Boost Converter Pada Elektronika Daya [PDF]

Citation preview

BOOST CONVERTER PADA ELEKTRONIKA DAYA



LAPORAN PROYEK AKHIR



Oleh : AGUS SAMUEL MARPAUNG 3211411010



PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA JURUSAN TEKNIK ELEKTRO POLITEKNIK NEGERI BATAM 2017



BOOST CONVERTER PADA ELEKTRONIKA DAYA



LAPORAN PROYEK AKHIR



Oleh : AGUS SAMUEL MARPAUNG 3211411010



Disusun untuk memenuhi salah satu syarat kelulusan Program Diploma III Program Studi Teknik Elektronika Politeknik Negeri Batam



PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRONIKA POLITEKNIK NEGERI BATAM 2017



BOOST CONVERTER PADA ELEKTRONIKA DAYA Nama mahasiswa



: Agus Samuel Marpaung



NIM



: 3211411010



Pembimbing



: Arif F Juwito, ST., M.Eng.



Email



: [email protected]



ABSTRAK Untuk mempermudah mahasiswa dalam memahami prinsip kerja boost converter, maka sebuah trainer kit dapat digunakan sebagai alat praktikum dalam modul pembelajaran. Perancangan ini bertujuan untuk menghasilkan nilai tegangan output yang lebih tinggi dibandingkan dengan tegangan input. Untuk dapat menghasilkan nilai tegangan output yang lebih tinggi digunakan PWM sebagai input untuk mengendalikan duty cyle, dimana duty cycle sebanding dengan tegangan output. Sehingga ketika percobaan dilakukan pada duty cycle 100% menghasilkan tegangan output sebesar 11,6 V, dibandingkan ketika percobaan duty cycle masih pada 20% Ton < Toff dengan hasil tegangan output sebesar 2,2 V.



Kata Kunci : trainer kit, boost converter, pwm



BOOST CONVERTER TRAINER FOR POWER ELECTRONIC COURSE Student Name



: Agus Samuel Marpaung



NIM



: 3211411010



Supervisor



: Arif F Juwito, ST., M.Eng.



Email



: [email protected]



ABSTRACT To facilitate students in understanding the working principle of the boost converter, then a trainer kit can be used as a practical tool in the learning module. This scheme aims to generate value for the output voltage higher than the input voltage. To be able to produce higher output value is used PWM as an input for controlling duty cycle, where the duty cycle is proportional to the output voltage. So that when the experiments were performed at 100% duty cycle produces an output voltage of 11,6 V, duty cycle than when the experiment is still at 20% Ton < Toff with the result of the output voltage of 2,2 V.



Keywords : trainer kit, boost converters, pwm



Kata Pengantar Segala puji bagi Tuhan Yang Maha Esa yang telah memberikan karunia-Nya yang tiada terkira kepada kita semua dan khususnya kepada penulis. Hanya berkat pertolonganNyalah akhirnya penulis bisa menyelesaikan tulisan pertama penulis dengan judul “ Boost Converter Pada Elektronika Daya “. Penulisan Laporan Proyek Akhir ini disusun dalam rangka untuk memenuhi salah satu syarat kelulusan Program Diploma III Politeknik Negeri Batam. Dalam penulisan laporan akhir ini tentunya tidak lepas dari kekurangan dan keterbatasan yang penulis miliki. Penulis menyadari bahwa laporan akhir ini jauh dari sempurna sehingga penulis membutuhkan kritik dan saran yang bersifat membangun untuk kemajuan pendidikan di masa yang akan datang. Dalam penyusunan dan penulisan laporan akhir ini tidak terlepas juga dari bantuan, bimbingan serta dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu dalam kesempatan ini penulis menyampaikan terimakasih kepada yang terhormat : 1. BapakDidi Istardi, ST., M.Sc. selaku pembimbing I yang bijaksana memberikan bimbingan, nasehat serta waktunya selama pembuatan proyek akhir ini. 2. Bapak Arif F. Juwito, ST., M.Eng. selaku pembimbing II yang telah memberikan perhatian, bimbingan dan kepercayaan yang berarti bagi penulis. 3. Ayah dan Ibu atas kesabaran, doa dan tidak pernah lelah dalam mendidik dengan tulus kepada penulis semenjak kecil. 4. Teman-teman dan semua pihak yang telah memberikan bantuan dan dorongan serta berbagai pengalaman pada proses penyusunan laporan akhir ini. Akhir kata, semoga laporan akhir ini ada manfaatnya, khususnya bagi penulis dan umunya bagi kita semua dalam rangka menambah wawasan pengetahuan dan pemikiran kita



DAFTAR ISI PERNYATAAN KEASLIAN TUGAS AKHIR ………………… i LEMBAR PENGESAHAN ……………………………………… ii ABSTRAK ……………………………………………………….. iii ABSTRACT ……………………………………………………… iv KATA PENGANTAR …………………………………………… v DAFTAR ISI



…………………………………………………….. vi



DAFTAR GAMBAR



……………………………………………. viii



DAFTAR TABEL ………………………………………………... x BAB 1 PENDAHULUAN ……………………………………….. 1 1.1. 1.2. 1.3. 1.4. 1.1.



Latar Belakang Masalah …………………………. Perumusan Masalah ……………………………... Batasan Masalah ………………………………… Tujuan dan Manfaat ……………………………... Sistematika Penulisan …………………………….



1 2 2 3 3



BAB 2 DASAR TEORI ………………………………………….. 5 2.1.



DC - DC Converter ……………………………… 2.1.1 Buck Converter …………………………... 2.1.2 Boost Converter ………………………….. 2.1.3 Buck-Boost Converter ……………………



BAB 3 PERANCANGAN SISTEM 3.1. 3.2. 3.3.



5 6 8 13



…………………………….. 15



Diagram Blok ……………………………………. Flowchart ……………………………………….. Perancangan Rangkaian Elektronika ……………. 3.3.1 Rangkaian Boost Converter ………………



15 16 17 17



3.4. 3.5. 3.1.



Perancangan Sistem Mekanik ………………….... 19 Bahan Pembelajaran …………………………….. 20 Modul Praktikum ………………………………... 23



BAB 4 HASIL DAN ANALISA ………………………………… 29 4.1. 4.2.



Hasil Perancangan ………………………………. 29 Hasil Pengujian …………………………………. 30



BAB 5 PENUTUP ……………………………………………….. 36 5.1. 5.2.



Kesimpulan ……………………………………… 36 Saran …………………………………………….. 36



DAFTAR PUSTAKA



…………………………………………… 37



BIOGRAFI PENULIS



…………………………………………... 38



DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1a Skema dasar DC-DC Converter …………………… 5 Gambar 2.1b Bentuk Sinyal Tegangan Keluaran DC-DC Converter.. 6 Gambar 2.1.1 Rangkaian Buck Converter ……………………….. 6 Gambar 2.1.1a Rangkaian Buck Converter Saat Saklar Tertutup … 7 Gambar 2.1.1b Rangkaian Buck Converter Saat Saklar Terbuka … 7 Gambar 2.1.2 Rangkaian Boost Converter ………………………. 8 Gambar 2.1.2a Rangkaian Boost Converter Saat Saklar Tertutup … 9 Gambar 2.1.2b Rangkaian Boost Converter Saat Saklar Terbuka … 10 Gambar 2.1.2c Pengaruh Duty Cycle pada Boost Converter …….. 11 Gambar 2.1.2d Sinyal Keluaran Tegangan dan Arus pada Boost Converter ………………………………………………………… 12 Gambar 2.1.3Rangkaian Buck-Boost Converter ………………… 13 Gambar 2.1.3a Rangkaian Buck-Boost Converter Saat Saklar Tertutup14 Gambar 2.1.3b Rangkaian Buck-Boost Converter Saat Saklar Terbuka14 Gambar 3.1 Blok Diagram Pengujian Rangkaian Boost Converter .. 15 Gambar 3.2 Flowchart Boost Converter



………………………… 16



Gambar 3.3.1 Rangkaian Simulasi Boost Converter …………….. 17 Gambar 3.4 Pembuatan Trainer Boost Converter ………………... 19 Gambar 4.1.1 Rangkain Boost Converter ………………………... 28 Gambar 4.1.3 Trainer Kit Boost Converter ………………………. 28



DAFTAR TABEL Tabel 3.3.1 Parameter Perancangan Boost Converter ……………. 18 Tabel 4.2 Hasil Percobaan Boost Converter ……………………... 29



BAB 1 PENDAHULUAN 1.1.



Latar Belakang Masalah Kebutuhan akan keefesienan dari peralatan elektronik, menuntut pengembangan teknologi yang dapat mempermudah penggunanya. Namun kenyataannya semua peralatan listrik bekerja kurang efesien atau tidak bisa bekerja pada sumber daya yang ada.Banyak pembangkit energi nonkonvensional memiliki bentuk tidak kompatibel dengan sumber energi lainnya, maka disitu energi perlu dikonversikan. Konversi energi (daya) merupakan ilmu yang mempelajari penggunaan teknologi elektronika. Terdapat dua alternatif transformasi daya dari sumber DC ke beban yang dapat dikendalikan yaitu linear mode dan switched mode. Konversi daya linear mode menggunakan jatuh tegangan pada elemen resistif untuk mengatur tegangan.Cara ini menghasilkan rugi daya dalam bentuk panas sehingga efisiensi menjadi rendah.Mode ini juga hanya digunakan sebagai penurun tegangan. Pada konversi daya switched mode, energi yang timbul oleh karena jatuh tegangan pada induktor disimpan pada kondisi switched on, kemudian ditransfer ke beban pada kondisi switched off. Cara ini menghasilkan efisiensi yang lebih dibandingkan linear mode. Enegi yang disimpan pada induktor dapat diubah menjadi tegangan output yang lebih tinggi dibandingkan tegangan inputnya (Boost Converter). Penyedia sumber daya DC yang berupa pengubah daya DC-DC secara umum ada dua macam, yaitu tipe penurun tegangan (Buck Converter) dan tipe penaik tegangan (Boost Converter). Pengubah daya DC-DC tipe Boost dapat mempunyai efisiensi sampai 90% suatu efisiensi yang besar dibandingkan dengan penyedia sumber daya lainnya [1]. Dalam penulisan proyek akhir ini, penulis akan membahas mengenai pengubah daya DC-DC Boost Converter dengan optimasi induktor dan kapasitor, untuk mendapatkan nilai tegangan keluaran yang maksimal dari tegangan masukan yang kecil. Hal ini sangat jarang diperhatikan, padahal dengan optimasi ini akan didapat suatu efisiensi yang lebih tinggi



1.2.



Perumusan Masalah



Berikut rumusan masalah yang akan dihadapi dalam proses pengerjaan proyek akhir ini : 1.2.1. Bagaimana mendesain pengubah daya DC-DC Boost Converter ? 1.2.2. Bagaimana mengendalikan tegangan output pada Boost Converter dengan menggunakan sinyal PWM (Pulse Width Modulation) ? 1.2.3. Bagaimana pengoperasian Boost Converter pada mode operasi Continuous Conduction Mode (CCM)? 1.3.



Batasan Masalah



Agar masalah yang dibahas menjadi jelas dan tidak menyimpang dari topik yang akan dibahas, maka dalam penulisan proposal ini penulis menekankan, bahwa permasalahan yang akan dibahas adalah: 1.3.1. Hanya menjelaskan apa yang dimaksud dengan pengubah daya DC-DC tipe Boost 1.3.2. Hanya membahas mengenai pengubah daya DC-DC Boost Converter dengan optimasi induktor dan kapasitor 1.3.3. Untuk penggunaan komponen semikonduktor hanya menggunakan Mosfet sebagai pemakaian saklar 1.3.4. Sistem pengendali yang digunakan pada Boost Converter menggunakan sinyal PWM dari function generator 1.3.5. Hanya menjelaskan Boost converter yang bekerja pada mode operasi Continuous Conduction Mode (CCM) 1.3.6. Untuk kebutuhan bahan ajar mata kuliah praktikum Elektronika Daya pada jurusan Teknik Elektro di Politeknik Negeri Batam



1.4.



Tujuan dan Manfaat



Tujuan penelitian ini adalah sebagai berikut : 1.4.1. Mendesain dan membangun suatu alat DC-DC Converter tipe Boost 1.4.2. Menyediakan bahan ajar praktikum pada mata kuliah praktikum Elektronika Daya sub mata kuliah Boost Converter di jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Batam 1.4.3. Menguji kelayakan bahan ajar DC-DC Converter jenis Boost Converter hingga dapat berfungsi sesuai dengan yang diharapkan. Manfaat yang diharapkan agar tercapainya penelitian ini adalah sebagai berikut : 1.4.1. Dengan berhasilnya DC-DC Converter tipe Boost ini dapat digunakan sebagai media pembelajaran yang lebih baik bagi jurusan Teknik Elektro di Politeknik Negeri Batam 1.4.2. Bagi dosen mata kuliah Elektronika Daya, dapat digunakan sebagai bahan pertimbangan dalam pemilihan dan penggunaan serta pengembangan media pembelajaran. 1.4.3. Untuk mempermudah mahasiswa dalam memahami prinsip kerja Boost Converter 1.4.4. Dapat digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan tegangan yang lebih tinggi dari sumbernya 1.5.



Sistematika Penulisan



Penyusunan laporan proyek akhir ini dilakukan secara sistematis dan tersusun dalam 5 (lima) bab yang masing-masing terdiri atas beberapa sub bab. Bab dan sub bab yang ada di dalam laporan saling terkait dan mendukung satu sama lain dengan penjelasan sebagai berikut, BAB I Pendahuluan Bab ini menjelaskan tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, batasan masalah, tujuan dan manfaat dan sistematika penulisan



BAB II Dasar Teori Bab ini membahas mengenai teori-teori dasar yang terkait dalam penulisan laporan proyek akhir. BAB III Perancangan Sistem Pada bab ini akan dijelaskan mengenai langkah-langkah perancangan pembuatan alat Boost Converter dengan analisis perhitungan untuk setiap rangkaian. BAB IV Jadwal Kegiatan Jadwal kegiatan berisi uraian aktivitas dan alokasi waktu yang digunakan (per minggu) secara rinci. BAB V Estimasi Biaya Estimasi Biaya berisi uraian biaya pembelian seluruh komponen (per komponen dan total seluruh biaya yang digunakan)



BAB 2 DASAR TEORI 2.1.



DC-DC Converter



Switching regulator merupakan dasar dari semua DCDC Converter. DC-DC Converter dapat mengkonversi daya listrik searah (DC) ke bentuk daya listrik searah (DC) lainnya dengan level tegangan berbeda. Setiap konversi tegangan maupun arus, daya masukan dan daya keluaran harus dipertahankan tetap.Sistem pengaturan konverter tersebut dapat dilakukan dalam operasi frekuensi tetap yaitu mengatur lebar pulsa menggunakan PWM (Pulse Width Modulation) dengan periode waktu tetap dan waktu on yang berubah-ubah.Beberapa topologi dasar konverter DC-DC adalah Buck Converter, Boost Converter dan Buck-Boost Converter.Pada proyek akhir ini penulis memilih rangkaian Boost Converter sebagai pengubah daya, sebab konverter tersebut mampu menghasilkan tegangan keluaran yang lebih tinggi dibandingkan dengan tegangan masukannya. Konverter DC-DC hanya mengubah level tegangan dan level arus keluaran DC, tanpa mengubah daya selama proses konversi. Gambar 2.1a memperlihatkan secara skematik prinsip pengubah tegangan oleh konverter DC-DC.



Gambar 2.1a Skema dasar DC-DC Converter



Pada sebuah konverter DC-DC dengan tegangan input yang ditentukan, besar tegangan output dikendalikan dengan durasi pensaklaran (Ton dan Toff) seperti diperlihatkan pada gambar 2.1b



Gambar 2.1b Bentuk Sinyal Tegangan Keluaran DC-DC Converter[3] Pengendalian dilakukan dengan memberikan sinyal atau tegangan yang mengatur waktu on dan waktu off switch.Sinyal tegangan yang berfungsi untuk mengatur switch biasanya menggunakan PWM. 2.1.1. Buck Converter Buck Converter adalah salah satu jenis dari konverter yang dapat mengubah tegangan DC pada nilai tertentu menjadi tegangan DC yang lebih rendah. Tegangan output yang dihasilkan mempunyai polaritas yang sama dengan tegangan inputnya. Buck Converter biasa disebut juga dengan stepdownconverter.



Gambar 2.1.1. Rangkaian Buck Converter



Ketika saklar tertutup, arus mengalir dari sumber menuju induktor hingga ke beban. Pada kondisi ini dioda akan dalam keadaan reversebias sehingga arus akan tersimpan dan mengalami peningkatan energi pada induktor.



Gambar 2.1.1a Rangkaian Buck Converter Saat Saklar Tertutup =



−



Þ =   = =  Þ ( )



=



= −



−



= −



.



Sedangkan di saat kondisi saklar terbuka, sumber tidak terhubung dengan rangkaian. Pada kondisi ini dioda akan menjadi forward bias sehingga arus yang telah tersimpan di induktor akan menjadi sumber masukan bagi komponen lainnya.



Gambar 2.1.1b Rangkaian Buck Converter Saat Saklar Terbuka



= −



Þ =



= =



−



  − = = (1 − ) 



Þ ( )



=



−



. (1 − )



2.1.2. Boost Converter Boost Converter (Step-Up Converter) merupakan DCDC Converter yang menghasilkan tegangan output yang jauh lebih besar dari tegangan inputnya. Boost Converter ini termasuk ke dalam rangkaian Switched Mode Power Supply (SMPS) yang setidaknya terdapat komponen switch semikonduktor seperti mosfet serta satu komponen penyimpan energi seperti kapasitor atau induktor atau kombinasi keduanya [3]. Induktor nantinya akan berfugsi untuk menyimpan energi listrik yang akan disalurkan ke beban. Tegangan pada beban adalah hasil dari tegangan masukan ditambah dengan energi yang tersimpan pada induktor, sehingga tegangan keluaran Boost Converter menjadi lebih besar dari pada tegangan masukannya [5]. Filter yang dibuat dengan kapasitor atau terkadang juga dengan induktor biasanya disimpan pada output dari Converter tersebut untuk mengurangi tegangan ripple [4]. Skema rangkaian Boost Converter ditunjukkan oleh gambar berikut ini



Gambar 2.1.2. Rangkaian Boost Converter



Ketika saklar dalam kondisi tertutup pada, arus akan mengalir dari sumber menuju induktor dan akan terjadi peningkatan pada arus induktor sehingga menyebabkan energi yang tersimpan di induktor akan naik. Polaritas induktor pada sisi kiri lebih positif dibandingkan sisi kanannya.



Gambar 2.1.2a Rangkaian Boost Converter Saat Saklar Tertutup vL = Vd =



Þ



=



  = =  Þ ( )



= =



Sedangkan di saat saklar dalam kondisi terbuka pada t=t1, arus pada induktor akan mengalir melewati dioda menuju beban, sehingga energi yang tersimpan pada induktor selama kondisi tertutup akan turun sampai saklar menutup (on) kembali pada siklus berikutnya [6].



Arus yang disimpan di induktor akan berkurang karena impedansi yang lebih tinggi. Berkurangnya arus pada induktor menyebabkan induktor tersebut membalik polaritasnya (lebih negatif pada sisi kiri).Sehingga arus yang mengalir pada dioda dan pada beban adalah penjumlahan antara arus pada sumber dan arus pada induktor (seri). Disaat yang bersamaan kapasitor juga akan melakukan penyimpanan energi dalam bentuk tegangan. Itulah sebabnya DC-DC Converter tipe Boost memiliki keluaran yang lebih tinggi dibandingkan dengan masukannya.



Gambar 2.1.2b Rangkaian Boost Converter Saat Saklar Terbuka vL = Vd – Vo = =



Þ =



Þ ( )



−



  =  (1 − ) =



=



(



− −



)(1 − )



Rasio antara tegangan keluran dan tegangan masukan sebanding dengan rasio antara periode pensaklaran dan waktu pembukaan saklar, yang disebut dengan duty cycle. Jika D = duty cycle, maka hubungan antara tegangan masukan Vd dan tegangan keluaran Vo dinyatakan dengan persamaan berikut



Steady-state operation (iL)closed+(iL)opened=0 ( − = =



)(1 − )



=0



1−



Nilai duty cycleakan mempengaruhi nilai tegangan output. Perbandingan duty cycle antara keadaan saklar terbuka dan saklar tertutup diberikan pada gambar 2.2.Tegangan yang dihasilkan merupakan nilai rata-rata dari keadaan saklar yang terbuka dan tertutup.



Gambar 2.1.2c Pengaruh Duty Cycle pada Boost Converter Teknik pemberian pulsa pada Boost Converter menggunakan metode Pulse Width Modulation (PWM) berfungsi sebagai Switching Power Supply untuk mengontrol on dan off saklar.Pada PWM switching terdapat suatu pengontrolan frekuensi yang konstan.Switch control signal dengan control on atau off dihasilkan dengan membandingkan suatu level tegangan control signal dengan suatu bentuk gelombang berulang.



Gambar 2.1.2d Sinyal Keluaran Tegangan dan Arus pada Boost Converter Input Power = Output Power = =



(1 − )



Average Inductor Current : =



Þ Þ Þ



= =



+ −



 2



 2



(1 − ) = =



(1 − ) (1 − )



+ −



2 2



For CCM Imin ³ 0 (1 − )



−



2 (1 − ) 2 (1 − ) = 2



³ 0



Ripple Factor | | = = Vo







= =



= =



2.1.3. Buck – Boost Converter Buck – Boost Converter merupakan suatu rangkaian DC-DC Converter yang dapat menghasilkan tegangan keluaran yang lebih rendah atau lebih tinggi dari pada sumbernya dimana tegangan pada keluaran Buck – Boost Converter selalu bernilai negatif atau berkebalikan dengan sumber tegangan masukan.



Gambar 2.1.3. Rangkaian Buck-Boost Converter



Ketika saklar dalam kondisi tertutup, maka arus akan mengalir ke induktor dan energi akan tersimpan di induktor akan naik.



Gambar 2.1.3a Rangkaian Buck-Boost Converter Saat Saklar Tertutup =



=



Þ



=



  = =  Þ ( )



=



Sedangkan ketika saklar dalam kondisi terbuka, energi yang ada di induktor akan turun dan arus mengalir menuju beban.



Gambar 2.1.3b Rangkaian Buck-Boost Converter Saat Saklar Terbuka =



=



Þ



=



  = =  (1 − ) Þ ( )



=



(1 − )



BAB 3 PERANCANGAN SISTEM Pada bab ini akan dijelaskan mengenai perancangan sistem, dimana perancangan ini merupakan hal yang terpenting dari seluruh proses pembuatan suatu alat. Tahap perancangan ini dimulai dari pembuatan diagram blok rangkaian, pemilihan komponen, serta perakitan alat sampai dengan proses finishing. Perancangan ini dibuat dengan tujuan untuk mendapatkan perubahan besar pada nilai tegangan keluaran dengan tegangan masukan yang kecil. 3.1.



Diagram Blok



Gambar 3.2.1.merupakan blok diagram sistem secara keseluruhan mulai dari sumber tegangan sampai beban



Input DC



Saklar Semiconduktor



Filter



Output Output



Gambar 3.1. Blok Diagram Pengujian Rangkaian Boost Converter Seperti pada blok diagram diatas, sumber masukan yang digunakan adalah sumber DC dengan nilai tegangan input 5 V. Pada pengerjaan proyek akhir ini yang dirancang terdapat dua bagian penting yaitu rangkaian pembangkit arus atau yang lebih dikenal dengan Pulse Width Modulation (PWM) untuk menghasilkan gelombang kotak (pulse) sebagai pengatur switch on dan switch off dan rangkaian pembangkit atau Boost sebagai penaik tegangan.



3.2.



Flowchart Input



Sumber arus menuju induktor PWM



Mosfet



on



Arus meningkat dan tersimpan pada induktor



off Diode dibias mundur Dioda



t tidak



iya Menerima energi dari induktor dan sumber masukan



Energi akan tersimpan dalam bentuk tegangan pada kapasitor



Beban



Output Gambar 3.2. Flowchart Boost Converter



3.3.



Perancangan Rangkaian Elektronika



Hal ini meliputi semua tahap yang berhubungan langsung dengan suatu sistem yang dirancang diantaranya adalah menentukan spesifikasi alat, pemilihan komponen, pembuatan PCB, pemasangan komponen dan penyolderan, serta pengujian alat. 3.3.1. Rangkaian Boost Converter Pada perancangan rangkaian simulasi Boost Converterpenulis akan mencoba menganalisa beberapa contoh perhitungan yang akan dilakukan menggunakan aplikasi Proteus 8 Professional yang terdiri dari tegangan sumber, Induktor, Mosfet IRF540N, Dioda 1n4001, Kapasitor, dan Resistor seperti yang ditunjukkan oleh gambar berikut



Gambar 3.3.1. Rangkaian Simulasi Boost Converter Dalam perancangan Boost Converterada beberapa parameter yang harus ditentukan agar dapat menentukan besaran komponen yang digunakan. Parameter yang dibutuhkan untuk perancangan Boost Converter dapat dilihat pada tabel berikut



Tabel 3.3.1. Parameter Perancangan Boost Converter



No 1 2 3 4



Parameter Tegangan masukan Vs Tegangan keluaran Vo Beban Resistor R Freekuensi (f)



Nilai 5volt 12volt 100,1k,10k 50khz



Berdasarnya nilai induktor yang digunakan dapat berdasarkan persamaan sebagai berikut: Vs Vo = 1−D Vs 5 D = 1 − = 1 − = 0.58 Vo 12 Vs(Vo − Vs) I = f L Vo Vs(Vo − Vs) 5(12 − 5) L = = = 100uH f IC Vo 35000 . 0,8 . 12 Sedangkan untuk menentukan besarnya nilai kapasitor yang digunakan dengan ripple tegangan sebesar 0.085% dapat berdasarkan pada persamaan sebagai berikut Io(Vo − Vs) Vc = Vo f c C =



Io(Vo − Vs) 12/100(12 − 4) = = 470 mF f Vc 35000 . 4,25mv



3.4.



Perancangan Sistem Mekanik



Dalam desain mekanik meliputi pembuatan PCB yang akan ditempati oleh suatu komponen, pengeboran, pembuatan modul hingga terwujud alat yang diinginkan.



Gambar 3.4. Pembuatan Trainer Boost Converter



3.5.



Bahan Pembelajaran Modul Praktikum DC-DC Konverter Penaik Tegangan



1.



Tujuan Percobaan 



2.



Menjelaskan DC-DC Konverter yang dapat menaikkan tegangan  Mengetahui bahwa pengaturan potensio berpengaruh terhadap duty cycle dan frekuensi yang digunakan. Komponen dan Peralatan



3.



 Oscilloscope GW INSTEK G05622G1  Function Generator  Multimeter Digital  Power Supply Dasar Teori



1 Unit 1 Unit 1 Unit 1 Unit



Boost Konverter juga dikenal sebagai Step-up Converter (penaik tegangan) yang dapat menaikkan tegangan tanpa menggunakan trafo, yaitu dengan menggunakan saklar elektrik, sehingga penaikkan tegangan menjadi lebih efisien. Boost Konverter terdiri dari beberapa komponen, yaitu, tegangan sumber (Vs), induktor (L), saklar (S), dioda (D), kapasitor (C), dan resistansi beban (R). Sedangkan untuk saklar elektrik dapat digunakan transistor ataupun mosfet.Rangkaian dari Boost Konverter ditunjukkan oleh gambar berikut ini.



Gambar 1 Konverter Boost



Pada gambar 2, Boost Konverter bekerja pada dua keadaan yaitu saat saklar menutup dan saat saklar membuka. Saat saklar menutup (ON) pada t=0, arus pada induktor menjadi naik dan mengalir melewati saklar S. Sehingga energi yang tersimpan dalam induktor akan naik. Saat saklar terbuka (OFF) pada t=t1, arus pada induktor mengalir melewati kapasitor, beban, dan dioda. Sehingga energi yang tersimpan pada induktor akan turun sampai saklar S menutup (ON) kembali pada siklus berikutnya.



Gambar 2 (a) Saklar On (saklar tertutup)



4.



Gambar 2 (b) Saklar Off (saklar terbuka). Langkah Percobaan  











 



Buatlah rangkaian percobaan seperti gambar 1 Hubungkan input rangkaian dengan sumber tegangan DC variabel dan Funtion Generator berupa gelombang kotak Hubungkan kanal 1 oscilloscope (CH1) pada input rangkaian Vi dan kanal 2 oscilloscope (CH2) pada output rangkaian Vo Setelah selesai dirangkai laporkan kepada instruktur apakah rangkaian sesuai dengan modul praktikumnya Hidupkan sumber tegangan pada 5v Atur duty cyle pada posisi 20%-100% lalu perhatikan nilai tegangan keluaran yang dihasilkan



5.



6.



dari percobaan tersebut kemudian catat pada tabel dibawah. Data Pengamatan



No



Duty Cyle (%)



Vi



1 2 3 4 5



20% 40% 60% 80% 100%



5 Volt 5 Volt 5 Volt 5 Volt 5 Volt



Pengukuran



Perhitungan



Tugas dan Pertanyaan 1. Apakah nilai tegangan yang dihasilkan lebih besar dari tegangan masukannya? Jelaskan! 2. Dari hasil percobaan, berikan kesimpulan anda.



Modul Praktikum DC-DC Konverter Penaik Tegangan 1.



Tujuan Percobaan 



2.



Menjelaskan DC-DC Konverter yang dapat menaikkan tegangan  Mengetahui bahwa pengaturan potensio berpengaruh terhadap duty cycle dan frekuensi yang digunakan. Komponen dan Peralatan



3.



 Oscilloscope GW INSTEK G05622G1  Function Generator  Multimeter Digital  Power Supply Dasar Teori



1 Unit 1 Unit 1 Unit 1 Unit



Boost Konverter juga dikenal sebagai Step-up Converter (penaik tegangan) yang dapat menaikkan tegangan tanpa menggunakan trafo, yaitu dengan menggunakan saklar elektrik, sehingga penaikkan tegangan menjadi lebih efisien. Boost Konverter terdiri dari beberapa komponen, yaitu, tegangan sumber (Vs), induktor (L), saklar (S), dioda (D), kapasitor (C), dan resistansi beban (R). Sedangkan untuk saklar elektrik dapat digunakan transistor ataupun mosfet.Rangkaian dari Boost Konverter ditunjukkan oleh gambar berikut ini.



Gambar 1 Konverter Boost



Pada gambar 2, Boost Konverter bekerja pada dua keadaan yaitu saat saklar menutup dan saat saklar membuka. Saat saklar menutup (ON) pada t=0, arus pada induktor menjadi naik dan mengalir melewati saklar S. Sehingga energi yang tersimpan dalam induktor akan naik. Saat saklar terbuka (OFF) pada t=t1, arus pada induktor mengalir melewati kapasitor, beban, dan dioda. Sehingga energi yang tersimpan pada induktor akan turun sampai saklar S menutup (ON) kembali pada siklus berikutnya.



Gambar 2 (a) Saklar On (saklar tertutup)



4.



Gambar 2 (b) Saklar Off (saklar terbuka). Langkah Percobaan  











 



Buatlah rangkaian percobaan seperti gambar 1 Hubungkan input rangkaian dengan sumber tegangan DC variabel dan Funtion Generator berupa gelombang kotak Hubungkan kanal 1 oscilloscope (CH1) pada input rangkaian Vi dan kanal 2 oscilloscope (CH2) pada output rangkaian Vo Setelah selesai dirangkai laporkan kepada instruktur apakah rangkaian sesuai dengan modul praktikumnya Hidupkan sumber tegangan pada 5v Atur duty cyle pada posisi 20%-100% lalu perhatikan nilai tegangan keluaran yang dihasilkan



5.



6.



dari percobaan tersebut kemudian catat pada tabel dibawah. Data Pengamatan



No



Duty Cyle (%)



Vi



Pengukuran



Perhitungan



1 2 3 4 5



20% 40% 60% 80% 100%



5 Volt 5 Volt 5 Volt 5 Volt 5 Volt



2,28 Volt 4,57 Volt 7,14 Volt 8,57 Volt 11,6 Volt



2,4 Volt 4,8 Volt 7,2 Volt 9,6 Volt 12 Volt



Tugas dan Pertanyaan 1. Apakah nilai tegangan yang dihasilkan lebih besar dari tegangan masukannya? Jelaskan! Iya, karena disebabkan adanya tegangan masukan melewati lilitan dan pada waktu yang sama lilitan akan menyimpan tegangan dan akan dialirkan menuju kapasitor dan beban. Kemudian duty cycle akan mengatur lebar pulsa yang akan menghasilkan tegangan yang berbeda-beda. Berikut perhitungan untuk mencari nilai tegangan keluaran yang diatur dengan duty cycle : 1. Ketika Duty cycle 20% VT = D x Vcc =



x 12



= 2,4 V Dari hasil perhitungan secara teori sebesar 2,4V, sedangkan data pengukuran yang diperoleh adalah sebagai berikut : VP = =



x Vcc , ,



x 12



= 2,28 V



2.



Ketika Duty cycle 40% V = D x Vcc =



x 12



= 4,8 V Dari hasil perhitungan secara teori sebesar 4,8V, sedangkan data pengukuran yang diperoleh adalah sebagai berikut : VP = = 3.



x Vcc , ,



x 12



= 4,57 V Ketika Duty cycle 60% V = D x Vcc =



x 12



= 7,2 V Dari hasil perhitungan secara teori sebesar 7,2V, sedangkan data pengukuran yang diperoleh adalah sebagai berikut : VP = = 4.



x Vcc , ,



x 12



= 7,14 V Ketika Duty cycle 80% V = D x Vcc =



x 12



= 9,6 V Dari hasil perhitungan secara teori sebesar 9,6V, sedangkan data pengukuran yang diperoleh adalah sebagai berikut : VP = =



x Vcc ,



x 12



= 8,57 V



5.



Ketika Duty cycle 100% V = D x Vcc =



x 12



= 12 V Dari hasil perhitungan secara teori sebesar 12V, sedangkan data pengukuran yang diperoleh adalah sebagai berikut : VP = =



x Vcc , ,



x 12



= 12 V



2. Dari hasil percobaan, berikan kesimpulan anda. Berdasarkan hasil pengujian, trainer kit boost converter mampu menghasilkan tegangan output yang lebih tinggi dibandingkan dengan tegangan input dengan dipengaruhi oleh duty cycle, dimana duty cycle sebanding dengan tegangan output, semakin besar duty cycle diatur, maka tegangan output dari boost converter pun akan semakin besar. Ini terbukti pada percobaan yang telah dilakukan ketika duty cycle 100% menghasilkan tegangan output sebesar 11,6 V, dibandingkan ketika duty cycle masih 20% Ton < Toff dengan hasil tegangan output sebesar 2,28 V. Sehingga kita dapat mengetahui grafik dari hasil data yang telah kita peroleh menunjukkan bahwa duty cycle dapat mempengaruhi nilai tegangan ouput boost converter. 15 10 5



Perhitungan



0



Pengukuran



BAB 4 HASIL DAN ANALISA 4.1.



Hasil Perancangan



Perancangan dilakukan untuk mengetahui respon keluaran boost converter berdasarkan pembangkitan pulsa PWM sebelum diimplementasikan pada modul pembelajaran. Berikut hasil perancangan trainer kit boost converter



Gambar 4.1.1 Rangkaian Boost Converter Hasil akhir dari perancangan trainer kit boost converter ditunjukkan oleh gambar 4.1.2.



Gambar 4.1.2. Trainer Kit Boost Converter Hasil akhir dari perancangan ini adalah berupa trainer yang dilengkapi dengan modul pembelajaran/ praktikum. Besar kecilnya nilai tegangan output dipengaruhi oleh duty cycle (D).



Jika nilai duty cycle besar maka nilai tegangan output juga besar, sedangkan jika nilai duty cycle kecil maka tegangan output juga kecil. 4.1. Hasil Pengujian Pengukuran dan penyajian data adalah suatu proses yang dilakukan untuk mengumpulkan data dari alat yang telah dirancang, dikarenakan untuk mengetahui apakah alat tersebut berjalan sesuai dengan apa yang diharapkan dengan benar. Berikut data yang diperoleh saat melakukan pengujian ditunjukkan oleh tabel berikut Tabel 4.2 Hasil Percobaan Boost Converter



No



Duty Cyle (%)



Vi



1 2 3 4 5



20% 40% 60% 80% 100%



5 Volt 5 Volt 5 Volt 5 Volt 5 Volt



Pengukuran (Vo) Perhitungan (Vo) 2,28 Volt 4,57 Volt 7,14 Volt 8,57 Volt 11,6 Volt



2,4 Volt 4,8 Volt 7,2 Volt 9,6 Volt 12 Volt



Dari hasil percobaan diatas, dapat dianalisa sebagai berikut : 1. Ketika Duty cycle 20%



Hasil :



V/div = 5 volt T/div = 2 ms VT = D x Vcc = x 12 = 2,4 V dari hasil perhitungan secara teori sebesar 2,4V, sedangkan data pengukuran yang diperoleh adalah sebagai berikut : VP = x Vcc =



, ,



x 12



= 2,28 V



2.



Ketika Duty cycle 40%



Hasil :



V/div = 5 volt T/div = 2 ms VT = D x Vcc =



x 12



= 4,8 V dari hasil perhitungan secara teori sebesar 4,8V, sedangkan data pengukuran yang diperoleh adalah sebagai berikut : VP = =



x Vcc , ,



x 12



= 4,57 V



3.



Ketika Duty cycle 60%



Hasil : V/div = 5 volt T/div = 2 ms VT = D x Vcc =



x 12



= 7,2 V dari hasil perhitungan secara teori sebesar 7,2V, sedangkan data pengukuran yang dperoleh adalah sebagai berikut : VP = =



x Vcc , ,



x 12



= 7,14 V



4.



Ketika Duty cycle 80%



Hasil :



V/div = 5 volt T/div = 2 ms VT = D x Vcc =



x 12



= 9,6 V dari hasil perhitungan secara teori sebesar 9,6V, sedangkan data pengukuran yang diperoleh adalah sebagai berikut : VP = =



x Vcc ,



x 12



= 8,57 V



5.



Ketika Duty cycle 100%



Hasil :



V/div = 5 volt T/div = 2 ms VT = D x Vcc =



x 12



= 12 V dari hasil perhitungan secara teori sebesar 12V, sedangkan data pengukuran yang diperoleh adalah sebagai berikut : VP = =



x Vcc , ,



x 12



= 12 V Pada percobaan ketika duty cycle 100% menunjukkan keadaan Ton melebar hingga terlihat lurus dengan menghasilkan nilai tegangan keluaran sebesar 11.6v pada pengukuran, ini menunjukkan bahwa target tegangan keluaran yang harus dicapai agar mendekati dengan nilai perhitungan berada ketika duty cycle 100%.



BAB 5 PENUTUP 5.1.



Kesimpulan



Dari pengujian yang telah dilakukan diperoleh kesimpulan sebagai berikut : 1. Berdasarkan hasil pengujian, trainer kit boost converter mampu menghasilkan tegangan output yang lebih tinggi dibandingkan dengan tegangan input dengan dipengaruhi oleh duty cycle, dimana duty cycle sebanding dengan tegangan output, semakin besar duty cycle diatur, maka tegangan output dari boost converter pun akan semakin besar. Ini terbukti pada percobaan yang telah dilakukan ketika duty cycle 100% menghasilkan tegangan output sebesar 11,6 V, dibandingkan ketika duty cycle masih 20% dengan hasil tegangan output sebesar 2,2 V. 5.2.



Saran



Berdasarkan kesimpulan penelitian, maka penulis memberikan saran-saran sebagai berikut : 1. Diharapkan untuk dapat menguji nilai tegangan lainnya tidak hanya menekankan pada tegangan masukan sebesar 5v. 2. Dapat menyempurnakan pemakaian alat dengan memvariasikan beberapa modul pembelajaran tambahan.



DAFTAR PUSTAKA [1] Dallas Semiconductor. “DC-DC Converter Tutorial”, 2003b [2] Mohan, Ned; Undeland, Tore M and Robbins, William P. 1995. Power Electronics : Converter, Applications and Design. Canada : John Wiley & Sonss Inc. [3] Fathurachman, Ahmad., et al. “Perancangan Boost Converter Untuk Sistem Pembangkit Listrik Tenaga Surya”, Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro Universitas Jenderal Achmad Yani Hal. 2, 2014. [4] M. H. Rashid, “Power Electronics : Circuit, Devices and Applications”, Prentice Hall, 2001. [5] Fahmi Umarella, “Analisa Induktor Toroid Binokuler Pada Rangkaian Boost Converter”, Laporan Tugas Akhir Jurusan Teknik Elektro Universitas Indonesia Depok, Hal.1, 2012. [6] Rashid, Muhammad H, Power Electronics Circuit, Device, and Applications, 3rd ed. United States of America : Pearson Prentice Hall, 2004. [7] M. Kazimierczuk, “Pulse Width Modulated DC-DC Power Converters”, PhD thesis, Wright State University Dayton, Ohio, USA, 2008.



BIODATA PENULIS Nama



: Agus Samuel Marpaung



Tempat/tanggal lahir : Batam, 20 Agustus 1996 Agama



: Kristen Protestan



E-mail



: [email protected]



Riwayat Pendidikan: 1. 2. 3.



SMAN 14 BATAM SMPN 10 BATAM SDS EBEN HAEZER BATAM