Inverter DC ke AC

Inverter DC ke AC atau DC to AC Inverter adalah rangkaian elektronik yang berfungsi untuk menghasilkan tegangan AC atau bolak-balik dari tegangan DC atau searah. Misalnya, mengubah tegangan DC 12 V menjadi tegangan AC 220 Volt agar dapat digunakan untuk memberikan catu daya untuk perangkat yang membutuhkan tegangan 220 Volt AC.

Prinsip Inverter

Sebuah Inverter memiliki komponen utama sebuah transformator step up atau penaik tegangan. Dalam hal ini, kumparan primer adalah kumparan untuk tegangan AC rendah tetapi arus besar, misalnya 12 V_AC dan memiliki dua kumparan, dengan C_T   atau Center Tap (percabangan di tengah). Jadi, kumparan primer ini menggunakan kawat lilitan dengan diameter cukup besar untuk dilalui arus dari akumulator yang besarnya relatif besar, dalam kisaran ampere, tergantung besarnya daya yang direncanakan. Sedangkan kumparan sekunder adalah kumparan untuk tegangan tinggi (biasanya 12 Volt AC), tetapi dengan arus yang lebih kecil.

Pada dasarnya, tegangan di kumparan sekunder (220 V_AC ) akan dihasilkan, jika pada kumparan primer dilalui arus bolak-balik, atau arus listrik yang arahnya selalu berubah arah secara kontinyu. Perhatikan gambar prinsip berikut ini, dimana kedua kumparan primer secara bergantian dialiri arus listrik dari akumulator, dengan mengubah posisi saklar S₁  naik-turun secara terus menerus.

Gambar: Prinsip dasar Inverter DC ke AC

Pada gambar sebelah kiri, saat S₁ terhubung ke atas, maka arus dari baterai V_DD mengalir dari positif baterai naik ke atas dan memberi arus kepada kumparan primer bagian atas. Maka di terminal atas kumparan primer akan terdapat tegangan positif yang berasal dari V_DD , sementara di dalam kumparan primer tersebut terjadi aliran arus dari atas ke bawah. Oleh adanya arus ini, di kumparan sekunder dihasilkanlah tegangan ggl melalui proses induksi, dimana di bagian atas kumparan sekunder terdapat tegangan sesaat berpolaritas positif.

Pada keadaan sebaliknya, saat S₁  digeser ke bawah, seperti gambar rangkaian di sebelah kanan, maka sekarang arus positif dari baterai V_DD akan terhubung ke kumparan primer yang bagian bawah trafo. Dan terjadilah aliran arus primer dari arah bawah ke atas. Hal ini merupakan kebalikan dari gambar sebelah kiri. Oleh adanya arus primer yang berubah arah ini, yakni dari bawah ke atas, maka di kumparan sekunder transformator dihasilkanlah tegangan induksi dengan polaritas positif di bagian atas.

Jika hal itu dilakukan secara terus menerus, secara bergantian arus di kumparan primer berubah arah, maka di kumparan sekunder dihasilkan tegangan yang polaritasnya selalu berubah-ubah. Dan ini kita ketahui sebagai tegangan bolak-balik atau AC (alternating current). Besarnya tegangan di kumparan sekunder dipengaruhi oleh perbandingan jumlah lilitan antara kumparan primer dengan kumparan sekunder sebagai berikut:

di mana V_S = tegangan di kumparan sekunder, V_P = tegangan di kumparan primer, N_S = jumlah lilitan kumparan sekunder, N_P = jumlah lilitan kumparan primer.

Dari rumus di atas, besarnya V_S dapat dihitung dengan

dan dalam rangkaian di atas, V_S merupakan tegangan output Inverter, yaitu V_O.

Tegangan AC 220 Volt yang lazim digunakan biasanya berfrekuensi 50Hz. Dan hampir mustahil untuk menggerakkan saklar ke atas dan ke bawah dengan kecepatan 50 perubahan per-detik, atau dengan frekuensi 50Hz. Dalam rangkaian Inverter yang sebenarnya, sebagai pengganti saklar S₁ bisa digunakan transistor BJT ataupun MOSFET. Dan di artikel ini, kita akan menggunakan MOSFET sebagai fungsi rangkaian saklarnya, sebagai berikut:


Rangkaian Inverter DC ke AC menggunakan MOSFET

Gambar: Rangkaian Inverter 12V_DC ke 220V_AC menggunakan MOSFET

Sebuah IC MOSFET CD4047 merupakan rangkaian Monostable/ Astable yang akan menghasilkan pulsa-pulsa yang saling berlawanan fase di kaki 10 dan 11. Frekuensi pulsa yang dihasilkan ditentukan oleh komponen kapasitor yang dipasang di antara kaki 1 dan 3, yang dalam hal ini nilainya 0,22 μF , dan frekuensi tersebut juga ditentukan oleh resistor yang terpasang antara kaki 3 dan 3 IC, yang dalam hal ini senilai 22k variabel. Dengan mengatur nilai VR 22k itu, akan diperoleh frekuensi yang tepat 50Hz. Sinyal output diambil dari kaki 10 dan 11 yang saling berlawanan fase, seperti dijelaskan sebelumnya. Saat kaki 10 menghasilkan pulsa positif, maka kaki 11 Nol. Dan sebaliknya, saat kaki 11 menghasilkan pulsa positif, kaki 10 bertegangan Nol Volt. Oleh adanya pulsa yang saling berlawanan itu, maka kaki Gate kedua MOSFET akan mendapat bias tegangan yang saling berlawanan. 

Cara Kerja Rangkaian

Saat Gate MOSFET bagian atas yaitu Q₁  diberi sinyal positif oleh pulsa positif yang dihasilkan oleh kaki 10 IC, maka mosfet itu akan konduksi atau "ON" dan mengalirkan arus pada kumparan primer sisi atas, seperti nampak pada gambar di atas. Perhatikan bahwa arah arus di kumparan primer adalah ke atas. Di saat yang sama, kaki 11 IC menghasilkan tegangan Nol dan mengakibatkan MOSFET yang bagian bawah, yakni Q₂ pada kondisi OFF atau tidak mengalirkan arus.  Di bawah keadaan ini, kumparan sekunder transformator akan menghasilkan tegangan negatif, setinggi nilai puncak tegangan 220V_AC  . Itulah yang akan terjadi ketika Q₁  "ON" dan Q₂ "OFF". Selanjutnya pada keadaan yang sebaliknya.

Di fase berikutnya, ketika Q₁  "OFF" dan Q₂  "ON". Saat ini kaki 10 IC menghasilkan tegangan Nol sehingga Gate Q₁  bertegangan Nol dan berakibat Q₁  menjadi "OFF". Sebaliknya, kaki 11 IC menghasilkan tegangan positif sehingga kaki Gate Q₂  sekarang bertegangan positif dan berakibat Q₂ sekarang "ON". Dengan Q₂ "ON" ini akan mengalirlah arus dari V_DD ke kumparan primer sisi bawah trafo. Perhatikan bahwa saat ini arah arus di kumparan primer trafo ke arah bawah. Hal ini mengakibatkan terjadinya tegangan induksi di kumparan sekunder transformator dengan polaritas positif, yakni berlawanan dengan tegangan yang dihasilkan pada fase sebelumnya.

Demikian seterusnya, maka rangkaian Inverter tersebut akan menghasilkan tegangan 220V_AC di saluran outputnya.