BAB 1 - bab 5
-
Upload
nanda-finalis -
Category
Documents
-
view
108 -
download
7
description
Transcript of BAB 1 - bab 5
1
BAB I
PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang
Power supply adalah alat yang memasok energi listrik ke satu atau lebih
beban listrik. Istilah ini paling sering diterapkan ke perangkat yang mengubah satu
bentuk energi listrik yang lain. jenis-jenis power supply yaitu baterai, power
supply AC, power supply DC, Linear regulated power supply, AC/DC supply
Switched-mode power supply dll.tergantung dari fungsi dan keguanaan.
Converter DC sebagai salah satu jenis power supply DC yang berfungsi untuk
menaikkan tegangan. Converter DC sendiri memiliki beberapa jenis yaitu: Step-
down (buck) converter (untuk menurunkan teganagan), Step-up (Boost) converter
(untuk menaikkan teganagan), Step-down/step-up (buck-boost) converter, (untuk
menurunkandan menaikkan teganagan), Cuk converter,Push-pull converter,Full-
bridge converter, dan Flyback converterbuck converter dan Boost Converter
merupakan topologi converter dasar, karena yang lainnya merupakan turunan atau
kombinasi dari buck converter atau Boost Converter.
Boost Converter Terdapat dua alternatif transformasi daya dari sumber DC ke
beban dengan cara yang dapat dikendalikan yaitu Linear Mode dan Switched
Mode. Konversi daya mode linear menggunakan jatuh tegangan pada elemen
resistif untuk mengatur tegangan. Mode ini juga hanya bisa digunakan sebagai
penurun tegangan. Pada konversi daya Switched Mode, energi yang timbul oleh
2
karena jatuh tegangan pada induktor disimpan pada kondisi switched on,
kemudian akan ditransfer ke beban pada kondisi swithced off. Cara ini
menghasilkan efisiensi yang lebih tinggi dibandingkan mode linear. Energi yang
tersimpan pada induktor dapat diubah menjadi tegangan output yang lebih tinggi
dibandingkan tegangan inputnya,lebih rendah atau inversi dari tegangan inputnya.
Ada dua fundamental berbeda operasi mode untuk converter. Yang pertama,
continues Conduction mode (CCM) yaitu tempat energi dalam induktor mengalir
terus menerus selama operasi dari konverter. Peningkatan tersimpan energi dalam
induktor selama waktu ON dari switch adalah sama dengan energi yang dibuang
ke output selama waktu OFF dari tombol, memastikan operasi steady-state. Pada
akhir interval debit, energi sisa tetap di induktor. Selama berikutnya ON interval
dari switch, energi membangun dari tingkat sisa untuk yang dibutuhkan oleh
beban untuk switching berikutnya siklus. Dalam modus lain, discontinues-
conduction mode (DCM),energi yang tersimpan dalam induktor selama interval
ON saklar itu sama hanya dengan energi yangdibutuhkan oleh beban untuk satu
switching siklus, ditambah jumlah kerugian konverter. energi dalam induktor
menghabiskannya ke nol sebelum akhir setiap siklus switching, sehingga dalam
suatu periode tidak ada aliran energi, atau operasi terputus-putus. Kedua modus
pengoperasian telah signifikan mempengaruhi kinerja Converter. Salah satu
keputusan pertama untuk membuat dalam mendesain Boost Converter adalah
memilih mode Converter untuk mengoperasikannya.
Dari uraian sebelumnya, pada tugas akhir ini akan diaplikasikan Boost
Converter jenis Conduction continues mode (CCM) switch mode dari masukan
3
12v di konversikan keluarannya menjadi 24v dengan cara menentukan duty-ratio,
resistanti, kapsitor, dioda, mosfet, arus dan tegangan. setelah itu menganalisa
dengan menggunakan sim power system matlab 2008 dan circuit maker serta
mengimplementasikannya ke papan PCB.
1.2 Rumusan Masalah
Perumusan dan penjabaran masalah yang dibahas dalam penulisan Tugas
akhir adalah sebagai berikut :
1. Bagaimana Desain Rangkaian Boost Converter conductions continues
switch mode menggunakan sim power system dari progam matlab 2008
2. Bagaimana implementasi desain kedalam rangkaian elektronik diatas
papan PCB.
1.3 Tujuan
1. Mendesain dan mengimplementasikan Rangkaian Boost Converter
conductions continues switch mode ke papan pcb
2. Menganalisa output tegangan dari rangkaian elektronik boost converter
dengan output tegangan boost converter menggunakan sim power system
menggunakan matlab 2008
4
1.4 Batasan Masalah
1. Desain Rangkaian Boost Converter conductions continues switch mode
menggunakan sim power system menggunakan matlab 2008.
2. Pembuatan rangkaian elektronik Boost Converter.
3. Analisa dari Rangkaian Boost Converter conductions continues switch
mode .
1.5 SISTEMATIKA LAPORAN
BAB I Pendahuluan
Membahas tentang latar belakang, Rumusan Masalah,
Tujuan, Manfaat, Batasan Masalah, Sistematika Laporan.
BAB II Dasar Teori
Boost Converter, Induktor, Mosfet, PWM, LM358,
Kapasitor, Matlab .
BAB III Metodologi
Berisi tentang Desain Catu Daya, Desain PWM, Desain
Boost Converter, Proses Perancangan dan pembuatan alat.
BAB IV Pengujian dan Pembahasan
Berisi tentang Pengujian pada rangkaian.
BAB V Penutup
Berisi Tentang Kesimpulan dan Saran
5
BAB II
DASAR TEORI
2.1 BOOST CONVERTER
Pengubah daya DC-DC (DC-DC Converter) tipe peralihan atau dikenal
dengan sebutan DC Chopper dimanfaatkan terutama untuk penyediaan tegangan
keluaran DC yang bervariasi besarannya sesuai dengan permintaan pada beban.
Daya masukan dari proses DC-DC tesebut adalah berasal dari sumber daya DC
yang biasanya memiliki tegangan masukan yang tetap. Pada dasarnya,
penghasilan tegangan keluaran DC yang ingin dicapai adalah dengan cara
pengaturan lamanya waktu perhubungan antara sisi keluaran dan sisi masukan
pada rangkaian yang sama. Komponen yang digunakan untuk menjalankan fungsi
penghubung tersebut tidak lain adalah switch (solid state electronic switch) seperti
misalnya Tyristor, MOSFET, IGBT, GTO. Secara umum ada dua fungsi
pengoperasian dari DC Chopper yaitu penaikkan tegangan dimana tegangan
keluaran yang dihasilkan lebih tinggi dari tegangan masukan, dan penurunan
tegangan dimana tegangan keluaran lebih rendah dari tegangan masukan.
Boost Converter atau step up converter adalah DC Chopper yang tegangan
keluarannya dapat diatur lebih besar atau sama dengan tegangan sumber. Pada
umumnya rangkaian ini digunakan untuk regulated power supply (catu daya yang
tegangannya dapat diatur). Rangkaian dasar Boost Converter ditunjukkan dalam
Gambar 2.1 Kapasitor C harus mempunyai kapasitas yang sangat besar agar
6
dapat memberikan tegangan konstan saat beban tidak mendapat suplai dari
sumber.
Gambar 2.1 Rangkaian dasar Boost Converter
(Rashid,2001)
Pada gambar 2.1 komponen switchnya diatur dengan metode PWM. Jika
switch ditutup, dioda D akan mendapat tegangan mundur (reverse bias), sehingga
dioda tidak menghantar dan tidak ada arus yang mengalir ke beban. Arus dari
sumber hanya mengalir ke induktor L. Sesuai dengan sifatnya, arus yang mengalir
akan disimpan oleh induktor dalam bentuk magnet.
Ketika switch dibuka, dioda D akan mendapat tegangan maju (forward bias),
sehingga dapat mengalirkan arus dari sumber. Arus yang mengalir ke beban akan
lebih besar daripada arus yang dikeluarkan sumber, karena mendapat tambahan
arus yang sebelumnya disimpan oleh induktor. Akibatnya tegangan pada beban
juga semakin besar. Hal ini sesuai dengan hukum Ohm di mana tegangan pada
suatu beban adalah arus dikalikan resistansi beban.
7
2.1.1 Prinsip Kerja Boost Converter
Berikut bentuk diagram rangkaian dasar Boost Converter dan bentuk
gelombang keluarannya :
Gambar 2.2 Gambar Boost Converter: (a) Diagram Rangk. (b) Bentuk
gelombang (H. Muhamad Rashid, Power Elektronik Handbook, academic Press,
California, 2003, hal 216)
8
Gambar 2.3 MOSFET dalam Kondisi ON
Ketika switch S pada posisi 1, arus mengalir di Induktor L. Inductor
menyimpan energi listrik dalam bentuk magnet. Perubahan Arus Induktor (IL)
yang mengalir melalui induktor dengan rumus:
∆ I L
∆ t=VIn
L ..................................................................................................(2.1)
Peningkatan Arus Induktor (IL) ketika Switch pada posisi ON dengan rumus :
∆ I Lon=1L∫0
DT
V ¿dt= DTL
V ¿...............................................................................(2.2)
Dan ketika switch S pada posisi 2, beban R mendapat sumber energy dari V in atau
V sumber dan Induktor yang melepaskan energy listrik. Jika mempertimbangkan
penurunan tegangan Dioda dan muatan pada kapasitor cukup besar untuk
menahan Tegangan keluaran tetap konstan. Maka perubahan I L dirumuskan
dengan :
Vin−Vout=LdI L
dt .............................................................................................(2.3)
9
Sehingga, perubahan I L selama periode OFF adalah :
∆ I Loff= ∫0
(1−D) (V ¿−V 0 ) dt
L=
(V ¿−V 0 ) (1−d ) TL
..............................................(2.4)
Gambar 2.4 MOSFET dalam Kondisi Off
Jadi, arus induktor harus sama pada awal dan akhir siklus pergantian. ini berarti
perubahan keseluruhan dalam saat ini (jumlah perubahan) adalah nol.
∆ I Lon+∆ I L off=0............................................................................................... (2.5)
Menjumlahkan persamaan (2.2 ) dengan persamaan ( 2.4) maka akan menjadi:
∆ I Lon+∆ I L off=V ¿DT
L+
(V ¿−V 0 ) (1−d ) TL
=0..................................................(2.6)
Sehingga jika disederhanakan akan menjadi :
V 0
V ¿= 1
1−D.........................................................................................................(2.7)
Untuk mengetahui Duty ratio dapat ditentukan dengan persamaan :
D=1−V ¿
V 0.........................................................................................................(2.8)
Dari persamaan diatas dapat diketahui bahwa tegangan output (V0) akan
lebih besar dibandingkan tegangan input (Vin) (sebagai Duty Ratio dari 0.1
10
sampai 0.9 ). Dengan demikian dapat diketahui arus keluaran dari rangkaian
dengan persamaan :
Io=V 0
R❑..............................................................................................................(2.9)
Regulator Boost Converter hanya memerlukan sebuah MOSFET, sangat
sederhana dan memiliki efisiensi yang tinggi dari 90 % di/dt atau arus beban
dibatasi oleh induktor L. Namun demikian, arus masukan tidak memiliki satu
polaritas tegangan keluaran dan arus keluaran yang unidirectional sehingga
memerlukan rangkaian pelindung untuk kemungkinan adanya hubung singkat bila
arus yang mengalir pada dioda.
2.2 Induktor
Induktor seringkali disebut sebagai induktansi, lilitan, kumparan, atau belitan.
Pada induktor mempunyai sifat dapat menyimpan energi dalam bentuk medan
magnet. Satuan dari induktor Henry (H). Dalam rangkaian Boost Converter
Induktor digunakan sebagai penyimpan energi listrik dalam bentuk medan
magnet. Pemilihan Parameter induktor yang digunakan dalam Boost Converter
harus sesuai dengan persamaan :
L>(1−D )2 . D . R
2 fs..............................................................................(2.10)
Untuk menjamin kestabilan Boost Converter maka syarat yang harus
dipenuhi adalah :
L ≤C .VinVo
.( R10 )
2
...............................................................................(2.11)
11
Arus yang mengalir pada induktor akan menghasilkan fluksi magnetik (Φ)
yang membentuk loop yang melingkupi kumparan. Arus yang mengalir pada
Induktor dapat diketahui dengan persamaan :
I l=Vin
(1−D )2 . R...................................................................................(2.12)
Dimana :
Vin = tegangan input
V0 = tegangan output
L = induktor
C = kapasitor
R = resistansi (beban)
D = Duty Ratio
I l = arus induktor
2.3 MOSFET
MOSFET adalah singkatan dari Metal Oxide Semiconduktor Field Efect
Transistor (semikonduktor FET oksida logam) yang memiliki sumber, gerbang
dan penguras. Akan tetapi berbeda dengan JFET, gerbangnya sangat kecil untuk
gerbang positif atau negatif. MOSFET kadang – kadang disebut sebagai IGFET,
singkatan dari insulated-gate FET (FET gerbang terisolasi).
12
2.3.1 MOSFET Tipe Pengosongan (Depletion-Type MOSFET)
Gambar 2.5 memperlihatkan MOSFET saluran-n, sekeping bahan n
penghantar dengan daerah p di sebelah kanan dan gerbang terisolasi di sebelah
kiri. Elektron bebas dapat mengalir dari sumber ke penguras melalui bahan n.
Daerah p disebut substrat (atau tubuh); secara fisik daerah ini mengurangi jalur
penghantar menjadi saluran sempit . Elektron yang mengalir dari sumber ke
penguras harus melalui saluran yang sempit ini.
Lapisan tipis silikon dioksida (SiO2) ditempelkan pada sisi kiri saluran.
Silikon dioksida sama seperti kaca, yang merupakan isolator (penyekat). Pada
MOSFET gerbangnya terbuat dari logam. Karena gerbang terpisah dari saluran,
maka hanya sedikit sekali arus gerbang yang mengalir, walaupun bila tegangan
gerbang berharga positif.
Gambar 2.5 MOSFET Tipe – Pengosongan.
Pada ragam pengosongan, catu VDD memaksa elektron bebas mengalir ke
sumber ke penguras. Elektron ini mengalir melalui saluran yang sempit pada sisi
kiri dari substrat p. Bila tegangan gate cukup negatif, arus penguras putus. Sedang
n
n
p
DRAIN
SUBSTRAT
SOURCE
GATE
SiO2
13
pada ragam peningkatan, tegangan positif menaikkan jumlah elektron bebas yang
mengalir melalui saluran.
Makin positif tegangan gate, makin besar hantaran dari sumber ke penguras.
Hal ini dapat dilihat pada Gambar 2.6.
Gambar 2.6 Ragam MOSFET (a). Ragam Pengosongan
(b) Ragam Peningkatan
Jenis ini memiliki arus drain yang baik pada ragam pengosongan maupun
peningkatan. Karena jenis ini menghantar pada saat VGS = 0, yang juga dikenal
sebagai MOSFET normally on.
2.3.2 MOSFET Tipe Peningkatan (Enhancement-Type MOSFET)
Gambar 2.7.a memperlihatkan MOSFET tipe peningkatan saluran-n. Pada
MOSFET ini, substrat meluas hingga menyentuh silikon dioksida; secara fisik tak
ada lagi saluran n diantara sumber dan drain. Untuk mendapatkan arus drain, kita
harus menerapkan tegangan gerbang positif. Gambar 2.7.b memperlihatkan
polaritas pengaturan pra-tegangan yang normal. Bila VGS = 0, maka catu VDD
VDDVDD
VGG VGG
14
berusaha memaksa elektron bebas mengalir dari sumber ke drain, tapi substrat p
hanya memiliki sedikit sekali elektron pita-konduksi yang dihasilkan secara
thermal. Itulah sebabnya jenis ini disebut juga sebagai MOSFET normally off.
Gambar 2.7 MOSFET Tipe Peningkatan
Bila tegangan gate cukup positif, ia dapat menarik cukup banyak elektron
untuk membentuk lapisan tipis elektron diantara sumber dan drain. Dengan kata
lain, tegangan gerbang positif menarik elektron bebas ke dalam substrat p dan
bergabung kembali dengan lubang yang berbatasan dengan silikon dioksida. Bila
tegangan gerbang cukup positif, semua lubang yang bersentuhan dengan silikon
dioksida terisi, dan elektron bebas mulai mengalir dari sumber ke drain.
2.3.3 Simbol Rangkaian MOSFET
Terdapat 2 simbol yang digunakan untuk MOSFET saluran-n yang
ditunjukkan pada Gambar 2.8. Simbol dalam Gambar 2.8.a menunjukkan simbol
yang digunakan untuk jenis MOSFET tipe Enhancement dan Gambar 2.8.b
menunjukkan simbol yang digunakan untuk MOSFET tipe Depletion.
SiO2
VDD
VGS
15
Gambar 2.8 Simbol MOSFET untuk Peningkatan Saluran-n
2.3.4 Karakteristik MOSFET
Simbol dan karakteristik tegangan arus MOSFET ditunjukkan dalam
Gambar 2.9. MOSFET mempunyai tiga terminal dengan nama masing-masing
adalah: Gate (G), Drain (D) dan Source (S). Gate identik dengan terminal Base
(B) pada transistor, sedang Drain identik dengan Collector (C) dan Source identik
dengan Emitor (E).
Gambar 2.9 Simbol dan karakteristik MOSFET
Simbol pada Gambar 2.9 adalah simbol MOSFET dengan channel N. Hal itu
ditunjukkan dengan arah panah masuk pada terminal S. Jenis lainnya adalah
Gate Gate
Drain Drain
Source Source
16
MOSFET channel P yang simbol anak panahnya mengarah keluar. Daerah aktif
dari MOSFET adalah daerah dalam sudut antara garis off dan on. Pada daerah ini
terminal D dan S mengalami konduksi seperti halnya saklar tertutup. Akibatnya
arus ID mengalir dari terminal D ke terminal S. Kondisi ini terjadi jika diberikan
tegangan VGS yang nilainya lebih besar dari VGS threshold (penahan). VGS
threshold adalah nilai VGS minimum yang diperlukan untuk menyebabkan
terminal D dan S konduksi.
Besar arus ID yang mengalir dari terminal D ke terminal S, tergantung dari
nilai IGS yang diberikan. IGS akan bertambah jika tegangan VGS ditambah, dan akan
berkurang jika VGS dikurangi. Jika teganganVGS berkurang hingga di bawah VGS
threshold, konduksi antara terminal D dan S akan terputus.
2.4 Kapasitor
Kapasitor (Kondensator) yang dalam rangkaian elektronika dilambangkan
dengan huruf "C" adalah suatu alat yang dapat menyimpan energi/muatan listrik
di dalam medan listrik, dengan cara mengumpulkan ketidakseimbangan internal
dari muatan listrik. Kapasitor ditemukan oleh Michael Faraday (1791-1867).
Satuan kapasitor disebut Farad (F). Satu Farad = 9 x 1011 cm2 yang artinya luas
permukaan kepingan tersebut.
Struktur sebuah kapasitor terbuat dari 2 buah plat metal yang dipisahkan oleh
suatu bahan dielektrik. Bahan-bahan dielektrik yang umum dikenal misalnya
udara vakum, keramik, gelas dan lain-lain. Jika kedua ujung plat metal diberi
tegangan listrik, maka muatan-muatan positif akan mengumpul pada salah satu
17
kaki (elektroda) metalnya dan pada saat yang sama muatan-muatan negatif
terkumpul pada ujung metal yang satu lagi. Muatan positif tidak dapat mengalir
menuju ujung kutub negatif dan sebaliknya muatan negatif tidak bisa menuju ke
ujung kutub positif, karena terpisah oleh bahan dielektrik yang non-konduktif.
Muatan elektrik ini tersimpan selama tidak ada konduksi pada ujung-ujung
kakinya. Di alam bebas, phenomena kapasitor ini terjadi pada saat terkumpulnya
muatan-muatan positif dan negatif di awan.
Dalam pembuatan Boost Converter kapasitor digunakan untuk membatasi
riak tegangan yang dihasilkan dari rangakaian Boost Converter. Untuk membatasi
riak tegangan output (vo = vr) maka besar kapasitansi minimal filter capasitor
dihitung dengan menggunakan Perssamaan :
C min= DR . fs
.VoVr
..............................................................................................(2.13)
Fungsi penggunaan kapasitor dalam suatu rangkaian :
1. Sebagai kopling antara rangkaian yang satu dengan rangkaian yang lain.
2. Sebagai filter dalam rangkaian.
3. Sebagai pembangkit frekuensi dalam rangkaian antena.
4. Untuk menghemat daya listrik pada lampu neon.
5. Menghilangkan bouncing (loncatan api) bila dipasang pada saklar
2.5 PWM (Pulse Width Modulation)
18
Dengan bentuk rangkaian ini suplai DC dikonversikan (atau diatur) ke dalam
frekuensi tinggi (hingga 10 kHz) gelombang kotak dari lebar variabelnya dan
tingginya yang tetap. Arus bolak-balik dalam bentuk gelombang keluaran yang
diperlukan kemudian membentuk pulsa ini dimana lamanya waku menjadi sangat
singkat
Kontrol PWM (modulasi lebar pulsa) bekerja dengan switching power suplai
ke beban dalam keadaan ON dan OFF dengan sangat cepat. Sinyal gergaji diatur
menjadi sinyal gelombang kotak, pertukaran antara secara hidup penuh (hampir
mendekati 12 Volt) dan nol. Berikut adalah besar nilai Duty Cycle atau siklus
kerja dari PWM yang ditunjukkan pada gambar 2.10.
Gambar 2.10 Kontrol PWM dengan Gelombang Kotak.
Pada PWM switching terdapat suatu switching yang konstan/tetap, switch
control signal dengan control ON dan OFF yang dihasilkan dengan
membandingkan suatu level control signal tegangan dengan suatu bentuk
gelombang berulang. Frekuensi tetap konstan dalam suatu kontrol pulse width
19
modular (PWM) dengan batasan range frekuensi yang ditentukan. Berikut adalah
blog diagram dari Pulse width modulator (PWM) dan Comparator signal dari
Pulse width modulator (PWM) :
Gambar 2.11 Blok Diagram Pulse Width Modulator ( PWM)
Sumber: Mohan, Undeland, dan Robbins (1989, p.65)
Gambar 2.12 Comparator Signal Pulse Width Modulator (PWM)
Sumber: Mohan, Undeland, dan Robbins (1989, p.65)
VVc
V
V
20
Tegangan kendali vc(t) yang dihasilkan oleh Controller akan dibandingkan
dengan sinyal gergaji vr(t) dengan amplitudo konstan Vr pada frekuensi switching
yang konstan (fs) seperti pada Gambar 2.12. Sinyal output switching dinyatakan
dengan fungsi d(t), dimana :
d (t on )=1 untuk V c (t ) ≥V r
d (t off )=0 untuk V c (t )<V r
seperti tampak pada Gambar 2.12. Duty ratio PWM d(t) dinyatakan dengan :
d ( t )=V c( t)
V r
.......................................................................................(2.14)
2.6 Penguat Operasional
Penguat operasional atau Op-Amp adalah rangkaian elektronik yang
dirancang dan dikemas secara khusus sehingga dengan menambahkan komponen
luar sedikt saja dapat dipakai untuk berbagai keperluan. Dalam penulisan ini Op-
Amp digunakan sebagai Pembangkitan Pulsa. Pada dasarnya ada dua macam
penguatan yaitu inverting dan non-inverting dengan konfigurasi seperti pada
Gambar 2.13
Gambar 2.13 Rangkaian Penguat (a) Inverting, (b) Non-Inverting
21
Persamaan penguatan pada Gambar 2.13 adalah sebagai berikut:
Inverting :
V out=−R f
R¿V ¿ .........................................................................(2.15)
V out=R¿+Rf
R¿V ¿=(1+
Rf
R¿) .V ¿ ...................................................(2.16)
IC LM358 sebagai penguat masukan dari sensor, fungsi rangkaian penguat
adalah untuk membangun sinyal PWM dan sinyal gergaji pada rangkaian Boost
Converter.
Gambar 2.14 Konfigurasi Pin LM358
Penguat LM358 mempunyai 2 rangkaian penguatan (Gambar 2.13).
Amplifier ini mempunyai beberapa keuntungan diatas tipe amplifier standar dalam
mode single supply. Dapat beroperasi pada voltase daya dan 3V sampai 32V.
Mode masukan daya (supply) ini termasuk negative supply, dengan demikian
menghilangkan eksternal bias dari komponen pada banyak aplikasi. Cakupan
voltase keluaran juga meliputi voltase negatif (negative supply).
22
LM358 dalam pengoperasiannya dapat dilakukan secara single supply atau
split supply (Gambar 2.15).
Gambar 2.15 Konfigurasi Power Supply
2.7 MATLAB
MATLAB merupakan suatu program yang awalnya dirancang untuk
menyederhanakan pelaksanaan rutinitas numerik aljabar linier. Sejak itu tumbuh
menjadi sesuatu yang lebih besar dan digunakan untuk mengimplementasikan
algoritma numerik untuk berbagai aplikasi. Bahasa dasar yang digunakan sangat
seerhana dengan notasi standar aljabar linier, tetapi ada beberapa ekstensi yang
mungkinakan menyebabkan beberapa masalah pada awalnya.
MATLAB adalah sebuah bahasa dengan kinerja tinggi untuk komputasi
masalah teknik. Matlab mengintegrasikan komputasi, visualisasi, dan
pemograman dalam suatu model yang sangat mudah untuk dipakai. Dimana,
masalah-masalah dan penyelesaiannya diekspresikan dalam notasi matematika
yang familiar.
Fitur-fitur Matlab sudah banyak dikembangkan, dan lebih dikenal dengan
nama ToolBox. Sangat penting bagi pengguna Matlab, ToolBox mana yang
23
mendukung untuk Learn dan Apply teknologi yang sedang dipelajarinya. ToolBox
ini merupakan kumpulan dari fungsi-fungsi Matlab yang telah dikembangkan ke
suatu lingkungan kerja Matlab untuk memecahkan masalah dalam kelas
Particular. Area-area yang sudah bisa dipecahkan dengan ToolBox saat ini
meliputi pengolahan Sinyal, Sistem Kendali, Neural Networks (jaringan syaraf
tiruan), Fuzzy Logic dan Wavelets.
2.7.1 Simulink
Simulink MATLAB adalah fasilitas dalam perangkat lunak MATLAB yang
dapat digunakan untuk membuat model suatu sistem, melakukan uji simulasi dari
model tersebut dan menganalisa dinamika sistem model tersebut. Library browser
merupakan ToolBox model yang terdiri dari Sink, Source, Math Operation dan
lain-lain. Dalam Gambar 2.16 menunjukan gambaran Library Browser Simulink.
Gambar 2.16 Library Browser Simulink
24
2.7.2 Sim Power Systems
Sim Power Systems adalah sekumpulan Tool yang dapat akan digunakan
untuk merancang Boost Converter untuk diaplikasikan dalam pembuatan Model
PWM (Pulse widh modulation) Boost Converter. ToolBox Sim Power Systems
dapat digunakan dalam lingkungan kerja Matlab. Dalam Gambar 2.17
menunjukan gambaran Library Browser Sim Power Systems.
Gambar 2.17 Library Browser Sim Power Systems
(Arun Rajagopalan. 2002)
25
BAB III
METODOLOGI
3.1 Pengertian Umum Boost Converter
Converter DC ke DC memiliki fungsi untuk mengubah tegangan masukan
DC tetap menjadi tegangan keluaran DC yang berubah atau bervariasi yang
diperlukan oleh beban. Sistem rancangan secara umum dapat diterangkan melalui
diagram blok dibawah ini :
Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem.
Dari uraian diagram blok diatas dapat dijelaskan secara umum diskripsi kerja dari
blok tersebut, yaitu :
Power Supply DC ini digunakan untuk menyuplai ke dalam rangkaian yaitu
rangkaian Boost Converter dan rangkaian PWM. Besar tegangan yang akan
digunakan adalah 12 Volt pada rangkaian Boost Converter dan juga pada
rangkaian PWM.
BebanBoost Converter
Power Supply
PWM
26
PWM yang digunakan dalam perencanaan ini menggunakan LM 358 Dalam
perencanaan kali ini frekuensi yang akan dibangkitkan melalui LM 358 adalah
sekitar 1 kiloHetz dengan mengeluarkan sinyal gergaji pada keluarannya.
Keluaran dari LM 358 selanjutnya akan di trigger ke MOSFET dalam rangkaian
Boost Converter. Tegangan yang keluar dari PWM selanjutnya akan diteruskan ke
dioda yang berguna sebagai pengaman dari arus umpan balik jika beban pada
Boost Converter bersifat induktif. Setelah melewati dioda, tegangan diteruskan ke
kapasitor yang kemudian ke resistor. Kapasitor pada Boost Converter disini
berfungsi sebagai Filter untuk mengurangi ripple pada outputnya sehingga bila
semakin besar nilai C kapasitor maka gelombang keluaran diharapkan makin rata.
Dari keluaran Boost Converter ini akan dihasilkan tegangan yang lebih atau
sama dengan tegangan. Disini dipergunakan sebuah potensiometer yang
digunakan untuk mengatur tegangan keluaran dari Boost Converter yaitu dengan
mengatur Duty Cycle dari PWM.
3.2 Parameter Simulasi
Untuk mendapatkan Boost Converter pada arus kontinyu (Continous
Conductions Mode), diperlukan pemilihan parameter simulasi yang tepat untuk
menghasilkan Boost Converter yang diinginkan seperti berikut :
1. Merencanakan Tegangan Output VO = 24 Volt
2. Menetapkan tegangan input Vin = 12 Volt
3. Menetapkan frekuensi Switching fs = 1000 Hz
4. Merencanakan Resistansi beban, R = 24 Ohm
27
5. Menghitung Duty Ratio
Dari persamaan (2.8) berikut diketahui Duty Ratio :
D=1−VinVo
D=1−1224
=0.5
6. Menentukan besar Kapasitansi Kapasitor
Dengan asumsi perbandingan antara riak tegangan (Vr) dengan tegangan
output (V0) sebesar 1 %
7. Pemilihan Kapasitansi Kapasitor
Untuk membatasi riak tegangan output (vo = vr) maka besar kapasitansi
minimal filter kapasitor dihitung dengan menggunakan Persamaan (2.13)
C min= DR . fs
.VoVr
Jika diasumsikan Vr/Vo = 1 % maka :
C min= 0.5(24 ) .(1000)
.1
0.012,1mF
Maka dipilihlah C = 2.2 mF
8. Pemilihan Boost Induktor dapat itentukan dengan persamaan (2.10)
L>(1−D )2 . D . R
2 fs
L>¿(1−0.5 )2 . (0.5 ) .(24)
2.(1000)=1.5 mH
9. Untuk menentukan induktor pada rangkaian Boost Converter maka
syarat yang harus dipenuhi adalah dengan persamaan (2.10):
28
L ≤C .VinVo
.( R10 )
2
L=( 2.2 x10−3 ) . 1224
.( 2410 )
2
¿0.006336=6.34 mH
Maka dalam percobaan simulasi dipilih induktor L = 2 mH
10. Menghitung arus Induktor dengan persamaan (2.12)
I l=Vin
(1−D )2 . R
I l=12
(1−0.5 )2 .(24)=2 A
11. Menghitung arus output dengan persamaan (2.9)
I 0=VoR
I 0=2424
=1
3.3 Desain Boost Converter menggunakan Simulink MATLAB
Simulink MATLAB adalah fasilitas dalam perangkat lunak MATLAB yang
dapat digunakan untuk membuat model suatu sistem, melakukan uji simulasi dari
model tersebut dan menganalisa dinamika sistem model tersebut.
Pada rangkaian Boost Converter tersebut terdapat rangkaian Boost Converter
dan rangkaian PWM. Model simulasi PWM Boost Converter dapat dilihat pada
Gambar 3.2 berdasarkan model simulasi tesebut yang akan diimplementasikan
kepapan PCB.
29
3.3.1 Data Hasil Simulasi Desain Boost Converter
Untuk melakukan pengujian rangkaian Boost Converter, maka pengujian
yang dilakukan adalah melakukan simulasi pada rangkaian. Berdasarkan desain
PWM Boost Converter pada gambar 3.2 rangkaian tersebut yang akan dilakukan
pengujian. Pengujian simulasi dilakukan untuk mendapatkan data-data yang
dibutuhkan untuk melakukan penganalisaan rangkaian. Setelah melakukan
Simulasi pada Rangkaian Boost Converter maka akan deperoleh grafik
karakteristik. Data yang diperoleh berupa data grafik respon yang berupa sinyal
respon yang keluaran dari desain Boost Converter yang terdapat pada rangkaian
simulasi.
Gambar 3.2 Simulasi Boost Converter
menggunakan Simulink dengan ToolBox Sympower system MATLAB
30
(perancangan)
Berdasarkan hasil simulasi PWM pada Gambar 3.2 dapat diketahui Duty
Ratio berdasarkan persamaan ( 2.9 ) yaitu :
d (t )=V c (t )
V r
d ( t )=0.51
=0.5
Gambar 3.3
Sinyal Respon Duty Cycle (D-Cycle) dan Duty Ratio(d) gelombang dalam kondisi
Continous Conductions Mode (CCM)
Pada Gambar 3.3 merupakan sinyal pembentukan PWM (Pulse Width
Modulation ). Dengan prinsip kerja Saklar primer yang dipergunakan adalah
OFF
ON
VrComparator Impulse ( Vc )
31
MOSFET karena mempunyai respon yang cepat terhadap perubahan kondisi ON-
OFF (pen-saklaran) dan sangat cocok untuk digunakan dalam sistem switching.
Repeating Sequence merupakan sumber pembentukan gelombang segitiga
berbentuk Sinyal gergaji yang kemudian dikomparsikan (dibandingkan) dengan
tegangan input DC (Vin) pada rangkaian Sumber Boost Converter. Maka akan
didapatkan lebar pulsa atau yang populer disebut PWM (Pulse Width Modulation)
yang akan mengendalikan Gate dari MOSFET.
Gambar 3.4
Sinyal Respon Tegangan Keluaran (V0) dan Arus Induktor (IL)
32
Performasi output yang terlihat pada Gambar 3.4 merupakan sinyal respon
dari model Boost Converter dengan menggunakan input tegangan 12 Volt DC,
terlihat bahwa Respon tegangan output mencapai tegangan maksimum dan arus
induktor mencapai arus maksimum. Dari sinyal respon tegangan output (V0) ini
dapat dijadikan referensi untuk pengamatan selanjutnya meskipun tegangan
puncak sangat besar.
3.4 Desain PWM (Pulse Width Modulation)
Untuk membangkitkan sinyal PWM membutuhkan sinyal gergaji dan
gelombang kotak.didalam LM 358 ini terdapat dua Op-Amp. Dari kedua Op-Amp
tersebut dapat menghasilkan sinyal gergaji kemudian akan dikomperatorkan oleh
satu Op-Amp lagi agar dapat menghasilkan sinyal kotak dengan cara pengaturan
pada inverting input yang dapat diatur dengan menggunakan trimpot.
Berikut adalah gambar Op-Amp yang di tunjukkan pada Gambar 3.5
33
Gambar 3.5 Rangkaian PWM dengan Menggunakan LM 358
3.5 Proses Perancangan dan Pembuatan Alat.
Didalam perancangan dan pembuatan alat ini, diperlukan komponen,
peralatan, dan langkah kerja serta buku referensi yang mendukung mengenai
pembuatan alat ini. Kaxdrena dengan adanya semua itu, perancangan dan
pembuatan dapat diselesaikan dengan hasil yang memuaskan.
Langkah kerja merupakan suatu proses awal dari suatu pekerjaan yang paling
utama dalam perancangan alat, karena dengan adanya itu kita dapat mengetahui
hal – hal yang dapat dikerjakan lebih dahulu didalam merencanakan alat. Didalam
pembuatan alat, langkah kerja yang dapat dilakukan adalah sebagai berikut :
3.5.1 Langkah Kerja Perancangan Alat.
Untuk langkah kerja perancangan alat, langkah kerja yang dapat dilakukan
adalah :
a) Mempersiapkan alat dan bahan yang digunakan.
b) Membuat rancangan rangkaian pada papan PCB.
c) Merangkai hasil rancangan rangkaian dengan menggunakan solder
listrik.
d) Mendapatkan hasil data percobaan dari rangkaian tersebut.
3.5.2 Langkah Kerja Pembuatan Rangkaian Kontrol.
34
Dalam pembuatan alat, langkah kerja merupakan hal yang penting. Karena
dengan adanya langkah kerja kita dapat mengetahui langkah kerja yang harus
dilakukan dalam pembuatan alat tersebut. Dengan mengikuti langkah kerja yang
baik, maka hasil yang didapatkanpun hasil yang baik. Adapun langkah kerja
pembuatannya :
a) Menyiapkan komponen yang digunakan.
b) Menyiapkan alat yang digunakan.
c) Membuat jalur komponen pada PCB.
d) Melarutkan papan PCB dengan ferri clorida.
e) Mengatur tata letak komponen.
f) Mengebor dan memasang komponen sesuai dengan tata letaknya.
g) Menyolder komponen.
h) Menguji hasil komponen.
3.5.3 Proses Pembuatan PCB
a) Siapkan semua alat dan bahan untuk pembuatan PCB.
b) Membuat gambar atau jalur PCB dari rangkaian yang akan dibuat
sebagai perencaan.
c) Mencuci papan pertinax (PCB) dengan sabun sehingga dengan
menggunakan spidol yang tahan terhadap proses pencucian.
d) Mencampur larutan ferriclorida dengan air panas dengan perbandingan
yang sesuai.
35
e) Mencelupkan dan menggoyang-goyangkan papan PCB dalam larutan
fericlorida selama beberapa menit.
f) Setelah tidak ada tembaga yang tersisa, lalu mengangkat dan
membersihkan papan PCB dengan thinner atau semacamnya.
g) Mengebor papan PCB pada bantalan komponen.
h) Papan PCB siap untuk digunakan.
36
BAB IV
PENGUJIAN dan ANALISA
4.1 Pengujian pada Rangkaian PWM
Pengujian terhadap PWM ini dilakukan untuk mengetahui berapa besar
tegangan yang mampu dihasilkan oleh Duty Cycle tersebut.
4.1.1 Peralatan
1. Osiloskop.
2. Multimeter.
4.1.2 Langkah – Langkah Pengujian
1. Menyusun rangkaian sesuai dengan Gambar 4.1.
2. Mengatur Duty Cycle dan mengamati besar tegangan keluaran dan
bentuk gelombang.
Pada Gambar 4.1 dibawah menunjukkan gambar PWM dengan
menggunakan Op Amp Lm 358
37
Gambar 4.1 Skema Rangkaian PWM dengan Menggunakan Op-Amp Lm 358
Gambar 4.2 Sinyal PWM dengan Menggunakan Op-Amp Lm 358 Menggunakan
Simulasi Circuit Maker
4.1.3 Pengujian dan Analisa
Dari percobaan yang telah dilakukan, diperoleh hasil percobaan PWM
dengan Duty Cycle dari 10 % hingga 100 % dengan frekuensi 1 kHz seperti pada
Tabel 4.1 berikut.
Tabel 4.1 Pengujian terhadap PWM
Duty Cycle (%) Tegangan Keuaran (Volt)
102030405060
0,881,432,072,803,733,97
38
708090100
4,284,845,205,44
Pada percobaan tersebut PWM yang dihasilkan mampu menghasilkan
tegangan yang bervariasi dimana tegangan tersebut tergantung dari seberapa besar
Duty Cycle atau siklus kerja yang dapat dihasilkan. Semakin besar Duty Cycle
yang dihasilkan maka tegangan yang keluar dari PWM juga akan semakin besar.
Berikut ini adalah bentuk gelombang keluaran dari PWM dengan frekuensi 1 kHz
seperti pada gambar pengujian berikut ini.
Pengujian 1.
Gambar 4.3 PWM dengan Duty Cycle 10%
Dari bentuk gelombang diatas dapat diketahui nilainya:
39
Lebar Pulsa = Duty Cycle (k) =
T on
Ton+T off
×100%
=
1010+90
×100 % =
10100
×100 %= 10%
Time Rise = τr = 1 μs = 0,001 ms
Time Fall = τf = 5 μs = 0,005
Pengujian 2.
Gambar 4.4 PWM dengan Duty Cycle 20%
40
Pengujian 3.
Gambar 4.5 PWM dengan Duty Cycle 40%
Pengujian 4.
41
Gambar 4.6 PWM dengan Duty Cycle 60%
Pengujian 5.
Gambar 4.7 PWM dengan Duty Cycle 80%
Pengujian 6
42
Gambar 4.8 PWM dengan Duty Cycle 100%
4.2 Pengujian terhadap Boost Converter
Pengujian Boost Converter dilakukan dengan tujuan untuk mengetahui
tegangan keluaran dari Boost Converter terhadap perubahan Duty Cycle.
4.2.1 Peralatan
1. Multimeter.
2. Osiloskop.
4.2.2 Langkah – Langkah Pengujian
1. Menyusun rangkaian sesuai dengan Gambar 4.9
2. Mengatur Duty Cycle pada PWM dan mengamati tegangan keluaran dari
Boost Converter
43
Gambar 4.9 Skema Rangkaian Boost Converter
4.2.3 Pengujian dan Analisa
Setelah melakukan beberapa percobaan maka di dapat hasil percobaan pada
Tabel 4.2 di bawah.
Tabel 4.2 Pengujian Boost Converter
Tegangan Masukan
(Volt)
Arus
(Mili Ampere)
Tegangan keluaran
(Volt)
12
12
12
12
12
12
0,30
0,37
0.44
0,48
0,51
0,56
11.5
15
17
20
22
24
44
Bentuk gelombang penyulutan MOSFET dihasilkan dari PWM dan
tegangan sumber 11,68 volt. PWM digunakan untuk penyulutan MOSFET pada
Boost Converter. Dengan pengaturan Duty Cycle yang bervariasi dihasilkan
tegangan keluaran dari Boost Converter yang bervariasi pula. Pada saat tanpa
pembebanan keluaran Boost Converter yang dapat menghasilkan tegangan
keluaran sebesar 24 volt dengan Duty Cycle 50%. Berikut gambar gelombang
keluaran dari Boost Converter pada saat tanpa beban.
Gambar 4.10 Keluaran Boost Converter Tanpa Beban
Dari Tabel 4.10 diatas dapat dilihat bahwa kecepatan motor DC
sebanding dengan besarnya Duty Cycle pada saat berbeban. Ketika pengaturan
Duty Cycle pada PWM diatur rendah maka tegangan keluaran pada boost
45
converter akan kecil. Sebaliknya, ketika pengaturan Duty Cycle diatur tinggi maka
tegangan keluaran pada boost juga akan. Dengan perubahan tegangan tersebut
maka mengakibatkan perubahan arus pula. Sehingga bentuk gambar keluaran
pada Boost Converter pada saat berbeban dapat dilihat pada gambar di bawah ini :
Gambar 4.11 Keluaran Boost Converter Saat Berbeban
Dari gambar pengujian pada saat berbeban, dapat dilihat gelombang
keluaran sama dengan pada saat tak berbeban hanya saja terdapat perubahan pada
amplitudonya. Hal ini disebabkan besarnya nilai kapasitansi pada rangkaian Boost
Converter yang berfungi sebagai peredam ripple dari tegangan keluaran Boost
Converter tersebut, dan beban yang digunakan pada pengujian ini cukup kecil
sehingga hasil gelombang keluaran dari Boost Converter tersebut baik.
Dengan diketahui tegangan keluaran pada saat Duty Cycle 50% adalah 24
volt, tegangan masukan 12 volt, sehingga didapat dapat diketahui bahwa tegangan
46
keluarannya meningkat 2 kali dari tegangan masukan pada Boost Converter
tersebut.
Dari data yang didapatkan dari pengujian yaitu tegangan keluaran yang
diperoleh tegangan sebesar 2 kali lebih besar dari tegangan masukannya bahkan
dapat lebih tinggi lagi dari data yang didapatkan tersebut. Untuk dapat lebih tinggi
lagi tegangan keluaran pada rangkaian Boost Converter, dilakukan dengan cara
menseting pada nilai L pada rangkaian Boost Converter tersebut yang sesuai
dengan rumusnya yaitu :
Vout = VL + VIN
Sehingga semakin besar nilai impedansi pada induktor L maka semakin besar
tegangan keluaran yang dihasilkan.
47
BAB V
PENUTUP
5.1 KESIMPULAN
1. Perbandingan tegangan keluaran dari simulasi sim power system
menggunakan progam Matlab 2008 dengan rangkaian elektroniknya
adalah 0.2
2. Sebagai penyedia tegangan keluaran DC yang bervariasi besaran tegangan
keluarannya diatas tegangan masukan sesuai keperluan bebannya
3. Alat ini digunakan untuk mengatur tegangan dengan merubah Duty
Cyclenya yang berpengaruh pada tegangan keluaran.
4. Hasil yang diperoleh dari simulasi sim power system menggunakan
progam Matlab 2008 adalah hasil yang ideal sedangkan pada rangkaian
sebenarnya adalah tidak ideal dikarenakan faktor-faktor tertentu misalnya
kesalahan menentukan komponen.
5.2 SARAN
1. Dalam melakukan perencanaan, peralatan dan komponen yang digunakan
harus sesuai dengan barang yang ada dipasaran.
2. Pemilihan kapasitor dalam penggunaan PWM sangat penting diperhatikan
karena akan berpengaruh terhadap besar nilai frekuensi maupun besar ton.
48
3. Rangkaian yang digunakan pada PWM, dalam pengembangan selanjutnya
tidak hanya menggunakan rangkaian analog, tetapi dapat menggunakan
rangkaian seperti IC, mikrokontroler, rangkaian digital, penggabungan
antara rangkaian Op-Amp dan IC.