BAB I GELOMBANG LISTRIK

BAB I

GELOMBANG LISTRIK

Tujuan Pengajaran:

a. Memahami bentuk gelombang yang dibutuhkan untuk masukan peralatan elekronika dan beban.

b. Memahami bentuk gelombang yang dibutuhkan untuk sinyal-sinyal kendali c. Memahami bentuk gelombang untuk sinyal-sinyal daya

d. Memahami bentuk gelombang yang benar, yang cacat, dan yang salah. e. Mengerti dan memahami perkembangan power supply masa datang

f. Mengerti dan memahami rangkaian penyearah tanpa regulasi dan dengan re-gulasi

g. Mengerti dan memahami rangkaian penyearah dengan inputan listrik jala-ja-la 1 fasa dan 3 fasa.

h. Dapat menganalisis loop arus dan tegangan secara sederhana, converter dc-dc dan inverter dc-dc-ac

i. Dapat mengetahui, memahami, menentukan arus dan tegangan masukan, ke-luaran, switch, inductor, dioda.

j. Dapat mengetahui, memahami, bentuk gelombang arus, kontinyu, diskonti-nyu, batas antara kontinyu dan diskontinyu.

1.1. Uraian singkat isi bab a. Gelombang jala-jala satu fasa b. Geolombang jala-jala 3 fasa

c. Gelombang penyearah ½ gelombang d.

f. Gelombang sinyal PWM g. Gelombang Driver

h. Gelombang Konverter DC-DC i. Gelombang Inverter

1.2. Kasus yang sering terjadi

a. Pernahkah anda berpikir, beban apa saja yang selalu ON (menyala listrik-nya) di rumah anda karena malas mematikan. Misalnya lampu dapur, lampu tangga, atau yg lain misalnya telivisi dalam kondisi stanby sangat lama, computer yang power suplynya ON terus, Pesawat tilpun dengan adaptor, kulkas, stavolt, charger peralatan elektronik, AC DLL. Pernah berpikir ini termasuk jenis beban apa, efektifkah kelakuan ini terhadap umur alat dan penghematan energi, dan gangguan thd pemakai lain bagaimana pengaruh nya terhadap rugi-rugi.

b. Beban yang digunakan sudah lebih sedikit dari daya yang tertulis di plate pelanggan PLN, namun fuse pembatas arus tetap putus.

c. Mengapa dimensi power suply dengan beban sama, makin lama lebih kecil untuk daya yang sama.

1.3. Power Suply masa depan a. Frekwensi makin tinggi b. Berat makin ringan c. Dimensi makin kecil

d. Kinerja makin bagus/Beban makin awet e. Terkait dng kebutuhan beban

f. Tegangan makin kecil tapi harus stabil g. Arus makin besar

i. Makin aman

j. Tegangan makin stabil

k. Range tegangan yg dapat dikendalikan makin

1.4. Pentingnya memahami bentuk Gelombang

a. Dapat lebih mudah memahami perilaku rangkaian listrik dan elektronik. b. Dapat lebih mudah memahami karakter/sifat komponen semikonduktor aktif

dan pasive.

c. Lebih mudah dalam pekerjaan desain elektronik d. Lebih mudah melakukan pekerjaan pengukuran

e. Lebih mudah membuat awet umur pemakaian peralatan elektronik f. Lebih hemat dalam pemakaian daya

g. Dapat mudah mengembangkan rangkaian inovatif h. Dapat mengurangi berat dan volume alat Power Suply.

1.5. Ragam Sinyal listrik a. Gelombang AC murni b. Simetris

c. Tidak Simetris

d. Apa gejalanya ditinjau dari Volt meter DC e. Apa gejalanya ditinjau dari Volt meter AC f. Gelombang AC mengandung DC

g. Apa gejalanya ditinjau dari Volt meter DC h. Apa gejalanya ditinjau dari Volt meter AC i. Gelombang DC mengandung AC

k. Apa gejalanya ditinjau dari Volt meter AC l. Gelombang DC

m. DC murni Smoot n. DC Murni ber-ripple

o. Apa gejalanya ditinjau dari Volt meter DC p. Apa gejalanya ditinjau dari Volt meter AC

q. Besaran aliran/gelombang listrik dalam kondisi steadystate r. Rata-rata Tegangan/Arus

s. Efektif Tegangan/Arus

1.6. Gelombang/Sinyal AC murni dan simetris 1 a. Perhatikan Gambar 1.1.

b. Dikatakan bentuk simetris karena bentuk sisi positip dan negatip sama. c. Dikatakan murni karena luas positip (merah) dan Negatip (hijau) sama. Ini

mengakibatkan VAC rata-rata = 0

d. Gelombang ini kalau diukur dengan multimeter AC akan ditunjukan nilai e-fektifnya atau nilai RMS-nya. Rumus mathematikannya dpt ditunjukkan di persamaan 1:

V = ∫ V sin(2πft) dt a.1

V = −2 ( ) a.2

V = 0,707V 1

e. Jika diukur dengan multimeter DC akan ditunjukkan nilai rata-ratanya. Ru-mus mathematikanya ditunjukkan di persamaan 2. Nilai ini akan sama de-ngan NOL karena luasan warna merah dan hijau sama dan saling menghi-langkan.

= ∫ sin 2 2

= −1

2×

−1 + cos( 2 )

= 0 2a

Gambar 1.1. Sinyal AC berbentuk sinus f. Perhatikan Gambar 1.1.

g. Dikatakan bentuk simetris karena bentuk sisi positip dan negatip sama. h. Dikatakan murni karena luas positip (merah) dan Negatip (hijau) sama. Ini

mengakibatkan VAC rata-rata = 0. Lihat persamaan 2a.

i. Gelombang ini kalau diukur dengan multimeter AC akan ditunjukan nilai e-fektifnya atau nilai RMS-nya. Rumus mathematikannya dpt ditunjukkan di persamaan 1:

1.7. Gelombang/Sinyal AC murni tetapi tidak simetris bentuk kotak a. Lihat Gambar 1.2.

b. Dikatakan bentuk tidak simetris karena bentuk sisi positip (merah) dan ne-gatip (hijau) tidak sama.

c. Dikatakan murni karena luas positip (merah) dan Negatip (hijau) sama. Ini mengakibatkan VAC (rata-rata) = 0, lihat persamaan 3. Namun tetep ada nilai

Gambar 1.2. Sinyal AC murni berbentuk kotak tetapi tidak simetris

Analisa Gambar 1.2 ditunjukan di proses mathematika di bawah ini

V

=

∫ ∫ ( )

3a

V

=

( ) 3b

V = 1

T ( V ) dt + ( V ) dt

1.8. Gelombang/Sinyal AC murni dan simetris bentuk kotak a. Perhatikan Gambar 1.3.

b. Dikatakan bentuk simetris karena bentuk sisi positip dan negatip sama. Nilai efektifnya dapat dilihat di persamaan 6.

c. Dikatakan murni karena luas positip (merah) dan Negatip (hijau) sama. Ini mengakibatkan VAC (rata-rata) = 0 lihat persamaan 5

V

=

∫

dt

+

∫ −

dt

5

Gambar 1.3.. Sinyal AC murni berbentuk kotak dan simetris

=

∫

+

∫ −

6a

V

=

6b

1.9. Gelombang DC murni beripple

a. Dikatakan DC murni karena tidak mempunyai sisi negatip atau tidak mempunyai sisi positip. Lihat Gambar 1.5. dan Gambar 1.6.

b. Kebanyakan berasal dari listrik Jala-jala yang disearahkan. Lihat Gambar 1.5.

c. Keluaran mempunyai puncak dan lembah yang jelas. Lihat Gambar 1.5.. d. Mempunyai nilai rata-rata VM. Lihat Gambar 1.5., lihat persamaan 7

V = 1 V sin 2 π ft dt

V = − { ( ) }= 0,318V 7

Gambar 1.4.. Rangkaian penyearah ½ gelombang

Gambar 1.5.. Menunjukan adanya nilai puncak dan lembah

e. Karena dioda akan ON jika ada Tegangan positip di Anode-Katode, maka dapat disimpulkan bahwa frekwensi switching penyearah ini adalah 50 Hz. f. Pada sisi keluaran juga perubahan puncak dan lembah 50 kali perdetik, ini

dapat disimpulkan bahwa frekwensi switching juga sebanyak 50 kali perde-tik atau 50 Hz.

V_DC

Waktu

½ T T

V_DC

Waktu

½ T T

V

_M

Gambar 1.6.. Gelombang keluaran rangkaian Gambar 1.4.

AC V_M (RMS) VM (RMS) VM (DC)

1:1

V_DC

Waktu

½ T T

Puncak

g. Gambar 1.6. menunjukan tegangan atau arus dengan konduksi diskontinyu. Di mana arus pernah mencapai nol beberapa saat.

1.10. Gelombang DC murni dengan ripple lebih banyak

a. Frekwensi riple perlu ditingkatkan karena dapat menghemat filter dan menghemat ruangan (dimensi ukuran power suply lebih kecil untuk arus yang sama). Frekwensi riple dapat ditingkatkan dengan memodifikasi rang-kaian. Lihat Gambar 1.7. dan Gambar 1.4.. Perhatikan Jumlah Dioda di Gambar 1.4. dan Gambar 1.7. dan perhatikan dalam satu periode masing-masing dioda ON dan OFF berapa kali. Masing-masing-masing Dioda ON dan OFF 50 kali sesuai dengan sinyal warna merah dan pink. Lihat Gambar 1.8, Gambar 1.9, dan Gambar 1.10.

Gambar 1.7.Rangkaian penyearah gelombang penuh.

b. Untuk konduksi arus pada batas konduksi antara kontinyu dan diskontinyu dapat meningkatkan nilai rata-rata arus. Lihat Gambar 1.10..

c. Di sisi keluaran frekwensi riple menjadi 100 Hz. Lihat Gambar 1.10.. d. Nilai VM1 ditunjukkan pada persamaan 8

V = 2

T V sin2π ft dt

Gambar 1.8.. Saat ½ cyklus pertama atau saat tegangan positip

Gambar 1.9.. Saat ½ cyklus kedua atau saat tegangan positip

Gambar 1.10.. Gelombang masukan dan keluaran

e. Gambar 1.10. menunjukkan gelombang dengan konduksi pada batas antara kontinyu dan diskontinyu.

1.11. Gelombang DC murni dengan penyearah multifasa a. Masukan berasal dari Jala-jala (PLN) 3 fasa.

VM (RM S)

1:1

D1

D2 D₃

D4

VM 1

+ Nol M Vˆ M V T 2

1 _{T T}

2 3

1 M

b. Frekwensi switching tetap 50 Hz.

c. Frekwensi riple sampai lebih dari 3 kali dari frekwensi switchingnya

Gambar 1.11.. Rangkaian penyearah 3 fasa

Gambar 1.12.. Dioda D1 ON

Gambar 1.13.. Dioda D2 ON n

V_a

V_c

V_O1(R_beban)

V_b

n

V_a

V_c

V_O1(R_beban)

V_b

D₁

D₂

Gambar 1.14.. Dioda D3 ON

d. Dari Gambar 1.15., perhatikan kurva dengan warna merah, dari detik ke 0 sampai deik ke 0.02 detik hanya ON satu kali (sinyal warna pink). Perhati-kan kurva dengan warna hijau, dan biru masing-masing ON hanya satu kali selama 0.02detik.

Gambar 1.15.. Gelombang keluaran

e. Gelombang bebannya adalah yang berwarna pink. Dapat disimpulkan bah-wa gelombang itu berkonduksi kontinyu

1.12. Meningkatkan frekwensi riple dari penyarah 3 fasa

a. Rangkaian lebih rumit dan membutuhkan komponen yang lebih banyak. Li-hat Gambar 1.16.

b. Perhatikan Gambar 1.17.a.1 (satu) periode di mulai dari detik ke 0 (nol) sampai dengan waktu ke 20 (dalam mili detik).

Gambar 1.16.. Rangkaian penyearah 3 Fasa dng tambahan dioda

Gambar 1.17.. Dioda D1, D5 dan D6

c. Perhatikan warna biru, itu menunjukkan Tegangan Va yang menyebabkan

Dioda D1 ON saat waktu a sampai dengan waktu c. Dan selama 0 sampai

20.00 milidetik, hanya ON satu kali, sehingga Diode D1 da D6 mengalami

frekwensi switching sebanyak 50 kali perdetik atau 50 Hz.

d. Demikian juga untuk sinyal warna pink, dan hijau, saat detik a-c, sinyal hijau dan merah lebih rendah, ini mengakibatkan D5 dan D6 ON dan karena

mengalami tegangan balik D2 Dan D3 OFF.

e. Dioda D4 OFF karena mengalami tegangan NOL.

Va

Vb

V_C

D₁

D4

D₂

D5

D₃

D6

R beban 1

Gambar 1.17.a. Sinyal Gambar 1.17. perhatikan waktu a-c.

Gambar 1.18. Dioda D2, D4 dam D6

f. Perhatikan Gambar 1.18a.1 (satu) periode di mulai dari detik ke 0 (nol) sam-pai dengan waktu ke 20 (dalam mili detik).

g. Perhatikan warna hijau, itu menunjukkan Tegangan Vb yang menyebabkan

Dioda D2 D6, D4 ON saat waktu 0-a dan e-20 mdetik. Dan selama 0 sampai

20.00 milidetik, masing-masing hanya ON satu kali, sehingga Diode D2, D4,

dan D6 mengalami frekwensi switching sebanyak 50 kali perdetik atau 50

Hz.

h. Demikian juga untuk sinyal warna pink, dan biru, saat detik 0-a dan f-20 mi-li second.sinyal biru lebih rendah, ini mengakibatkan D1 dan D3 OFF,

kare-na mengalami tegangan balik.

Gambar 1.18a. Perhatikan waktu 0-a dan e-20 mdetik

j. Perhatikan Gambar 1.19a.1 (satu) periode di mulai dari detik ke 0 (nol) sam-pai dengan waktu ke 20 (dalam mili detik).

k. Perhatikan warna pink, itu menunjukkan Tegangan Vc yang menyebabkan

Dioda D3 D5, D4 ON saat waktu 0-a dan e-20 mdetik, dan selama 0 sampai

20.00 milidetik, masing-masing hanya ON satu kali, sehingga Diode D2, D4,

dan D6 mengalami frekwensi switching 50 kali perdetik atau 50 Hz.

l. Demikian juga untuk sinyal warna hijau, dan biru, saat detik c-e, ini menga-kibatkan D1 dan D2 OFF, karena mengalami tegangan balik.

m. Dioda D6 OFF karena mengalami tegangan NOL.

Gambar 1.19a. perhatikan waktu c-e

Gambar 1.20. Gelombang masukan dan keluaran rangkaian Gambar 1.16.

Latihan Soal

Jawablah pertanyaan di dalam kotak

a. Bedakan dan jelaskan frekwensi switching dan frekwensi ripple

c. Mengapa jika beban tegangannya kecil misalnya tegangan 2,7 Volt stabil, kinerja kontrolnya relatip harus akurat.

d. Jelaskan bahwa beban masa depan tegangan makin kecil tetapi arusnya makin besar.

f. Anda mendesain suatu alat yang bekerja dengan system elektronik. Perlukah anda mengetahui, memahami bentuk gelombang yang terjadi di semua lini?. Jelaskan?

g. Bagaimana cara mengurangi berat dan volume untuk arus beban yang sama?

i. Gambarkan gelombang AC murni tidak simetris

j. Gambarkan gelombang AC mengandung DC

k. Gambarkan gelombang DC murni tanpa riple

m. Bagaimana cara mengukur tegangan AC jelaskan!

n. Bagaimana cara mengukur tegangan DC jelaskan

p. Bagaimana menghitung nilai RMS (efektif)

q. Bagaimana menghitung nilai rata-rata?

r. Bagaimana cara meningkatkan frekwensi switching pada rangkaian penyearah?

t. Frekwensi switching penyearah di Indonesia dibandingkan frekwensi switching penyearah di Jepang, apakah berbeda atau sama. Jelaskan

u. Apakah guna kita menghitung frekwensi riple? Jelaskan.

17

c. Mengapa jika beban tegangannya kecil misalnya tegangan 2,7 Volt stabil,

kinerja kontrolnya relatip harus akurat.

d. Jelaskan bahwa beban masa depan tegangan makin kecil tetapi arusnya

makin besar.

f. Anda mendesain suatu alat yang bekerja dengan system elektronik. Perlukah anda mengetahui, memahami bentuk gelombang yang terjadi di semua lini?. Jelaskan?

g. Bagaimana cara mengurangi berat dan volume untuk arus beban yang sama?

19

i. Gambarkan gelombang AC murni tidak simetris

j. Gambarkan gelombang AC mengandung DC

k. Gambarkan gelombang DC murni tanpa riple

m. Bagaimana cara mengukur tegangan AC jelaskan!

n. Bagaimana cara mengukur tegangan DC jelaskan

21

p. Bagaimana menghitung nilai RMS (efektif)

q. Bagaimana menghitung nilai rata-rata?

r. Bagaimana cara meningkatkan frekwensi switching pada rangkaian

penyearah?

switching penyearah di Jepang, apakah berbeda atau sama. Jelaskan

u. Apakah guna kita menghitung frekwensi riple? Jelaskan.