LAPORAN ELEKTRONIKA DAYA

BUCK CONVERTER

Oleh :

Rizal Akbar Fauzany ( 1404405010)

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS UDAYANA

2016

BAB II

DASAR TEORI

2.1 Buck-Converter

Buck-converter adalah konverter penurun tegangan khusus yang menerapkan sistem

SMPS (Switching Mode Power Supply). Ia adalah konverter dengan efisiensi yang

lebih tinggi jika dibandingkan dengan power-supply penurun tegangan biasa (sistem

linier). Efisiensinya dapat mencapai lebih dari 90%. Prinsip kerja Buck-Converter

adalah dengan menggunakan switch yang bekerja secara terus-menerus (ON-OFF).

Adapun dikenal dengan istilah PWM (Pulse Width Modulation) dan Duty Cycle

dalam mengendalikan kecepatan (frekuensi) kerja switch tersebut Karena itu di dalam

sebuah rangkaian buck-converter selalu terdapat generator sinyal, transistor penguat,

dioda, kondensator dan induktor. Konsep dasar rangkaiannya dapat digambarkan

sebagai berikut :

Gambar 1. Rangkaian Dasar Buck-Converter.

Induktor ditaruh di sirkit emitor jika yang digunakan adalah transistor bi-polar

(NPN). Jika yang digunakan adalah transistor FET/MOSFET (kanal N) maka

induktor ditaruh di sirkit source. Apabila basis T1 sedang mendapatkan denyut

tegangan positif, T1 akan menghantar sesaat meluluskan tegangan V+in ke emitornya

yang terangkai dengan induktor L1 dan katoda D1. Dengan demikian tegangan pada

titik x (emitor T1) sesaat nyaris sama dengan tegangan pada kolektor T1. Pada saat

ini mengalirlah arus melalui L1 mengisi muatan C1 dan mengaliri beban (load).

Karena adanya arus yang mengalir itu maka pada titik y (hanya sesaat) terdapat

tegangan yang lebih kecil daripada titik x. Pada waktu yang hanya sesaat ini

tersimpanlah energi listrik di dalam induktor. Manakala denyut tegangan pada basis

T1 telah hilang (berganti menjadi nol Volt) T1 tidak lagi menghantar, dengan

demikian tegangan pada titik x menjadi nol Volt. Namun karena adanya energi listrik

yang tersimpan di induktor maka energi ini lalu dilepaskan oleh induktor sehingga

tegangan pada titik y kini menjadi lebih tinggi daripada titik x yang telah menjadi nol

Volt itu. Mengalirlah arus sehingga C1 tetap terisi dan beban tetap teraliri arus

meskipun T1 tidak lagi menghantar. Arus ini terus mengalir ke ground dan

menembus dioda D1, hingga kemudian berakhir di titik x. Keadaan ini berlangsung

sesaat, yaitu selama tidak adanya denyut tegangan pada basis T1. Karena itu untaian

L1, C1 dan D1 disebut juga sebagai untaian “fly-wheel”. Ketika basis T1 kembali

mendapatkan denyut tegangan positif, maka proses seperti yang telah diterangkan di

atas akan kembali berulang dari awal, begitulah seterusnya selama generator sinyal

tetap memberikan denyut-denyut tegangan kepada basis T1. Umumnya buck-

converter bekerja dalam “continuous-mode” di mana arus dari induktor (ketika

pelepasan energi) senantiasa diupayakan agar tidak mencapai nol sebelum terjadinya

proses penyimpanan energi selanjutnya. Untuk mencapai hal ini maka biasanya nilai

induktansi dibuat cukup besar bagi frekwensi yang dihasilkan oleh generator sinyal.

Adapun level tegangan keluaran yang dihasilkan oleh buck-converter secara praktis.

Di dapat perhitungannya:

V+out = V+in (tON / T) ......................................(2.1)

Dimana :

V+out = Tegangan keluaran dalam Volt

V+in = Tegangan masukan dalam Volt

tON = Waktu munculnya denyut tegangan positif dalam detik/second

T = periode waktu satu putaran dalam detik/second. Dengan kata lain

T adalah tON + tOFF di mana tOFF adalah waktu kosong denyut

dalam satu putaran.

2.2 Sinyal PWM (Pulse width modulation)

PWM atau pulse width modulation adalah salah satu cara untuk

mendapatkan tegangan yang memiliki kondisi terbuka penuh (ON) atau tertutup

penuh (OFF). Cara paling sederhana untuk mendapatkan sinyal PWM adalah dengan

metode interseksi, yang membutuhkan gelombang gergaji atau gelombang segitiga

dan komparator. Frekuensi gelombang gergaji akan sama dengan frekuensi PWM.

Komparator digunakan sebagai penghasil gelombang kotak dengan membandingkan

masukannya.

Metode pembangkitan PWM dengan membandingkan gelombang segitiga

dan tegangan DC dapat dilihat pada gambar 2.7 di mana saat masukan sinyal segitiga

masih lebih rendah dari sinyal DC pembandingnya maka keluaran komparator akan

rendah/LOW. Dan ketika sinyal segitiga telah lebih tinggi dari sinyal DC maka

keluaran komparator akan tinggi/HIGH. Maka dengan mengubah nilai tegangan DC-

nya akan mempengaruhi perbandingan panjang gelombang tinggi terhadap

periodenya atau yang disebut dengan duty cycle (D).

Gambar 2.3 Pembangkitan PWM secara analog

Teknik pembangkitan gelombang PWM lainnya adalah secara digital.

Pembangkitan ini biasanya dilakukan menggunakan mikrokontroler dengan metode

time proportioning. Metode ini memanfaatkan fitur counter yang terdapat pada

mikrokontroler yang akan bertambah secara periodis yang terhubung langsung

dengan clock/pendetak rangkaian mikrokontroler. Counter akan tereset pada akhir

setiap periode dari PWM. Ketika nilai counter lebih dari nilai referensinya, keluaran

PWM berubah dari kondisi HIGH ke LOW (atau sebaliknya sesuai dengan

pengaturan). Metode pembangkitan dengan mikrokontroler ditunjukkan pada gambar

2.8.

Pertambahan nilai dari counter (TCNTn) pada gambar 2.8 mirip dengan

metode gelombang gigi gergaji. Hanya saja penggunaan counter adalah versi diskret

dari metode interseksi. Tingkat ketelitian pada PWM digital sangat dipengaruhi oleh

resolusi counter. Semakin tinggi nilai resolusinya maka akan diperoleh hasil yang

lebih baik.

Gambar 2.4 Pembangkitan PWM dengan counter mikrokontroler

Salah satu pemanfaatan PWM adalah untuk switching. Pada pengendalian

daya dengan frekuensi tinggi penggunaan saklar menggunakan komponen

semikonduktor wajib digunakan, hal ini dikarenakan saklar mekanik tidak mampu

digunakan untuk frekuensi tinggi.

Kondisi on dan off pada PWM digunakan sebagai kontrol saklar elektronis

semikonduktor yang berpengaruh pada kontrol tegangan dan arus yang mengalir

melalui beban.

2.4 IC 555

IC timer NE 555 adalah sirkuit terpadu (chip) yang digunakan dalam berbagai pembangkit timer, pulsa dan aplikasi osilator. Rangkaian paling umum dari IC NE 555 adalah sebagai pembangkit clock/frekuensi atau jika outputnya dihubungkan ke LED akan menghasilkan LED yg berkedip / Flash seperti pada rangkaian sederhana berikut :

Gambar 2.5 IC 555

Fungsi dari IC555 bermacam-macam karena dapat menghasilkan sinyal pendetak/sinyal kotak. Berikut ini fungsi dari pin atau kaki IC NE555:

1.  Ground, Merupakan titik 0V komponen yang dihubungkan dengan ground

rangkaian atau ground supply. Pin ini ditunjukkan oleh titik (notch) yang

terdapat pada badan komponen.

2.  Trigger, Merupakan salah satu input komparator bagian bawah yang akan

dibandingkan dengan input lain pada komparator tersebut yang telah

direferensikan nilainya sebesar 1/3 tegangan supply (Vs). Jika input trigger

berubah dari HIGH ke LOW dan besarnya kurang dari 1/3 Vs maka

komparator bagian bawah ini akan mengaktifkan flip-flop sehingga akan

dihasilkan output IC 555 dalam kondisi HIGH. Pin trigger ini mempunyai

impedansi yang sangat besar, yaitu > 2MΩ

3.  Output, pin ini disambungkan ke beban yang akan diberi pulsa dari keluaran

IC ini. IC555 bisa mengeluarkan arus 100mA pada outputnya bahkan 200mA

pada LM555.

4.  Reset, adalah pin yang berfungsi untuk me reset latch didalam IC yang akan

berpengaruh untuk me-reset kerja IC. Pin ini tersambung ke suatu gate

transistor bertipe PNP, jadi transistor akan aktif jika diberi logika low.

Biasanya pin ini langsung dihubungkan ke Vcc agar tidak terjadi reset latch,

yang akan langsung berpengaruh mengulang kerja IC555 dari keadaan low

state.

5.  Control Voltage, Merupakan salah satu input komparator bagian atas dimana

input lain dari komparator adalah pin Threshold pada IC 555. Pin ini

digunakan untuk mengatur tegangan ambang (threshold) yang telah diatur

secara default sebesar 2/3 tegangan supply (Vs). Biasanya pin ini jarang

digunakan dan saat tidak digunakan pin ini dihubungkan pada titik ground

rangkaian melalui sebuah kapasitor 0,01uF yang berguna untuk mengurangi

gangguan noise (desah).

6.  Threshold, pin ini terhubung ke input positif upper comparator(komparator

A) yang akan me-reset RS flip-flop ketika tegangan pada kapasitor mulai

melebihi 2/3 Vcc.

7.  Discharge, pin ini terhubung ke open collector transistor Q1 yang emitternya

terhubung ke ground. Switching transistor ini berfungsi untuk meng-clamp

node yang sesuai ke ground pada timing tertentu.

8.  VCC, pin ini untuk menerima supply DC voltage (most positive) yang

diberikan. Biasanya akan bekerja optimal jika diberi 5 –15V(maksimum).

supply arusnya dapat dilihat di datasheet, yaitu sekitar 10 -15mA.

2.4.2 Cara Kerja IC 555

Gambar 2.6 Rangkaian pada IC 555

Rangkaian timer menggunakan IC 555 pada gambar diatas terdiri dari bagian

pemberi triger, penentu waktu hidup matinya timer dan bagian beban (relay) atau

inteface ke perangkat yang dikontrol. Fungsi dan prinsip kerja dari bagian timer

menggunakan IC 555 pada gambar diatas adalah sebagai berikut. Bagian pemberi

triger, adalah konfigurasi antara R100K dengan saklar S1 yang berfungsi untuk

memberikan triger ke IC 555 sebagai tanda proses timing dimulai. Bagian penentu

waktu timing, merupakan konfigurasi antara VR 1MOhm dan kapasitor 10 uF yang

berfungsi untuk menentukan waktu atau lamanya timer akan ON atau OF. Dimana

lamanya waktu ON atau OFF nya timer ditentukan oleh waktu proses pengisian

kapasitor C 10 uF yang ditentukan oleh nilai kapasitansi kapasitor 10 uF dan nilai

resistansi VR 1 MOhm tersebut. Bagian beban, adalah relay yang berfungsi untuk

menghubungkan antara relay dengan perangkat yang dikontrol. Relay ini juga

berfungsi sebagai isolator antara kelistrikan timer dengan kelistrikan perangkat yang

dikontrol Timer dengan IC 555 ini. Pada relay dipasang dioda yang diparalel secara

reverse bias, dioda ini berfungsi untuk menyerap tegangan induksi dari induktor relay

pada saat dihidupkan dan dimatikan sehingga tidak mempengaruhi sistem kelistrikan

rangkaian timer menggunakan IC 555.

Dalam aplikasi rangkaiannya, IC timer 555 mempunyai 3 mode operasi dasar, yaitu :

1. Monostable

Output rangkaian monostable hanya berupa satu pulsa (HIGH) saja, yaitu saat

input sinyal yang diumpankan pada pin trigger berubah dari kondisi HIGH ke

LOW. Rangkaian monostable juga biasa disebut dengan rangkaian one-shoot.

2. Astable

Output rangkaian astable berupa gelombang kotak yang berosilasi pada

frekuensi dan periode tertentu, tergantung dari komponen RC yang digunakan.

3. Bistable

Output rangkaian bistable mempunyai 2 kondisi output yang dipengaruhi oleh

input pada pin trigger dan reset. Atau dapat dikatakan, output rangkaian

bistable serupa dengan output rangkaian astable yang dioperasikan secara

manual tanpa menggunakan komponen RC sebagai pengatur pewaktuan

(timing).