Penyearah 6-Pulsa dengan Dioda
Muhammad Anwar Rahmanto
Email
: anwarrahmanto@yahoo.com
Jurusan
Teknik Elektro Polines
Jln. Prof. Sudarto Tembalang Semarang INDONESIA
Intisari
Dalam pengaplikasian peralatan elektronik dengan sumber tegangan 3 fasa diperlukan adanya rangkaian penyearah tegangan. Penyearah tegangan 3 fasa sendiri mempunyai 2 jenis yaitu penyearah terkendali dan penyearah tak terkendali. Penyearah terkendali menggunakan komponen tyristor sedangkan penyearah tak terkendali menggunakan komponen dioda. Dengan kedua komponen tersebut juga dapat diatur berapa jumlah pulsa keluarannya, dengan 3 buah komponen akan menghasilkan gelombang keluaran 3 pulsa atau setengah gelombang, sedangkan dengan 6 buah komponen akan menghasilkan gelombang keluaran 6 pulsa atau gelombang penuh. Ada pula penyearah yang menggunakan 12 komponen atau lebih semisal 18 dan 24. Semakin banyak jumlah komponen yang digunakan untuk menyearahkan gelombang tegangan 3 fasa maka semakin lembut dan sedikit ripple pada gelombang yang telah disearahkan. Dalam makalah ini hanya akan membahas mengenai penyearah tegangan 3 fasa dengan dioda yang menghasilkan keluaran 6 pulsa atau gelombang penuh.
Keywords— Penyearah dioda 6-pulsa, penyearah dioda 3 fasa
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Dioda merupakan komponen elektronik yang terdiri dari bahan bahan kristal yakni berupa silikon jenis p dan n (Gbr 1a) yang tergabung dalam satu bentuk yang disebut juga p-n junction. Silikon jenis p ini mengandung ion positif sedang jenis n mengandung ion negaif. Bila kedua bahan ini dihubungkan maka pertemuan keduanya akan menghasilkan daerah netral yang disebut juga tegangan penghalang (barrier). Jenis dioda seperti ini dikenal juga dengan dioda semikonduktor sedang jenis sebelumnya dipakai jenis tabung (Gbr 1b). Tapi dewasa ini dioda jenis silikon inilah yang umum digunakan diberbagai peralatan yang sering juga disebut dengan dioda semikonduktor.
(a) Jenis silikon (b) Jenis tabung
Gbr 1. Kontruksi bahan pada dioda
Dioda terdiri dari dua kaki (terminal) yang disebut dengan anoda dan katoda. Kaki anoda berpolaritas positif sedang kaki katoda berpolaritas negatif sehingga simbol yang digunakan pada rangkaian untuk sebuah dioda seperti yang diperlihatkan oleh Gbr 2.
Gbr 2. Simbol dioda pada rangkaian
Dioda daya merupakan salah satu komponen semi konduktor yang yang banyak digunakan dalam rangkaian elektronika daya seperti halnya rangkaian penyearah. Unjuk kerja suatu penyearah penting diketahui untuk mengantisipasi dampak negatif yang ditimbulkannya baik yang terkait dengan penyearahan itu sendiri maupun terhadap kualitas daya pada sisi sumber. Ini disebabkan karena hasil penyearahan merupakan bentuk gelombang pulsa yang mengandung harmonisa.
B. Tujuan
Tujuan dari penulisan makalah ini adalah untuk mengetahui bagaimana prinsip kerja dioda yang digunakan sebagai penyearah 6-pulsa.
II. PEMBAHASAN
A. Penyearah Menggunakan Dioda
Penyearah digunakan untuk mengubah listrik AC menjadi listrik DC, listrik DC dipakai untuk berbagai kebutuhan misalnya power supply, pengisi akumulator, alat penyepuhan logam, dll. Komponen elektronika yang dipakai umumnya adalah dioda atau thyristor. Penyearah dengan dioda sering disebut penyearah tanpa kendali, artinya tegangan output yang dihasilkan tetap tidak bisa dikendalikan. Penyearah dengan thyristor termasuk penyearah terkendali, artinya tegangan output yang dihasilkan bias diatur dengan pengaturan penyalaan sudut α sesuai dengan kebutuhan.
Dioda digunakan dalam elektronika daya terutama untuk mengubah daya AC menjadi DC. Pengubah daya AC menjadi DC disebut penyearah (rectifier). Penyearah yang menggunakan dioda adalah penyearah yang tegangan keluarannya tetap. Untuk memberikan gambaran yang mendasar tentang aplikasi dioda dalam elektronika daya, pada bagian ini akan dibahas tentang rangkaian-rangkaian dioda yang melibatkan jenis-jenis beban dan penyearah tidak terkendali. Rangkaian dioda dengan bermacam-macam beban dimaksudkan untuk memberikan landasan dasar tentang dampak beban dalam rangkaian.
Sedangkan jenis-jenis rangkaian penyearah dimaksudkan untuk memberikan pemahaman tentang perilaku penyearah yang tidak hanya penting untuk aplikasi dioda saja namun sangat diperlukan bagi pengembangan konsep untuk aplikasi-aplikasi elektronika daya selanjutnya.
Ada empat tipe penyearah dengan diode, terdiri penyearah setengah gelombang, gelombang penuh satu phasa, setengah gelombang, dan penyearah gelombang penuh tiga phasa. Tetapi dalam makalah ini hanya akan membahas penyearah gelombang tiga fasa dengan dioda.
B. Penyearah Dioda 3 Fasa
Penyearah tiga-fasa adalah pengubah tegangan bolak-balik ke tegangan searah yang menggunakan sumber tiga-fasa. Berdasarkan semikonduktor yang digunakan dan variasi tegangan keluarannya, penyearah tiga-fasa dapat diklasifikasikan menjadi :
· Penyearah tak terkendali.
· Penyearah terkendali.
Sedangkan berdasarkan topologinya penyearah tiga-fasa dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
a Penyearah tiga-fasa setengah gelombang dengan hubung bintang.
Gbr 3. Rangkaian penyearah 3-fasa setengah gelombang dengan hubung bintang
b Penyearah tiga-fasa gelombang penuh dengan dioda hubungan jembatan.
Gbr 4. Rangkaian penyearah 3-fasa gelombang penuh dengan dioda hubungan jembatan
c Penyearah tiga-fasa setengah gelombang dengan trafo zig-zag.
Ada keunggulan antara topologi yang satu dengan topologi lainnya. Untuk tegangan AC input yang sama misalnya, penyearah b, mempunyai tegangan searah yang lebih tinggi serta faktor ripel lebih ringan daripada penyearah a, tetapi penyearah a hanya memerlukan tiga buah dioda dibandingkan dengan penyearah b yang memerlukan enam buah dioda. Pada penyearah c, komponen arus searah pada sisi primer trafo penyearah, dihilangkan dengan penggunaan trafo hubung zig-zag. Gangguan-gangguan yang bersumber pada fluksi-fluksi bocor, pemanasan, kejenuhan inti serta regulasi tegangan yang buruk dapat dikurangi. Hal itu penting terutama untuk pemakaian daya besar. Penyearah tiga fasa tak terkendali yang umum digunakan adalah penyearah tipe b dengan keluaran 6-pulsa.
C. Penyearah 3 Fasa Tak Terkendali
Diagram rangkaian dari sebuah penyearah 3 fasa gelombang penuh tidak terkendali diperlihatkan pada Gbr 4. Penyearah ini menggunakan sistem jembatan dengan enam buah diode D1, D3, dan D5 katodanya disatukan sebagai terminal positif. Sedangkan dioda D4, D6, dan D2 anodanya yang disatukan sebagai terminal negatif. Ke enam dioda akan konduksi dengan urutan konduksi tertentu, misalnya D1D6, D1D2, D3D2, D3D4, D5D4, D5D6. Dalam satu siklus setiap pasangan dioda akan konduksi selama 60° dimulai dari dioda D1+D6 disusul D1+D2 lanjutnya D3 + D2, urutan keempat D3 + D4, kelima D5 + D4 dan terakhir D5+ D6 dan setiap dioda akan konduksi selama 120° dalam satu siklus periode tegangan 3 fasa masukan. Tiap pasangan dioda juga akan tersambung dengan tegangan sesaat yang lebih tinggi (tegangan line to line). Oleh karena itu dalam satu siklus gelombang tiga phasa terjadi enam kali komutasi dari keenam diode secara bergantian dan bersama-sama, maka penyearah ini juga disebut dengan konverter 6 pulsa. Dengan hasil gelombang tegangan sebagai berikut :
Gbr 5. Bentuk Gelombang Tegangan Masukan
dan Keluaran
D. Karakteristik Penyearah
Gbr 6. Penyearah dioda tiga fasa
Pada sebuah system penyearah 3 fasa seperti Gbr 6, arus is(t) yang mengalir dalam rangkaian dioda adalah arus sinusoidal terdistorsi yang diakibatkan oleh switching dioda D1-D6 dan pengisisan kapasitor C. Arus is(t) dapat dinyatakan sebagai berikut :
is(t) = is1(t) +
=
dimana :
is1(t) : arus fundamental
ish(t) : komponen arus harmonisa
Is1 : arus rms fundamental
Ish : komponen arus rms harmonisa
Φ1 : sudut fasa antara arus sinusoidal input is1 dan Vs
Total kandungan arus harmonisa THDi (total harmonic distortion) adalah :
THD =
Faktor daya PF (power factor) dinyatakan sebagai :
PF =
DPF (displacemen power factor) adalah sama dengan faktor daya PF pada system rangkaian linier dengan bentuk arus dan tegangan sinusoidal (tidak terdistorsi) dan didefinisikan sebagai :
DPF = cos φ
Oleh karena itu faktor daya untuk arus non-sinusoidal adalah :
PF =
DPF Hubungan antara PF dengan THD didapatkan :
PF =
DPF Kapasitor C digunakan untuk memperkecil tegangan puncak riplle Vr dan juga untuk membuat tegangan output Vd konstan pada aplikasi inverter sumber tegangan.
Vr = Vd(t1)-Vd(t2)
= Vm – Vm
dimana :
Vd(t1) : tegangan akhir pengisisan kapasitor C
Vd(t2) : tegangan akhir pembuangan kapasitor C
Vm : tegangan Vd maksimum (puncak)
Bila e-x ≈ 1-x , maka persamaan menjadi :
Vr = Vm
= 
= 
Parameter sistem penyearah seperti THD arus, faktor daya dengan tegangan ripple menjadi suatu alternatif pertimbangan dalam pemilihan penyearah untuk berbagai aplikasi. Penggunaan kapasitor C dengan ukuran yang lebih besar dapat memperkecil tegangan ripple Vr, namun memperburuk faktor daya dan memperbesar THDi.
E. Penyearah 3 Fasa Hubungan Jembatan
Penyearah 3-fasa hubungan jembatan dengan beban resistif diperlhatkan pada Gbr 6. Ls adalah induktansi sumber tegangan bolak-balik, Vd adalah tegangan keluaran penyearah dan id adalah arus keluaran penyearah. Tegangan fasa sumber ditulis sebagai berikut :
Gbr 7. Rangakian penyearah 3-fasa hubungan jembatan dengan beban resistif
Pada kondisi ideal, Ls = 0 dan jatuh tegangan dioda diabaikan. Dioda-dioda D1, D3 dan D5 disebut dioda-dioda kelompok atas dan dioda-dioda D2, D4 dan D6 disebut dioda-dioda kelompok bawah. Arus id mengalir melalui salah satu dioda pada kelompok atas dan salah satu dioda pada kelompok bawah. Pada kelompok atas, dioda dengan potensial anoda paling tinggi akan konduksi sedangkan dua dioda lainnya akan berada pada kondisi bias mundur. Pada kelompok bawah, dioda dengan potensial paling rendah akan konduksi sedangkan dua dioda lainnya akan berada pada kondisi bias mundur. VPn adalah tegangan pada terminal P terhadap terminal netral n. Demikian pula VNn adalah tegangan pada terminal N terhadap terminal netral n.
Bentuk tegangan pada rangkaian tersebut diperlihatkan pada Gbr 8. Frekuensi sumber adalah 50 Hz dan amplitude V = 10 volt. Tegangan VPn merupakan selubung atas (potensial positif) dari kelompok tegangan Va, Vb dan Vc. Sedangkan tegangan VNn merupakan selubung bawah (potensial negatif) dari kelompok tegangan Va, Vb dan Vc. Bentuk tegangan Vd terdiri atas 6 segmen per satu siklus frekuensi tegangan sumber. Oleh karena itu penyearah 3-fasa hubungan jembatan dinamakan juga penyearah 6-pulsa. Pada penyearah 12-pulsa, bentuk tegangan Vd akan terdiri atas 12 segmen per satu siklus frekuensi tegangan sumber, demikian pula pada penyearah 18-pulsa, bentuk tegangan Vd akan terdiri atas 18 segmen per setiap siklus tegangan sumber, dan seterusnya.
Gbr 8. Bentuk Tegangan pada Rangkaian Gbr 7
Bentuk tegangan Vd pada penyearah 3-fasa hubungan jembatan atau penyearah 6-pulsa diatas dapat dikonstruksi dengan cara sebagai berikut :
· Menggambarkan secara lengkap semua gelombang tegangan masukan penyearah
· Mendapatkan bentuk selubung atas dari kelompok tegangan masukan (VPn)
· Mendapatkan bentuk selubung bawah dari kelompok tegangan masukan (VNn )
· Mengurangkan VPn dengan VNn.
Secara prosedural bentuk Vd dapat dikonstruksi dengan cara sebagai berikut :
· Konstruksi bentuk tegangan keluaran masing-masing unit penyearah 3-fasa hubungan jembatan (vdk)
· Lakukan proses komparasi terhadap tegangan keluaran masing-masing unit penyearah
· Bentuk Vd setiap saat ditentukan oleh nilai tegangan tertinggi dari keluaran unit-unit penyearah.
1) Penyearah 3 fasa Sistem Jembatan dengan beban R
Dengan menggunakan asumsi bahwa tegangan masukan merupakan tegangan 3 fasa berbentuk cosinus (fungsi cos), dan setiap pasangan dioda akan konduksi selama 60° yang mulai konduksi pada -30° dan akan berakhir pada +30°. Jika Vm adalah tegangan maksimum tiap fasa dari tegangan sekunder transformer dan dengan 6 pulsa dalam satu siklus, maka tegangan rata keluaran pada sisi beban dapat diperoleh dengan cara:
Nilai tegangan rata-rata dari beban (Vdc) dapat dihitung dengan rumus :
Vdc =
=
Vm = 1,654 Vm
Nilai tegangan RMS dari beban (Vrms) dapat dihitung dengan rumus :
Vrms =
=
=
Vm = 1,6554 Vm
Arus maksimum yang mengalir pada setiap dioda Im ditentukan dengan cara:
Im =
Vm / R = 1,73 Vm / R
Sementara arus rms pada setiap dioda diperoleh dengan cara menintegrasikan pada selang 60° dan mengalikan dengan faktor 2, karena setiap dioda konduksi selama 60° dalam satu siklus. Besarnya arus rms ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut:
Irmsd =
= Im
= 0,5518 Im
Berdasarkan gelombang arus sudah jelas bahwa arus dalam setiap line masukan line mengalir selama 60° dalam satu siklus. Dengan demikian besarnya arus rms pada belitan sekunder transformator dinyatakan dengan:
ISrms =
Dengan melihat arus beban kita dapat menghitung nilai rata-rata dari arus beban (Iave) dengan rumus :
Iave = Im
0,78 Im 2) Penyearah 3 fasa Tidak Terkendali Beban RL
Tegangan keluaran sesaat dari converter jenis ini dinyatakan dengan persamaan :
VL =
untuk 
……… (1) Arus beban dapat ditentukan dengan penyelesaian persamaan :
L
+ RiL + E = ……… (2) Bentuk penyelesaian adalah :
iL(t) =
……… (3) Dengan Z merupakan impedansi beban :
Z =
dan
Dengan menggunakan kondisi awal berikut :
; IL = I1 I1 Dan mengaplikasi pada persamaan (3) , maka konstanta C dapat diperoleh dari
C =
Substitusi nilai C pada persamaan (3) menghasilkan :
iL(t) =
Untuk kondisi stabil diperoleh :
iL
= iL 
= I1 Khusus untuk kondisi ini pada persamaan di atas, diperoleh persamaan untuk I1 sebagai berikut :
I1 =
Substitusi nilai I1 pada persamaan arus beban sesaat :
iL(t)=
untuk
Karena setiap diode konduksi selama 120˚, maka arus rms diode adalah 2 kali lebih besar daropada arus diode pada interval 60˚ pada setiap siklus.
Ir =
Arus keluaran rms dapat ditentukan dengan menggabungkan arus rms setiap dioda pada selang satu siklus yang menghasilkan :
Irms =
Ir Besar arus rata-rata dioda dinyatakan dengan persamaan :
Id =
III. KESIMPULAN (PENUTUP)
Pembahasan pada makalah ini mengenai penyearah (rectifier) 3 fasa menggunakan dioda dengan keluaran gelombang 6-pulsa atau juga biasa disebut dengan penyearah 3 fasa tidak terkendali gelombang penuh. Pemahaman tentang cara kerja, menggambarkan rangkaian daya dan gelombang arus masukan dan keluaran serta menggunakan rumus-rumus singkat.
Referensi
[1] Sutanto, Rangkaian Elektronika : Analog dan Terpadu, UI Press.
[2] Budhi Anto, Analisis Riak Tegangan Keluaran Konverter AC-DC Berbasis Topologi Penyearah Banyak-Pulsa Susunan Paralel.pdf, Universitas Riau
[3] Harisajani, Injeksi Arus Dan Buck Konverter Pada System Penyearah Dioda Tiga Fasa.pdf, Politeknik Negeri Padang
[4] Lenni, Elektronika dan Teknik Tenaga Listrik.pdf, Pusat Pengembangan Bahan Ajar-UMB.
[5] ASNIL, AC to DC Converter.ppt, FT-UNP
[6] Aswardi, Konverter AC-DC 3 Fasa.doc, FT UNP Padang
[7] http://elearning-ft.unp.ac.id/e-learning/
[8] http://www.scribd.com/doc/86619580/Penyearah-3-Fasa-Gelombang-Penuh
[9] http://doddyangryawan.blogspot.com/2010/09/penyearah-gelombang-tiga-phasa.html
[10] http://indone5ia.wordpress.com/2012/02/09/rangkaian-elektronika-daya-penyearah-rectifier/
Penyearah 6-Pulsa dengan Dioda
Muhammad Anwar Rahmanto
Email : anwarrahmanto@yahoo.com
Jurusan Teknik Elektro Polines
Jln. Prof. Sudarto Tembalang Semarang INDONESIA
Intisari
Dalam pengaplikasian peralatan elektronik dengan sumber tegangan 3 fasa diperlukan adanya rangkaian penyearah tegangan. Penyearah tegangan 3 fasa sendiri mempunyai 2 jenis yaitu penyearah terkendali dan penyearah tak terkendali. Penyearah terkendali menggunakan komponen tyristor sedangkan penyearah tak terkendali menggunakan komponen dioda. Dengan kedua komponen tersebut juga dapat diatur berapa jumlah pulsa keluarannya, dengan 3 buah komponen akan menghasilkan gelombang keluaran 3 pulsa atau setengah gelombang, sedangkan dengan 6 buah komponen akan menghasilkan gelombang keluaran 6 pulsa atau gelombang penuh. Ada pula penyearah yang menggunakan 12 komponen atau lebih semisal 18 dan 24. Semakin banyak jumlah komponen yang digunakan untuk menyearahkan gelombang tegangan 3 fasa maka semakin lembut dan sedikit ripple pada gelombang yang telah disearahkan. Dalam makalah ini hanya akan membahas mengenai penyearah tegangan 3 fasa dengan dioda yang menghasilkan keluaran 6 pulsa atau gelombang penuh.
Keywords— Penyearah dioda 6-pulsa, penyearah dioda 3 fasa
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Dioda merupakan komponen elektronik yang terdiri dari bahan bahan kristal yakni berupa silikon jenis p dan n (Gbr 1a) yang tergabung dalam satu bentuk yang disebut juga p-n junction. Silikon jenis p ini mengandung ion positif sedang jenis n mengandung ion negaif. Bila kedua bahan ini dihubungkan maka pertemuan keduanya akan menghasilkan daerah netral yang disebut juga tegangan penghalang (barrier). Jenis dioda seperti ini dikenal juga dengan dioda semikonduktor sedang jenis sebelumnya dipakai jenis tabung (Gbr 1b). Tapi dewasa ini dioda jenis silikon inilah yang umum digunakan diberbagai peralatan yang sering juga disebut dengan dioda semikonduktor.
(a) Jenis silikon (b) Jenis tabung
Gbr 1. Kontruksi bahan pada dioda
Dioda terdiri dari dua kaki (terminal) yang disebut dengan anoda dan katoda. Kaki anoda berpolaritas positif sedang kaki katoda berpolaritas negatif sehingga simbol yang digunakan pada rangkaian untuk sebuah dioda seperti yang diperlihatkan oleh Gbr 2.
Gbr 2. Simbol dioda pada rangkaian
Dioda daya merupakan salah satu komponen semi konduktor yang yang banyak digunakan dalam rangkaian elektronika daya seperti halnya rangkaian penyearah. Unjuk kerja suatu penyearah penting diketahui untuk mengantisipasi dampak negatif yang ditimbulkannya baik yang terkait dengan penyearahan itu sendiri maupun terhadap kualitas daya pada sisi sumber. Ini disebabkan karena hasil penyearahan merupakan bentuk gelombang pulsa yang mengandung harmonisa.
B. Tujuan
Tujuan dari penulisan makalah ini adalah untuk mengetahui bagaimana prinsip kerja dioda yang digunakan sebagai penyearah 6-pulsa.
II. PEMBAHASAN
A. Penyearah Menggunakan Dioda
Penyearah digunakan untuk mengubah listrik AC menjadi listrik DC, listrik DC dipakai untuk berbagai kebutuhan misalnya power supply, pengisi akumulator, alat penyepuhan logam, dll. Komponen elektronika yang dipakai umumnya adalah dioda atau thyristor. Penyearah dengan dioda sering disebut penyearah tanpa kendali, artinya tegangan output yang dihasilkan tetap tidak bisa dikendalikan. Penyearah dengan thyristor termasuk penyearah terkendali, artinya tegangan output yang dihasilkan bias diatur dengan pengaturan penyalaan sudut α sesuai dengan kebutuhan.
Dioda digunakan dalam elektronika daya terutama untuk mengubah daya AC menjadi DC. Pengubah daya AC menjadi DC disebut penyearah (rectifier). Penyearah yang menggunakan dioda adalah penyearah yang tegangan keluarannya tetap. Untuk memberikan gambaran yang mendasar tentang aplikasi dioda dalam elektronika daya, pada bagian ini akan dibahas tentang rangkaian-rangkaian dioda yang melibatkan jenis-jenis beban dan penyearah tidak terkendali. Rangkaian dioda dengan bermacam-macam beban dimaksudkan untuk memberikan landasan dasar tentang dampak beban dalam rangkaian.
Sedangkan jenis-jenis rangkaian penyearah dimaksudkan untuk memberikan pemahaman tentang perilaku penyearah yang tidak hanya penting untuk aplikasi dioda saja namun sangat diperlukan bagi pengembangan konsep untuk aplikasi-aplikasi elektronika daya selanjutnya.
Ada empat tipe penyearah dengan diode, terdiri penyearah setengah gelombang, gelombang penuh satu phasa, setengah gelombang, dan penyearah gelombang penuh tiga phasa. Tetapi dalam makalah ini hanya akan membahas penyearah gelombang tiga fasa dengan dioda.
B. Penyearah Dioda 3 Fasa
Penyearah tiga-fasa adalah pengubah tegangan bolak-balik ke tegangan searah yang menggunakan sumber tiga-fasa. Berdasarkan semikonduktor yang digunakan dan variasi tegangan keluarannya, penyearah tiga-fasa dapat diklasifikasikan menjadi :
· Penyearah tak terkendali.
· Penyearah terkendali.
Sedangkan berdasarkan topologinya penyearah tiga-fasa dapat diklasifikasikan sebagai berikut :
a Penyearah tiga-fasa setengah gelombang dengan hubung bintang.
Gbr 3. Rangkaian penyearah 3-fasa setengah gelombang dengan hubung bintang
b Penyearah tiga-fasa gelombang penuh dengan dioda hubungan jembatan.
Gbr 4. Rangkaian penyearah 3-fasa gelombang penuh dengan dioda hubungan jembatan
c Penyearah tiga-fasa setengah gelombang dengan trafo zig-zag.
Ada keunggulan antara topologi yang satu dengan topologi lainnya. Untuk tegangan AC input yang sama misalnya, penyearah b, mempunyai tegangan searah yang lebih tinggi serta faktor ripel lebih ringan daripada penyearah a, tetapi penyearah a hanya memerlukan tiga buah dioda dibandingkan dengan penyearah b yang memerlukan enam buah dioda. Pada penyearah c, komponen arus searah pada sisi primer trafo penyearah, dihilangkan dengan penggunaan trafo hubung zig-zag. Gangguan-gangguan yang bersumber pada fluksi-fluksi bocor, pemanasan, kejenuhan inti serta regulasi tegangan yang buruk dapat dikurangi. Hal itu penting terutama untuk pemakaian daya besar. Penyearah tiga fasa tak terkendali yang umum digunakan adalah penyearah tipe b dengan keluaran 6-pulsa.
C. Penyearah 3 Fasa Tak Terkendali
Diagram rangkaian dari sebuah penyearah 3 fasa gelombang penuh tidak terkendali diperlihatkan pada Gbr 4. Penyearah ini menggunakan sistem jembatan dengan enam buah diode D1, D3, dan D5 katodanya disatukan sebagai terminal positif. Sedangkan dioda D4, D6, dan D2 anodanya yang disatukan sebagai terminal negatif. Ke enam dioda akan konduksi dengan urutan konduksi tertentu, misalnya D1D6, D1D2, D3D2, D3D4, D5D4, D5D6. Dalam satu siklus setiap pasangan dioda akan konduksi selama 60° dimulai dari dioda D1+D6 disusul D1+D2 lanjutnya D3 + D2, urutan keempat D3 + D4, kelima D5 + D4 dan terakhir D5+ D6 dan setiap dioda akan konduksi selama 120° dalam satu siklus periode tegangan 3 fasa masukan. Tiap pasangan dioda juga akan tersambung dengan tegangan sesaat yang lebih tinggi (tegangan line to line). Oleh karena itu dalam satu siklus gelombang tiga phasa terjadi enam kali komutasi dari keenam diode secara bergantian dan bersama-sama, maka penyearah ini juga disebut dengan konverter 6 pulsa. Dengan hasil gelombang tegangan sebagai berikut :
Gbr 5. Bentuk Gelombang Tegangan Masukan
dan Keluaran
D. Karakteristik Penyearah
Gbr 6. Penyearah dioda tiga fasa
Pada sebuah system penyearah 3 fasa seperti Gbr 6, arus is(t) yang mengalir dalam rangkaian dioda adalah arus sinusoidal terdistorsi yang diakibatkan oleh switching dioda D1-D6 dan pengisisan kapasitor C. Arus is(t) dapat dinyatakan sebagai berikut :
is(t) = is1(t) +
=
dimana :
is1(t) : arus fundamental
ish(t) : komponen arus harmonisa
Is1 : arus rms fundamental
Ish : komponen arus rms harmonisa
Φ1 : sudut fasa antara arus sinusoidal input is1 dan Vs
Total kandungan arus harmonisa THDi (total harmonic distortion) adalah :
THD =
Faktor daya PF (power factor) dinyatakan sebagai :
PF =
DPF (displacemen power factor) adalah sama dengan faktor daya PF pada system rangkaian linier dengan bentuk arus dan tegangan sinusoidal (tidak terdistorsi) dan didefinisikan sebagai :
DPF = cos φ
Oleh karena itu faktor daya untuk arus non-sinusoidal adalah :
PF =
DPF Hubungan antara PF dengan THD didapatkan :
PF =
DPF Kapasitor C digunakan untuk memperkecil tegangan puncak riplle Vr dan juga untuk membuat tegangan output Vd konstan pada aplikasi inverter sumber tegangan.
Vr = Vd(t1)-Vd(t2)
= Vm – Vm
dimana :
Vd(t1) : tegangan akhir pengisisan kapasitor C
Vd(t2) : tegangan akhir pembuangan kapasitor C
Vm : tegangan Vd maksimum (puncak)
Bila e-x ≈ 1-x , maka persamaan menjadi :
Vr = Vm
= = Parameter sistem penyearah seperti THD arus, faktor daya dengan tegangan ripple menjadi suatu alternatif pertimbangan dalam pemilihan penyearah untuk berbagai aplikasi. Penggunaan kapasitor C dengan ukuran yang lebih besar dapat memperkecil tegangan ripple Vr, namun memperburuk faktor daya dan memperbesar THDi.
E. Penyearah 3 Fasa Hubungan Jembatan
Penyearah 3-fasa hubungan jembatan dengan beban resistif diperlhatkan pada Gbr 6. Ls adalah induktansi sumber tegangan bolak-balik, Vd adalah tegangan keluaran penyearah dan id adalah arus keluaran penyearah. Tegangan fasa sumber ditulis sebagai berikut :
Gbr 7. Rangakian penyearah 3-fasa hubungan jembatan dengan beban resistif
Pada kondisi ideal, Ls = 0 dan jatuh tegangan dioda diabaikan. Dioda-dioda D1, D3 dan D5 disebut dioda-dioda kelompok atas dan dioda-dioda D2, D4 dan D6 disebut dioda-dioda kelompok bawah. Arus id mengalir melalui salah satu dioda pada kelompok atas dan salah satu dioda pada kelompok bawah. Pada kelompok atas, dioda dengan potensial anoda paling tinggi akan konduksi sedangkan dua dioda lainnya akan berada pada kondisi bias mundur. Pada kelompok bawah, dioda dengan potensial paling rendah akan konduksi sedangkan dua dioda lainnya akan berada pada kondisi bias mundur. VPn adalah tegangan pada terminal P terhadap terminal netral n. Demikian pula VNn adalah tegangan pada terminal N terhadap terminal netral n.
Bentuk tegangan pada rangkaian tersebut diperlihatkan pada Gbr 8. Frekuensi sumber adalah 50 Hz dan amplitude V = 10 volt. Tegangan VPn merupakan selubung atas (potensial positif) dari kelompok tegangan Va, Vb dan Vc. Sedangkan tegangan VNn merupakan selubung bawah (potensial negatif) dari kelompok tegangan Va, Vb dan Vc. Bentuk tegangan Vd terdiri atas 6 segmen per satu siklus frekuensi tegangan sumber. Oleh karena itu penyearah 3-fasa hubungan jembatan dinamakan juga penyearah 6-pulsa. Pada penyearah 12-pulsa, bentuk tegangan Vd akan terdiri atas 12 segmen per satu siklus frekuensi tegangan sumber, demikian pula pada penyearah 18-pulsa, bentuk tegangan Vd akan terdiri atas 18 segmen per setiap siklus tegangan sumber, dan seterusnya.
Gbr 8. Bentuk Tegangan pada Rangkaian Gbr 7
Bentuk tegangan Vd pada penyearah 3-fasa hubungan jembatan atau penyearah 6-pulsa diatas dapat dikonstruksi dengan cara sebagai berikut :
· Menggambarkan secara lengkap semua gelombang tegangan masukan penyearah
· Mendapatkan bentuk selubung atas dari kelompok tegangan masukan (VPn)
· Mendapatkan bentuk selubung bawah dari kelompok tegangan masukan (VNn )
· Mengurangkan VPn dengan VNn.
Secara prosedural bentuk Vd dapat dikonstruksi dengan cara sebagai berikut :
· Konstruksi bentuk tegangan keluaran masing-masing unit penyearah 3-fasa hubungan jembatan (vdk)
· Lakukan proses komparasi terhadap tegangan keluaran masing-masing unit penyearah
· Bentuk Vd setiap saat ditentukan oleh nilai tegangan tertinggi dari keluaran unit-unit penyearah.
1) Penyearah 3 fasa Sistem Jembatan dengan beban R
Dengan menggunakan asumsi bahwa tegangan masukan merupakan tegangan 3 fasa berbentuk cosinus (fungsi cos), dan setiap pasangan dioda akan konduksi selama 60° yang mulai konduksi pada -30° dan akan berakhir pada +30°. Jika Vm adalah tegangan maksimum tiap fasa dari tegangan sekunder transformer dan dengan 6 pulsa dalam satu siklus, maka tegangan rata keluaran pada sisi beban dapat diperoleh dengan cara:
Nilai tegangan rata-rata dari beban (Vdc) dapat dihitung dengan rumus :
Vdc =
=
Vm = 1,654 Vm
Nilai tegangan RMS dari beban (Vrms) dapat dihitung dengan rumus :
Vrms =
=
=
Vm = 1,6554 Vm
Arus maksimum yang mengalir pada setiap dioda Im ditentukan dengan cara:
Im =
Vm / R = 1,73 Vm / R
Sementara arus rms pada setiap dioda diperoleh dengan cara menintegrasikan pada selang 60° dan mengalikan dengan faktor 2, karena setiap dioda konduksi selama 60° dalam satu siklus. Besarnya arus rms ditentukan dengan menggunakan persamaan berikut:
Irmsd =
= Im
= 0,5518 Im
Berdasarkan gelombang arus sudah jelas bahwa arus dalam setiap line masukan line mengalir selama 60° dalam satu siklus. Dengan demikian besarnya arus rms pada belitan sekunder transformator dinyatakan dengan:
ISrms =
Dengan melihat arus beban kita dapat menghitung nilai rata-rata dari arus beban (Iave) dengan rumus :
Iave = Im
0,78 Im 2) Penyearah 3 fasa Tidak Terkendali Beban RL
Tegangan keluaran sesaat dari converter jenis ini dinyatakan dengan persamaan :
VL =
untuk ……… (1) Arus beban dapat ditentukan dengan penyelesaian persamaan :
L
+ RiL + E = ……… (2) Bentuk penyelesaian adalah :
iL(t) =
……… (3) Dengan Z merupakan impedansi beban :
Z =
dan
Dengan menggunakan kondisi awal berikut :
; IL = I1 I1 Dan mengaplikasi pada persamaan (3) , maka konstanta C dapat diperoleh dari
C =
Substitusi nilai C pada persamaan (3) menghasilkan :
iL(t) =
Untuk kondisi stabil diperoleh :
iL
= iL = I1 Khusus untuk kondisi ini pada persamaan di atas, diperoleh persamaan untuk I1 sebagai berikut :
I1 =
Substitusi nilai I1 pada persamaan arus beban sesaat :
iL(t)=
untuk
Karena setiap diode konduksi selama 120˚, maka arus rms diode adalah 2 kali lebih besar daropada arus diode pada interval 60˚ pada setiap siklus.
Ir =
Arus keluaran rms dapat ditentukan dengan menggabungkan arus rms setiap dioda pada selang satu siklus yang menghasilkan :
Irms =
Ir Besar arus rata-rata dioda dinyatakan dengan persamaan :
Id =
III. KESIMPULAN (PENUTUP)
Pembahasan pada makalah ini mengenai penyearah (rectifier) 3 fasa menggunakan dioda dengan keluaran gelombang 6-pulsa atau juga biasa disebut dengan penyearah 3 fasa tidak terkendali gelombang penuh. Pemahaman tentang cara kerja, menggambarkan rangkaian daya dan gelombang arus masukan dan keluaran serta menggunakan rumus-rumus singkat.
Referensi
[1] Sutanto, Rangkaian Elektronika : Analog dan Terpadu, UI Press.
[2] Budhi Anto, Analisis Riak Tegangan Keluaran Konverter AC-DC Berbasis Topologi Penyearah Banyak-Pulsa Susunan Paralel.pdf, Universitas Riau
[3] Harisajani, Injeksi Arus Dan Buck Konverter Pada System Penyearah Dioda Tiga Fasa.pdf, Politeknik Negeri Padang
[4] Lenni, Elektronika dan Teknik Tenaga Listrik.pdf, Pusat Pengembangan Bahan Ajar-UMB.
[5] ASNIL, AC to DC Converter.ppt, FT-UNP
[6] Aswardi, Konverter AC-DC 3 Fasa.doc, FT UNP Padang
[7] http://elearning-ft.unp.ac.id/e-learning/
[8] http://www.scribd.com/doc/86619580/Penyearah-3-Fasa-Gelombang-Penuh
[9] http://doddyangryawan.blogspot.com/2010/09/penyearah-gelombang-tiga-phasa.html
[10] http://indone5ia.wordpress.com/2012/02/09/rangkaian-elektronika-daya-penyearah-rectifier/
Tidak ada komentar:
Posting Komentar