INVERTER (dari yang sederhana sampai sinusoidal)

Bagian I

Inverter adalah piranti yang mengubah tegangan DC menjadi tegangan AC. Tegangan DC yang dipergunakan pada pembahasan  disini tegangan DC 12V yang berasal dari aki, sedangkan tegangan AC yang dihasilkan sebesar 220V dengan frekuensi 50Hz. Tegangan AC tersebut mulai dari yang berbentuk kotak sampai yang berbentuk sinusoidal. Tegangan AC yang berbentuk kotak hanya dapat dipergunakan pada peralatan tertentu saja sedangkan tegangan AC yang berbentuk sinusoidal dapat dipergunakan pada semua peralatan atau dengan kata lain tegangan AC sinusoidal tersebut sama dengan tegangan jala-jala milik PLN.

            Tegangan AC yang sederhana atau berbentuk kotak diperlihatkan pada gambar 1, gambar 2 memperlihatkan rangkaian yang sangat sederhana untuk menghasilkan tegangan AC 220V, 54 Hz diperlihatkan pada gambar 1. Duty cycle rangkaian gambar 2 sebesar 63%, artinya bagian atas (siklus positif) lebih lama dibandingkan dengan bagian bawah. Jika sulit mendapatkan power mosfet IRFZ48, maka power mosfet tersebut dapat digantikan dengan power mosfet yang lain tetapi harus mosfet type N (N Channel Power Mosfet) misal IRFZ44N, IRFP460 dll. Satu lagi yang harus diperhatikan dalam menggantikan power mosfet adalah V_GS (Tegangan Gate ke Source) harus lebih besar dari 10V. Selain itu,Power Mosfet harus dilengkapi dengan keping pendingin (heat sink) yang besar agar dapat menyalurkan panas.

       Rangkaian inverter gambar 2 dapat menyalurkan daya sampai 50 watt sehingga dapat digunakan untuk menyalakan TV dengan daya kurang dari 50 watt, VCD atau DVD, Lampu pijar dan lampu hemat energi, Laptop, men-charge HP. Rangkaian gambar 2 tidak boleh dipergunakan untuk peralatan yang membutuhkan tegangan AC yang sinusoidal seperti kipas angin, pompa air, mixer, kulkas dll. Perhatikanlah trafo pada gambar 2 bahwa belitan 12V (sekunder) dihubungkan dengan catu daya aki 12v dan power mosfet. Tegangan output (220V, 54 Hz) terdapat pada belitan 220V (primer).

 

Gambar 1. Tegangan AC berbentuk kotak
 
Gambar 2. Inverter kotak dengan IC 555

     Untuk mendapatkan tegangan AC 220V, 50Hz dgn duty cycle 50%, jika mempergunakan rangkaian pada gambar 2 adalah sangat sulit dan hampir menjadi tidak mengkin. Hal ini disebakan karena harga harga komponen yang ada dipasaran terbatas nilainya misalnya kita tidak mengkin mendapatkan resistor dengan harga 540KΩ atau kapasitor 2,7μF. Untuk mendapatkan tegangan AC 220V, 50Hz dgn duty cycle 50%, akan sangat mudah diwujudkan dengan menggunakan UC (microcontroller). Gambar 3 merealisasikan hal tersebut dengan mempergunakan UC ATmega328 buatan Atmel. Rangkaian Inverter tersebut dapat menyalurkan daya sampai lebih dari 200watt. Kemampuan menyalurkan daya sampai 200watt sehingga inverter pada gambar 2 dapat dipergunakan untuk rice cooker, magic com, dispenser, pemanggang roti. Atau dengan kata lain peralatan listrik dengan daya besar tetapi tidak memerlukan tegangan yang sinusoidal.

     Sama seperti pada gambar 2, power mosfet perlu diberi heat sink yang besar agar dapat menyalurkan panas dengan baik. Selain power mosfet, IC 7805 juga harus diberi heat sink tetapi dengan ukuran yang lebih kecil dari heat sink power mosfet. Program untuk UC agar menghasilkan tegangan AC 220V, 50Hz diperlihatkan pada program1. Untuk menulis program, mengcompile dan meng-up load ke uc atmega328 dapat melihat pada pembahasan “meng-compile dan meng-upload program avr menggunakan ubuntu “.

Gambar 3. Inverter Kotak dengan UC ATmega328
Program 1. Inverter Kotak 220V, 50 Hz #include<avr/io.h> #include <util/delay.h> //============================================== // PROGRAM UNTUK MEMBUAT INVERTER KOTAK // Frekuensi inverter 50 Hz, duty Cycle 50% //Rangkaian Inverter mengacu pada gambar 3 //=============================================== int main(void) { DDRB = (1<<PINB0); //Set pin PB0 sebagai sebagai output while (1) { PORTB |= (1<<PINB0); // PB0 berlogika HIGH _delay_ms(10); // Tunda posisi high selama 10ms PORTB &= ~(1<<PINB0) // PB0 berlogika LOW _delay_ms(10); // tunda posisi LOW selama 10ms } return (0) }         Inverter Sinusoidal          Pada pembahasan sebelumnya, tegangan keluaran inverter masih berbentuk kotak sehingga tidak dapat dipergunakan untuk peralatan yang membutuhkan tegangan AC sinusoidal. Untuk itu maka pada pembahasan ini kita akan membahas pembuatan inverter sinusoidal. Ada beberapa teknik (metode) dalam menghasilkan tegangan sinusoidal. Disini kita hanya membahas beberapa metode yang populer dipergunakan, metode-metode tersebut diantaranya Sine Pulse Width Modulation (SPWM), Space Vector Pulse Width Modulation (SV-PWM), dan Multi Level Inverter.            Sebelum membahas ketiga metode tersebut maka kita akan membahas terlebih dahulu prinsip kerja dari inverter. Gambar 4 memperlihatkan prinsip kerja dari inverter. Pada setengah perioda pertama (0 s/d 1800 atau 0 s/d 10ms), Switch S1 dan switch S4 menutup sementara S2 dan switch S3 membuka. Pada kondisi ini arus mengalir dari titik A menuju titik B. Setengah perioda berikutnya (1800 s/d 3600 atau 10ms s/d 20ms) Switch S1 dan switch S4 membuka sementara S2 dan switch S3 mentup. Sehingga arus mengalir dari titik B ketitik A. Kedua siklus ini berulang terus sehingga jika bentuk gelombang digambarkan akan berbentuk seperti gambar 1 dan ditabelkan seperti pada tabel1.                                                                          Tabel 1. Prinsip kerja inverter. S1 S2 S3 S4 Arah Arus 0 s/d 1800 atau 0 s/d 10ms 1 0 0 1 Dari A ke B 1800 s/d 3600 atau 10ms s/d 20ms 0 1 1 0 Dari B ke A Sine Pulse Width Modulation (SPWM)       Setelah kita memahami prinsip kerja inverter, maka kita akan membahas lebih lanjut untuk membentuk gelombang yang sinusoidal. Metode pertama yang akan kita bahas adalah dengan menggunakan teknik Sine Pulse Width Modulation (SPWM). Teknik dengan membandingkan sinyal Sinus dengan sinyal segitiga. Pada gambar 5 setiap setengah siklus gelombang sinus dibandingkan dengan 8 (delapan) unit gelombang segitiga. Berdasarkan pengalaman penulis jika diapplikasikan kepada motor-motor listrik maka diperlukan 7 atau 9 unit gelombang segitiga pada setiap setengah siklus gelombang sinus. Apabila jumlah gelombang segitiga diperbanyak menjadi lebih dari 9 unit pada setiap setengah siklus maka tidak ada pengaruhnya terhadap bentuk gelombang sinusoidal atau THD tidak berubah.         Gambar 5. Pembentukan Gelombang Sinusoidal pada Inverter dengan Metode SPWM           Pada gambar 5, diperlihatkan bentuk tegangan AC yang berbentuk kotak (pada gambar 1) dipotong potong dengan lebar yang tidak sama mengikuti perbandingan gelombang sinus dengan segitiga. Warna merah pada gambar 5 adalah siklus negatif dari grafik warna biru yang berharga negatif. Karena untuk mentrigger switch-switch (S1 s/d S4) pada gambar 4 mempergunakan microcontroller maka siklus negatif (grafik warna biru) dibalik menjadi berharga positif (grafik warna merah).       Realisasi Inverter dengan metode SPWM diperlihatkan pada gambar 6. Switch S1 s/d S4 pada gambar 4, digantikan dengan power Mosfet. Switch bagian atas, Switch S1 dan switch S2, merupakan power mosfet type P (P Channel Power Mosfet). Switch bagian bawah, switch S3 dan switch S4, merupakan power mosfet type N (N Channel Power Mosfet). Tegangan output inverter gambar 6 merupakan tegangan AC 220V, 50 Hz yang berbentuk sinusoidal sehingga dapat dipergunakan pada seluruh peralatan yang membutuhkan sumber dari listrik jala-jala. Daya output yang salurkan dapat mencapai 300watt sehingga dapat dipergunakan pada seluruh peralatan rumah tangga.        Power Mosfet S1 s/d Power Mosfet S4 masing-masing harus diberi keping pendingin (heat sink) yang besar agar dapat menyalurkan panas. Dua power mosfet lainnya dan IC regulator 7805 juga harus diberi keping pendingin tetapi tidak terlalu besar. Microcontroller harus diletakkan jauh dari trafo 36V/10A, hal ini untuk menghindari medan magnet yang ditimbulkan oleh trafo, bahkan jika perlu trafo tersebut diberi shielding. Jika timbul suara berisik yang ditimbulkan oleh trafo maka hal itu menunjukkan bahwa inti besi trafo kurang besar sehingga trafo perlu diganti dengan ukuran yang lebih besar atau dapat juga daya output (beban inverter) dikurangi. Jika inverter memikul beban yang terlalu besar maka suara berisik, diakibatkan oleh getaran trafo, dapat timbul. Program microcontroller untuk inverter Sine Pulse Width Modulation diperlihatkan pada program 2.   Gambar 6. Realisasi Inverter SPWM   Program 2. Inverter SPWM // Program untuk mentrigger Inverter 1 (satu) phase. // Frekuensi Inverter 50 HZ. // Metode yang dipergunakan adalah SPWM dengan 7 (tujuh) unit segitiga setiap setengah siklus // Rangkaian yang dipergunakan mengacu pada gambar 6 #include <avr/io.h> #include <util/delay.h> #define F_CPU 1000000UL #define PORTB1_ON PORTB |= (1 << PB1); #define PORTB2_ON PORTB |= (1 << PB2) #define PORTB3_ON PORTB |= (1 << PB3) #define PORTB4_ON PORTB |= (1 << PB4) int main (void) { DDRB = 0xff; // Port B sebagai output PORTB = 0x00; while(1) { // ++++++++++++++++++++++++++++++++ // ======Siklus Positif =========== //+++++++++++++++++++++++++++++++++ // segitiga ke -1 PORTB1_ON; PORTB4_ON; _delay_ms(1.18); PORTB = 0x00; _delay_ms(0.58); // segitiga ke -2 PORTB1_ON; PORTB4_ON; _delay_ms(0.65); PORTB = 0x00; _delay_ms(1.01); // segitiga ke -3 PORTB1_ON; PORTB4_ON; _delay_ms(0.27); PORTB = 0x00; _delay_ms(1.23); // segitiga ke -4 PORTB1_ON; PORTB4_ON; _delay_ms(0.14); PORTB = 0x00; _delay_ms(1.24); // segitiga ke -5 PORTB1_ON; PORTB4_ON; _delay_ms(0.27); PORTB = 0x00; _delay_ms(1.01); // segitiga ke -6 PORTB1_ON; PORTB4_ON; _delay_ms(0.65); PORTB = 0x00; _delay_ms(0.56); // segitiga ke -7 PORTB1_ON; PORTB4_ON; _delay_ms(1.21); PORTB = 0x00; _delay_ms(0.10); // ++++++++++++++++++++++++++++++++ // ======Siklus Negatif =========== //+++++++++++++++++++++++++++++++++ // segitiga ke - 1 PORTB2_ON; PORTB3_ON; _delay_ms(1.14); PORTB = 0x00; _delay_ms(0.57); // segitiga ke - 2 PORTB2_ON; PORTB3_ON; _delay_ms(0.65); PORTB = 0x00; _delay_ms(1.01); // segitiga ke - 3 PORTB2_ON; PORTB3_ON; _delay_ms(0.27); PORTB = 0x00; _delay_ms(1.23); // segitiga ke - 4 PORTB2_ON; PORTB3_ON; _delay_ms(0.15); PORTB = 0x00; _delay_ms(1.23); // segitiga ke - 5 PORTB2_ON; PORTB3_ON; _delay_ms(0.27); PORTB = 0x00; _delay_ms(1.01); // segitiga ke - 6 PORTB2_ON; PORTB3_ON; _delay_ms(0.65); PORTB = 0x00; _delay_ms(0.57); // segitiga ke - 7 PORTB2_ON; PORTB3_ON; _delay_ms(1.2); PORTB = 0x00; _delay_ms(0.10); } return(0); } Bersambung pada bagian 2, Inverter dengan metode Space Vector Pulse Width modulation (SV-PWM Inverter)