Kumpulan Bahan Kuliah & Tugas Teknik Elektro: PENYEARAH GELOMBANG TIGA PHASA

PENYEARAH GELOMBANG TIGA PHASA

1.Diode

Diode memiliki dua kaki, yaitu anoda dan katoda. Diode hanya dapat melewatkan arus listrik dari satu arah saja, yaitu dari anode ke katoda yang disebut posisi bias maju (forward). Sebaliknya diode akan menahan aliran arus atau memblok arus yang berasal dari katode ke anoda, yang disebut bias mundur (reverse). Namun diode memiliki keterbatasan menahan tegangan panjar mundur yang disebut tegangan break down. Jika tegangan ini dilewati maka diode dikatakan rusak dan harus diganti yang baru.

Gambar 1 Konstruksi Diode

Pada kondisi bias maju (forward) Diode mengalirkan arus DC dapat diamati dari penunjukan ampermeter dengan arus If, untuk tegangan disebut tegangan maju Uf (forward). Diode silikon akan mulai forward ketika telah dicapai tegangan cut-in sebesar 0,7 Volt, untuk Diode germanium tegangan cut-in 0,3 Volt.

Gambar 2 Bias Maju (forward)

Pada kondisi bias mundur (reverse) Diode dalam posisi memblok arus, kondisi ini disebut posisi mundur (reverse). Karakteristik sebuah Diode digambarkan oleh sumbu horizontal untuk tegangan (Volt). Sumbu vertikal untuk menunjukkan arus (mA sampai Amper). Tegangan positif (forward) dihitung dari sumbu nol ke arah kanan. Tegangan negatif (reverse) dimulai sumbu negatif ke arah kiri.

Gambar 3 Bias Mundur

Karakteristik Diode menggambarkan arus fungsi dari tegangan. Garis arus maju (forward) dimulai dari sumbu nol keatas dengan satuan Amper. Garis arus mundur (reverse) dimulai sumbu nol ke arah bawah dengan orde mA. Diode memiliki batas menahan tegangan reverse pada nilai tertentu. Jika tegangan reverse terlampaui maka Diode akan rusak secara permanen

Gambar 4 Karakteristik Diode

Dari pengamatan visual karakteristik diode diatas dapat dilihat beberapa parameter penting, yaitu : Tegangan cut-in besarnya 0,6V tegangan reverse maksimum yang diijinkan sebesar 50V, tegangan breakdown terjadi pada tegangan mendekati 75V. Jika tegangan breakdown ini terlewati dipastikan diode akan terbakar dan rusak permanen.

1.1 Penyearah Dengan Menggunakan Diode

Penyearah digunakan untuk mengubah listrik AC menjadi listrik DC, listrik DC dipakai untuk berbagai kebutuhan misalnya power supply, pengisi akumulator, alat penyepuhan logam. Komponen elektronika yang dipakai diode atau thyristor. Penyearah dengan diode 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.

Diode 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 bermacammacam 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. Untuk mempermudah pemahaman, pada bahasan ini dioda ditinjau dari

sisi idealnya, di mana faktor kecepatan dan jatuh tegangan maju diabaikan.

Ada empat tipe penyearah dengan diode, terdiri penyearah setengah gelombang, gelombang penuh satu phasa, setengah gelombang, dan penyearah gelombang penuh tiga phasa. Tapi kami hanya membahas penyearah gelombang tiga phasa

1.1.1 Penyearah Diode Setengah Gelombang Tiga Phasa

Penyearah diode setengah gelombang tiga phasa yang juga dikenal dengan penyearah tiga phasa, tiga detak tidak terkendali (M3U). Rangkaian penyearah diode tiga phasa menggunakan tiga diode penyearah D1, D2, dan D3 ketiga katodenya disatukan menjadi terminal positif (Gambar 5). Tegangan DC yang dihasilkan melalui beban resistif RL. Masing-masing diode akan konduksi ketika ada tegangan positif, sedangkan tegangan yang negatif akan diblok. diode D1, D2, dan D3 anak konduksi secara bergantian sesuai dengan siklus gelombang saat nilainya lebih positif. Arus searah negatif kembali ke sekunder trafo melalui kawat N. Tegangan DC yang dihasilkan tidak benar-benar rata, masih mengandung riak (ripple).

Rangkaian penyearah diode setengah gelombang dengan ketiga diode D1, D2, dan D3 dipasang terbalik, ketiga anodenya disatukan sebagai terminal positif. diode hanya konduksi ketika tegangan anode lebih positif dibandingkan tegangan katode. Tegangan DC yang dihasilkan negatif (Gambar 6).

Gambar 5 Penyearah diode setengah gelombang 3 phasa

Gambar 6 Penyearah setengah gelombang 3 phasa diode terbalik

Urutan konduksi masing-masing diode R1, R2, dan R3 pada penyearah setengah gelombang dapat diperiksa pada Gambar 7.

• Diode R1 mulai konduksi setelah melewati sudut 30° sampai 150° atau sepanjang 120°.

• Diode R2 mulai konduksi pada sudut 150° sampai 270°, R2 juga konduksi sepanjang 120°.

• Diode R3 mulai konduksi pada sudut 270° sampai 390° juga sepanjang 120°.

Apabila rangkaian dihubungkan dengan sumber fasa-tiga sebagaimana yang ditunjukkan oleh Gambar 7, maka akan mengalir arus I_Z1 melalui D1 mulai sudut fasa 30° selama 120°, sementara D2 dan D3 dalam keadaan off. Kemudian setelah D1 mengalirkan arus selama 120°, D1 kemudian kembali off dan D2 mulai konduksi dan menghantarkan arus I_Z2, sementara D3 dan D1 masih dalam keadaan off. Baru setelah D2 menghantarkan arus selama 120°, baru D3 dalam keadaan konduksi dan menghantarkan arus I_Z3, D2 kembali off dan D1 masih dalam keadaan off. Demikian, proses ini terjadi berulang. Dapat disimpulkan ketiga diode memiliki sudut konduksi 120°.

Gambar 7 Urutan kerja penyearah diode 3 phasa setengah gelombang

Persamaan tegangan dan arus penyearah setengah gelombang:

Udi = 0,68 · U1 Udi = Tegangan searah ideal

Ud = Tegangan searah

U1 = Tegangan efektif

Iz = Arus melewati diode

Id = Arus searah

PT = 1,5 · Pd PT = Daya transformator

Pd = Daya arus searah

1.1.2 Penyearah Diode Gelombang Penuh Tiga Phasa

Penyearah diode gelombang enuh tiga phasa yang juga dikenal dengan nama penyearah tiga phasa, enam pulsa tidak terkendali (B6U). Penyearah diode gelombang penuh tiga phasa menggunakan sistem jembatan dengan enam buah diode D1, D3, dan D5 katodanya disatukan sebagai terminal positif. Diode D4, D6, dan D2 anodanya yang disatukan sebagai terminal negatif (Gambar 8). Tegangan DC yang dihasilkan memiliki enam pulsa yang dihasilkan oleh masing-masing diode tersebut.

Tegangan DC yang dihasilkan halus karena tegangan riak (ripple) kecil dan lebih rata. Urutan konduksi dari keenam diode dapat dilihat dari siklus gelombang sinusoida yang konduksi secara bergantian. Konduksi dimulai dari diode D1 + D6 sepanjang sudut komutasi 60°. Berturut-turut disusul diode D1 + D2, lanjutnya diode D3 + D2, urutan keempat D3 + D4, kelima D5 + D4 dan terakhir D5 + D6 (Gambar 9). Jelas dalam satu siklus gelombang tiga phasa terjadi enam kali komutasi dari keenam diode secara bergantian dan bersama-sama. Apa yang terjadi ketika salah satu dari diode tersebut rusak?

Gambar 8 Penyearah jembatan gelombang penuh 3 phasa

Gambar 9 Bentuk gelombang penyearah penuh 3 phasa

Persamaan tegangan dan arus penyearah Diode gelombang penuh:

Udi=1,35 . U1 Udi Tegangan searah ideal

Ud Tegangan searah

U1 Tegangan efektif

Iz Arus melewati Diode

Id Arus searah

PT = 1,1 . Pd PT Daya transformator

Pd Daya arus searah

Tabel 1. Panyearah menggunakan dioda (penyearah tidak terkendali)

2. Thyristor

Thyristor dikembangkan oleh Bell Laboratories tahun 1950-an dan mulai digunakan secara komersial oleh General Electric tahun 1960-an. Thyristor atau SCR (Silicon Controlled Rectifier) termasuk dalam komponen elektronik yang banyak dipakai dalam aplikasi listrik industri, salah satu alasannya adalah memiliki kemampuan untuk bekerja dalam tegangan dan arus yang besar. Thyristor memiliki tiga kaki, yaitu anoda, katoda dan gate. Juga dikenal ada dua jenis Thyristor dengan P-gate dan N-gate, perhatikan Gambar 10.

Gambar 10 Bentuk fisik dan simbol thrystor

Fungsi gate pada thyristor menyerupai basis pada transistor, dengan mengatur arus gate IG yang besarnya antara 1 mA sampai terbesar 100 mA, maka tegangan keluaran dari Anoda bisa diatur. Tegangan yang mampu diatur mulai dari 50 Volt sampai 5.000 Volt dan mampu mengatur arus 0,4 A sampai dengan 1.500 A.

Karakteristik Thyristor memperlihatkan dua variabel, yaitu tegangan forward UF dan tegangan reverse UR, dan variabel arus forward IF dan arus reverse IR Gambar 11 Pada tegangan forward UF, jika arus gate diatur dari 0 mA sampai di atas 50 mA, maka Thyristor akan cut-in dan mengalirkan arus forward IF. Tegangan reverse untuk Thyristor UR sekitar 600 Volt. Agar Thyristor tetap ON, maka ada arus yang tetap dipertahankan disebut arus holding IH sebesar 5 mA. Thyristor TIC 106 D sesuai dengan data sheet memiliki beberapa parameter penting, yaitu: tegangan gate-katode = 0,8 V, arus gate minimal 0,2 mA, agar thyristor tetap posisi ON diperlukan arus holding = 5 mA. Tegangan kerja yang diizinkan pada anoda = 400 V dan dapat mengalirkan arus nominal = 5 A.

Gambar 11 Karakteristik thrystor

Gambar 12 Nilai batas thrystor

Aplikasi thyristor yang paling banyak sebagai penyearah tegangan AC ke DC yang dapat diatur. Gambar 13 tampak empat thyristor dalam hubungan jembatan yang dihubungkan dengan beban luar RL.

Gambar 13 Fuse Sebagai Pengaman thrystor

2.1 Penyearah dengan Menggunakan Thyristor

Seperti yang telah dijelaskan sebelumnya bahwa, penyearah tak terkendali menghasilkan tegangan keluaran DC yang tetap. Bila dikehendaki tegangan keluaran yang bisa diubah-ubah, digunakan thyristor sebagai pengganti dioda. Tegangan keluaran penyearah thyristor dapat diubahubah atau dikendalikan dengan mengendalikan delay atau sudut penyalaan α dari thyristor. Penyalaan ini dilakukan dengan memberikan pulsa trigger pada gate thyristor. Pulsa trigger dibangkitkan secara khusus oleh rangkaian trigger.

Gambar 14. Prinsip kerja penyearah terkendali

Rangkaian trigger dirancang untuk memberikan pulsa dengan ketinggian dan kelebaran tertentu disesuaikan dengan thyristor yang digunakan. Pulsa ini juga dapat digeser-geser sudutnya sehingga penyalaan thyristor dapat dilakukan setiap saat dalam ranah (range)nya.

Gambar 14 menunjukkan prinsip kerja dari penyearah satu-pulsa terkendali E1C. Jika thyristor dirangkai seperti gambar ini, tegangan masukan berupa tegangan sinusoidal dan beban R, maka pada setengah gelombang pertama thyristor mendapat bias-maju.

Bila thyristor disulut pada sudut α, thyristor Q1 akan konduksi maka tegangan keluaran v1 akan muncul pada beban. Keadaan konduksi ini berlangsung hingga tegangan kembali ke nol dan mulai negatif (komutasi alamiah). Ketika tegangan negatif, maka Q1 dalam keadaan bias-mundur. Waktu dari tegangan mulai beranjak ke arah positif sampai dengan thyristor mulai konduksi disebut sudut penyalaan atau sudut penyulutan α.

Dengan demikian, tegangan keluaran penyearah dapat diatur-atur dengan mengatur sudut penyalaan pulsa gatenya, dalam hal ini, dari 0 - 180°.

Bila sudut penyalaan α kecil, berarti thyristor konduksi secara dini sehingga tegangan (vd) dan daya keluaran akan besar. Sebaliknya, bila sudut α besar, tegangan dan daya keluarannya akan kecil.

2.1.1 Penyearah Thyristor Setengah Gelombang Tiga Phasa

Rangkaian penyearah Thyristor setengah gelombang tiga phasa dengan tiga Thyristor Q1, Q2, dan Q3. Katode ketiga Thyristor disatukan menjadi terminal positif, terminal negatif dari kawat netral N, dengan beban resistif RL (Gambar 15). Masing-masing Thyristor mendapatkan pulsa penyalaan yang berbeda-beda melalui UG1, UG2, UG3. Penyearah tiga phasa digunakan untuk mendapatkan nilai rata-rata tegangan keluaran yang lebih tinggi dengan frekuensi lebih tinggi dibanding penyearah satu phasa. Aplikasi dipakai pada pengaturan motor DC dengan daya tinggi. Tegangan DC yang dihasilkan melalui beban resistif RL.

Arus searah negatif kembali ke sekunder trafo melalui kawat N. Tegangan DC yang dihasilkan mengandung ripple. Karena tiap phasa tegangan masukan berbeda 120°, maka pulsa penyulutan diberikan dengan beda phasa 120°.

Pada beban resistif, pengaturan sudut penyalaan trigger α dari 0° sampai 150°. Untuk beban induktif pengaturan sudut penyalaan α antara 0° sampai 90° (Gambar 16).

Gambar 15 Penyearah Thyristor setengah gelombang 3 phasa

Gambar 16 Grafik pengaturan sudut penyalaan

Persamaan tegangan pada beban resistif,

Udα =Udo · cos α Uda = Tegangan searah terkendali

Udo = 0,676 · U Udo = Tegangan DC Diode

U = Tegangan efektif

α = Sudut penyalaan gate

2.1.2 Penyearah Thyristor Setengah Gelombang Tiga Phasa

Penyearah Thyristor tiga phasa terdiri atas enam buah Thyristor Q1, Q2, Q3, Q4, Q5, dan Q6. Katoda dari diode Q1, Q3 dan Q5 disatukan sebagai terminal positif, dan anode dari Thyristor Q4, Q6 dan Q2 disatukan menjadi terminal negatif. Masing-masing Thyristor mendapatkan pulsa penyalaan yang berbeda-beda melalui UG1, UG2, UG3, UG4, UG5, dan UG6. Sebuah beban resistif RL sebagai beban DC (Gambar 17).

Untuk melihat urutan konduksi dari keenam Thyristor dapat dilihat dari gelombang tiga phasa (Gambar 18). Contoh ketika tegangan DC terbentuk dari puncak gelombang UL1L2 yang konduksi Thyristor Q1 + Q6, berikutnya pada puncak tegangan –UL3L1 yang konduksi Thyristor Q1 + Q2 dan seterusnya. Apa yang terjadi jika salah satu dari keenam Thyristor tersebut mati (misalnya Q1) tidak bekerja, dan apa yang terjadi ketika Thyristor Q1 dan Q3 tidak bekerja? Berikan jawabannya dengan melihat gelombang sinusoida di bawah ini.