TUGAS ELEKTRONIKA DAYACHAPTER 1

OLEH :1. NIKO JUNIZA APRIADI 10109510032. OGI SEPTIAN 11109520333. REGGI ARYUNADI13109510284. ARIYATI13109510795. NURUL FAJRI DAFIKRI1310952027

BAB 1ELEKTRONIKA DAYA DAN PENGGERAK : PENUNJANG TEKNOLOGI1-1 PENGANTAR ELEKTRONIKA DAYA DAN PENGGERAK

Elektronika daya adalah sebuah penunjang teknologi, menyediakan kebutuhan antarmuka antara sumber dan beban listrik, seperti yang di gambarkan dalam Fig. 1-1[1]. Sumber dan beban listrik kadang dapat berbeda dalam frequensi, amplitudo tegangan dan jumlah fasa. Elektronika daya dapat mentransfer daya dari sumber ke beban dengan menkoversikannya dari satu ke lain, yang mana memungkinkan sumber dan beban berganti peran. Pengontrolan diperlihatkan dalam Fig. 1-1 memungkinkan mengatur proses transfer daya dalam konversi tegangan dan arus harus di capai dengan efisiensi energi yang tinggi dan daya tinggi. Kecepatan mengatur listrik mewakili pentingnya elektronika daya.

1-2 APLIKASI DAN PERAN ELEKTRONIKA DAYA DAN PENGGERAK

Elektronika daya dan drives mencakup beragam aplikasi. Beberapa aplikasi dan perannya akan di jelaskan berikut ini.

1-2-1 PENGGERAK TEKNOLOGI INFORMASI

Sebagian besar konsumen peralatan elektronik seperti personal komputer (PCs) dan sistem hiburan membutuhkan tegangan listrik dc yang sangat rendah. Karena itu, membutuhkan suplay daya listrik dc input tegangan ke dalam sebuah regulated (pengatur) ke tegangan dc rendah, seperti pada Fig 1-2a. Fig. 1-2b memperlihatkan distribusi arsitektur yang di pakai pada komputer yang mana tegangan ac dari sumber di konversikan ke tegangan dc, sebagai contoh pada 24 V. Semi-regulated tegangan di distribusikan tanpa komputer dimana on-board power supply dalam logika di cetak pada papan rangkaian konversi 24 V dc tegangan input menjadi lebih rendah sebagai contoh 5 volt dc, yang di atur sangat erat. Skala integrasi yang sangat besar dan rangkaian logika yang lebih tinggi, memerlukan kecepatan operasi tegangan lebih rendah dari 5 V, 3,3 V, 1 V dan pada akhirnya, 0,5 V yang di butuhkan.

Banyak peralatan seperti ponsel di operasikan dalam tegangan rendah dengan 1 atau dua baterai cell sebagai masukkan. Bagaimanapun, rangkaian listrik tanpa membutuhkan tegangan tinggi membutuhkan sebuah rangkaian untuk meningkatkan masukkan dc menjadi tegangan yang lebih tinggi seperti pada blok diagram Fig. 1-3.

1-2-2 ROBOTIK DAN PRODUKSI YANG FLEKSIBEL.

Robotik dan produksinya yang fleksibel sekarang penting pada kompetisi industri ekonomi global. Kecepatan penggerak untuk kecepatan yang tepat dan kontrol posisi membutuhkan aplikasi yang dapat mengaturnya. Fig. 1-4 memperlihatkan blok diagram yang dapat mengatur kecepatan penggerak yang mana menggunakan sumber masukkan ac 1 fasa atau 3 fasa pada frequensi 50 atau 60 Hz. Peran antarmuka elektronika daya, sebagai unit pemprosesan daya, yang di butuhkan oleh motor. Pada kasus sebuah dc motor, tegangan dc di suplay dengan pengaturan magnitudo pada kecepatan motor. Pada motor ac, antarmuka elektronika daya menyediakan tegangan sinusoidal ac dengan pengaturan amplitudo dan frequensi untuk mengatur kecepatan motor.pada kasus yang pasti, antarmuka elektronika daya mungkin di butuhkan untuk 2 daya langsung, antara utiliti dan beban motor.

Pemanasan induksi dan pengelasan listrik, digambarkan pada Fig. 1-6 dengan blok diagramnya yang penting dalam aplikasi industri elektronika daya untuk produksi yang fleksibel.

1-3 ENERGI DAN LINGKUNGANPertumbuhan bukti bahwa pembakaran bahan bakar fosil menyebabkan pemanasan global yang membawa konsekuensi pengrusakan alam. Elektronika daya dan penggerak dapat peran krusial untuk meminimalisasikan pemakaian bahan bakar fosil, akan kita diskusikan di bawah ini.1-3-1 KONSERVASI ENERGIPeapatah lama mengatakan : uang yang di simpan adalah uang yang di dapatkan. Konservasi energi tidak hanya menghemat keuangan, itu membantu lingkungan. Grafik pie pada Fig.1-7 memperlihatkan persentase pemakaian listrik di Amerika Serikat pada bermacam pemakaian. Energi yang berpotensi untuk konservasi didiskusikan di bawah.

1-3-1-1 Sistem Gerak Motor ListrikFig 1-7 Memperlihatkan bahwa motor listrik, termasuk pengaplikasiannya dalam pemanasan, jendela, dan air conditioning (HV AC), menggunakan satu setengah sampai dua pertiga dari semua listrik yang di bangkitkan. Dulunya, sistem gerak motor bergerak dengan kecepatan hampir konstan dan keluarannya, sebagai contoh jumlah aliran pada pompa, di kontrol dengan membuang beberapa energi input yang melewati pengikat katup. Pembuangan ini di pilih oleh adjustable-speed drive (pengkontrol kecepatan gerak), seperti yang di perlihatkan pada gambar 1-8 dengan efisiensi pengontrolan kecepatan motor, menyebabkan kecepatan pompa, dengan elektronika daya [2].

Satu dari tiga warga baru memakai pompa panas listrik, yang mana adjustable-speed drive dapat mengurangi konsumsi energi sekitar 30 persen [3] dengan memilih on-off putaran kompresor dan putaran pompa panas pada kecepatan yang cocok dengan panas yang di hasilkan. Sama dengan pendingin ruangan.Sebuah departemen energi melaporkan [4] perkiraan bahwa pemakaian semua sistem motor gerak lebih efisien pada United State bisa menghemat pemakaian listrik pada New York!1-3-1-2 PencahayaanSeperti yang terlihat pada pie chart pada gambar 1-7, kira-kita seperlima dari pemakaian listrik adalah pencahayaan. Lampu Fluorescent lebih hemat dari lampu incandescent meningkat dari 3 sampai 4 faktor. Efisiensi dari lampu fluorescent didapat dari pemakaian frekuensi tinggi dari elektronika daya mengsuplay 30 KHz sampai 40 KHz ke bola lampu, diperlihatkan pada blok diagram Fig 1-9, meningkatkan efisiensi sampai 15 persen. Kebalikan dari bola lampu incendescent, lampu frekuensi tinggi fluorescent (CFLs) memperbaiki efisiensi dari 4 faktor, lebih lama (sekitar lebih dari ribuan jam) dan relatif lebih murah.

1-3-1-3 TransportasiMotor gerak menawarkan penghematan energi pada transportasi. Saat usaha memperkenalkan commercially-viable Electric Vehicles (Evs) dilanjutkan dengan proses pada baterai [5] dan teknologi bahan bakar cell [6] dilaporkan, kendaraan hibrid listrik (HEVs) akan membuat dampak yang besar [7]. Berdasarkan Agen pemeliharaan lingkungan, memperkirakan mobil hybrrid dapat berjalan 48 miles per gallon. Jika dibandingkan dengan mobil pada tahun 2001. Mobil menyebabkan 20 % dari emisi CO2 yang merupakan efek rumah kaca yang memberikan dampak pada lingkungan.

Pada mobil konvensional, elektronika daya berdasarkan beban susah untuk mensuplay dari 12/14-V sistem baterai di tingkatkan menjadi level 36/42 pada perintah untuk menjaga tembaga dapat membawa arus dengan jumlah yang di atur. Ditambahkan pada sistem transportasi lain, seperti kereta listrik, pesawat fly-by-wire , semua kapal listrik dan mobil drive-by-wire dan transportasi aplikasi elektronika daya.1-3-2 Energi TerbarukanEnergi bersih dan terbarukan yang bersahabat dengan lingkungan bisa di dapat dari matahari dan angin. Pada sistem photovoltaic, sollar cell memproduksi dc, dengan karakteristik i-v di perlihatkan pada Fig. 1-1a memakai elektronika daya antarmuka untuk membara daya ke sistem, seperti di perlihatkan pada gambar 1-11b.

Angin adalah cara tercepat membangkitkan energi dengan potensi yang sangat besar [12]. Fig 1-12 memperlihatkan kebutuhan elektronika day pada sistem listrik angin ke variabel frekuensi antarmuka ac ke line-frekuensi tegangan ac kebutuhan.

1-3-3 Kebutuhan Aplikasi Elektronika DayaPemakaian elektronika daya dan gerak listrik pada sistem energi akan tumbuh dengan cepat. Pada pertambahan distribusi, elektronika daya di butuhkan antarmuka sumber energi non-konvensional seperti angin, photovoltaic, dan bahan bakar cell untuk kebutuhan. Pemakaian elektronika daya diikuti pengontrolan transmisi daya, sebuah sikap yang mendukung lingkungan. Juga, keamanan dan ke efisiensian operasi elektronika daya meningkatkan kebutuhan elektronika daya.Uninterruptible Power Supply (UPS) di gunakan pada daya genting tidak harus digunakan pada kekurangan daya. Antarmuka elektronika daya pada UPS, digambarkan pada Fig 1-13 pada tegangan line frekuensi pada akhir kedua, walaupun banyak fasa yang berbeda, dan penyimpanan energi pada baterai, yang mana suplay daya ke beban saat kekurangan daya.

1-3-4 Rencana Tempat dan Aplikasi PertahananElektronika daya dibutuhkan untuk tempat eksplorasi dan perjalanan antar planet. Pertahanan selalu menjadi hal yang penting tetapi menjadi sangat genting sejak sept 11. Elektronika daya memainkan peran yang besar pada tanks, kapal, dan pesawat yang mana menggantikan gerak hidrolik dengan gerak listrik menawarkan harga yang lebih murah.1-4 KEBUTUHAN EFFISIENSI TINGGI DAN KEPADATAN DAYASistem elektronika daya harus menjadi sistem yang efisien dan dapat dipercaya, mempunyai kepadatan daya tinggi juga mengurangi ukuran dan bert, dan juga megurangi harga keseluruhan. Efisiensi daya tinggi penting dengan berbagai alasan : menurunkan ongkos operasi dengan cara mengurangi energi yang terbuang, berkontribusi mengurangi pemanasan global dan mengurangi kebutuhan untuk pendinginan. Disamping itu menaikan banyak daya.Kita dapat dengan mudah memperlihatkan hubungan antara elektronika daya dengan efisiensi, , dan jumlah daya. Efisiensi energi digambarkan pada Eq. 1-1 daya keluar P0 dan daya yang hilang ploss tanpa sistem seperti

Eq. 1-1 dapat di tulis ulang daya keluar pada persamaan efisiensi sebanyak

Pada peralatan elektronika daya, sistem pendinginan di disain untuk mengirim hamburan daya, seperti panas, tanpa mengikuti temperatur internal untuk melebihi batas. Oleh karena itu, sistem di handel untuk mengatur energi yang hilang, pada gambar 1-11 berdasarkan persamaan 1-2 memperlihatkan penaikan efisiensi dari 84% ke 94 % kemampuan output daya (sama dengan rating daya). Disini maksudnya menaikan masa jenis daya dengan faktor yang sama.

1-5 STRUKTUR ELEKTRONIKA DAYA DAN ANTARMUKADengan melihat ulang peran dari elektronika daya pada beragam pemakaian yang di diskusikan di sebelumnya, kita dapat menyimpulkan bahwa elektronika daya dan antarmuka dibutuhkan untuk efisiensi pengontrolan daya antara sistem dc-dc, dc- ac, dan ac-ac. Umumnya daya di suplay berdasarkan kebutuhan , di gambarkan pada blok diagram Fig. 1-15, line-frequecy ac pada akhirnya. Pada akhir yang lain, satu dari kumpulan : pengatur magnitudo dc, sinusional ac dengan pengatur frekuensi dan amplitudo, atau frekuensi tinggi ac sebagai pada lampu fluorescent (CFLs) dan induksi panas. Pemakaian yang tidak di butuhkan di perlihatkan pada Fig. 1-15.

Untuk menyediakan kebutuhan fungsional untuk antarmuka pada Fig 1-15, transistor dan dioda, yang mana dapat memblok hanya tegangan satu polaritas, strukturnya dapat Fig. 1-16

Struktur ini terdiri dari dua konverter, satu dari sisi sumber dan satu dari sisi beban. Ports dc di antara kedua konverter di hubungkan dengan sebuah kapasitor paralel membentuk sebuah dc-link, yang mana polaritas tegangan tidak di balikkan, tapi mengikuti satu polaritas tegangan di atur oleh transistor yang di gunakan pada konverter. Pada pemakaian yang jelas , aliran daya pembalik konversi , dengan arus yang di searah kan pada dc ports. Konverter struktur pada Fig. 1-16 mempunyai keuntungan menjelaskan popularitasnya : Decoupling dari dua konverter: port tegangan (dc-link) dibuat dari kapasitor di tengah decouple antara converter sumber dan beban, di disain dan beroperasi sendiri. Daya tahan dari momentary power innteruptions : penyimpanan energi pada kapasitor meyebabkan daya tak terputus ke beban ketika power line terganggu. Melanjutkan penambahan kualitas daya pada struktur antarmuka elektronika daya.Pada struktur Fig, 1-16 kapasitor paralel dengan dua konverter dari dc voltage link, struktur tersebut disebut voltage-link (voltage-source). Struktur ini digunakan dengan jarak yang sangat besar, dari 10 watt sampai sekitar megawatts, sampai ratusan megawatt. Oleh karena itu, kita akan fokus pada struktur voltage-link pada buku ini.Pada level daya tinggi yang ekstrem, biasanya pada aplikasi keperluan yang relatif, yang mana akan kita di diskusikan 2 bab terakhir buku ini, ini mungkin menguntungkan memakai sebuah current-link struktur, ketika sebuah induktor dengan dua konverter sebagai current link.

1-6 the switch mode load side convertersStruktur pada gambar 1-16, peranan dari utility side converter adalah untuk mengubah garis frekuensi tegangan yang di perlukan ke sebuah tegangan dc yang tidak teratur. Ini bisa di jalankan dengan rangkaian rectifier dioda seperti yang di bahas pada mata kuliah Dasar Elektronika , walaupun kualitas daya terfokus pada struktur yang berbeda pada bab 6, tapi kita akan fokus pada the load side converter pada bagian 1-16, dimana sebuah tegangan dc digunakan sebagai sebuah input pada satu keluaran.Kita dapat mengelompokan fungsinya sebagai berikut : Group 1 : sesuai dc atau sebuah keluaran gelombang sinusoidal ac frekuensi rendah1. DC dan AC motor2. Catu daya yang tidak dapat diganggu3. Penyesuaian suplai daya dc tanpa isolasi listrik Group 2: frekuensi tinggi ac1. lampu pijar2. Induksi panas3. Penyetelan suplai daya dc dimana output tegangan dc membutuhkan isolasi listrik dari inputnya, dan inti load side converter menghasilkan frekuensi tinggi ac, setelah selesai frekuensi tinggi bertransformasi lalu menjadi dc1-6-1switch-mode conversion : switching power pole as the bulding blockSukses dengan efisiensi energi tinggi untuk aplikasi-aplikasi bawaan pada salah satu kelompok menyebutkan bahwa membutuhkan switch mode conversion, dimana daya elektronik linear berbeda, transistor dan dioda berperan sebagai saklar,salah satunya on off.1-10Switch mode conversion ini bisa dijelaskan dengan dasar diagram blok. Sebuah saklar kutub daya A, yang di tunjukan pada gambar 1-17a. Ini secara efektif terdiri sebuah saklar 2 arah, dengan bentuk dua sisi. Sebuah tegangan sisi bertemu sebuah kapasitor dengan sebuah tegangan input Vin yang tidak dapat berubah secara tiba-tiba. Dan arus yang seri terhadap inductor yang arusnya tidak dapat berubah secara tiba-tiba. Untuk sekarang, kita akan mengasumsi kan saklar ideal dengan dua sisi, atas atau bawah. Yang di dikte kan oleh saklar sinyal qA yang menerima 2 nilai : 1 dan 0 berturut-turut. Aspek percobaan dari implementasi saklar 2 sisi kita akan mempertimbangkannya pada bab selanjutnya.

Saklar 2 sisi mengiris input tegangan dc Vin hingga bergerak dari pulsa frekuensi tinggi. Di tunjukan oleh gelombang va. dengan switching up dan dawn pada pengulangan kecepatan tinggi, di sebut saklar frekuensi fs .pengontrolan lebar sinyal dengan siklus saklar dapat mengontrol rata-rata nilai dari sinyal output. Dan modulasi lebar sinyal berbentuk dasar penyesuaian dc dan frekuensi rendah sinusoidal ac output. Sebagai penjelasan di sesi berikutnya. Sinyal frekuensi tinggi sangat di butuhkan pada aplikasi seperti pada kotak lampu pijar, induksi panas, dan inti pada suplai daya dc dimana isolasi listrik maksudnya trafo frekuensi tinggi. Sebuah switch mode converter terdiri dari satu atau lebih saklar daya.

1-6-2 pulse width modulation (PWM) of the switching power pole (constant fs)Untuk aplikasi pada kelompok 1, tujuan dari switching power pole menggambar ulang pada gambar 1-18a untuk mengumpulkan tegangan output seperti rata-rata dari mempertimbangkan nilai-nilai. DC atau AC merupakan variasi dari gelombang sinusoidal sebuah frekuensi rendah. Constant switching frekuensi f, hasil pergerakan dari sinyal tegangan gambar 1-18b merupakan pengulangan dengan sebuah waktu periode konstan T , sama dengan 1/f .dalam sebuah siklus saklar dengan periode waktu Ts (= 1/f ) pada gambar 1-18b, nilai rata-rata Va dari gelombang sinyal yang di kontrol oleh lebar sinyal Tup selama saklar pada posisi up dan VA sama dengan Vin :

Dimana DA (= Tup / Ts) yang berarti sebagai perbandingan dari switching power pole, dan tegangan rata-rata di indikasi oleh sebuah - di atas. Tegangan rata-rata dan kutub perbandingan di ekpresikan oleh huruf kecil. Kontrol pada nilai rata-rata tegangan output di sesuaikan oleh modulasi lebar sinyal. Kita harus mencatat bahwa Va dan Da pada pembahasan diatas di cirikan dengan kuantitas dan nilai mereka dapat di kalkulasikan pada setiap siklus cycle. Bagaimanapun pada pengaplikasian percobaan lebar sinyal Tup berubah secara perlahan pada banyak siklus switching. Oleh karena itu kita dapat mempertimbangkanya sebagai kuantitas analog Va(t) dan Da(t) merupakan turunan dari fungsi-fungsi waktu 1-6-3 switching power pole in a buck DC-DC converter : an exampleSebagai sebuah contoh, kita dapat mempertimbangkan switching power pole pada sebuah Buck converter ke input tegangan DC step dawn.1-12

Pada steady state, input DC (rata-rata) ke L-C filter yang tidak memiliki redaman, karena itu tegangan output rata-rata sama dengan rata-rata1-6-3-1 Realizing the bi pisitional switch in a buck converterSeperti yang di tunjukan pada gambar 1-20a, saklar dua sisi pada kutub daya dapat di realisasikan dengan menggunakan sebuah transistor dan sebuah dioda, ketika gerbang transistor on (seperti rangkaian gerbang yang akan kita bahas pada bab selanjutnya oleh sebuah sinyal switching qa=1), ini membawa arus induktor dan dioda revers bias.

1.7 POTENSI KEMAJUAN TERBARUKebanyakan aplikasi yang di butuhkan, tumbuh dengan cepat dengan ide revolusioner karena teknologi semikonduktor. Elektronika daya dan antarmuka pada Fig. 1-1 terdiri dari peralatan solid-state, yang mana beropresi sebagai switch, mengganti dari hidup ke mati pada frekuensi tinggi.kemampuan menangani arus dan tegangan oleh solid state menjadi lebih baik dengan dioda dan transistor, dan kecepatan switching (dari on ke off) meningkat dramatis, dengan beberapa peralatan pada sepuluh ns. Peralatan yang dapat menangani tegangan dalam kVs dan arus dalam kAs kini tersedia. Switch semikonduktor terhubung pada paket single dengan semua rangkaian yang dibutuhkan untuk membuat mereka terhubung, dan menyediakan perlindungan. Tambahan pula, ongkos yang di butuhkan akan menurun pesat.

Elektronika daya bermanfaat dalam memajukan teknologi pabrikan semikonduktor pada kepentingan lain. The avaibility of Applications Spesific Integrated Circuits (ASICs), digital signal processor (DSPs), mikrokontroler dan Field Progammable Gate Arrays (FPGA) sangat murah membuat blok diagram pada Fig 1-1 mudah dan tidak terlalu sulit diterapkan, ketika fungsinya meningkat.

Daerah yang berpotensi siknifikan pada elektronika daya terhubung dan modul daya cerdas, pengemasan, peralatan SiC-based solid-state, meningkatkan kualitas daya kapasitor dan meningkatkan topologi dan kontrol.