Pikir dan Rasa

cogito ergo sum

Posts Tagged ‘SCR

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 low-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 ° ~ ±  ≈ ≠ ≡ ≤ ≥  ∞    

Advertisements

Written by sunupradana

January 5, 2015 at 1:09 am

Tinjauan matematis untuk sudut penyulutan SCR

with 2 comments

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 tidak sama 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

Uji penyulutan SCR

with one comment

Dokumentasi awal pengenalan operasi SCR dengan menggunakan dua sumber DC.

[rilis preview]



 



 



 



 

 


LED dipergunakan sebagai beban pada sisi anode dengan aliran arus sebesar 16.99 mA. Tegangan catu daya sebesar 7 VDC, tegangan penyulut sebesar 1.8 VDC dengan arus sebesar 4.68 mA. Tegangan gate ke cathode sebesar 0.754 VDC.


 


Sumber catu daya  sebesar 7.1 VDC, SCR dalam kondisi off. Tidak ada tegangan dan arus penyulutan pada gate. Tegangan antara anode dan cathode dari SCR sebesar 5.03 VDC.

 


Sumber catu daya  sebesar 7.1 VDC, SCR dalam kondisi off, hanya ada arus kecil sebesar 0.03 mA. Tegangan punyulutan di kaki gate sebesar 1.6 VDC dengan arus sebesar 4.61 mA. Tegangan antara anode dan cathode dari SCR sebesar 4.82 VDC. Teganan antara kaki gate ke kaki katode sebesar 0.607 VDC. Katode terhubung langsung dengan terminal negatif sumber (return / common / gnd).

 


Sumber catu daya  sebesar 7.1 VDC, SCR dalam kondisi on, arus mengalir sebesar 17.57 mA menyalakan LED. Tegangan punyulutan di kaki gate sebesar 1.8 VDC (terhadap gnd yaitu terminal negatif sumber) dengan arus sebesar 4.72 mA. Katode terhubung langsung dengan terminal negatif sumber (return / common / gnd).
Tegangan antara anode dan cathode dari SCR sebesar 0.75 VDC.
Teganan antara kaki gate ke kaki katode sebesar 0.750 VDC.

 


Sumber catu daya  sebesar 7.1 VDC, SCR dalam kondisi tetap on, arus mengalir sebesar 16.82 mA menyalakan LED. Tegangan punyulutan di kaki gate dimatikan. Tegangan antara anode dan cathode dari SCR sebesar 0.92 VDC. Tegangan antara kaki gate ke kaki katode sebesar 0.673 VDC. SCR tetap dalam keadaan on walaupun sumber tegangan penyulutan sudah dimatikan, hal ini karena setelah melampaui batas tegangan threshold  untuk latching maka SCR akan tetap on tanpa tegangan penyulutan selama arus yang mengalir antara anode ke katode tetap berada di atas ambang batas holding current.

 

Menurut Littelfuse:

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 (I H ) − Minimum principal current required to maintain the Thyristor in the on state

Latching Current (I L ) − 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

v 0.1.a

v 0.2

update berikut …

Written by sunupradana

December 22, 2014 at 5:04 am

Posted in Components, Electrical, Electronics

Tagged with , ,

Semuanya berawal dari sakelar

with 5 comments

Tulisan ini telah diperbaharui dan diunggah kembali pada blog elektronika daya saya yang baru di elda.sunupradana.info. Tepatnya dapat diakse pada tautan berikut:
https://sunupradana.info/pe/2016/03/26/sakelar-sebuah-titik-mula-updated-2/


 

In the beginning there was a switch.

Di elektronika, AFAIK (As Far As I Know) komponen yang sering menjadi maskot adalah resistor. Dari tiga komponen pasif dasar, RLC (memristor masih belum dijumpai secara massal), R adalah rajanya. Tetapi di elektronika daya (power electronics), sering dilupakan bahwa sebenarnya sakelar justru menjadi sangat penting sebagai dasar untuk memahami komponen aktif yang lebih lebih kompleks.

Sakelar adalah dasar yang sederhana untuk memahami diode. Diode menjadi sangat penting untuk memahami DIAC maupun SCR. SCR menjadi dasar untuk memahami TRIAC. Begitulah “jalannya”, selangkah demi selangkah berurutan. Sayangnya seperti yang saya kemukakan dalam tulisan sebelumnya. Sistematis itu sering tidak diminati, dianggap bertele-tele padahal untuk banyak hal dalam sains (science) dan teknik (enginering) tidak sistematis itu sangat berbahaya dan terbukti sering mencelakakan. Kalaupun jalan pintas (short-cut) untuk sesaat tampak “menghasilkan” dengan cara yang menyenangkan, tapi jangka panjang (dan bahkan menengah) sering terbukti lebih banyak merugikan daripada menguntungkan.

Ini terutama penting bagi siswa dan mahasiswa, mereka yang sedang membangun dan membentuk dasar-dasar dan kerangka pemahaman yang baik dan benar. Jalan pintas itu bisa diambil terutama jika kita sudah punya dasar pemahaman. Misalnya, di sistem Android ada beberapa aplikasi elektronika yang memudahkan perhitungan.Kita tinggal memasukkan input tanpa perlu mengutak-atik persamaan secara manual. Tapi tanpa berusaha untuk memahami dasarnya, fasilitas bantuan ini sebenarnya justru mencelakakan.

Nah setelah yakin bahwa belajar dengan sistematis adalah jalan yang terbaik, setidaknya dalam pengertian urut komponen, maka kita bisa memulai bahasan mengenai sakelar.

Menurut KBBI, definisi sakelar adalah:
sa·ke·lar n penghubung dan pemutus aliran listrik (untuk menghidupkan atau mematikan lampu)

Sedangkan menurut Oxford Dictionary of English, definisi switch (sakelar) adalah:
a device for making and breaking the connection in an electric circuit.

Menurut IEEE definisi sakelar (switch) lebih diperinci sebagai berikut:
 
(4) (electric and electronics parts and equipment) A device for making, breaking, or changing the connections in an electric circuit. Note: a switch may be operated by manual, mechanical, hydraulic, thermal, barometric, or gravitational means, or by electromechanical means not falling within the definition of “relay.”

 

Sedangkan definisi relay, masih menurut IEEE adalah:

(1) (general) An electric device designed to respond to input conditions in a prescribed manner and, after specified conditions are met, to cause contact operation or similar abrupt change in associated electric control circuits.
Notes:
1. Inputs are usually electrical, but may be mechanical, thermal, or other quantities, or a combination of quantities. Limit switches and similar simple devices are not relays. 2. A relay may consist of several relay units, each responsive to a specified input, with the combination of units providing the desired overall performance characteristic(s) of the relay.

(2) (electric and electronics parts and equipment) An electrically controlled, usually two-state, device that opens and closes electrical contacts to effect the operation of other devices in the same or another electric circuit. 
Notes: 1. A relay is a device in which a portion of one or more sets of electrical contacts is moved by an armature and its associated operating coil. 2. This concept is extended to include assembled reed relays in which the armature may act as a contact. See also: switch.

 

Sakelar [sumber: Wikipedia.org]

Sakelar pushbutton [sumber: Wikipedia.org]

Dengan demikian secara sederhana sebuah saklah adalah sebuah pemutus atau penyambung. Bahkan sebuah kabel “jumper” dapat dipergunakan untuk menggantikan komponen sakelar yang sesungguhnya. Kemampuan daya hantar arus lalu bergantung pada bahan dan penampangnya.

Sebuah komponen switch ideal memiliki nilai tahanan sama dengan nol, sehingga jika dialiri arus maka tidak ada jatuh tegangan di antara kaki-kakinya. Tapi tentu saja komponen yang ideal seperti itu belumlah ada. Yang ada adalah sakelar yang nilai tahanannya amat kecil, dan untuk banyak keperluan dapat diabaikan. AFAIK, kita masih menunggu superkonduktor suhu kamar diproduksi massal dan berharga lebih terjangkau 🙂 .

Pada gambar berikut, diperlihatkan sebuah rangkaian sederhana dengan sebuah sumber tegangan dan dua resistor, tanpa sakelar. Sekali terhubung dengan catu daya arus akan terus mengalir melewati kedua resistor sampai catu dayanya kehabisan energi (semisal cell atau baterai) atau dilepaskan dari hubungan ke rangkaian.

 

Gambar berikut di bawah ini adalah contoh sederhana rangkaian pada gambar di atas yang telah diberi sakelar (switch). Pada pembahasan ini sakelar dimaknai secara sederhana sebagai penyambung dan pemutus pada rangkaian elektronik. Dalam simulasi dengan LTspice berikut, sebagai pengganti tangan manusia atau suatu sistem mekanis lainnya maka dipergunakan sumber sinyal (signal generator). Amplitudo dan frekuensi dari generator sinyal (sumber tegangan) akan mengendalikan kerja sakelar (switch).

Sedangkan gambar di bawah ini adalah waveform (gelombang) hasil percobaan rangkaian di atas.

Catu daya untuk rangkaian ini berupa tegangan DC yang stabil sebesar 12 Volt, asumsinya untuk simulasi ini sumber tegangan merupakan sumber tegangan ideal tanpa tahanan dalam.

Sakelar “Switch01” dikendalikan dengan menggunakan V(tegcontrol) dengan pengaturan sebagai berikut.

Sakelar “Switch01” yang dikendalikan “V(tegcontrol)” akan memutus dan menyambung rangkaian sederhana yang berisi resistor dan catu daya. Sebagai akibatnya, apakah ada arus yang mengalir untuk tiap saat (waktu) tertentu ditentukan oleh kondisi apakah pada saat itu sakelar sedang dalam kondisi tertutup (menyambung) atau terbuka (putus). Kondisi ini tergambar dalam bentuk gelombang pada I(S1) yaitu arus yang melintasi resistor dan sakelar. Juga bentuk gelombang tegangan pada V(nd1).

Bentuk gelombang I(S1) dan V(nd1) yang saling berkebalikan merupakan ciri khas dari sebuah sakelar, terutama sakelar yang mendekati karakteristik sebuah sakelar ideal. Pada kenyataannya selain adanya nilai tahanan yang lebih besar dari nol, juga diperlukan wantu gelombang dan arus untuk mencapai nilai steady-nya. Ada selang waktu yang selalu diperlukan untuk naik (rise) dan turun (fall). Tegangan dan arus tidak mungkin begitu saja untuk berpindah dari satu nilai ke nilai lain tanpa selang waktu sedikitpun. Baik dalam orde nano detik, mikro detik maupun mili detik.

Jika pada simulasi di atas menggunakan catu daya D.C. maka bagaimana untuk simulasi dengan catu daya A.C.? Bagaimanakah bentuk gelombang keluarannya?

Bisa ditebak, setiap kali sakelar menutup maka arus akan mengalir, dan tegangan di terminal akan “hilang” (kondisi hubung pendek) sebagai berikut. V(n002) adalah tegangan di node n002 yang terletak antara switch dan R2.

Tahap berikutnya adalah tahap kita mulai “meniru” bagaimana gelombang dihasilkan oleh SCR. Bedanya kali ini saklar akan terhubung (on) sebelum off, sedangkan pada aplikasi SCR di elektronika daya (power electronics), SCR biasanya akan terlebih dahulu dalam kondisi off sebelum diaktifkan (on). Waktu penyalaan ini biasanya dikaitkan dengan sudut, dan dinamakan sudut penyalaan (firing angle). Ada juga istilah conduction angle yang merupakan (180 – firing angle) atau dalam radian (π – firing angle).


karya: Harley H. Hartman (Googling: Wolfram Alpha Hartman)

Berikut adalah gambar rangkaian sakelar yang dikonfigurasikan untuk “meniru” kerja SCR. Dengan urutan hidup-mati yang berkebalikan dari kerja SCR. Waktu hidup (lebar pulsa) selama 1 mS dan dinyalakan tanpa delay dari 0 mS.

Berikut adalah gambar gelombang keluarannya.

Eksperimen berikut menggambarkan perbedaan antara simulasi switch dengan SCR. Pada SCR (juga TRIAC) sekali gate terpicu dan batas latching terlampaui maka thyristor akan terus dalam kondisi on walaupun sinyal picu di gate sudah dihilangkan (dimatikan, off), sampai principal current nilainya turun di bawah nilai ambang holding current. Sedangkan pada switch hidup-mati, sambung-putus dapat dilakukan kapanpun. Untuk menunjukkan efeknya maka dipergunakan tunda nyala (delay) sebesar 4 mS. Komutasi untuk SCR tidak semudah ini, apalagi jika sumber catu daya adalah catu daya D.C.

Gelombang hasil simulasi.

 

Simulasi berikut dilakukan untuk mendekati hasil ideal yang bisa didapatkan pada percobaan dengan SCR. Kali ini sudut penyalaan, firing angle sengaja dipilih pada sudut 90°. Melalui simulasi ini diharapkan nantinya saat melakukan simulasi dan percobaan pada SCR maka kita sudah bisa menduga/menebak apa yang seharusnya kita dapatkan. Jika hasilnya tidak sama maka kita bisa segera menduga ada yang salah atau setidaknya ada yang jauh menyimpang.

Rangkaian berikut menggunakan delay sebesar 5 mS dari 0 mS. Waktu hidup sinyal sebesar 5 mS dengan periode sebesar 20 mS.

Berikut hasil simulasi, penyulutan tepat pada sudut 90° dan off pada 180°. Dapat dilihat bahwa tegangan pada node nd1 “terpotong” pada saat sakelar menutup.

Bentuk simulasi operasi TRIAC pada sudut penyulutan 90°.

Rangkaian simulasi switch untuk menyerupai unjuk kerja TRIAC yang disakelar tepat 90°.

Hasil simulasi:

Demikianlah tulisan ini saya buat dalam semangat untuk belajar bersama, dan agar siswa/mahasiswa terinspirasi untuk belajar dengan cara yang lebih sistematis. Belajar elektronika daya dengan cara melompat-lompat memang menarik, dan terkesan efisien. Terutama jika kita belum termotivasi untuk menekuninya sebagai sebuah ilmu dan sebagai sarana untuk bertransformasi. Tetapi percayalah anda akan lebih banyak mengalami kerugian daripada keuntungan. Untuk mahasiswa ~> elektronika daya (elda, power electronics) sebenarnya lebih dari sekedar sebuah mata kuliah, tetapi bahkan dalam bentuk dan praktinya yang paling sederhana ilmu ini adalah sarana transformasi diri yang dahsyat. Saya tidak membual, silahkan dicari sebanyak mungkin informasi pembanding. Saya yakin anda akan semakin menemukan kebenarannya.

Sebelum belajar TRIAC, hendaknya meluangkan waktu untuk belajar SCR, dan sebelumnya belajar diode dan sebelumnya switch, seperti yang telah coba saya tuangkan di sini, sebagai awalan.

Written by sunupradana

December 18, 2014 at 12:31 pm

Mempelajari tegangan breakover SCR dengan LTSPICE

leave a comment »

Dari gambar karakteristik berikut sebenarnya sudah bisa dilihat gambaran umum kondisi breakover dari SCR.[Credit update:Ini adalah gambar kurva karakteristik elektrik dari SCR yang saya ambil dari dokumen yang dikeluarkan oleh Teccor (sekarang Littelfuse) pada 2002.]
Read the rest of this entry »

Written by sunupradana

June 9, 2011 at 11:30 am