1

BAB I

PENDAHULUAN

A. Latar Belakang

Inverter adalah perangkat elektrik yang digunakan untuk mengubah arus searah (DC)

menjadi arus bolak-balik (AC). Inverter mengkonversi DC dari perangkat seperti baterai,

panel surya / solar cell menjadi AC. Beberapa tahun belakangan ini perkembangan di dunia

elektronika mengalami kemajuan pesat, semua itu di dasari oleh kemajuan pendidikan yang

ada selama ini. Seiring dengan keadaan yang semakin maju terutama dalam dunia

Elektronika, pasti membutuhkan sumber arus untuk menjalankan alat-alat elektronika

tersebut.

Dalam hal ini sumber arus dari PLN saja terkadang tidak memadai, terutama pada

desa-desa tertinggal yang tidak dapat menggunakan sumber arus dari PLN. Oleh karena itu,

hal ini dapat di atasi dengan membuat suatu alat yang yang dapat mengantikan sumber arus

dari PLN tersebut. Maka dengan itu penulis membuat suatu rangkaian elektronika yang

menghasilkan tegangan AC yang dinamakan “Rangkaian Inverter DC ke AC”.

Perkembangan barang – barang elektronika sangat pesat, Beberapa perangkat

pendukung mengalami perkembangan, alat – alat elektronika yang semakin beragam. Salah

satu sistem elektronika yang kita kenal adalah inverter yang berfungsi mengubah tegangan

DC 12V menjadi tegangan 220 AC 50Hz.

Inverter ini sangat berfungsi sebagai penyedia listrik cadangan baik di kendaraan

maupun dirumah, sebagai emergency power saat aliran listrik rumah padam. Selain itu di

masa mendatang, inverter DC to AC akan memegan peranan penting dalam mengubah energi

DC dari sumber energi terbarukan sel surya menjadi energi listrik AC yang kita gunakan

sehari-hari.

Dalam aplikasinya, inverter ini dapat digunakan pada perangkat rumah tangga,

komputer, peralatan pertukangan, pompa air, kipas angin, sistem suplai energi pada rumah di

daerah terpencil dan berbagai barang elektronik lainnya. Alat ini terutama pada perangkat

rumah tangga sangat banyak digunakan terutama pada saat listrik padam dan pada sumber

2

energi DC yang dihasilkan oleh sel surya. Kita membutuhkan sumber AC untuk digunakan

pada lampu dan sistem elektronika lainnya.

B. Tujuan

Penulisan laporan ini bertujuan untuk merancang dan membangun sebuah perangkat

inverter 12V DC to 220V AC dengan frekuensi 50Hz dan gelombang keluaran yang

dihasilkan berupa gelombang sinusoidal.

C. Manfaat

Manfaat yang didapatkan dari pengerjaan tugas akhir ini adalah dipergunakan sebagai

pemanfaatan energy yang sangat baik.

D. Batasan Masalah

Batasan masalah pada tugas akhir ini yaitu perancangan dan membangun sebuah

perangkat inverter 12V DC to 220 AC dengan frekuensi 50Hz dan gelombang keluaran yang

dihasilkan berupa gelombang sinusoidal.

E. Metodologi

Adapun beberapa tahapan metodelogi dalam pembuatan aplikasi ini antara lain :

1. Metode pustaka, yaitu dengan cara melakukan pemahaman kepustakaan yang

berhubungan dengan pembuatan alat inverter secara umum.

2. Metode browsing, yaitu dengan mencari data dari internet yang berhubungan dengan

masalah yang dihadapi.

3. Metode perancangan, yaitu dengan mendesain alat inverter dan tampilan kotak alat

tersebut.

4. Metode Pengujian, yaitu dengan melakukan pengujian apakah alat tersebut dapat

bekerja sesuai yang diharapkan.

3

F. Sistematika Penulisan

Adapun sistematika penulisan Laporan Proyek Akhir ini dapat disusun dengan sebagai

berikut :

BAB I PENDAHULUAN

Berisi mengenai latar belakang masalah, permasalahan, maksud dan tujuan, batasan

masalah dan sistematika penulisan laporan.

BAB II TEORI INVERTER

Pada Bab ini berisi tentang konsep yang mendasari prinsip inverter, Inverter adalah

rangkaian yang mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC. Atau lebih tepatnya inverter

memindahkan tegangan dari sumber daya DC ke beban AC. Inverter digunakan pada aplikasi

seperti adjustable-speed AC motor drives, uninterruptible power supplies (UPS), dan aplikasi

AC yang dijalankan dari aki.

BAB III PERANCANGAN SISTEM

Merupakan penjelasan pembuatan rancangan sistem inverter. Inverter ini akan

mengubah keluaran gelombang kotak menjadi gelombang sinusoidal dengan menambahkan

low pass filter(LPF) sebelum rangkaian drivernya.

BAB IV PENGUJIAN DAN PEMBAHASAN

Berisi pembahasan dan data-data dari pembuatan inverter serta pengujian rangkaian

inverter.

BAB V PENUTUP

Berisikan beberapa kesimpulan dari dasar-dasar sistem dan perancangan sistem.

4

BAB II

TEORI INVERTER

A. Inverter dan Prinsip Kerjanya

Inverter adalah rangkaian yang mengubah DC menjadi AC. Atau lebih tepatnya

inverter memindahkan tegangan dari sumber DC ke beban AC. Sumber tegangan inverter

dapat berupa batteray, solar panel, aki kering dan sumber tegangan DC lainya. Sedangkan

keluaran dari inverter adalah tegangan AC 220v atau 120v, dan frekuensi output 50Hz atau

60Hz.

Pada dasarnya inverter adalah alat yang membuat tegangan bolak-balik dari tegangan

searah dengan cara pembentukan gelombang tegangan. Namun gelombang yang terbentuk

dari inverter tidak berbentuk gelombang sinusoida, melainkan gelombang persegi.

Pembentukan tegangan AC tersebut dilakukan dengan menggunakan dua buah pasang saklar.

Berikut ini adalah gambar yang menerangkan prinsip kerja inverter dalam pembentukan

gelombang tegangan persegi.

Gambar 2.1 Prinsip Dasar Inverter

Prinsip kerja inverter dapat dijelaskan dengan menggunakan 4 sakelar seperti

ditunjukkan pada diatas. Bila sakelar S1 dan S2 dalam kondisi on maka akan mengalir aliran

arus DC ke beban R dari arah kiri ke kanan, jika yang hidup adalah sakelar S3 dan S4 maka

akan mengalir aliran arus DC ke beban R dari arah kanan ke kiri. Inverter biasanya

5

menggunakan rangkaian modulasi lebar pulsa (pulse width modulation – PWM) dalam proses

conversi tegangan DC menjadi tegangan AC.

Pembentukkan gelombang saklar dapat dilihat dari gambar berikut:

S1, S4 ON

S2, S3 ON

Gambar 2.2 Bentuk Gelombang Tegangan

B. Full-Bridge Converter Theory

Full bridge converter adalah rangkaian teori dasar yang digunakan untuk mengubah

DC ke AC. Full bridge converter mempunyai pasangan saklar (S1,S2) dan (S3,S4). Keluaran

AC didapatkan dari masukan DC dengan membuka dan menutup saklar-saklar pada urutan

yang tepat. Tegangan keluaran Vo bisa berupa + Vdc, -Vdc, atau nol, tergantung pada saklar

yang mana tertutup.

Rangkaian ekivalen kombinasi saklar full bridge converter diperlihatkan pada

Gambar 2.3. Sebagai catatan bahwa S1 dan S4 tidak boleh menutup pada saat yang

bersamaan, begitu juga dengan S2 dan S3, yang akan menyebabkan terjadinya short circuit

pada sumber DC. Saklar yang nyata tidak bisa on atau off secara seketika. Berikut tegangan

keluaran pada table berikut:

Gambar 2.0 Tabel Teori Konverter

Saklar tertutup Tegangan keluaran (V0)

S1 dan S2 +Vdc

S3 dan S4 -Vdc

S1 dan S3 0

S2 dan S4 0

6

C. Jenis Inverter Berdasarkan Gelombang yang Dihasilkan

Berdasarkan gelombang keluaran yang dihasilkan, inverter dapat dibagi menjadi 3

macam yaitu square wave, modified sine wave, dan pure sine wave.

1. Square Wave

Inverter ini adalah yang paling sederhana. Walaupu inverter jenis ini dapat

menghasilkan tegangan 220 VAC, 50 Hz namun kualitasnya sangat buruk. Sehingga dapat

digunakan pada beberapa alat listrik saja. Hal ini disebabkan karena karakteristik output

inverter ini adalah memiliki level ‘’total harmonic distortion’’ yang tinggi. Mungkin karena

alas an itu inverter ini disebut ‘’dirty power supply’’.

Gambar 2.3 Output Square Wane

2. Modified Sine Wave

Modified Sine Wave disebut juga ‘’Modified Square Wave’’ atau ‘’Quasy Sine

Wave’’ karena gelombang modified sine wave hamper sama dengan square wave, namun

pada modified sine wave outputnya menyentuh titik 0 untuk beberapa saat sebelum pindah ke

positif atau negatif. Selain itu karena modified sine wave mempunyai harmonic distortion

yang lebih sedikit disbanding square wave maka dapat dipakai untuk beberapa alat listrik

seperti computer, tv, lampu namun tidak bias untuk beban-beban yang lebih sensitive.

Gambar 2.4 Output Modified Sine Wave

7

3 Pure Sine Wave

Pure Sine Wave atau true sine wave merupakan gelombang inverter yang hampir

menyerupai (bahkan lebih baik dibandingkan dengan gelombang sinusoida sempurna pada

jaringan listrik dalam hal ini PLN. Dengan total harmonic distortion (THD) < 3% sehingga

cocok untuk semua alat elektronik. Olen sebab itu inverter ibi juga disebut ‘’ clean power

supply’’. Teknologi yang digunakan inverter jenis ini umumnya disebut pulse width

modulation (PWM) yang dapat mengubah tegangan DC menjadi AC dengan bentuk

gelombang yang hamper sama dengan gelombang sinusoida.

Gambar 2.5 Output Pure Sine Wave

D. IC CD 4047

Untuk menghasilkan sebuah gelombang kotak digunakan sebuah IC CD 4047 yang

merupakan sebuah Multivibrator astabil. Multivibrator astabil merupakan sebuah rangkaian-

dua-kondisi (two-state system) yang tidak memiliki kestabilan di kedua kondisinya,

maksudnya, output dari rangkaian ini selalu berubah-ubah kondisinya secara periodik. Dalam

satu periode, outputnya dapat berubah dari kondisi HIGH ke kondisi LOW secara kontinu

dan terus menerus sehingga menghasilkan suatu deretan pulsa (pulse train). Deretan pulsa

yang dihasilkan nilainya konstan dan periodik sehingga dapat digunakan sebagai clock. IC

CD 4047 memiliki 2 jalur output pulsa yang saling komplemen. Penguat – Penguat ini

berfungsi menguatkan pulsa dari multivibrator IC CD 4047 yang kemudian digunakan

sebagai sinyal input bagian trigger. Penguat sinyal pada inverter ini menggunakan penguat

operasional(Op-Amp) IC LM 324. Driver inverter bagian ini berfungsi untuk memberikan

sinyal driver ke bagian power inverter. Rangkaian ini dibangun menggunakan transistor tipe

C 1061 dan 2N3055 yang dirangkai secara paralel. Berikut ini gambar Multivibrator astabil

IC CD 4047 dan pin IC CD 4047.

8

Gambar 2.6 Multivibrator astabil IC CD 4047

Gambar 2.7 Konfigurasi pin IC CD 4047

Untuk membalikkan fasa digunakan IC CD 4047, IC ini merupakan gerbang logika

NOT yang berfungsi melakukan inversi (pembalikan) terhadap inputnya. Gerbang logika ini

menerima masukan berupa gelombang persegi dan menghasilkan keluaran berupa gelombang

persegi yang fasanya berbeda sebesar 180 derajat terhadap gelombang inputnya.

E. Dioda Zener

Pada dasarnya diode zener adalah diode biasa yang mempunyai tegangan zener

(break down) yang kecil. Dirancang untuk digunakan sebagai regulator tegangan. Selalu

dioperasikan pada daerah reversepada tegangan dadalnya atau teganganzenernya (VZ).

Gambar 2.8 Karakteristik Dioda

9

Gambar 2.9 Kaki Dioda

F. Transistor SCR Silicon controlled rectifier (SCR) atau thyristor merupakan device semikonduktor yang

mempunyai perilaku cenderung tetap on setelah diaktifkan dan cenderung tetap off setelah

dimatikan (bersifat histeresis) dan biasa digunakan sebagai saklar elektronik, protektor, dan

lain sebagainya. Sebelum kita mengetahui lebih dalam tentang pengertian dan prinsip kerja

dasar dari Silicon controlled rectifier (SCR), sebaiknya kita tahu terlebih dulu tentang definisi

dari dioda shockley. Karena SCR itu sendiri memang device yang dikembangkan dari sebuah

dioda shockley, yaitu dioda yang terdiri dari empatlapisan bahan semikonduktor, atau yang

juga biasa disebut sebagai dioda PNPN.

Perkembangan dioda shockley menjadi SCR sebenarnya dicapai hanya dengan

menambahsuatu tambahan kecil yang tidak lebih dari sambungan kawat ketiga yang diberi

nama “gate”dari struktur PNPN yang telah ada. untuk lebih jelasnya perhatikan gambar

dibawah ini.

Gambar 2.10 Perkembangan dioda shockley menjadi SCR

10

Gambar 2.11 Simbol Skematik dan Diagram Skematik dari SCR

Jika sebuah gate dari SCR dibiarkan mengambang atau tidak terhubung (terputus),

maka SCR akan berperilaku sama persis seperti dioda shockley. Seperti halnya dioda

shockley, SCR juga akan aktif dan mengunci (latch) saat diberikan tegangan breakover antara

katoda dan anoda. Untuk mematikan kembali SCR dapat dilakukan dengan cara mengurangi

arus sampai salah satu dari transistor internal tersebut jatuh dan berada dalam mode cutoff ,

dan perilaku SCR yang seperti ini juga seperti dioda shockley. Lalu sekarang coba kita bahas

tentang kawat atau terminal gate yang menjadi perbedaan dari kedua perangkat ini. Kita tahu

kalau terminal gate SCR terhubung langsung ke basis transistor yang lebih rendah, itu berarti

terminal gate ini dapat digunakan sebagai alternatif untuk mengaktifkan SCR (latch up).

Dengan memberikan tegangan yang kecil antara gate dan katoda, transistor yang bawah atau

transistor yang lebih rendah akan dipaksa ON oleh arus basis yang dihasilkan, hal ini akan

menyebabkan arus basis transistor atas mengalir dan transistor atas akan aktif dan

menghantarkan arus basis untuk transistor yang bawah (tidak dibutuhkan lagi pasokan

tegangan dari terminal gate), sehingga kini kedua transistor saling menjaga agar tetap aktif

atau saling mengunci (latch). Arus yang diperlukan gate untuk memulai latch up tentu saja

jauh lebih rendah daripada arus yang melalui SCR dari katoda ke anoda, sehingga SCR tidak

perlu mencapai penguatan.

Cara yang paling umum digunakan dan dianggap aman untuk mengaktifkan SCR

adalah dengan memberikan tegangan pada terminal gate, dan cara atau metode seperti ini

disebut dengan “memicu” (triggering). Bahkan dalam penggunaannya SCR biasanya sengaja

dibuat atau dipilih dengan tegangan breakover yang jauh lebih besar melampaui tegangan

terbesar yang diperkirakan akan dialami oleh sumber listrik. Sehingga SCR hanya bisa

diaktifkan dengan pulsa tegangan yang diterapkan ke terminal gate, bukan dengan tegangan

breakover.

11

Perlu dikatakan bahwa SCR terkadang bisa dimatikan secara langsung dengan

menjumper atau mengkorsletkan terminal gate dan katoda, yang disebut dengan “reverse

triggering”, dimana gate dengan tegangan negatif (mengacu pada katoda), sehingga transistor

yang lebih rendah atau dibawah dipaksa cutoff. Saya mengatakan ini kadang-kadang karena

cara ini mungkin akan melibatkan semua arus kolektor dari transistor atas yang melewati

basis transistor yang dibawah. Dan arus ini mungkin sangat substansial sehingga membuat

triggered shut off dari SCR begitu sulit. Dan sebuah thyristor Gate-Turn-Off (GTO) yang

merupakan variasi dari SCR yang akan mampu mempermudah tugas ini. akan tetapi bahkan

dengan sebuah GTO sekalipun, arus gate yang dibutuhkan untuk mematikannya mungkin

sebanyak 20% dari arus anoda (beban). Simbol skematik dari GTO ditunjukkan oleh gambar

ilustrasi dibawah ini.

Gambar 2.12 GTO

SCR dan GTO mempunyai skema yang sama yaitu dua transistor yang terhubung

secara positif-dengan mode feedback atau berbalikan. Satu-satunya perbedaan dari rancangan

konstruksi adalah untuk memberikan transistor NPN sebuah β yang lebih besar dari PNP. Hal

ini memungkinkan arus gate yang lebih kecil (forward atau reverse) untuk mengerahkan

tingkat kontrol yang lebih besar atas konduksi dari katoda ke anoda. Dalam keadaan terkunci

(latch), transistor PNP menjadi lebih tergantung pada NPN bukan sebaliknya. Thyristor Gate-

Turn-Off juga dikenal dengan nama Gate-controlled switch (GCS).

Pengetesan fungsi dasar SCR, atau mengidentifikasi terminal dapat dilakukan

dengan ohmmeter. Karena koneksi internal antara gate dan katoda adalah PN junction

tunggal, alat ukur harus menunjukkkan adanya sambungan atau koneksi antara terminal-

terminal ini saat probe merah dihubungkan ke gate dan probe hitam pada katoda. Seperti

gambar dibawah ini.

12

Gambar 2.13 Pengetesan SCR

Dan SCR akan menunjukkan terminal terbuka atau tak terhingga (OL jika pada

display multimeter digital) saat pengukuran dilakukan pada sambungan-sambungan yang

lain. Perlu dipahami bahwa tes ini sangat kasar dan bukan merupakan penilaian yang

komprehensif dari SCR. Hal ini dilakukan untuk memberikan indikasi tahanan SCR masih

baik atau sudah rusak. Dan satu-satunya cara untuk menguji SCR yang lebih mendalam

adalah dengan arus beban.

A. Low Pas Filter (LPF) Orde 2

Low pass filter (tapis lolos-rendah atau LPF) adalah suatu rangkaian yang

meneruskan sinyal-sinyal yang memiliki frekuensi dibawah frekuensi transisinya, dan

melemahkan sinyal-sinyal yang memiliki frekuensi diatas frekuensi transisinya.

Frekuensi transisi (frekuensi cut-off) dari sebuah LPF adalah suatu frekuensi

dimana respon gain dari LPF tersebut turun menjadi 70,7% dari gain maksimumnya. Dengan

kata lain, gain (H(ω)) dari LPF tersebut bernilai 1/√2 atau 0,707. Pada frekuensi cut-off,

energi yang didisipasi pada rangkaian bernilai setengah dari energi maksimumnya.

Optimasi-optimasi yang dapat dilakukan sejauh ini terhadap respon gain dan

frekuensi dari sebuah LPF salah satunya adalah dengan arsitektur Sallen-Key filer orde dua.

13

Gambar 2.14 Sallen-Key low pass filter

Gain dari Sallen-Key LPF dapat ditentukan dengan membandingkan tegangan

output dengan tegangan inputnya, sehingga diperoleh sebuah fungsi alih.

H sLPFK 2

f f

jQ 1 fC fC

Sinyal akan mengalami pelemahan yang besarnya sebanding dengan kuadrat rasio

frekuensi. Persamaan inilah yang mendeskripsikan karakter LPF yang sebenarnya. Sementara

itu, fungsi alih dari rangkaian LPF pada gambar 2.5 adalah sebagai berikut.

Vout K

=H (s) =

Vin R1R2C1C 2 s R1C1 R2C1 R1C 2(1 K )1

Dengan membandingkan persamaan 2.1 dengan persamaan 2.2 akan

diperoleh:

s j2 f

fC

K R4

R3

Untuk mempermudah desain dan mempersingkat persamaan 2.2, maka

kita dapat membuat nilai R1=R2=R dan C1=C2=C, sehingga diperoleh:

fC

2Rc

14

Q

3-K

H. Rangkaian Penguat Sinusoidal 50Hz

1. Konfigurasi Collector Feedback (Umpan-balik Kolektor)

Gambar 2.15 Penguat umpan-balik kolektor

Gambar 3.0 menunjukkan sebuah rangkaian penguat yang menggunakan

umpan-balik dari kolektornya. Untuk dapat menentukan besarnya penguatan tegangan

(Av) dari rangkaian ini, perlu dilakukan analisa small-signal menggunakan

permodelan re seperti pada Gambar 3.1 berikut:

I. Power Factor

Gambar 2.16 Power Factor

Power Factor (PF) adalah nilai cos dari sudut antara daya semu dan aktif. Daya

aktif adalah daya yang dikonsumsi oleh beban resistif, seperti lampu pijar. Daya aktif

15

memiliki satuan Watt. Daya reaktif adalah daya yang dikonsumsi beban induktif dan

kapasitif. Daya reaktif memiliki satuan Var. Sedangkan akumulasi dari daya keduanya adalah

VA. Pada gambar 3.0 di atas, daya semu adalah bidang miring yang berwarna biru.

Sedangkan daya aktif digambarkan dengan bidang horizontal berwarna hijau. Daya reaktif

yang vertical berwarna merah.

Rumus daya semu adalah perkalian antara tegangan dan arus dari hasil

pengukuran.

S = V.I

Dimana:

S = Daya Semu (VA)

V = Tegangan AC (Volt)

I = Arus (Ampere)

Sedangkan rumus daya aktif adalah perkalian tegangan dan arus hasil

pengukuran dikali factor daya.

P = V.I.cosᵩ

Dimana:

P = Daya Aktif (Watt)

V = Tegangan AC (Volt)

I = Arus AC (Ampere)

ᵩ = Sudut Faktor Daya

J. Transformator

Transformator (trafo) merupakan sebuah komponen pasif yang berfungsi untuk

mengubah nilai tegangan bolak-balik pada kumparan primernya menjadi lebih besar atau lebh

kecil pada kumparan sekundernya. Suatu trafo tidak dapat bekerja jika kumparan primernya

dihubungkan ke sumber tegangan DC. Perbandingan tegangan dan arus pada kumparan

primer dan sekunder

16

a = Np/Ns= Vp/Vs= Is/Ip

Trafo yang paling banyak digunakan saat ini adalah trafo yang memiliki centre-

tap (CT) atau titik tengah. CT dapat terletak di sisi primer maupun di sisi sekunder. Besar

tegangan di ujung-ujung kumparan terhadap CT adalah sama besar.

Gambar 2.17 Transformarmator

17

18