l2f004499_mkp

[1]Mahasiswa Jurusan Teknik Elektro Undip

[2]Dosen Jurusan Teknik Elektro Undip 1 of 6

PERANCANGAN MODUL PEMICUAN THYRISTOR UNTUK BERBAGAI APLIKASI PENYEARAH

TERKONTROL DENGAN MENGGUNAKAN MIKROKONTROLLER ATMEGA8535

Pandu Sandi Pratama1, Agung Warsito

2

Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik – Universitas Diponegoro

Jl. Prof. Soedarto SH Tembalang, Semarang 50275

e-mail : [email protected]

Abstrak

Penyearah terkontrol merupakan peralatan yang umum digunakan di dunia industri untuk mengatur daya

masukan pada suatu peralatan. Berbagai masalah sering ditemui dalam pengaplikasiannya di lapangan. Untuk itu

perlu dibuat modul praktikum yang mampu membantu para mahasiswa untuk memahami prinsip kerja alat tersebut.

Dalam kerja praktek ini setelah melakukan studi literatur dan observasi telah berhasil dibuat modul

pemicuan thyristor untuk berbagai aplikasi penyearah terkontrol dengan menggunakan mikrokontroller

ATMEGA8535. Alat yang dibuat terdiri dari beberapa bagian diantaranya power suplai, zero cross detector, sistem

minimum ATMEGA8535, serta driver dan optoisolator. Rangkaian zero cross detector membantu mikrokontroller

mengetahui awal gelombang sinus sedangkan rangkaian driver dan optoisolator membantu memperkuat keluaran

mikrokontroller agar mampu memicu thyristor. Alat ini dapat digunakan untuk memicu penyearah 1 fasa terkontrol

penuh, penyearah 3 fasa setengah jembatan terkontrol, penyearah 3 fasa jembatan semi terkontrol, dan penyearah 3

fasa jembatan terkontrol penuh.

Alat yang dibuat mampu bekerja pada tegangan 220V. Tegangan kerja rangkaian daya (VLN) pada penyearah

terkontrol dapat divariasi mulai dari tegangan 50V hingga 220V, hal ini dikarenakan zero cross detector dapat

bekerja pada rentang tegangan tersebut. Pada uji coba penyearah dengan beban 2 buah lampu pijar 100w, diketahui

bahwa rentang pengaturan tegangan penyearah 3 fasa jembatan penuh semi terkontrol dan penyearah 1 fasa

jembatan penuh yaitu sebesar 180˚, sedangkan pada penyearah 3 fasa setengah jembatan rentang pengaturan

tegangan hingga 150˚, sedangkan penyearah 3 fasa terkontrol penuh rentang pengaturan tegangan sebesar 120˚.

Kata kunci : penyearah, terkontrol, ATMEGA8535

I. PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang Seiring dengan kemajuan teknologi, berkembang

pula berbagai peralatan yang memudahkan pekerjaan

manusia. Kemajuan ini perlu diantisipasi dengan

kesiapan SDM yang menjadi operator berbagai

peralatan tersebut.

Salah satu bidang kompetensi konsentrasi

ketenagaan adalah elektronika daya yang salah satu

bagiannya adalah penyearah terkontrol. Di dunia

industri, penyearah terkontrol umum digunakan untuk

pengaturan daya pada berbagai peralatan. Dalam

kegiatan kerja praktek ini telah dibuat modul praktikum

yang dapat menjelaskan prinsip kerja penyearah

terkontrol. Dengan adanya modul ini peserta praktikum

dapat mengkombinasikan berbagai macam rangkaian

penyearah serta mempelajari karakteristik masing-

masing rangkaian sehingga dapat menambah

pengetahuan para praktikan di bidang elektronika daya.

Dengan pembuatan modul praktikum ini diharapkan

dapat menambah kelengkapan sarana laboratorium

sehingga diperoleh lulusan Teknik Elektro yang

memiliki kompetensi dibidang ketenagalistrikan.

1.2. Tujuan Kerja Praktek

Tujuan dari penelitian ini adalah :

1. Membuat modul praktikum elektronika daya yaitu

berupa rangkaian pemicuan penyearah terkontrol.

2. Mengetahui karakteristik secara umum masing-

masing rangkaian penyearah terkontrol.

1.3. Pembatasan Masalah

1. Alat yang dibuat hanya digunakan untuk pemicuan

penyearah 1 fasa terkontrol penuh, penyearah 3

fasa setengah jembatan terkontrol, penyearah 3

fasa jembatan semi terkontrol, dan penyearah 3

fasa jembatan terkontrol penuh.

2. Mikrokontroller yang digunakan adalah

ATMEGA8535 dengan bahasa pemrograman C.

3. Tegangan kerja modul (VLN) 220 V.

4. Tegangan kerja rangkaian penyearah (VLN) dapat

divariasi dari 50-220V.

II. DASAR TEORI

2.1. Thyristor

Thyristor adalah piranti semikonduktor dengan

empat lapisan bahan tipe N dan tipe P. Komponen ini

bekerja seperti sebuah saklar, menghantar jika kaki

GATE menerima pulsa tertentu, dan akan terus-

menerus menghantar selama dicatu maju.

Gambar 2.1 Pemodelan thyristor oleh dua buah transistor

Thyristor memiliki tiga keadaan :

1. Reverse blocking mode (blokir mundur) : tegangan

diberikan pada arah yang akan diblokir oleh dioda.

2 of 6

2. Forward bloking mode (blokir maju) : tegangan

diberikan pada arah dimana dioda bisa menghantar,

namun thyristor belum dipicu untuk menghantar.

3. Forward conducting mode (hantar maju) : thyristor

telah dipicu untuk menghantar dan akan tetap

menghantar sampai arus panjar maju turun dibawah

nilai ambang yang disebut “holding current”.

2.2. Penyearah Terkontrol

2.2.1. Penyearah 1 fasa jembatan terkontrol Pada Gambar 2.2 dapat dilihat rangkaian

penyearah dengan beban resitif. Pada rangkaian

tersebut, terdapat dua pasang thyristor yang menyala

secara bergantian yaitu T1,T2 dan T3,T4.

1T

R oV

+

-

+

-2T

3T

4T

si

oi

t

t

t

2

2

2

sVmV

sVmV

0

0

0

0V

21, DT 43 , DT

Gambar 2.2 Rangkaian dan proses pembentukan gelombang

Besarnya tegangan rata-rata ditunjukkan persamaan:

)cos1()(

m

avgo

VV ....................................... 2.1

2.2.2. Penyearah 3 fasa setengah jembatan

Ketika thyristor T1 dipicu pada 6/t

maka tegangan Van akan muncul pada beban dan akan

komutasi secara natural ketika Van berganti polaritas.

Ketika T2 dipicu maka tegangan Vbn akan muncul pada

beban hingga pergantian polaritas dan dilanjutkan

dengan pemicuan T3 sehingga muncul Vcn pada beban.

a

b

c

n

ai

bi

ci

1T

2T

3T

oi

oV

+

-

Gambar 2.3. Rangkaian Penyearah 3 fasa setengah jembatan

anV

bnV

cnV

anV

2 3

6

6

1T

2T

3T

1T

tVVman

sin

t

2 3

tVVman

sin

6

6

6

5

0

0

0

sV

sV

oV

Gambar 2.4 Gelombang keluaran

Jika tegangan tVV man sin maka tegangan keluaran

rata-ratanya adalah:

untuk 0˚≤ α ≤30˚:

cos2

33mdc VV .................. 2.2

untuk α ≥ 30˚:

6cos1

2

3mdc VV ...... 2.3

2.2.3. Penyearah 3 fasa jembatan semi terkontrol

Pada gambar 2.5 dapat dilihat rangkaian dan

pembentukan gelombang pada penyearah tiga fasa

jembatan semi terkontrol. Frekuensi ripple keluaran 3

kali frekuensi sumber. Sudut pemicuan dapat diatur dari

0˚ hingga 180˚. Selama periode π/6 ≤ ωt ≤ 7π/6,

thyristor T1 bias maju. Jika T1 dipicu setelah sudut

tunda α, maka T1 dan D3 akan mengalir dan muncul

tegangan Vac pada beban.

a

b

c

n

ai

bi

ci

1T

3D

2T

oi

oV

+

-

3T

1D 2D

t

t

t

0

0

0

sV

sV

oV

anV bnVcnV

31 ,DT 12 ,DT23 ,DT23 ,DT

acV baV cbV


3 of 6

Besarnya tegangan rata-rata ditunjukkan persamaan:

)cos1(2

33

mdc VV ....................................... 2.4

2.2.4. Penyearah 3 fasa jembatan penuh

Pada gambar 2.6 dapat dilihat penyearah 3 fasa

jembatan terkontrol. Tegangan keluarannya berupa

enam pulsa. Thyristor dipicu pada interfal π/3.

Frekuensi ripple tegangan keluaran adalah enam kali

frekuensi fundamental dan kebutuhan filter lebih

sederhana dari konverter setengah jembatan.

a

b

c

n

ai

bi

ci

1T

2T

3T

oi

oV

+

-

5T

4T

6T

0

0

0

sV

sV

oV

t

t

t

anV

bnV

cnV

65,TT

16,TT

21,TT 32

,TT43

,TT54

,TT65

,TT


Tegangan keluaran rata-ratanya adalah:

untuk 0˚≤ α ≤60˚ :

cos33 m

dc

VV ............... 2.5

untuk α ≥ 60˚ : ))3

cos(1(33

m

dc

VV .... 2.6

III. PERANCANGAN DAN PEMBUATAN

3.1. Pembuatan Alat

Blok diagram modul yang telah dibuat dapat

dilihat pada gambar 3.1 berikut ini:

AC

Suplai AC

1Ф / 3Ф

Rangkaian

DayaBeban

Mikrokontroller

ATMEGA 8535

Zero Cross

Detector

AT

ME

GA

85

35

40

50

Driver dan

optoisolator

MO

C3

02

0

Gambar 3.1 Blok diagram penyearah terkontrol

3.1.1 Power Suplai

Power suplai terdiri dari 1 buah trafo stepdown,

yang berfungsi menurunkan tegangan dari 220V AC

menjadi 12V AC. Tegangan AC ini kemudian

disearahkan oleh 4 buah dioda 1N4002 yang berfungsi

sebagai penyearah jembatan. Tegangan hasil

penyearahan kemudian difilter oleh dua buah kapasitor

masing-masing 2200uF dan 100nF. Tegangan keluaran

ini kemudian diatur agar sesuai dengan menggunakan

regulator LM7805 menjadi 5V. Regulator

5VVo 5 V

220V AC

50 Hz

12 V AC

50 Hz

2200uF 100nF

1N

40

04

Gambar 3.2 Rangkaian power suplai

3.1.2. Zero cross detector

Prinsip kerja rangkaian zero cross detector ini

yaitu ketika sisi primer trafo stepdown mendapat

masukan tegangan fasa R dan netral sebesar 50 V

hingga 220V, maka akan timbul tegangan disisi

sekunder trafo yang besarnya seper sepuluh dari

tegangan sumber. Tegangan keluaran tersebut

kemudian disearahkan oleh diode 1N4002. Resistor R1

digunakan untuk membatasi arus basis yang masuk ke

transistor BD139. Ketika tegangan sumber lebih besar

dari 0,7 V maka akan mengaktifkan transistor BD139.

Kapasitor nonpolar 1µF digunakan untuk memfilter

ripple tegangan dan ripple arus akibat pensaklaran

thyristor pada rangkaian daya. Ketika transistor pada

kondisi ON, maka akan muncul tegangan 5V pada

resistor R2. Buffer 4050 digunakan untuk menegaskan

gelombang keluaran agar mikrokontroller dapat bekerja

dengan baik.

50-220 V

AC 50 Hz

Potensio

50k Ω

1k Ω

R1

1k Ω

R2

10 : 1BD 139 Buffer

4050

0,1 µF

Vcc 5 VDC

Gnd

Output

1N4002

Gambar 3.3 Rangkaian Zero Cross Detector

3.1.3. Driver dan Optoisolator.

Prinsip kerja rangkaian driver dan optoisolator

yaitu ketika salah satu pin pada port D diberi logika

satu, maka akan mengaktifkan transistor BD139

sehingga akan mengalir arus yang menyalakan LED

pada IC MOC3020. Besarnya arus yang mengalir

ditentukan oleh resistor R2. Cahaya yang dipancarkan

oleh LED akan diterima oleh photo TRIAC yang ada

pada IC MOC3020. TRIAC ini akan memicu gate pada

thyristor dengan menggunakan arus pada katodanya.

Arus gate besarnya dibatasi oleh R3. Fungsi dioda

1N4002 yaitu untuk melindungi TRIAC agar tidak aktif

pada saat siklus negatif.

4 of 6

R1

1 kΩ

R2

1 kΩ

R3

180 Ω

1N4002

BD139

MOC3020

PORTD.X

Gate

Katoda

VCC

5 V DC

Gnd Gambar 3.4 Rangkaian driver dan optoisolator

3.1.4. ATMEGA8535 Agar dapat memicu thyristor pada sudut yang

tepat maka rangkaian zero cross detector memberikan

sinyal interupsi pada mikrokontroller ketika terjadi

pergantian polaritas pada sumber. Pin yang dapat

digunakan untuk memberikan interupsi dari luar yaitu

PORTD.2, PORTD.3, dan PORTB.2. Pada

perancangan, pin yang digunakan adalah PORTD.2.

Untuk masukan sudut pemicuan digunakan keypad

yang membutuhkan satu buah PORT khusus yang

digunakan untuk masukan yaitu PORT B. Sedangkan

untuk tampilan digunakan LCD yang juga

membutuhkan sebuah PORT khusus untuk komunikasi

data yaitu PORT C. Keluaran sinyal pemicuan dari

mikrokontroller akan mengaktifkan rangkain driver dan

isolator pulsa yang terdiri dari 6 set rangkaian yang

akan memicu masing-masing thyristor. Dalam kasus ini

sinyal pemicuan akan dihasilkan oleh PORT D.

PORT BPORT C

PORT D

Pin.0

.

.

Pin.7

Pin.0

.

.

Pin.7

AT

ME

GA

85

35

LCD1 2 3

4 5 6

8 97

0

Keypad

Halo…

.

Pin.2

Zero cross

detector

Pin.0

.

.

Pin.7

Driver dan

Isolator Pulsa

Gambar 3.5 Konfigurasi mikrokontroller

IV. PENGUJIAN

4.1. Pengujian masing-masing blok

Pengujian dilakukan di laboratorium konversi

energi listrik dan sistem tenaga Jurusan Teknik Elektro

Universitas Diponegoro. Peralatan yang digunakan

dalam pengujian yaitu digital multimeter “Sanwa PC

100” dan osciloscope analog “Kenwood CS-4125”

4.1.1. Power Suplai

Hasil pengujian dapat dilihat pada tabel 4.1

berikut ini:

Tabel 4.1 Hasil pengujian power suplai

No Parameter yang diukur Hasil

1 Tegangan masukan trafo 237 V AC

2 Tegangan keluaran trafo 13.27 V AC

3 Tegangan penyearah sebelum

regulator 15.37 V DC

4 Tegangan setelah regulator 5.17 V DC

Dari hasil pengujian diatas, walaupun tegangan

masukan dari jala-jala lebih besar dari yang seharusnya

yaitu mencapai 237V tetapi besarnya tegangan keluaran

power suplai yaitu 5,17V DC masih sesuai untuk catu

daya mikrokontroller ATMEGA8535 yang memiliki

tegangan kerja antara 4,5V DC hingga 5,5V DC.

4.1.2. Zero cross detector

Dari gambar 4.1 dapat dilihat bahwa gelombang

keluaran rangkaian zero cross detector berbentuk

gelombang kotak dengan duty cycle 50%. Tegangan

puncak sebesar 5V sehingga sesuai untuk input

mikrokontroller. Kondisi ON mewakili siklus positif

tegangan line to netral pada rangkaian daya. Dengan

demikian dapat diketahui bahwa gelobang sinus dimulai

ketika gelombang kotak berubah dari logika 0 ke 1.

Saat itulah gelombang akan mengaktifkan interupsi

sehingga mikrokontroller bisa memberikan tunda

pengaktifan thyristor.

Gambar 4.1 Gelombang keluaran zero cross detector

4.1.3. Driver dan optoisolator.

Hasil pengujian rangkaian driver dan optoisolator

dapat dilihat pada gambar 5.8 dan 5.9.

Gambar 4.2 Gelombang keluaran PORT D pin 1

Gambar 4.3 Gelombang gate to anoda pada Thyristor

Pada gambar 4.2 tegangan puncak gelombang

sebesar 5V dengan duty cycle sesuai mode yang dipilih.

Besarnya duty cycle antara 30% hingga 50%. Pada

gambar 4.3 dapat dilihat gelombang keluaran gate to

anoda pada thyristor.

4.2.Pengujian Penyearah Terkontrol

Dalam pengujian keluaran penyearah terkontrol

ini digunakan Osciloscope analog “Kenwood CS-

4125”. Beban yang digunakan adalah 2 buah lampu

pijar 100w dan tegangan kerja VLN 100 V. simulasi

menggunakan program PSIM 6.0.

5 of 6

4.2.1. Pengujian Penyearah 1 fasa terkontrol

Pada gambar 4.4 dapat dilihat gelombang

keluaran penyearah 1 fasa terkontrol.

Gambar 4.4 Keluaran pada sudut picu 0˚, 30˚, 60˚, 90˚, 120˚,

150˚

Perbandingan hasil pengukuran,simulasi dan

perhitungan dapat dilihat pada tabel 4.2.

Tabel 4.2 Perbandingan perhitungan, simulasi dan hasil

pengukuran tegangan keluaran (VDC).

No Sudut Perhitungan Simulasi Pengukuran

1 0 89.87 90 82.5

2 30 83.86 83 77.5

3 60 67.43 67 63.5

4 90 44.97 44 44.8

5 120 22.51 22 25.2

6 150 6.05 6 9.1

7 180 0 0 0

4.2.2. Pengujian Penyerah 3 fasa setengah

jembatan terkontrol


keluaran penyearah 3 fasa setengah jembatan

terkontrol.

Gambar 4.5 Keluaran pada sudut picu 0˚, 30˚, 60˚, 90˚, 120˚




pengukuran tegangan keluaran (VDC).


1 0 116.99 116 108

2 30 101.33 101 92

3 60 67.6 67 62

4 90 33.84 33 31

5 120 9.09 9 7

6 150 0 0 0

4.2.3. Pengujian Penyearah 3 fasa jembatan semi

terkontrol


keluaran penyearah 3 fasa jembatan semi terkontrol.

Gambar 4.6 Keluaran pada sudut picu 0˚, 30˚, 60˚, 90˚, 120˚,

150˚




pengukuran tegangan keluaran (V DC).


1 0 233.99 233.00 222.00

2 30 218.33 218.00 207.00

3 60 175.55 175.00 170.00

4 90 117.09 116.00 121.00

5 120 58.61 58.00 60.00

6 150 15.75 15.00 12.00

7 180 0 0.00 0.00

4.2.4. Pengujian penyearah 3 fasa jembatan

terkontrol


keluaran penyearah 3 fasa jembatan terkontrol.

Gambar 4.7 Keluaran pada sudut picu 0˚, 30˚, 60˚, 90˚




pengukuran tegangan keluaran (V DC).


1 0 233.99 233.85 222

2 30 202.67 202.02 199

3 60 117.21 116.07 126

4 90 31.50 30.75 38

5 120 0.00 0 2

6 of 6

Gambar 4.8 Grafik perbandingan tegangan keluaran rata-rata

masing-masing penyearah terkontrol

Dari gambar 4.8 dapat dilihat karakteristik

pengaturan tegangan keluaran melalui pengaturan sudut

fasa. Dari grafik tersebut dapat dilihat bahwa

pengaturan tegangan yang memiliki rentang paling luas

adalah penyearah 3 fasa jembatan penuh semi

terkontrol dan penyearah 1 fasa jembatan penuh yaitu

sebesar 180˚. Sedangkan yang memiliki tegangan

paling besar adalah penyearah 3 fasa jembatan penuh

semi terkontrol dan penyearah 3 fasa jembatan penuh

terkontrol.

IV. PENUTUP

5.1. Kesimpulan

Berdasarkan pembuatan, perancangan,

pengujian dan analisa dapat diperoleh kesimpulan

sebagai berikut:

1. Telah berhasil dibuat alat pemicuan thyristor untuk

berbagai topologi penyearah dengan menggunakan

ATMEGA8535 yang mampu bekerja pada

tegangan 220V.

2. Rangkaian daya pada penyearah terkontrol dapat

menggunakan suplai tegangan Line to netral yang

bervariasi mulai dari 50 V hingga 220 V.

3. Rentang pengaturan tegangan penyearah 3 fasa

jembatan penuh semi terkontrol dan penyearah 1

fasa jembatan penuh yaitu sebesar 180˚, sedangkan

pada penyearah 3 fasa setengah jembatan rentang

pengaturan tegangan hingga 150˚ , sedangkan pada

penyearah 3 fasa terkontrol penuh rentang

pengaturan tegangan sebesar 120˚.

5.2. Saran

Beberapa saran untuk pengembangan alat yang

telah dibuat diantaranya adalah:

1. Perlu analisa dan studi lebih lanjut untuk

pengoperasian penyearah dengan beban induktif

dan kapasitif.

2. Perlu dicari rangkaian zero cross detector yang

mampu bekerja pada rentang tegangan yang luas

tanpa perlu melakukan penyetingan ulang.

DAFTAR PUSTAKA

1. Jacob M. Ph.D, C.C. Halkias, Ph.D, Elektronika

Terpadu, Penerbit Erlangga, 1990.

2. Joseph A. Edminister, M.S.E. Seri Buku Schaum:

Teori Dan Soal – Soal Rangkaian Listrik. Edisi

kedua. ERLANGGA: Jakarta,1988

3. Lister, Rangkaian dan Mesin Listrik, Penerbit

Erlangga,Jakarta,1993.

4. Mohan.Ned ,Tore M.Undeland ,William P

Robbins, Power Electronics : Converter,

Applications, and Design, John Wiley and Sons

Inc, Canada, 1995.

5. P C Sen, Power Electronics, Tata McGraw-Hill,

1987.

6. Rashid, Muhammad, Power Electronics circuits,

devices, and applications, 1988, New Jersey :

Prentice-Hall International, Inc.

7. Theraja, BL dan AK, A Text Book of Technology

Volume II, Nirja Construction and Development

co.(p) LTD, New Delhi, 1994.

8. Wildi, Theodore, Electrical Machines, Drives, and

Power Sstems 3rd, Prentice-Hall International, Inc.

New Jersey, 1997.

9. Zuhal, Dasar Tenaga Listrik Dan Elektronika

Daya, Gramedia, 1995

10. ____________, Thyristor and Triac, Philips

Semiconductors, 1999.

BIODATA PENULIS

Pandu Sandi Pratama

L2F 004 499, Ketenagaan

Lahir di Semarang 1 November

1986. Telah menempuh

pendidikan di TK Mardi Utomo

Bulusan, SD Bulusan 02, SLTPN

27 Semarang, SMUN 3 Semarang

dan sekarang sedang menempuh

pendidikan Strata-1 di Jurusan

Teknik Elektro Fakultas Teknik

Universitas Diponegoro.

Menyetujui,

Dosen Pembimbing

Ir. Agung Warsito DHET

NIP. 195806171987031002

l2f004499_mkp

Documents