Sistem Kelistrikan

Sistem Kelistrikan

Dalam materi kali akan dibahas/dijelaskan tengtang catu daya, sumber tenaga listrik, dan system fasa listrik. Oke mari kita mulai materinya:

Catu daya (Power Suply ) merupakan suatu sumber energy untuk menjalankan suatu perangkat yang membutuhkan listrik.

Sumber tenaga listrik dibagi jadi tiga bagian yaitu:

• Pembangkit
• Penyaluran
• Distribusi

Berikut penjelasan catu daya yang lebih mendalam

PRINSIP KERJA CATU DAYA LINEAR: Perangkat elektronika mestinya dicatu oleh suplai arus searah DC (direct current) yang stabil agar dapat bekerja dengan baik. Baterai atau accu adalah sumber catu daya DC yang paling baik. Namun untuk aplikasi yang membutuhkan catu daya lebih besar, sumber dari baterai tidak cukup. Sumber catu daya yang besar adalah sumber bolak-balik AC (alternating current) dari pembangkit tenaga listrik. Untuk itu diperlukan suatu perangkat catu daya yang dapat mengubah arus AC menjadi DC. Pada tulisan kali ini disajikan prinsip rangkaian catu daya (power supply) linier mulai dari rangkaian penyearah yang paling sederhana sampai pada catu daya yang ter-regulasi.

PENYEARAH (RECTIFIER): Prinsip penyearah (rectifier) yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar 1 berikut ini. Transformator (T1) diperlukan untuk menurunkan tegangan AC dari jala – jala listrik pada kumparan preimernya menjadi tegangan AC yang lebih kecil pada kumparan sekundernya.

Pada rangkaian ini, dioda (D1) berperan hanya untuk merubah dari arus AC menjadi DC dan meneruskan tegangan positif ke beban R1. Ini yang disebut dengan penyearah setengah gelombang (half wave). Untuk mendapatkan penyearah gelombang penuh (full wave) diperlukan transformator dengan center tap (CT) seperti pada gambar-2.

Tegangan positif phasa yang pertama diteruskan oleh D1 sedangkan phasa yang berikutnya dilewatkan melalui D2 ke beban R1 dengan CT transformator sebagai common ground.. Dengan demikian beban R1 mendapat suplai tegangan gelombang penuh seperti gambar di atas. Untuk beberapa aplikasi seperti misalnya untuk men-catu motor dc yang kecil atau lampu pijar dc, bentuk tegangan seperti ini sudah cukup memadai. Walaupun terlihat di sini tegangan ripple dari kedua rangkaian di atas masih sangat besar.

Gambar 3 adalah rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor C yang paralel terhadap beban R. Ternyata dengan filter ini bentuk gelombang tegangan keluarnya bisa menjadi rata. Gambar-4 menunjukkan bentuk keluaran tegangan DC dari rangkaian penyearah setengah gelombang dengan filter kapasitor. Garis b-c kira-kira adalah garis lurus dengan kemiringan tertentu, dimana pada keadaan ini arus untuk beban R1 dicatu oleh tegangan kapasitor. Sebenarnya garis b-c bukanlah garis lurus tetapi eksponensial sesuai dengan sifat pengosongan kapasitor.

Jika arus I = 0 (tidak ada beban) maka kurva b-c akan membentuk garis horizontal. Namun jika beban arus semakin besar, kemiringan kurva b-c akan semakin tajam. Tegangan yang keluar akan berbentuk gigi gergaji dengan tegangan ripple yang besarnya adalah :

V_r = V_M -V_L ………. (1)

dan tegangan dc ke beban adalah V_dc = V_M + V_r/2 ….. (2)

Rangkaian penyearah yang baik adalah rangkaian yang memiliki tegangan ripple (Vr) paling kecil. V_L adalah tegangan discharge atau pengosongan kapasitor C, sehingga dapat ditulis :

V_L = V_M e ^-T/RC ………. (3)

Jika persamaan (3) disubsitusi ke rumus (1), maka diperoleh :

V_r = V_M (1 – e ^-T/RC) …… (4)

Jika T << RC, dapat ditulis : e ^-T/RC _ 1 – T/RC ….. (5)

sehingga jika ini disubsitusi ke rumus (4) dapat diperoleh persamaan yang lebih sederhana :

V_r = V_M(T/RC) …. (6)

V_M/R tidak lain adalah beban I, sehingga dengan ini terlihat hubungan antara beban arus I dan nilai kapasitor C terhadap tegangan ripple V_r. Perhitungan ini efektif untuk mendapatkan nilai tegangan ripple yang diinginkan.

V_r = I T/C … (7)

Rumus ini mengatakan, jika arus beban I semakin besar, maka tegangan ripple akan semakin besar. Sebaliknya jika kapasitansi C semakin besar, tegangan ripple akan semakin kecil. Untuk penyederhanaan biasanya dianggap T=Tp, yaitu periode satu gelombang sinus dari jala-jala listrik yang frekuensinya 50Hz atau 60Hz. Jika frekuensi jala-jala listrik 50Hz, maka T = Tp = 1/f = 1/50 = 0.02 det. Ini berlaku untuk penyearah setengah gelombang. Untuk penyearah gelombang penuh, tentu saja frekuensi gelombangnya dua kali lipat, sehingga T = 1/2 Tp = 0.01 det.

Penyearah gelombang penuh dengan filter C dapat dibuat dengan menambahkan kapasitor pada rangkaian gambar 2. Bisa juga dengan menggunakan transformator yang tanpa CT, tetapi dengan merangkai 4 dioda seperti pada gambar-5 berikut ini.

Sebagai contoh, anda mendisain rangkaian penyearah gelombang penuh dari catu jala-jala listrik 220V/50Hz untuk mensuplai beban sebesar 0.5 A. Berapa nilai kapasitor yang diperlukan sehingga rangkaian ini memiliki tegangan ripple yang tidak lebih dari 0.75 Vpp. Jika rumus (7) dibolak-balik maka diperoleh.

C = I.T/V_r = (0.5) (0.01)/0.75 = 6600 uF.

 Untuk kapasitor yang sebesar ini banyak tersedia tipe elco yang memiliki polaritas dan tegangan kerja maksimum tertentu. Tegangan kerja kapasitor yang digunakan harus lebih besar dari tegangan keluaran catu daya. Anda barangkali sekarang paham mengapa rangkaian audio yang anda buat mendengung, coba periksa kembali rangkaian penyearah catu daya yang anda buat, apakah tegangan ripple ini cukup mengganggu. Jika dipasaran tidak tersedia kapasitor yang demikian besar, tentu bisa dengan memparalel dua atau tiga buah kapasitor.

VOLTAGE REGULATOR: Rangkaian penyearah sudah cukup bagus jika tegangan ripple-nya kecil, namun ada masalah stabilitas. Jika tegangan PLN naik/turun, maka tegangan outputnya juga akan naik/turun. Seperti rangkaian penyearah di atas, jika arus semakin besar ternyata tegangan dc keluarnya juga ikut turun. Untuk beberapa aplikasi perubahan tegangan ini cukup mengganggu, sehingga diperlukan komponen aktif yang dapat meregulasi tegangan keluaran ini menjadi stabil.

Regulator Voltage berfungsi sebagai filter tegangan agar sesuai dengan keinginan. Oleh karena itu biasanya dalam rangkaian power supply maka IC Regulator tegangan ini selalu dipakai untuk stabilnya outputan 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.

Selain dari regulator tegangan tetap ada juga IC regulator yang tegangannya dapat diatur. Prinsipnya sama dengan regulator OP-amp yang dikemas dalam satu IC misalnya LM317 untuk regulator variable positif dan LM337 untuk regulator variable negatif. Bedanya resistor R1 dan R2 ada di luar IC, sehingga tegangan keluaran dapat diatur melalui resistor eksternal tersebut.

Rangkaian regulator yang paling sederhana ditunjukkan pada gambar 6. Pada rangkaian ini, zener bekerja pada daerah breakdown, sehingga menghasilkan tegangan output yang sama dengan tegangan zener atau Vout = Vz. Namun rangkaian ini hanya bermanfaat jika arus beban tidak lebih dari 50mA.

Prinsip rangkaian catu daya yang seperti ini disebut shunt regulator, salah satu ciri khasnya adalah komponen regulator yang paralel dengan beban. Ciri lain dari shunt regulator adalah, rentan terhadap short-circuit. Perhatikan jika Vout terhubung singkat (short-circuit) maka arusnya tetap I = Vin/R1. Disamping regulator shunt, ada juga yang disebut dengan regulator seri. Prinsip utama regulator seri seperti rangkaian pada gambar 7 berikut ini. Pada rangkaian ini tegangan keluarannya adalah:

V_out = V_Z + V_BE ……….. (8)

V_BE adalah tegangan base-emitor dari transistor Q1 yang besarnya antara 0.2 – 0.7 volt tergantung dari jenis transistor yang digunakan. Dengan mengabaikan arus I_B yang mengalir pada base transistor, dapat dihitung besar tahanan R2 yang diperlukan adalah :

R2 = (V_in – V_z)/I_z ………(9)

I_z adalah arus minimum yang diperlukan oleh dioda zener untuk mencapai tegangan

Jika diperlukan catu arus yang lebih besar, tentu perhitungan arus base I_B pada rangkaian di atas tidak bisa diabaikan lagi. Dimana seperti yang diketahui, besar arus IC akan berbanding lurus terhadap arus IB atau dirumuskan dengan I_C = _I_B. Untuk keperluan itu, transistor Q1 yang dipakai bisa diganti dengan transistor Darlington yang biasanya memiliki nilai _ yang cukup besar. Dengan transistor Darlington, arus base yang kecil bisa menghasilkan arus IC yang lebih besar.

Teknik regulasi yang lebih baik lagi adalah dengan menggunakan Op-Amp untuk men-drive transistor Q, seperti pada rangkaian gambar 8. Dioda zener disini tidak langsung memberi umpan ke transistor Q, melainkan sebagai tegangan referensi bagi Op-Amp IC1. Umpan balik pada pin negatif Op-amp adalah cuplikan dari tegangan keluar regulator, yaitu :

V_in(-) = (R2/(R1+R2)) V_out ……. (10)

Jika tegangan keluar V_out menaik, maka tegangan V_in(-) juga akan menaik sampai tegangan ini sama dengan tegangan referensi Vz. Demikian sebaliknya jika tegangan keluar V_out menurun, misalnya karena suplai arus ke beban meningkat, Op-amp akan menjaga kestabilan di titik referensi V_z dengan memberi arus IB ke transistor Q1. Sehingga pada setiap saat Op-amp menjaga kestabilan :

V_in(-) = V_z ……… (11)

                                       
Dengan mengabaikan tegangan V_BE transistor Q1 dan mensubsitusi rumus (11) ke dalam rumus (10) maka diperoleh hubungan matematis :

V_out = ( (R1+R2)/R2) V_z……….. (12)

Pada rangkaian ini tegangan output dapat diatur dengan mengatur besar R1 dan R2.

Sekarang mestinya tidak perlu susah payah lagi mencari op-amp, transistor dan komponen lainnya untuk merealisasikan rangkaian regulator seperti di atas. Karena rangkaian semacam ini sudah dikemas menjadi satu IC regulator tegangan tetap. Saat ini sudah banyak dikenal komponen seri 78XX sebagai regulator tegangan tetap positif dan seri 79XX yang merupakan regulator untuk tegangan tetap negatif. Bahkan komponen ini biasanya sudah dilengkapi dengan pembatas arus (current limiter) dan juga pembatas suhu (thermal shutdown). Komponen ini hanya tiga pin dan dengan menambah beberapa komponen saja sudah dapat menjadi rangkaian catu daya yang ter-regulasi dengan baik.

Hanya saja perlu diketahui supaya rangkaian regulator dengan IC tersebut bisa bekerja, tegangan input harus lebih besar dari tegangan output regulatornya. Biasanya perbedaan tegangan V_in terhadap V_out yang direkomendasikan ada di dalam datasheet komponen tersebut. Pemakaian heatshink (aluminium pendingin) dianjurkan jika komponen ini dipakai untuk men-catu arus yang besar. Di dalam datasheet, komponen seperti ini maksimum bisa dilewati arus mencapai 1 A.

(SUMBER : http://elektronika-elektronika.blogspot.com/) 

Prinsip catu daya yaitu Sumber → Generator → Tenaga Listrik

Sumber pembangkit tenaga listrik

• Air
• Uap
• Panas bumi
• Nuklir
• Surya
• DLL

Sistem fasa listrik merupakan istilah dalam kelistrikan yang menyatakan banyak arus listrik yang dilewatkan. Di Indonesia sendiri sendiri menggunakan 2 jenis fasa yaitu:

• Sistem 1 fasa

Untuk mendapatkan tenaga listrik, pertama yang dicari adalah “gaya gerak listrik” atau ggl. Pembangkitan ggl tersebut menggunakan kaidah hokum Faradayy, yaitu apabila sebuah penghantar digerakkan di dalam sebuah medan magnet, maka kedua ujung penghantar tersebut akan timbul ggl induksi. Bila kedua ujungnya dihubungkan dengan beban, missal nya sebuah lampu,maka akan mengalir arus listrik dan timbul daya listrik. Dasar pembangkitan ggl ini seperti dalam Gambar 1

.

Bentuk gelombang ggl yang dibangkitkan ditunjukkan pada Gambar 2. Bentuk gelombang setiap saat berubah dalam selang waktu tertentu bernilai positif dan pada selang waktu tertentu berikutnya bernilai negative, begitu seterusnya. Proses ini selanjutnya dikenal dengan listik arus bolak balik (alternating – AC) satu fasa.

Listrik AC terdapat harga tegangan sesaat(V), arus sesat (i), dan daya sesaat (p), harga teganggan maksimun (vmak), arus maksimum (imak) dan daya maksimum (Pmakk), serta harga tegangan efektif (V), arus efektif(I) dan daya efektif (Pmak­­). Hubungan harga sesaat, maksimum, dan efektif dari besaran di atas ditentukan sebagai berikut .

• Sistem 3 fasa

Kebanyakan pusat pembangkitan tenaga listrik menggunakan system berfasa banyak, yakni system beberapa sumber listrik yang sama besarnya, tetapi satu sumber dengan lain berbeda fasanya.  Karena system fasa banyak memiliki keuntungan tertentu, maka system tiga fasa banyak digunakan sebagai sumber listrik. Sebuah sumber listrik tiga fasa memiliki tiga tegangan yang sama tetapi masing – masing berbeda fasa 120 seperti ditunjukkan pada gambar 3.

Tegangan yang dihasilkan dari keenam erminal, yaitu: a,a’,b,b’,c,c’ pada gambar 3, akan menjadi sumber listrik tiga fasa jika disambung dalam hubungan bintang dan hubungan segitiga seperti ditunjukkan pada gambar 4.

Gambar 5 menunjukkan bentuk gelombang tiga fasa. Dari gambar tersebut dapat diketahui bahwa listrik tiga fasa memiliki besar tegangan yang sama, dan bentuk gelombang yangsama, tetapi memiliki perbedaan dasa 120 listrik antar fasa.

(SUMBER: http://catatanteknik.blogspot.com/)

TUGAS

1. 1.      Perbedaan listrik 1 dan 3 fasa !
2. 2.      Contoh penggunaan listrik 1 fasa dan 3 fasa !
3. 3.      Sebutkan keunggulan system 3 fasa !
4. 4.      Aplikasi listrik 3 fasa !

JAWABAN

1. Pengertian Listrik 1 Phasa
   Listrik 1 phasa adalah instalasi listrik yang menggunakan dua kawat penghantar yaitu 1 kawat phasa dan 1 kawat 0 (netral). Pengertian sederhananya adalah listrik 1 phasa terdiri dari dua kabel yaitu 1 bertegangan dan 1 netral. Umumnya listrik 1 phasa bertegangan 220 volt yang digunakan banyak orang. Biasanya listrik 1 phasa digunakan untuk listrik perumahan, namun listrik PLN di jalanan itu memiliki 3 phasa, tetapi yang masuk ke rumah kita hanya 1 phasa karena kita tidak memerlukan daya besar. Misalnya yang ke rumah kita adalah Phase R, tetangga kita mungkin Phase S, dan tetangga yang lain Phase T.
   Pengertian Listrik 3 Phasa
   Listrik 3 phasa adalah instalasi listrik yang menggunakan tiga kawat phasa dan satu kawat 0 (netral) atau kawat ground. Menurut istilah Listrik 3 Phasa terdiri dari 3 kabel bertegangan listrik dan 1 kabel Netral. Umumnya listrik 3 phasa bertegangan 380V yang banyak digunakan Industri atau pabrik.
   Listrik 3 phasa adalah listrik AC (alternating current) yang menggunakan 3 penghantar yang mempunyai tegangan sama tetapi berbeda dalam sudut phase sebesar 120 degree.
   Ada 2 macam hubungan dalam koneksi 3 penghantar, yaitu :
   1. Hubungan bintang (“Y” atau star).
   2. Hubungan delta.
   Ada 2 macam tegangan listrik yang dikenal dalam sistem 3 phasa ini, yaitu :
   1. Tegangan antar phase (Vpp : voltage phase to phase atau ada juga yang menggunakan istilah Voltage line to line).
   2. Tegangan phase ke netral (Vpn : Voltage phase to netral atau Voltage line to netral).
   Keuntungan Listrik 3 phasa yaitu :
   1. Menyediakan daya listrik yang besar ( biasanya pada industri menengah dan besar ). Industri atau hotel memerlukan daya listrik yang besar sehingga memerlukan line yang banyak. Tapi pada output terakhir untuk pemakaian hanya memerlukan satu phasa ( memilih salah satu dari 3 phasa ). Listrik 3 phasa biasanya diperlukan untuk menggerakkan motor industri yang memerlukan daya besar.
   2. Karena menggunakan tegangan yang lebih tinggi maka arus yang akan mengalir akan lebih rendah untuk daya yang sama. Sehingga untuk daya yang besar, kabel yang digunakan bisa lebih kecil.
   3. Untuk motor induksi, listrik 3 phasa tidak memerlukan kapasitor.        (SUMBER:http://www.mediaproyek.com/)
2. 1 Fasa(Pompa air, kipas angin, kompresor AC&kulkas, mixer, hair dryer, dsb.) dan 3 Fasa(Hoist Crane/alat angkat, kompresor AC & Chiller, motor2 produksi, conveyor, pompa2 (air,minyak/hydrolik dsb), Taman Hiburan (penggerak kincir, sky lift dsb)Hoist Crane/alat angkat, kompresor AC & Chiller, motor2 produksi, conveyor, pompa2 (air,minyak/hydrolik dsb), Taman Hiburan (penggerak kincir, sky lift dsb)) (SUMBER: https://id.answers.yahoo.com)
3. • tegangan yang besar mampu di bagi menjadi 3 Penghantar yaitu R,S,T dan N
   • Genertaror yang mebggunakan sistem ini ukuranya lebih kecil
   • simpel                                                                     (Sumber:http://seputar-listrik.blogspot.com/)
4. Hal paling mudah yang bisa kita jumpai dalam sistem kelistrikan PLN mengenai 3 phase ini adalah dengan melihat jaringan kabel distribusi PLN di sekitar rumah kita. Bisa dilihat di tiang listrik, ada paling tidak 3  kabel (atau 4 kabel dengan netralnya) yang dipilin dan itulah kabel dari sistem 3 phase.

   Sedangkan yang disambungkan ke rumah kita adalah sistem 1 phase, dimana diambil dari salah satu phase (phase R, S atau T)dari kabel di tiang listrik tadi, ditambah dengan kabel netralnya. Karena itu lain rumah lain pula phase yang disambungkan, dimana hal ini untuk menjaga keseimbangan beban dari tiap phase tersebut.

   Untuk sistem 3 phase, tegangan antar phase-nya adalah 380V dan tegangan phase ke netral adalah 220V. Dan tegangan listrik yang disambungkan ke perumahan adalah 220V. (http://www.instalasilistrikrumah.com/)