


Gambar 4. Hasil simulasi rangkaian pada LTspice.

Pada Gambar 4, dapat dilihat hasil simulasi dengan LTspice terhadap konfigurasi rangkaian yang diuji dengan oscilloscope. Pada gambar itu kurva gelombang berwarna merah menggambarkan gelombang tegangan pada node vout. Pada pengujian hardware node ini diukur menggunakan kanal satu (CH1) pada oscilloscope dengan hasil keluaran berupa kurva gelombang berwarna kuning. Sedangkan kurva gelombang berwarna biru menggambarkan gelombang tegangan pada node tengah. Pada pengujian hardware node ini diukur menggunakan kanal dua (CH2) pada oscilloscope dengan hasil keluaran berupa kurva gelombang berwarna cyan. Pada Gambar 4, terdapat kotak informasi yang memberikan keterangan tentang gelombang pada node tengah. Di sana terlihat nilai rms terhitung sebesar 6.2225 V.

 


Gambar 5. Tampilan DSO dengan parameter utama gelombang di CH1 dan CH2.

Pada Gambar 5, terlihat bahwa prinsip pembagi tegangan terbukti. Nilai pengukuran gampang untuk dikenali karena komponen resistor yang digunakan memiliki nilai nominal yang sama. Nilai tegangan di CH2 adalah separuh dari nilai tegangan di CH1. Pada Gambar 5 juga dapat dilihat bahwa nilai pengukuran Vrms untuk CH2 6.20V tidak jauh berbeda dengan hasil simulasi dengan LTspice yaitu 6.2225 V. Ini memberikan keyakinan pada kemampuan mesin SPICE seperti pada LTspice untuk melakukan simulasi rangkaian. Tergantung pada seberapa detail model yang kita pergunakan dalam melakukan simulasi.

 


Gambar 6. Hasil pengukuran pada kanal satu (CH1) DSO pada tegangan terminal (node Vout).

 


Gambar 7. Hasil pengukuran pada kanal dua (CH2) DSO pada tegangan node tengah.

 


Gambar 8. Panduan istilah untuk memahami parameter hasil pengukuran DSO.

 

KIta bisa melakukan perhitungan “di dalam kepala” (on the fly), di belakang amplop atau kertas lainnya, dengan kalkulator atau dengan aplikasi. Berikut contoh pemanfaatan aplikasi untuk pembuktian pengukuran dan simulasi kita.


Gambar 9. Contoh pemanfaatan aplikasi Android untuk penghitungan pembagi tegangan.

 


Gambar 10. Contoh penggunaan aplikasi untuk melihat hubungan berdasar hukum Ohm.

Pada Gambar 10, kita lihat perhitungan yang menghubungkan antara nilai tahanan, tegangan, dan arus listrik. Dengan cara ini kita bisa mengetahui besar arus yang melalui suatu path dengan mengukur tegangan listrik yang antara node-nodenya. Pada CH2 kita mengukur nilai tegangan sebesar 6.2 Volt, dengan pengetahuan bahwa nilai nominal komponen tahanan (resistor) adalah sebesar 100 Ohm maka kita bisa mengetahui bahwa nilai arus yang melalui kaki-kaki resistor itu sebesar 62 mA.

Dengan percobaan simulasi dan pengukuran ini kita juga bisa mengetahui bahwa bentuk gelombang arus (yang diwakili gelombang tegangan pada CH2) bentuknya sama dengan gelombang tegangan terminal masukan. Berbeda hanya pada besar nilainya saja. Dengan demikian pada rangkaian yang bersifat resistif, gelombang tegangan dan arus dikatakan sefasa (berada pada fasa yang sama).

 

 

Written by sunupradana

January 1, 2015 at 1:25 am

Follow

Get every new post delivered to your Inbox.

Join 84 other followers