4

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Konverter DC-DC

Sistem catu-daya yang bekerja dalam mode pensaklaran (switching) mempunyai

efisiensi yang jauh lebih tinggi dibanding sistem catu-daya linier. Oleh karenanya,

hampir semua catu-daya modern bekerja dalam mode switching atau dikenal

sebagai SMPS (Switched Mode Power Supply). Komponen utama dari sistem

catu-daya adalah konverter dc-dc yang berfungsi untuk mengkonversikan daya

elektrik bentuk dc (searah) ke bentuk dc lainnya.

Secara umum, ada tiga rangkaian (topologi) dasar konverter dc-dc, yaitu buck,

boost, dan buck-boost. Rangkaian lain biasanya mempunyai kinerja mirip dengan

topologi dasar ini sehingga sering disebut sebagai turunannya. Contoh

dari konverter dc-dc yang dianggap sebagai turunan rangkaian buck adalah

forward, push-pull, half-bridge, dan full-bridge. Contoh dari turunan rangakain

boost adalah konverter yang bekerja sebagai sumber arus. Contoh dari turunan

rangkaian buck-boost adalah konverter flyback.

Vin

LR

E

DC

CHOPPER

Vo

Gambar 2.1 Rangkaian dasar konverter dc ke dc

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5

Vs RL Vo

Gambar 2.2 Rangkaian Mode Switch Chopper

Dari persamaan diatas terlihat bahwa tegangan keluaran DC dapat diatur

besarannya dengan menyesuaikan parameter D. Parameter D dikenal sebagai Duty

cycle yaitu rasio antara lamanya waktu switch ditutup (ton)dengan perioda T dari

pulsa tegangan keluaran.

Gambar 2.3 Tegangan mode switch chopper

....................................................... (2.1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6

dengan 0 D 1. Parameter f adalah frekuensi peralihan (switching frequency)

yang digunakan dalam mengoperasikan saklar. Berbeda dengan tipe linier, pada

tipe peralihan tidak ada daya yang diserap pada transistor sebagai saklar. Ini

dimungkinkan karena pada waktu saklar ditutup tidak ada tegangan yang jatuh

pada transistor, sedangkan pada waktu saklar dibuka, tidak ada arus listrik

mengalir. Ini berarti semua daya terserap pada beban, sehingga efisiensi daya

menjadi 100%. Namun perlu diingat pada prakteknya, tidak ada saklar yang ideal,

sehingga akan tetap ada daya yang hilang sekecil apapun pada komponen saklar

dan efisiensinya walaupun sangat tinggi, tidak pernah mencapai 100%.

2.1.1. Buck Chopper

Buck chopper merupakan konverter dc ke dc, nilai rata-rata tegangan keluaran

lebih kecil dari nilai sumber tegangannya.

VsRL

IT

IL

Io

ID

Vo

Gambar 2.4 Rangkaian Buck Chopper

Cara kerja rangkaian dapat dijelaskan sebagai berikut :

Saat transistor on. Dalam hal ini transistor dioperasikan sebagai saklar, sehingga

tegangan jatuh pada transistor untuk kondisi ideal sama dengan nol. Dengan

demikian, arus dari sumber tegangan akan dialirkan ke inductor, kapasitor dan

beban RL.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7

RL

Io

VoC

L

+

-

Vs

VL+ - +

-

Gambar 2.5 Rangkaian Buck Chopper saat transistor on

VL= Vs-Vo.....................................................................................................(2.2)

Saat transistor off, yaitu dengan menghilangkan arus basis, Dioda freewheel akan

bekerja yang disebabkan oleh adanya energy yang tersimpan pada inductor,

sehingga arus akan mengalir dari L, C beban dan diode. Arus induktor ini akan

menurun sampai transistor kembali di “on” kan.

RL

Io

VoC

L

Vs

-+ VL

+

-

+

-

Gambar 2.6 Rangkaian Buck Chopper saat transistor off

VL = -Vo ........................................................................................................ (2.3)

Ts = ton + toff………………………………………………………………… (2.4)

(Vs-Vo)ton = Vo(Ts-ton)

Vston - Voton = VoTs-Voton

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8

VoTs -Voton + Voton =Vston

VoTs = Vston

=

= D

Vo = DVs……………………………………………………………..…….(2.5)

Gambar 2.7 Tegangan dan Arus pada rangkaian buck chopper

Tegangan jatuh pada induktor, L adalah:

VL = VS-Vo = L

……………………………………………..……(2.6)

Dengan Mengasumsikan kenaikan arus pada induktor linear, selama selang waktu

t1, maka :

t1 = ( )

=

…………………………………………………(2.7)

dan arus akan turun dari I2 ke I1 dalam selang waktu t2, maka berlaku

-Vo = -L

………………………………………………………………..(2.8)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

9

Sehingga,

t2 = L

......................................................................................................(2.9)

dimana ΔI adalah riak arus pada induktor dari puncak ke puncak. Dengan

menyelesaikan persamaan ΔI, didapatkan:

ΔI = ( )

……………………………………………...(2.10)

Dengan mensubstitusikan t1 = D.T dan t2 = (1-D).T, serta Vo = D.T dimana

D= duty cycle / siklus kerja (ton/T), dan dengan mengasumsikan rugi-rugi pada

transistor diabaikan, maka arus masukan rata-rata :

Is = D.Io……………………………………………………………………(2.11)

Periode switching dapat dinyatakan :

T = 1/f = t1 + t2 =

( ) ………………………………………………..(2.12)

Dengan demikian didapatkan :

ΔI = ( )

………………………………………………………….(2.13)

Dengan menggunakan hokum kirchoff, iL = Ic + Io dan bila kita sumsikan riak

arus beban ΔI sangat kecil dan dapat diabaikan, maka ΔiL = ΔiC, dan arus

kapasitor rata-rata, yang mengalir selama t1/2+t1/2 =T/2 adalah :

Ic = ΔI / 4 …………………………………………………………………..(2.14)

Dan tegangan kapasitor dinyatakan :

Vc =

∫ dt + Vc(t=0) ....................................................................................(2.15)

Dan tegangan riak kapasitor dari puncak ke puncak adalah :

ΔVc = Vc- Vc(t=0) =

∫

dt =

=

…………………………………...(2.16)

Dengan mensubstitusikan nilai ΔI, didapatkan :

ΔVc = ( )

………………………………………………………....(2.17)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

10

2.1.2 Konverter Forward

Jika penerapan mensyaratkan adanya isolasi galvanis antara sisi masukan dan

keluaran atau bekerja dengan rasio tegangan yang sangat tinggi maka konverter

jenis forward bisa menjadi pilihan. Skema dari konverter dc-dc jenis forward

diperlihatkan di Gambar 2.8 (a). Jika saklar MOSFET menutup maka beban akan

merasakan tegangan yang besarnya sebanding dengan tegangan masukan

dikalikan rasio jumlah lilitan trafonya. Jika saklar MOSFET menutup maka

tegangan bebannya sama dengan nol. Akibatnya, nilai rata-rata tegangan beban

bisa diatur dengan mengatur faktor-kerja saklar. Rasio tegangan yang tinggi

didapat dengan memilih rasio jumlah lilitan trafo yang seusai.

Pada Gambar 2.8 (a), trafo dilengkapi dengan belitan tersier dan dioda.

Rangkaian ini berperan saat saklar MOSFET terbuka. Belitan bantu dan dioda ini

berfungsi untuk menjamin bahwa fluksi magnetik di inti trafo telah turun kembali

menjadi nol sebelum saklar MOSFET kembali ditutup.

Tegangan maksimum yang dirasakan saklar aktif adalah tegangan sumber

ditambah tegangan primer trafo (tegangan beban dikalikan rasio jumlah lilitan

primer terhadap sekunder). Selain itu untuk menjamin bahwa fluksi magnetik

selalu kembali menjadi nol selama saklar aktif terbuka, saklar aktif tidak boleh

dioperasikan dengan faktor-kerja lebih dari 50%. Pada saat ini, konverter forward

seperti di GGambar 2.8 (a) banyak dipakai untuk daya sampai 100 Watt.

Untuk daya yang lebih besar, rangkaian konverter forward dimodifikasi menjadi

seperti terlihat di Gamabr 2.8(b). Dengan topologi ini, tegangan maksimum yang

dirasakan saklar menjadi berkurang. Topologi ini cocok untuk daya sampai 1000

Watt. Untuk daya kecil, topologi ini tidak cocok karena susut daya di empat saklar

yang digunakan menjadi sangat membebani sistem.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

11

Beban

(a)

Beban

(b)

Gambar 2.8 Konverter forward

2.13 Konverter Jenis Jembatan

Masalah utama yang dihadapi konverter forward adalah penggunaan trafo yang

kurang efisien. Penggunaan trafo kurang efisien karena trafo dimagnetisasi secara

tak simetris (gelombang tegangan trafo bukan gelombang bolak-balik). Untuk

mengatasi masalah ini, kita bisa menggunakan topologi setengah-jembatan (half-

bridge) seperti terlihat di Gb. 2.9(a). Jika saklar S1 ditutup maka trafo merasakan

tegangan positif sedangkan jika saklar S2 ditutup maka trafo merasakan tegangan

negatif. Kelemahan utama dari topologi ini adalah tidak cocok untuk dioperasikan

dalam mode arus terkendali. Inilah alasan utama mengapa topologi ini tidak

banyak digunakan.

Untuk mengatasi masalah pada konverter setengah-jembatan, kita bisa

menggunakan topologi jembatan-penuh (full-bridge). Untuk memahami kinerja

konverter jembatan-penuh, kita bisa menganggap sebagai dua konverter setengah-

jembatan. Masing-masing konverter setengah-jembatan menghasilkan gelombang

persegi yang berbeda fasa. Belitan primer trafo akan merasakan selisih tegangan

yang dihasilkan oleh dua konverter setengah-jembatan tersebut. Selisih tegangan

ini tergantung pada besarnya beda fasa antara dua gelombang tegangan yang

dihasilkan.Gambar 2.10, konverter jembatan-penuh bisa dirancang agar bekerja

dalam mode pensaklaran lunak (soft switching). Pada mode kerja ini, pembukaan

dan penutupan saklar selalu terjadi saat tegangan pada saklar sama dengan nol.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

12

Akibatnya, rugi-rugi daya pensaklaran (rugi-rugi daya yang terjadi selama proses

penutupan dan pembukaan saklar) bisa ditekan menjadi sangat rendah.

Konverter daya jenis jembatan penuh ini cocok untuk penerapan daya besar

sampai 5000 Watt. Walaupun komponen yang digunakannya banyak, manfaat

yang didapat bisa mengalahkan kerugiannya.

Beban

(a)

S1

S2

Beban

(b)

S1

S2

S3

S4

Gambar 2.9 Konverter jembatan

Gambar 2.10 Gelombang converter jembatan-penuh

2.14 Konverter Push-Pull

Topologi turunan buck lain yang cukup popular adalah push-pull seperti terlihat di

Gb. 5. Keuntungan utama dari topologi ini adalah dua saklar yang digunakan bisa

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

13

dikendalikan dengan dua rangkaian gate yang referensinya sama. Ini akan sangat

menyederhanakn rangkaian kendali yang diperlukan sehingga bisa dibuat dalam

satu chip.

Topologi push-pull cocok untuk penerapan dengan tegangan masukan yang

rendah karena saklar akan merasakan tegangan sebesar dua kali tegangan

masukannya. Akibatnya, rangkaian ini cocok untuk konverter daya yang dipasok

dengan battery. Topologi ini banyak dipakai untuk daya sampai 500 Watt.

Beban

S1

S2

Gambar 2.11 konverter push-pull

2.1.5 Boost Chopper

Boost Chooper merupakan converter dc ke dc, nilai rata-rata tegangan keluaran

leih besar dari pada tegangan masukan.

Vs MOSFET

L

C

D

RL

Gambar 2.12 Rangkaian Boost Chopper

Prinsip kerja rangkaian pengubah boost adalah sebagai berikut:

a) Saat transistor on :

a) Arus tidak mengalir melalui dioda, tetapi melalui saklar

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

14

b) Switch mengalirkan arus induktor

VoVs

+

-

+

-

L

C

D

RL

+ -VL

Gambar 2.13 Rangkaian Boost Chopper saat transistor on

c) Tegangan di induktor sama dengan tegangan masukan dan secara

matematis dapat ditulis:

VL = Vs ................................................................................................. (2.18)

d) Tegangan di induktor menyebabkan arus meningkat di induktor

vL = L

iL =

∫ .................................................................. (2.19)

b) Saat transistor off :

a) Dikarenakan induktor menyimpan energi induktif, maka iL mengalir secara

kontinyu

b) Dioda mendapatkan forward bias

c) Arus sekarang mengalir (freewheeling) melewati diode

VoVs

+

-

L

C

D

RL

+- VL

+

-

Gambar 2.14 Rangkaian Boost Chopper pada saat transistor off

d) Tegangan di induktor secara matematis dapat ditulis

VL = Vs - Vo ......................................................................................... (2.20)

Vston + (Vs – Vo)toff = 0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

15

Votoff = Vston + Vstoff

Votoff = VsTs

=

=

Vo =

Gambar 2.15 Bentuk gelombang rangkaian boost chopper

Dengan mengabaikan rugi-rugi transistor, maka VsIs = VoIo, maka didapatkan ;

Is =

…………………………………………………………………….(2.21)

Periode switching dapat dinyatakan:

T=1/f=t1+t2 = Δ

( ) ………………………………………………….. (2.22)

Dengan demikian didapatkan riak arus puncak ke puncak :

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

16

ΔI = ( )

……………………………………………...……………… (2.23)

Bila transistor ON selama selang waktu t1, arus rata-rata kapasitor Ic = Io dan

tegangan puncak ke puncak dari kapasitor adalah:

ΔVc = Vc-Vc (t=0) =

∫

……………………...…………… (2.24)

Dengan mengsubstitusikan nilai t1, maka riak tegangan kapasitor puncak ke

puncak adalah:

ΔVc = (

…………………………………………..………………... (2.25)

Boost juga memiliki efisiensi tinggi, rangkaian sederhana, tanpa transformer dan

tingkat ripple yang rendah pada arus masukan. Namun juga Boost tidak memiliki

isolasi antara masukan dan keluaran, hanya satu keluaran yang dihasilkan, dan

tingkatan ripple yang tinggi pada tegangan keluaran. Aplikasi Boost mencakup

misalnya untuk perbaikan faktor daya (Power Factor), dan untuk penaikan

tegangan pada baterai

2.1.6 Konverter Buck-Boost

Skema konverter buck-boost diperlihatkan di Gambar 2.13. Jika saklar MOSFET

ditutup maka arus di induktor akan naik, Saat saklar dibuka maka arus di induktor

turun dan mengalir menuju beban. Dengan cara ini, nilai rata-rata tegangan beban

sebanding dengan rasio antara waktu pembukaan dan waktu penutupan saklar.

Akibatnya, nilai rata-rata tegangan beban bisa lebih tinggi maupun lebih rendah

dari tegangan sumbernya

.

Masalah utama dari konverter buck-boost adalah menghasilkan riak arus yang

tinggi baik di sisi masukan maupun sisi keluarannya. Akibatnya, diperlukan tapis

kapasitor yang besar di kedua sisinya. Inilah salah satu alasan mengapa konverter

buck-boost jarang dipakai di industri.

Dalam industri, topologi yang sering dipakai adalah turunan buck-boost yang

lebih popular disebut konverter flyback. Pada konverter ini, energi tersimpan di

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

17

trafo akan naik saat saklar MOSFET ditutup. Saat saklar dibuka, energi tersimpan

di trafo akan dikirim ke beban melalui dioda. Konverter ini sering dipakai untuk

menghasilkan banyak level tegangan keluaran dengan menggunakan beberapa

belitan sekunder trafo.

2.1.7 Konverter Flyback

Konverter flyback biasa dipakai untuk daya sampai 100 Watt. Keuntungan utama

dari konverter flyback adalah menggunakan komponen yang paling sedikit

dibanding konverter jenis lainnya. Kelemahan utama dari topologi ini adalah

tingginya tegangan yang dirasakan oleh saklar.

Beban

Gambar 2.16 konverter Buck Boost

Beban

Gambar 2.17 Konverter Flyback

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

19

Metode PWM dalam hal ini digunakan untuk memperbesar dan memperkecil

tegangan keluaran dengan mengatur duty cycle nya, informasi yang dibawa oleh

pulsa-pulsa persegi merupakan tegangan rata-rata. Besarnya tegangan rata-rata

tersebut dapat diperoleh dari :

Vout = (Vref x duty cycle) / periode

Semakin lebar durasi waktu tunda positif pulsa dari sinyal PWM yang dihasilkan,

maka tegangan keluaran akan semakin besar.

2.2.2 Pulse Width Modulation Digital

PWM (Pulse Width Modulation), menggunakan bentuk gelombang kotak dengan

duty cycle tertentu. Pada artikel Akses PWM dengan menggunakan Bascom

AVR ini akan saya bahas tentang PWM yang saya aplikasikan ke dalam sebuah

led dan ditampilkan pada CRO dengan simulasi proteus. Untuk PWM aplikasi

yang sederhana dapat digunakan untuk mengendalikan kecerahan lampu led dan

mengatur kecepatan motor. contoh bentuk pulsa PWM pada gambar PWM.

Gambar 2.19 Bentuk pulsa pwm dengan tegangan 5 volt duty cycle 50%

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

20

Pada gambar PWM, ditunjukkan contoh PWM dengan duty cycle 50%, jika pulsa

tersebut diberikan ke LED atau motor DC maka kecerahan led 50% atau

kecepatan motor nya 50%. Duty cycle 50% berarti lebar pulsa HIGH dan LOW

nya sama.

Duty cycle dapat diatur dengan menggunakan fasilitas timer pada mikrokontroler.

Pada atmega16 memiliki keluaran PWM yang tersambung ke Timer1 melalui

PortD.4 dan portD.5. Keluaran PWM tersebut memiliki pengeturan terpisah

(masing2 duty cycle nya berbeda) walaupun akan bekerja pada frekuensi yang

sama. Terdapat 3 mode yaitu mode 8,9,10 bit.

mode 8 bit, mencacah dari 0 sampai 255

mode 9 bit, mencacah dari 0 sampai 511

mode 10 bit, mencacah dari 0 sampai 1023

Gambar 2.20 Bentuk Pulsa PWM inverting dan non inverting

Berikut listing pemrograman dengan BASCOM AVR nya :

'program akses PWM

' mirza dhanu s

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

21

$regfile = "m32def.dat"

$crystal = 11059200

Config Timer1 = Pwm , Pwm = 8 , Prescale = 1024 , Compare A Pwm = Clear

Down , Compare B Pwm = Clear Up

Pwm1a = 51

Pwm1b = 51

2.2.3 Gambar-gambar bentuk gelombang PWM

Gambar 2.21 PWM duty cycle 25 %

Gambar 2.22 PWM duty cycle 50 %

0.0681 0.0682 0.0683 0.0684 0.0685

Time (s)

0

-5

5

10

I(MOS1)

0.053 0.0532 0.0534

Time (s)

0

5

10

15

I(MOS1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

22

VCC

Output

Output

GNDN.C

Katoda

Anoda

N.C

Gambar 2.23 PWM duty cycle 75%

2.3 Driver MOSFET

Rangkaian Driver Mosfet adalah rangkaian yang menghubungkan antara

rangkaian control dengan mosfet sehingga rangkaian control dapat berfungsi

dengan baik terhadap mosfet. Fungsi utama dari driver mosfet adalah untuk dapat

mengoprasikan mosfet dari keadaan OFF ke On dan sebaliknya.

Dalam membuat rangkaian pengendali gate MOSFET, diperlukanlah sebuah

optocoupler . Optocoupler adalah suatu IC yang meskipun secara fisik menjadi

satu, tetapi sebenarnya di dalamnya terdiri dari dua bagian yang terpisah antara

antara bagian cahaya dengan bagian deteksi sumber cahaya. Pada optocoupler

terdapat isolasi elektris, yaitu kondisi yang terisolasi antara masukan dan

keluarannya (electrical isolation). Penggunaannya memungkinkan untuk

memisahkan dua bagian. Optocoupler yang digunakan adalah IC TLP 250, karena

di dalamnya sudah dilengkapi rangkaian penguatan.

Gambar 2.24 Pin Optocoupler TLP 250

0.0814 0.0816 0.0818 0.082

Time (s)

0

-20

20

40

60

I(MOS1)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

23

Ke Source MOSFET

R

0.1 uF

N.C

Dari PWM

N.C

Ke Gate MOSFET

+ 15

Gambar 2.25 Rangkaian Optocoupler TLP 250

2.4 MOSFET

MOSFET merupakan salah satu jenis FET (field effect transistor) atau transistor

efek medan, yang hampir sama dengan JFET (junction field effect) dan IGBT

(insulated gate bipolar transistor) yaitu tersusun dari bahan semikonduktor n dan

semikonduktor p. MOSFET memiliki 3 atau 4 buah kaki konduktor, yaitu kaki

pertama atau ujung atas dinamakan drain, kaki kedua ujung bawah dinamakan

source, dan kaki ketiga dinamakan gate. Gate biasanya memiliki 1 atau dua buah

kaki. Pada kedua sisi kiri dan kanan terdapat implant semikonduktor yang berbeda

tipe bahan. Terminal kedua sisi implant ini terhubung satu dengan yang lainnya

secara internal dan dinamakangate. Yang membedakan MOSFET dengan FET-

FET lainnya terletak pada gate, karena gate pada MOSFET diisolasi oleh bahan

oksida.Gate sendiri terbuat dari bahan metal seperti alumunium. Oleh karena

itulah, transistor efek medan ini dinamakan metal oxide semiconductor.

Mosfet mempunyai kaki-kaki :

1. Sumber (Source) = S

2. Cerat (Drain) = D

3. Gerbang (Gate) = G

Adapun susunan pembentukan Mosfet dapat digambarkan sebagai berikut:

1. Semikonduktor konruktor type N diberi terminal cerat (D) dan sumber (S).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

24

2. Kedalamnya ditambahkan semikonduktor type P yang dinamakan

Substrate.

3. Kemudian pada bagian lain di lekatkan lapisan oksida logam tipis (Si O2)

dan dinamakan gerbang (gate) Si O2 bersifat isolator.

Gambar 2.26 Lambang MOSFET

MOSFET mempunyai impedansi yang sangat tinggi.Harga dari sebuah MOSFET

cukup tinggi, maka dari itu penggunaan MOSFET harus disesuaikan dengan

kebutuhan yang sangat mendesak untuk sebuah alat.

Dalam pengemasan dan perakitan pada MOSFET, perlu diingat dan diperhatikan

bahwa komponen ini tidak tahan terhadap elektrostatik. Untuk pengemasannya

menggunakan kertas timah atau heatsync dan untuk pematriannya diusahakan

menggunakan solder yang khusus untuk MOSFET.

2.4.1 Parameter Umum MOSFET

Karakteristik dapat menjelaskan keistimewaan atau ciri-ciri suatu komponen yang

berdasar kan pada hasil rangakain pengujian yang akurat. Karakteristik juga dapat

mengindikasikan batasan (range) besaran nilai yang digunakan pada suatu

komponen tersebut. Hal ini tentu sangat berguna untuk menetukan pemakaian

suatu komponen terhadap kebutuhan suatu sistem. Adapun beberapa parameter

penting yang dapat digunakan untuk menetukan penggunaan MOSFET adalah :

1. Drain-Source voltage (VDS)

Nilai tegangan maksimum yang akan mengkonduksi bahan substrat yang

ada di antara drain dan source agar arus dapat mengalir dari drain ke

sumber.

2. Countinuous direct drain current (ID)

Nilai arus maksimum yang dapat melewati kanal drain.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

25

3. Gate-Source voltage(VGS)

Nilai tegangan yang lebih besar dari nilai tegangan konduksi (VT) agar

MOSFET pada kondisi ON dan dapat mengalirkan arus.

4. Total power dissipation (Ptot or PD)

Nilai maksimum disipasi daya untuk komponen tersebut.

2.4.2 Kurva Karakteristik MOSFET

Ada dua macam karakteristik yang bisa ditemukan pada MOSFET, yaitu

karakteristik pengosongan (drain characteristics) dan karakteristik penghantaran

(transconductace characteristics).

Gambar 2.27 transconductance characteristics MOSFET

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

26

1. Drain Characteristics

Analisa kurva drain dilakukan dengan mencoba beberapa tegangan gate to source

(VGS) konstan, lalu dibuat grafik hubungan antara arus drain (ID) terhadap

tegangan drain to source (VDS).

Dari gambar 2.27 kurva ini terlihat jelas bahwa transistor MOSFET dapat bekerja

(ON) mulai dari tegangan gate to source (VGS) 3,5V sampai dengan nilai tegangan

VGS yang diuji sebesar 3,6V, biasanya pada MOSFET yang difungsikan sebagai

elektronik daya memiliki nilai VGS maksimal yang berbeda-beda, sesuai dengan

tipe atau seri MOSFET yang digunakan. Misalkan tipe atau seri MOSFET

IRF540n memiliki nilai VGS maksimal sebesar 20V. Terdapat dua daerah kerja,

yang pertama adalah daerah ohmic dimana resistansi drain-source adalah fungsi

dari :

RDS(on) = VDS/IDS…………………………………………………….(2.26)

Jika tegangan VGS tetap dan VDS terus dinaikkan, maka IDakan naik. Dan apabila

VDS terus dinaikan, maka selanjutnya akan berada pada daerah saturasi atau

daerah jenuh. Jika keadaan saturasi telah tercapai, maka arus IDakan

konstan. Tentu saja ada tegangan VGS(max), yang diperbolehkan. Karena jika lebih

dari tegangan ini akan dapat merusak isolasi gate yang tipis alias merusak

MOSFET itu sendiri.

Tujuan harus mengetahui DrainCharacteristics yaitu agar MOSFET yang akan

digunakan bisa diketahui kehandalannya, apakah kemampuan arus dan tegangan

pada MOSFET terutama pada tegangan yang diuji VDS sama dengan datasheet

atau tidak. Karakteristik ini juga bisa memberikan informasi tentang proses

pengosongan dan pengisian elektron pada MOSFET.

2. Transconductance Characteristics

Analisa kurva Transconductance dilakukan hampir sama dengan kurva Drain

yaitu dengan mencoba beberapa tegangan, akan tetapi perbedaannya yaitu dibalik

dengan mencoba beberapa tegangan drain to source (VDS) dibuat konstan,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

27

sedangkan yang dibuat grafik yaitu hubungan antara arus drain (ID) terhadap

tegangan gate to source (VGS).

Dari gambar 2.27 kurva ini terlihat jelas bahwa pada transistor MOSFET berlaku

semakin besar tegangan drain to source (VDS) maka semakin besar pula arus drain

yang dihasilkan. Selain itu, ada proses kenaikan arus drain (ID) dari tegangan

threshold (Vth) atau tegangan minimum MOSFET melakukan konduktansi sampai

MOSFET mulai bekerja (ON) pada kondisi tegangan gate to source (VGS) yang

telah ditentukan dan kenaikan arus drain (ID) akan menjadi konstan setelah

mencapai kondisi MOSFET bekerja (ON).

Tujuan harus mengetahui TransconductanceCharacteristicssama seperti drain

characteristics yaitu agar MOSFET yang akan digunakan bisa diketahui

kehandalannya, apakah kemampuan arus dan tegangan pada MOSFET terutama

pada tegangan yang diuji VGS sama dengan datasheet atau tidak. Karakteristik ini

juga bisa memberikan informasi tentang proses terjadinya konduktansi pada gate

elektron pada MOSFET.

2.4.3 Prinsip Kerja MOSFET

MOSFET merupakan komponen yang terdiri dari tiga terminal yang disebut

gerbang, drain dan sumber. Antara drain dan sumber ada bahan substrat. Bahan

substrat ini yang akan mengalirkan arus dari drain ke sumber. Konduktifitas bahan

substrat ditentukan oleh tegangan yang diberikan antara gate dan sumber.

Gambar 2.28 konstruksi MOSFET

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

28

MOSFET dikendalikan oleh tegangan dan memiliki impedansi masukan yang

sangat tinggi. Gerbang akan mengalirkan arus bocor yang sangat kecil pada orde

nanoampere. Walaupun MOSFET memiliki impedansi yang sangat tinggi. Tetapi

masih bisa mengalirkan arus dengan memberikan tegangan gerbang ke sumber.

Hal ini akan mempengaruhi sifat konduktivitas substrat yang ada didalam

MOSFET. MOSFET memiliki masalah pengosongan elektro statis karena substrat

yang didalamnya bersifat penyimpan muatan.

Pada dasarnya fungsi MOSFET dapat dibagi dua, yaitu sebagai saklar dan sebagai

penguat arus. Sebagai saklar, MOSFET dapat mengalirkan arus jika diberikan

tegangan gerbang-sumber (VGS) yang lebih besar dari tegangan konduksi (VT).

Saat VGS < VT maka MOSFET OFF, saat VGS > VT maka MOSFET ON.

Kecepatan switching sangat tinggi dalam orde nanodetik.

2.4.4 Sifat-Sifat MOSFET

Komponen utama di dalam aplikasi elekronika daya (power electronics) dewasa

ini adalah saklar zat padat (solid-state switches) yang diwujudkan dengan

peralatan semikonduktor seperti transistor bipolar (BJT),transistor efek medan

(MOSFET), maupun Thyristor. Sebuah saklar ideal di dalam aplikasi elektronika

daya akan mempunyai sifat-sifat sebagai berikut:

1. Pada saat keadaan tidak menghantar (off), saklar mempunyai tahanan

yang besar sekali, mendekati nilai tak berhingga. Dengan kata lain, nilai

arus bocor struktur saklar sangat kecil.

2. Sebaliknya, pada saat keadaan menghantar (on), saklar mempunyai

tahanan menghantar (Ron) yang sekecil mungkin. Ini akan membuat nilai

tegangan jatuh (voltage drop) keadaan menghantar juga sekecil mungkin,

demikian pula dengan besarnya daya lesapan (power dissipation) yang

terjadi, dan (kecepatan pensaklaran (switching speed) yang tinggi.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

29

Gambar 2.29 Idealisasi Dari Proses Turn-on dan Turn-off MOSFET

Sifat nomor (1) umumnya dapat dipenuhi dengan baik oleh semua jenis

peralatan semikonduktor yang disebutkan di atas, karena peralatan

semikonduktor komersial pada umumnya mempunyai nilai arus bocor

yang sangat kecil.

Untuk sifat nomor (2), BJT lebih unggul dari MOSFET, karena tegangan

jatuh pada terminal kolektor-emitter, VCE pada keadaan menghantar (on)

dapat dibuat sekecil mungkin dengan membuat transitor BJT berada dalam

keadaan jenuh (saturasi).

Sebaliknya, untuk unsur kinerja nomor (3) yaitu kecepatan switching,

MOSFET lebih unggul dari BJT, karena sebagai komponen yang bekerja

berdasarkan aliran pembawa muatan mayoritas (majority carrier), pada

MOSFET tidak dijumpai aruh penyimpanan pembawa muatan minoritas

pada saat proses pensaklaran, yang cenderung memperlambat proses

pensaklaran tersebut.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

30

Tabel 2.1 Tabel Perbandingan Sifat IGBT, MOSFET dan BJT

2.4.5 Mengetes Kondisi MOSFET

Penentuan jenis MOSFET dilakukan dengan jangkah pada x100 ohm, kabel hitam

pada source dan kabel merah pada gate.Apabila terjadi penyimpangan ke kanan

pada jarum, maka jenis MOSFET ini memiliki kanal p. Tapi, apabila tidak terjadi

penyimpangan pada jarum, itu berarti bahwa MOSFET ini memiliki kanal- n.

Kerusakan pada MOSFET dapat dideteksi dengan cara menggunakan AVO atau

ohmmeter dan menambah PTC 1K ohm dan kutub negatifnya dipasang ke source

sedangkan kutub positifnya ke gate. Jangkah diletakkan pada posisi x1K atau

x10K, kabel merah ke kaki drain, sedangkan kabel hitam ke kaki source. Potensio

Karakteristik MOSFET IGBT Bipolar

Tipe pengemudi Tegangan Tegangan Arus

Daya pengemudi minimum Minimum Besar

Tingkat kerumitan

pengemudi

Sederhana Sederhana Cukupan atau

sedang

Kemampuan arus

pada nilai tegangan

drop di ujung-

ujung terminal

piranti

Tinggi pada teg.

rendah; rendah

pada teg. tinggi

Sangat tinggi

(terpengaruh oleh

kecepatan

penyakelaran)

Cukupan (sangat

terpengaruh oleh

kecepatan

penyakelaran

Rugi penyakelaran Sangat rendah Rendah sampai

sedang

(dipengaruhi oleh

rugi konduksi)

Sedang sampai

tinggi

(dipengaruhi oleh

rugi konduksi)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

31

atau PTC harus pada posisi minimum dengan resistansi harus kecil, Apabila

potensio diputar ke kanan atau ditambah menuju posisi maksimum, maka yang

akan terlihat pada jarum harus mencapai tak terhingga, sehingga kondisi

MOSFET baik.

2.5 Mikrokontroler Atmega 16

AVR merupakan seri mikrokontroler CMOS 8-bit buatan Atmel, berbasis

arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer).Hampir semua instruksi

dieksekusi dalam satu siklus clock. AVR mempunyai 32 register general-purpose,

timer/counter fleksibel dengan mode compare, interrupt internal dan eksternal,

serial UART, programmableWatchdog Timer, dan mode power saving, ADC dan

PWM internal. AVR juga mempunyai In-System Programmable Flash on-chip

yang mengijinkan memori program untuk diprogram ulang dalam sistem

menggunakan hubungan serial SPI ATMega16.

ATMega16 mempunyai throughput mendekati 1 MIPS per MHz membuat

disainer sistem untuk mengoptimasi konsumsi daya versus kecepatan proses.

Beberapa keistimewaan dari AVR ATMega16 antara lain:

1.Advanced RISC Architecture

a) 130 Powerful Instructions – Most Single Clock Cycle Execution

b) 32 x 8 General Purpose Fully Static Operation

c) Up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz

d) On-chip 2-cycle Multiplier

2. Nonvolatile Program and Data Memories

a) 8K Bytes of In-System Self-Programmable Flash

b) Optional Boot Code Section with Independent Lock Bits

c) 512 Bytes EEPROM

d) 512 Bytes Internal SRAM

e) Programming Lock for Software Security

3. Peripheral Features

a) Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and CompareMode

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

32

b) Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and CompareModes

c) One 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler, CompareMode, and

Capture Mode

d) Real Time Counter with Separate Oscillator

e) Four PWM Channels

f) 8-channel, 10-bit ADC

g) Byte-oriented Two-wire Serial Interface

h) Programmable Serial USART

4. Special Microcontroller Features

a) Power-on Reset and Programmable Brown-out Detection

b) Internal Calibrated RC Oscillator

c) External and Internal Interrupt Sources

d) Six Sleep Modes: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Powerdown,

Standby and Extended Standby

5. I/O and Package

a) 32 Programmable I/O Lines

b) 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, 44-lead PLCC, and 44-pad MLF

6. Operating Voltages

a) 2.7 - 5.5V for Atmega16L

b) 4.5 - 5.5V for Atmega16

Gambar 2.30 Lay out Atmega 16

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

33

Pin-pin pada ATMega16 dengan kemasan 40-pin DIP (dual inline package)

ditunjukkan oleh gambar 2.30. Guna memaksimalkan performa, AVR

menggunakan arsitektur Harvard (dengan memori danbus terpisah untuk program

dan data). Bagian – bagian dari pin sebagai berikut :

1) VCC merupakan pinmasukan positif catu daya. Setiap peralatan elektronika

digital tentunya butuh sumber catudaya yang umumnya sebesar 5 V, itulah

sebabnya di PCB kit

2) mikrokontroler selalu ada IC regulator 7805.

3) GND sebagai pin Ground

4) Port A (PA0…PA7) merupakan pin I/O dua arah dan dapat diprogram

sebagai pin masukan ADC.

5) Port B (PB0…PB7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu

timer/counter, komparator analog, dan SPI.

6) Port C (PC0…PC7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu

TWI, komparator analog, dan timer Osilator.

7) Port D (PD0…PD7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu

komparator analog, interupsi eksternal, dan komunikasi serial.

8) Reset merupakan pin yang digunakan untuk mereset mikrokontroler.

9) XTAL 1 dan XTAL 2 sebagai pin masukan clock eksternal. Suatu

mikrokontroler membutuhkan sumber clock agar dapat mengeksekusi intruksi

yang ada di memori. Semakin tinggi nilai kristalnya, maka semakin cepat

mikrokontroler tersebut.

10) AVCC sebagai pin masukan tegangan untuk ADC.

11) AREF sebagai masukan tegangan referensi.

2.5.1 Port sebagai input/output digital

ATMega16 mempunyai empat buah port yang bernama PortA, PortB PortC, dan

PortD. Keempat port tersebut merupakan jalur bidirectional dengan pilihan

internal pull-up. Tiap port mempunyai tiga buah register bit, yaitu DDxn,

PORTxn, dan PINxn. Huruf „x‟mewakili nama huruf dari port sedangkan huruf

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

34

„n‟ mewakili nomor bit. Bit DDxn terdapat pada I/O address DDRx, bit PORTxn

terdapat pada I/O address PORTx, dan bit PINxn terdapat pada I/O address PINx.

Bit DDxn dalam register DDRx (Data Direction Register) menentukan arah pin.

Bila DDxn diset 1 maka Px berfungsi sebagai pin output. Bila DDxn diset 0 maka

Px berfungsi sebagai pin input.Bila PORTxn diset 1 pada saat pin terkonfigurasi

sebagai pin input, maka resistor pull-up akan diaktifkan. Untuk mematikan

resistor pull-up, PORTxn harus diset 0 atau pin dikonfigurasi sebagai pin output.

Pin port adalah tri-state setelah kondisi reset. Bila PORTxn diset 1 pada saat pin

terkonfigurasi sebagai pin output maka pin port akan berlogika 1. Dan bila

PORTxn diset 0 pada saat pin terkonfigurasi sebagai pin output maka pin port

akan berlogika 0. Saat mengubah kondisi port dari kondisi tri-state (DDxn=0,

PORTxn=0) ke kondisi output high (DDxn=1, PORTxn=1) maka harus ada

kondisi peralihan apakah itu kondisi pull-up enabled (DDxn=0, PORTxn=1) atau

kondisi output low (DDxn=1, PORTxn=0).

Biasanya, kondisi pull-up enabled dapat diterima sepenuhnya, selama lingkungan

impedansi tinggi tidak memperhatikan perbedaan antara sebuah strong high driver

dengan sebuah pull-up. Jika ini bukan suatu masalah, maka bit PUD pada register

SFIOR dapat diset 1 untuk mematikan semua pull-up dalam semua port. Peralihan

dari kondisi input dengan pull-up ke kondisi output low juga menimbulkan

masalah yang sama. Kita harus menggunakan kondisi tri-state (DDxn=0,

PORTxn=0) atau kondisi output high (DDxn=1, PORTxn=0) sebagai kondisi

transisi.

Tabel 2.2 Konfigurasi pin port

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

35

Bit 2 – PUD :Pull-up Disable

Bila bit diset bernilai 1 maka pull-up pada port I/O akan dimatikan walaupun

register DDxn dan PORTxn dikonfigurasikan untuk menyalakan pull-up

(DDxn=0, PORTxn=1).

2.5.2 Serial pada ATMega16

Universal synchronous dan asynchronous pemancar dan penerima serial adalah

suatu alat komunikasi serial sangat fleksibel. Jenis yang utama adalah :

a) Operasi full duplex (register penerima dan pengirim serial dapat berdiri

sendiri)

b) Operasi Asychronous atau synchronous

c) Master atau slave mendapat clock dengan operasi synchronous

d) Pembangkit baud rate dengan resolusi tinggi

e) Dukung frames serial dengan 5, 6, 7, 8 atau 9 Data bit dan 1 atau 2 Stop bit

f) Tahap odd atau even parity dan parity check didukung oleh hardware

g) Pendeteksian data overrun

h) Pendeteksi framing error

i) Pemfilteran gangguan (noise) meliputi pendeteksian bit false start dan

pendeteksian low pass filter digital

j) Tiga interrupt terdiri dari TX complete, TX data register empty dan RX

complete.

k) Mode komunikasi multi-processor

l) Mode komunikasi double speed asynchronous

2.5.3 Timer

Timer/counter adalah fasilitas dari ATMega16 yang digunakan untuk perhitungan

pewaktuan. Beberapa fasilitas chaneldari timer counter antara lain: counter

channel tunggal, pengosongan data timer sesuai dengan data pembanding, bebas -

glitch, tahap yang tepat Pulse Width Modulation (PWM), pembangkit frekuensi,

event counter external.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

36

Gambar diagram block timer/counter 8 bit ditunjukan pada gambar 2.31. Untuk

penempatan pin I/O telah di jelaskan pada bagian I/O di atas. CPU dapat diakses

register I/O, termasuk dalam pin-pin I/O dan bit I/O. Device khusus register I/O

dan lokasi bit terdaftar pada deskripsi timer/counter 8 bit.

Gambar 2.31 Gambar diagram blok Timer

a. Timing Diagram Timer/Counter

Timer/counter didesain sinkron clock timer (clkT0) oleh karena itu ditunjukkan

sebagai sinyal enable clock pada gambar 2.32. Gambar ini termasuk informasi

ketika flag interrupt dalam kondisi set. Data timing digunakan sebagai dasar dari

operasi timer/counter.

Gambar 2.32 Timing diagram Timer/Counter prescaling

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

37

Sesuai dengan gambar 2.33 timing diagram timer/counter dengan prescaling

maksudnya adalah counter akan menambahkan data counter (TCNTn) ketika

terjadi pulsa clock telah mencapai 8 kali pulsa dan sinyal clock pembagi aktif

clock dan ketika telah mencapai nilai maksimal maka nilai TCNTn akan kembali

ke nol. Dan kondisi flag timer akan aktif ketika TCNTn maksimal.

Gambar 2.33 Timing diagram Timer/Counter

OCFO timer mode ini memasukan data ORCn sebagai data input timer. Ketika

nilai ORCn sama dengan nilai TCNTn maka pulsa flag timer akan aktif. TCNTn

akan bertambah nilainya ketika pulsa clock telah mencapai 8 pulsa. Dan kondisi

flag akan berbalik (komplemen) kondisi ketika nilai TCNTn kembali kenilai 0

(overflow).

Gambar 2.34 Timing diagram Timer/Counter

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

38

Ketika nilai ORCn sama dengan nilai TCNTn maka pulsa flag timer akan aktif.

TCNTn akan bertambah nilainya ketika pulsa clock telah mencapai 8 pulsa. Dan

kondisi flag akan berbalik (komplemen) kondisi ketika nilai TCNTn kembali

kenilai 0 (overflow).

Gambar 2.35 Timing diagram Timer/Counter

2.5.4 ADC (Analog to digital Conversion)

Keunggulan mikrokontroler AVR ATmega16 dibandingkan pendahulunya ialah:

1) Sudah terintegrasinya ADC 10 bit sebanyak 8 saluran.

2) 13-260 uS conversion time

3) Mencapai 15kSPs pada resolusi maksimum

4) Optional left adjustment untuk ADC result readout

5) Interupsi pada ADC Conversion Complete

6) Sleep mode noise canceler

Input ADC pada mikrokontroler dihubungkan ke sebuah 8 channel Analog

multiplexer yang digunakan untuk single ended input channels. Jika sinyal input

dihubungkan ke masukan ADC dan 1 jalur lagi terhubung ke ground, disebut

single ended input. Jika input ADC terhubung ke 2 buah input ADC disebut

sebaga idifferential input, yang dapat dikombinasikan sebanyak 16 kombinasi. 4

kombinasi terpenting antara lain kombinasi input diferensial (ADC0 dengan

ADC1 dan ADC2 dengan ADC3) dengan penguatan yang dapa tdiatur. ADC0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

39

dan ADC2 sebagai tegangan inputnegatif sedangkan ADC1 dan ADC3 sebagai

tegangan input positif. Besar penguatan yang dapat dibuat yaitu 20dB (10x) atau

46dB (200x) pada tegangan input diferensial sebelum proses konversi ADC.

Secara umum, proses inisialisasi ADC meliputi proses penentuan clock, tegangan

referensi, format output data, dan mode pembacaan. Register yang perlu diset

nilainya adalah ADMUX (ADC Multiplexer Selection Register), ADCSRA (ADC

Control and Status Register), dan SFIOR (Special Function IO Register).

ADMUX merupakan register 8 bit yang berfungsi menentukan tegangan referensi

ADC, format data output, dansaluran ADC yang digunakan. (Artikel pada

http://www.toko-elektronika.com/tutorial/serialC.html ).

Gambar 2.36 Register ADMUX

Adapun resolusi ADC untuk 8 bit dengan tegangan referensinya 5V adalah sekitar

19 mV, sedangkan resolusi ADC untuk 10 bit dengan tegangan referensinya 5V

adalah sekitar 5 mV.

2.6 BASCOM AVR

BASCOM-AVR atau yang biasa disebut basic compiler adalah suatu pirantilunak

yang termasuk bahasa tingkat tinggi yang sangat mudah untuk dipelajari. Sebagai

compiler, yaitu perubah instruksi dari bahasa basic ke file yang berbentuk hexa

dengan tujuan dimengerti oleh mesin atau mikrokontroler, sehingga

mikrokontroler mampu menerjemahkan instruksi-instruksi yang kita buat dengan

benar dan tepat.

fitur lain yang berguna sekali, contoh :

Terminal (monitoring komunikasi serial)

Programmer (untuk menanamkan program yang sudah di-compile ke

microcontroller).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

40

Bascom Avr juga bisa disebut piranti lunak yang termasuk bahasa tingkat tinggi

yang sangat mudah untuk dipelajari.Sebagai compiler, yaitu perubah instruksi dari

bahasa basic ke file yang berbentuk hexa dengan tujuan dimengerti oleh mesin

atau mikrokontroler, sehinggamikrokontroler mampu menerjemahkan instruksi-

instruksi yang kita buat denganbenar dan tepat

Dan perlu diketahui, sesuai dengan namanya BASCOM bahasa yang digunakan

adalah bahasa BASIC. Jadi, jika anda sudah pernah menggunakan bahasa BASIC

(Visual Basic, Turbo Basic, dll), akan menjadi modal penting untuk mempelajari

tool ini karena secara struktur pemrograman dasar tidak ada perbedaan.

Gambar 2.37 Tampilan BASCOM AVR