2. TEORI PENUNJANG 2. 1. Dimmer...mosfet. 2.2. Mosfet . Transistor Mosfet (Metal oxide FET) memiliki...

2. TEORI PENUNJANG

2. 1. Dimmer

Dimmer digunakan sebagai peralatan yang digunakan mengatur terang

redup lampu pijar. Pengaturannya dilakukan dengan mengubah tegangan rms.

Pada umumnya rangkaian dimmer yang digunakan secara luas berbasis thyristor

(triac) dengan diac yang umumnya dipakai sebagai pemicu triac agar on. Dimmer

pada umumnya ini bersifat induktif yang cara kerjanya dengan mengatur sudut

penyalaan dengan cara men-trigger triac dengan rangkaian trigger. Pada saat

setengah gelombang positif dari tegangan AC (positive half cycle), terminal MT2

dan diac mendapat tegangan positif. Ketika terjadi tegangan breakover maka diac

aktif untuk men-trigger triac. Berlaku juga untuk setengah gelombang negatif

tegangan AC (negative half cycle). Terminal MT2 dan diac mendapatkan

tegangan negatif, begitu tegangan breakover tercapai maka diac aktif dan men-

trigger triac.

Gambar 2.1. Rangkaian triac- diac pembagi tegangan beserta gelombangnya

Sumber : Hassul, Zimmerman (1997, p.1027)

4

Universitas Kristen Petra

www.petra.ac.id

http://dewey.petra.ac.id/dgt_directory.php?display=classification

http://digilib.petra.ac.id//help.html

Rangkaian dimmer yang berbasis thyristor tersebut menjadikan sistem

bersifat induktif karena pengaruh dari posisi dan besarnya sudut trigger. Sifat

induktif pada sistem ini dapat menyebabkan timbulnya daya reaktif dan berakibat

memperburuk faktor daya sistem. Oleh karena itu, pada skripsi ini telah

dipikirkan untuk membuat alat dimmer yang tidak memperburuk faktor daya

sistem dengan sudut on dan off sama besar.

Adapun hal-hal yang penting untuk dipelajari dalam pembuatan dimmer

resistif ini adalah, sebagai berikut :

1. Mosfet

Komponen inti yang diperlukan dengan pengaturan on off.

2. Rangkaian kontrol

• Rangkaian penyearah

Penyearah gelombang penuh ini diperlukan untuk menghasilkan

gelombang output yang akan dibandingkan dan menjadi input bagi

rangkaian komparator. Untuk dapat menghasilkan gelombang dc tanpa

ripple diperlukan kapasitor dan diperlukan juga regulator untuk

menstabilkan tegangan.

• Rangkaian komparator

Komparator diperlukan untuk membandingkan 2 input gelombang

sehingga akan dihasilkan gelombang output PWM.

• Rangkaian push pull power amplifier

Rangkaian push pull power amplifier ini diperlukan karena diperlukan

penguatan arus untuk dapat masuk ke gate mosfet.

2.2. Mosfet

Transistor Mosfet (Metal oxide FET) memiliki drain, source dan gate.

Gate terisolasi oleh suatu bahan oksida. Gate sendiri terbuat dari bahan metal

seperti aluminium. Oleh karena itulah transistor ini dinamakan metal-oxide.

Karena gate yang terisolasi, sering jenis transistor ini disebut juga IGFET yaitu

insulated-gate FET


5

Gambar 2.2. Simbol MOSFET, (a) tipe-n (b) tipe-p

Sumber : Hamonangan (2009, p.1)

Ada dua jenis mosfet, yang pertama jenis depletion-mode dan yang kedua

jenis enhancement-mode. Dalam pengaplikasiannya, depletion mode mosfet tidak

banyak digunakan. Jenis mosfet enhancement-mode adalah komponen utama dari

gerbang logika dalam bentuk ic (integrated circuit), uC (micro controller) dan uP

(micro processor) yang tidak lain adalah komponen utama dari komputer modern

saat ini.

2. 2. 1. Mosfet Depletion-Mode

Gambar 2.3. Struktur mosfet depletion-mode

Sumber: Hamonangan (2009, p.1)

Pada channel semikonduktor tipe n terdapat semikonduktor tipe p, supaya

elektron dapat mengalir dari source menuju drain maka terdapat sedikit sisa

celah. Gate terbuat dari metal (seperti aluminium) dan terisolasi oleh bahan

oksida tipis SiO2 yaitu kaca.


6

Gambar 2.4. Kurva drain transistor mosfet depletion-mode

Sumber: Hamonangan (2009, p.1)

Dari kurva ini terlihat jelas bahwa transistor mosfet depletion-mode dapat

bekerja (on) mulai dari tegangan VGS negatif sampai positif. Terdapat dua daerah

kerja, yang pertama adalah daerah ohmic dimana resistansi drain-source adalah

fungsi dari (Hamonangan 1) :

RDS(on) = VDS/IDS (2.1) Jika tegangan VGS tetap dan VDS terus dinaikkan, transistor selanjutnya

akan berada pada daerah saturasi. Jika keadaan ini tercapai, arus IDS adalah

konstan. Tentu saja ada tegangan VGS(max), yang diperbolehkan. Karena jika lebih

dari tegangan ini akan dapat merusak isolasi gate yang tipis atau dengan kata lain

merusak transistor itu sendiri

2.2.2. Mosfet Enhancement-Mode

Gambar 2.5. Struktur mosfet enhancement-mode



7

Mosfet enhancement-mode memiliki gate yang terbuat dari metal

aluminium dan terisolasi oleh lapisan SiO2 sama seperti transistor mosfet

depletion-mode. Perbedaaan struktur yang mendasar adalah substrat pada

transistor mosfet enhancement-mode sekarang dibuat sampai menyentuh gate.

Gambar 2.6. Kurva drain e-mosfet


Pada kurva drain transistor e-mosfet, VGS semua bernilai positif. Garis

kurva paling bawah adalah garis kurva dimana transistor mulai on. Tegangan VGS

pada garis kurva ini disebut tegangan threshold VGS(th). Parameter yang penting

pada transistor e-mosfet adalah resistansi drain-source karena transistor mosfet

umumnya digunakan sebagai saklar (switch). Umumnya yang tercantum pada

datasheet adalah resistansi pada saat transistor on, resistansi ini dinamakan RDS(on).

Untuk aplikasi power switching, semakin kecil resistansi RDS(on) maka semakin

baik transistor tersebut. Karena akan memperkecil rugi-rugi disipasi daya dalam

bentuk panas.

2. 3. Rangkaian Kontrol

Rangkaian kontrol merupakan rangkaian yang menjalankan mosfet.

Rangkaian kontrol terdiri dari rangkaian penyearah, komparator, dan push pull

power amplifier.


8

2.3.1. Rangkaian Penyearah

Rangkaian penyearah gelombang penuh di sini ada 2 versi yaitu Full wave

center tapped rectifier dan Full wave bridge rectifier. Dalam penyearahan akan

diperlukan kapasitor untuk mengatasi arus ripple dan regulator untuk

menstabilkan tegangan.

2.3.1.1. Full Wave Center Tapped Rectifier

Full wave center tapped rectifier adalah sebuah kombinasi dua penyearah

setengah gelombang dengan sebuah center tapped transformer

Gambar 2.7. Full wave center tapped rectifier

Sumber : Aminian, Kazimierczuk (2004, p.47)

Berdasarkan gambar, rasio perbandingan trafonya adalah 10 :1, nilai v2

adalah 12 V(rms) dengan tegangan puncak mendekati 17 V (Aminian, dan

Kazimierczuk 48).

v2(p) = 2 v2(rms) = 1, 414 x 12 V = 16, 97 V (2.2)

Pada saat setengah gelombang positif dari tegangan AC (positive half

cycle), Untuk sinyal input dari setengah gelombang positif dari tegangan AC

(positive half cycle), dioda D1 forward-biased dan dioda D2 adalah reverse biased


9

Gambar 2.8. Rangkaian equivalent dari center tapped rectifier dan output dari

positive half cycle


Untuk mendapatkan nilai vo(p) (Aminian, dan Kazimierczuk 48)

vo(p) = 0,5 v2(p) – 0,7 V = 8,5 V – 0,7 V= 7,8 V (2.3)

Pada saat setengah gelombang negatif dari tegangan AC, untuk sinyal

input dari setengah gelombang negatif dari tegangan AC (negative half cycle),

dioda D2 foward biased dan dioda D1 adalah reverse biased.

Gambar 2.9. Rangkaian equivalent dari center tapped rectifier dan output dari

negative half cycle


Untuk setengah cycle positif dan negatif, arus output mengalir dalam arah

yang sama melalui RL dan Vo bernilai positif terhubung dengan ground. Dengan

kombinasi dari 2 output untuk cycle positif dan negatif maka akan didapatkan

output dari penyearah gelombang penuh.


10

Gambar 2.10. Output dari penyearah gelombang penuh



vo(p) = 0,5 v2(p) – 0,7 V = 8,5 V – 0,7 V= 7,8 V (2.4)

Rumus untuk mendapatkan nilai tegangan dc pada penyearah gelombang

penuh adalah sebagai berikut (Aminian, dan Kazimierczuk 49) :

Vo(DC) = π

)(2 pvo = 0, 6366 x 7, 8 V = 4.965 V (2.5)

2. 3.1.2. Full Wave Bridge Rectifier

Ada 4 dioda yang diperlukan untuk menyusun rangkaian full wave bridge

rectifier.

Gambar 2.11. Full wave bridge rectifier


Jika rasio dari trafo adalah 10 : 1, nilai v2 adalah 12 V (rms) dengan tegangan

puncak mendekati 17 V (Aminian, dan Kazimierczuk 50)

v2(p) = 2 v2(rms) = 1, 414 x 12 V = 16, 97 V (2.6)


11

Pada saat setengah gelombang positif dari tegangan AC (positive half

cycle), Untuk sinyal input dari setengah gelombang positif dari tegangan AC

(positive half cycle), diode D2 adan D3 forward-biased dan dioda D1 dan D4

adalah reverse biased

Gambar 2.12. Rangkaian equivalent dari full wave bridge rectifier dan output dari

positive half cycle



vo(p) = v2(p) – 1,4 V = 17 V – 1,4 V= 15,6 V (2.7)

Pada saat setengah gelombang negatif dari tegangan AC, untuk sinyal

input dari setengah gelombang negatif dari tegangan AC (negative half cycle),

diode D2 dan D3 foward biased dan dioda D1 dan D4 adalah reverse biased

Gambar 2.13. Rangkaian equivalent dari full wave bridge rectifier dan output dari

negative half cycle


Dengan menggabungkan 2 output dari setengah gelombang positif dari

tegangan AC (positive half cycle) dan negatif dari tegangan AC (negative half

cycle) , maka akan didapatkan output dari gelombang penuh.


12

Gambar 2.14. Gelombang output dari full wave bridge rectifier


Nilai rata-rata dc dari gelombang output adalah (Aminian, dan Kazimierczuk 52)

Vo(DC) = π

)(2 pvo = 0, 6366 x 15,6 V = 9,93 V (2.8)

Pada rangkaian penyearah membutuhkan filter. Filter digunakan sebagai

penyaring arus ripple, karena akibat proses penyearahan masih terdapat arus AC

sehingga memiliki arus ripple. Filter yang digunakan adalah filter dengan

kapasitor. Filter ini mampu membentuk bentuk gelombang tegangan keluarnya

bisa menjadi rata.

Gambar 2.15. Operasi filter kapasitor dan gelombang output-nya

Sumber : Boylestad, Nashelsky (1992, p.776)


13

Tegangan ripple dapat dihitung berdasarkan rumus (Boylestad, dan Nashelsky

777) :

Vr(rms) = fC

Idc34

= CIdc4.2 =

RlCVdc4.2 (2.9)

Dimana, I dc dalam miliampere, C dalam mikrofarad, dan RL dalam kilohm

Rangkaian penyearah baik apabila tegangan ripple-nya kecil namun masih

ada permasalahan dalam stabilitas apabila tegangan PLNnya naik dan turun. Jika

tegangan PLN naik/turun, maka tegangan outputnya juga akan naik/turun. Oleh

karena itu, diperlukan komponen aktif yang dapat meregulasi tegangan keluaran

ini menjadi stabil. Dalam rangkaian power supply maka IC Regulator tegangan ini

dipakai untuk stabilnya output-an tegangan.

Berikut susunan kaki IC regulator tersebut. Misalnya 7805 adalah

regulator untuk mendapat tegangan +5 volt, 7812 regulator tegangan +12 volt dan

seterusnya. Sedangkan seri 79XX misalnya adalah 7905 dan 7912 yang berturut-

turut adalah regulator tegangan -5 dan -12 volt.

Gambar 2.16. Susunan kaki ic regulator

Sumber : cnt-121 (2007, p.1)

2.3.2. Komparator

Sebuah komparator pada dasarnya merupakan rangkaian yang digunakan

untuk mengindera atau mendeteksi kondisi dimana sebuah sinyal yang berubah

terhadap waktu telah mencapai nilai tegangan ambangnya ( threshold ). Sebuah


14

rangkaian komparator dapat dibangun dengan menggunakan IC komparator (IC

yang memang didedikasikan secara khusus untuk fungsi komparator). IC ini pada

dasarnya sama seperti op-amp, dengan perbedaan adalah memiliki keluaran-

keluaran yang dapat beralih dengan cepat dan pada umumnya digunakan untuk

penggerak rangkaian digital.

Rangkaian komparator memiliki sebuah penguat diferensial pada sisi

masukannya, adapun keluarannya merupakan sebuah tingkat penggerak untuk

mencapai keadaan yang dapat beralih nilainya. Sebuah rangkaian komparator

yang paling sederhana memiliki tegangan sinyal yang dikenakan langsung pada

salah satu dari terminal masukannya, sementara terminal masukan lainnya

dikenakan tegangan referensi.

Prinsip kerja dari sebuah rangkaian komparator dengan op-amp tunggal

dapat dilihat dari gambar dibawah ini.

Gambar 2.17 . Komparator dengan op-amp tunggal

Sumber: Clayton, Winder (2003, p.187)

Dari gambar di atas dapat dilihat bahwa konfigurasi op-amp yang

digunakan adalah konfigurasi loop terbuka ( tanpa umpan balik ). Keluaran

rangkaian akan bertransisi di antara keadaan-keadaan saturasinya pada saat sinyal

masukan melampaui sebuah nilai tegangan yang sama dengan Eref, Tegangan

referensi / Eref tidak boleh melebihi tegangan mode common maksimum jika

komponen yang digunakan pada rangkaian adalah sebuah op-amp. Pertukaran

pada hubungan sinyal dan masukan referensi akan berakibat pada perubahan

polaritas keluaran yang dihasilkan.

2. 3.4. Push Pull Power Amplifier


15

Rangkaian push pull ini menggunakan transistor yaitu transistor npn yang

dipasangkan dengan transistor pnp. Rangkaian ini memiliki dua catu daya dan

beban resistor yang dihubungkan pada emitter transistor. Ketika sinyal inputnya

positif, transistor npn mempunyai tegangan positif pada emitter yang

dibandingkan dengan 0 V pada sisi beban. Arus mengalir melewati beban ke line

0 V. Arus tersebut di dorong melewati beban. Ketika sinyal input negatif, kolektor

pada transistor pnp dibanding dengan titik nol. Arus mengalir dari 0 V melewati

beban menuju transistor pnp. Arus ditarik melewati beban.

Gambar 2.18. Arus yang didorong melewati transistor npn dan beban

Sumber : Antonine Education (n.d.,p.1)

Gambar 2.19. Arus yang ditarik melalui trasistor pnp dan beban

Sumber : Antonine Education (n.d.,p.1)


16

Ketika input dalam keadaan turn on, sinyal input menjadi positif dan

transistor NPN menjadi aktif. Karena tegangan basis positif, transistor PNP (Q2)

akan cut-off. Karena input diambil dari emitter, tegangan output akan mengikuti

tegangan input.

Gambar 2.20. Transistor npn aktif dan gelombangnya


Ketika sinyal input menjadi negatif, transistor PNP(Q2) aktif. Karena

tegangan basis adalah negatif, transistor NPN(Q1) adalah cut-off

Gambar 2.21. Transistor pnp aktif dan gelombangnya


Dengan mengabaikan emitter dioda voltage drop. Pada rangkaian ini

hanya satu transistor saja yang on pada saat tertentu. Satu transistor mensuplai

positif output dan yang satunya mensuplai negatif output.


17


18

Gambar 2.22. Rangkaian push pull power amplifier dan gelombang


2. TEORI PENUNJANG 2. 1. Dimmer...mosfet. 2.2. Mosfet . Transistor Mosfet (Metal oxide FET) memiliki...

Documents

Transcript of 2. TEORI PENUNJANG 2. 1. Dimmer...mosfet. 2.2. Mosfet . Transistor Mosfet (Metal oxide FET) memiliki...