APLIKASI THYRISTOR UNTUK PENGATUR TEGANGAN AC/DC

APLIKASI THYRISTOR UNTUK PENGATUR TEGANGAN AC/DC

Berkembangnya teknologi elektronika daya, khususnya dengan adanya penemuan Thyristor, maka pemanfaatan konverter dan inverter merupakan sebuah solusi pemutakhiran pengendali kelistrikan, misalnya dalam pengaturan tegangan ac / dc yang mudah, luwes, praktis, dan ekonomis

1.         Pendahuluan

Berkembangnya teknologi elektronika daya, khususnya dengan adanya penemuan Thyristor,
maka pemanfaatan konverter dan inverter merupakan sebuah solusi pemutakhiran pengendali kelistrikan, misalnya dalam pengaturan tegangan ac / dc yang mudah, luwes, praktis, dan ekonomis.

Thyristor khususnya SCR (silicon controlled rectifier) memiliki 3 buah elektroda: anoda (A), katoda (K), dan gate (G) merupakan piranti elektronik yang banyak diterapkan pada rangkaian elektronika daya. Di dalam konverter arus bolak-balik thyristor merupakan komponen utama, melalui pengendalian sinyal picu (trigger), maka  besarnya sudut konduk = ∠ϕ (conduction angle) dan sudut picu = ∠α (firing delay angle) dapat diatur.

Rangkaian dasar: SCR, beban (RL), dan sumber tegangan (Us) diperlihatkan pada gambar 1.a), sedangkan gambar 1.b) memperlihatkan bahwa pada sudut konduk SCR = 1200 maka sudut picu = 600  → (interval 1800 adalah ∠ϕ + ∠α).

                          

Gambar 1.  Rangkaian Dasar: SCR, Sudut Picu, dan Sudut Konduksi

2.         Semi-konverter Thyristor

Semi-konverter thyristor merupakan sistem penyearah 1 fasa gelombang penuh atau konverter 1 fasa terkendali gelombang penuh (Half Controlled Single-phase Bridge Rectifier), yaitu penyearah jembatan (bridge rectifier) yang menggunakan 2 buah thyristor (SCR) dan 2 buah dioda yang diatur/dikendalikan kondukfitasnya melalui pemicu.

Gambar 2. dan gambar 3. berikut ini menunjukkan prinsip kerja semi-konverter thyristor 1 fasa tersebut.

 

 Gambar 2. Rangkaian Fullwave Semi Konverter

Pada interval ½ gelombang positive tegangan sumber (A+ dan B-), arus akan mengalir melalui rangkaian seri : dari titik A → dioda D1 →Load → thyristor T1 → titik B, selanjutnya dengan adanya sinyal picu (trigger) maka thyristor T1 konduksi pada ωt = ∠α. Dalam interval ini dioda D2 dan thyristor T2 kondisi reverse bias.

Pada interval ½ gelombang negative berikutnya (A- dan B+), arus akan mengalir melalui rangkaian seri : dari titik B → dioda D2 → Load →thyristor T2 → titik A, selanjutnya dengan adanya sinyal picu (trigger) maka thyristor T2 konduksi pada π+ωt = ∠α. Dalam interval ini dioda D1 dan thyristor T1 kondisi reverse bias.

Demikian seterusnya sehingga diperoleh output tegangan DC gelombang penuh yang dapat diatur (UDC variabel), melalui pengendalian thyristor T1 dan T2.

 

 Gambar 3.  Bentuk Gelombang ∠α, ∠ϕ, dan IG

           Semi-konverter Thyristor

Dioda Dm           disebut freewheeling dioda bersifat optional dalam rangkaian, Dm sangat diperlukan khususnya jika beban bersifat induktif. Apabila Um adalah tegangan maksimum dari UAC, maka tegangan keluaran rata-rata UDC  adalah  :

       

UDC dapat diatur dari 0 volt sampai dengan  vot melalui pengendalian α;

(nilai α adalah 0 < α < π). Dari persamaam tersebut maka tegangan keluaran adalah nol apabila α = 1800 dan akan menjadi maksimum apabila α = 00.

3.         Rangkaian Pemicu (Trigger) pada Frekuensi AC-50 Hz

Pemanfaatan UJT secara konvensional sebagai pemicu SCR melalui rangkaian relaxation osilator merupakan pilihan yang tepat, rangkaian relaxation oscillator uni junction transistor (RO-UJT) dirancang agar sinyal/pulsa yang dihasilkan senantiasa sinkron terhadap interval tegangan sumber AC (power supply), serta mampu menghasilkan daerah pengaturan sudut penyalaan (α) atau sudut (ϕ) konduksi antara 00 sampai dengan 1800, rangkaiannya sebagaimana pada gambar 4 berikut:

 

Gambar 4.  Rangkaian RO-UJT Pemicu SCR

Data teknis yang merupakan persyaratan / pertimbangan dalam perancangan rangkaian RO-UJT adalah: tegangan AC 220 volt / 50 Hz, UJT (misal 2N2646), tegangan bias RO-UJT (misal 12 volt dc)

Untuk menghasilkan sinyal picu yang tetap sinkron terhadap perioda tegangan sumber AC (Us), maka tegangan pencatu rangkaian RO-UJT adalah tegangan dc rata yang secara periodik “off” dan sinkron terhadap Us tersebut. Hal ini dapat dipenuhi melalui rangkaian seri tahanan (Rz) dan zener dioda (Dz) yang dihubungkan pada sumber dc gelombang penuh hasil penyearahan Us melalui dioda jembatan DB, selanjutnya tegangan output Dz (= Uz) digunakan sebagai pencatu RO-UJT yaitu titik C-D..

Berikut ini rancangan / perhitungan / pendekatan untuk menentukan komponen rangkaian pemicu

a.         Penyearah gelombang penuh menggunakan dioda bridge (DB).

DB menyearahkan tegangan sumber AC 220 volt dan dibebani rangkaian RO-UJT yang memerlukan arus maksimum 50 mA, maka tegangan kerja DB > (1,41 x 220 V) dan arus kerja > 50 mA; → DB = 400 V / 500mA.

b.         Zener dioda (Dz) dan tahanan depan zener (Rz),

Tegangan bias RO-UJT = 12 V,  maka Rz  dan Dz sebagai berikut :

↳▪▪Zener dioda (Dz) = 12 V / 0,5 W; yaitu 1N4742 atau sejenis.

↳▪▪Tahanan depan zener (Rz),  

    

PRz = Iz2 x Rz = (0,04)2 x 7475 = 11,96 watt

Rz yang digunakan pada rangkaian adalah 10 kΩ / 10 W.

c.         Spesifikasi komponen rangkaian RO-UJT.

↳▪▪UJT adalah type 2N2646, dengan data sebagai berikut :

η      = 0,56 -- 0,75              IE rms = 50 mA

Ip     = 5 μA                         IV         = 4 mA

UBB = 35 V                                     UV        = 2 V

rB1   = 5,8 kΩ                                  rB2        = 3,4 kΩ

↳▪▪Untuk perancangan range frekuensi dan stabilitas RO-UJT, ditetapkan CE = 0,1 μF, dan R2 = 560 Ω.

↳▪▪Penentuan nilai tahanan RE dan potensiometer RP .

Telah dibahas dalam bab sebelumnya bahwa harga UP dapat dihitung, dan agar RO-UJT dapat berosilasi REmin < RE < REmax.

  

Frekuensi ac yang dikendalikan (fAC) = 50 Hz, maka TAC = 20 ms

Daerah kerja RO-UJT  00 ∼1800 = ½ TAC = 10 ms, artinya TRO-UJT= 0 ~ 10 ms,

, untuk η = 0,63  → 

10 ms = RP x 0,1 μF  → RP = 10.10-3 / 0,1.10-6 = 100 kΩ

RE pada rangkaian merupakan RE.min ≥ 2500 Ω   → RE =  2700 Ω / ½ W.

RP pada rangkaian (≈ RE + RP) = RE.max ≤ 888 kΩ → RP = 100 kΩ / ½ W.

d.        Trafo pulsa pemicu thyristor

Pulsa tajam positip yang dihasilkan pada basis 1 (B1) dimanfaatkan untuk pemicu thyristor, karena RO-UJT merupakan rangkaian elektronik yang bekerja pada tegangan rendah (=12 V) sedangkan thyristor beroperasi pada tegangan tinggi (>>220 V), maka perlu melindungi rangkaian RO-UJT dari bahaya / kebocoran arus dari thyristor. Selanjutnya dipasang trafo pulsa yang berfungsi sebagai kopel / penghubung sinyal picu sekaligus mengisolasi antara rangkaian RO-UJT dengan thyristor.

↳▪▪Trafo pulsa yang digunakan adalah 1:1:1 impedansi dc ± 100Ω.  

Hal yang mungkin terjadi adalah pulsa yang diperlukan untuk pemicu semi-konverter mungkin lebih tinggi, karena karakteristik thyristor yang digunakan berbeda, untuk mengatasinya antara lain dengan menaikkan tegangan bias RO-UJT, yaitu dengan mengganti zener dioda (Dz) yang memiliki Uz lebih tinggi, misalnya : 18 volt atau 20 volt. 

4.    Pengontrolan Beban dc / ac                                                               

Perhatikan rangkaian pada gambar 5.a dan 5.b, pada dasarnya merupakan pengontrol dc gelombang penuh, disebut pengontrol dc/ac karena dapat digunakan untuk mengendalikan beban ac maupun beban dc, yang selanjutnya biasa dinamakan “Uni-bi directional full wave controll ”.

 

     Gambar 5. Pengontrolan Beban ac/dc.

Untuk pemakaian beban ac sebagaimana gambar 5.a., bridge tidak dibebani (dihubung singkat), beban dipasang di luar bridge. Selanjutnya untuk  beban dc sebagaimana gambar 5.b, beban dipasang di dalambridge sedangkan di luar bridge sambungan rangkaian langsung ke sumber (tidak dibebani).