Tugas Soft Skill Teknologi Informasi & Multimedia

Review Jurnal

Amdi Ikhsan

Abstrak: DC Chopper atau  konverter DC ke DC adalah sebuah rangkaian elektronika daya yang bekerja mengubah tegangan DC ke level tegangan DC yang diinginkan.

Jurnal ini berisi tentang pembuatan DC chopper tipe Buck converter yang digunakan sebagai power supply DC terpisah untuk inverter multilevel satu fasa tiga tingkat. Buck converter yang digunakan dapat menghasilkan tegangan variabel yang dapat diatur dengan menggunakan kontrol duty cycle untuk memenuhi kebutuhan inverter multilevel satu fasa tiga tingkat. Duty cycle dihasilkan melalui PWM (Pulse Width Modulation) dengan frekuensi konstan sebesar 2 kHz. Power supply DC terpisah ini dibuat dari tiga Buck converter yang terdiri dari tiga MOSFET sebagai komponen switching. Sinyal penyulut untuk MOSFET dihasilkan dan dikontrol oleh mikrokontroler AT89S51. Sistem ini merupakan sistem open loop dengan inverter multilevel satu fasa sebagai beban.

Hasil akhir dari DC chopper ini yaitu dapat menyuplai inverter multilevel dengan variasi duty cycle sebesar 20% - 65% untuk Buck converter tingkat satu dan tiga, dan 50% - 95% untuk Buck converter tingkat dua.

Kata kunci: buck converter, duty cycle, multi-level inverter, PWM, mikrokontroller

1. Pendahuluan

Sumber tegangan satu arah, atau yang biasa dikenal sebagai DC (Direct Current) banyak digunakan untuk peralatan-peralatan yang kita pakai sehari-hari, terutama peralatan elektronik. Sumber tegangan DC dapat berupa portable seperti baterai, ataupun sumber daya yang diambil langsung dari sumber tegangan AC dengan merubahnya menjadi tegangan DC terlebih dahulu. Tegangan DC yang dihasilkan haruslah bersih dari electrical noise, dan teregulasi dengan baik.

Inverter multi level satu fasa merupakan satu dari sekian banyak peralatan yang menggunakan tegangan DC. Peralatan inverter multi level satu fasa ini banyak digunakan dalam industri, teknologi satelit mauoun transportasi. Dalam menyuplai tegangan DC untuk inverter multi level ini, diperlukan regulasi atau tegangan DC dengan bentuk khusus agar inverter multi level ini dapat berfungsi dengan baik. Bentuk dari tegangan DC untuk menyuplai inverter multi level ini tidaklah sama dengan tegangan DC yang digunakan untuk suplai tegangan DC inverter biasa.

Inverter multi level memiliki konfigurasi rangkaian yang lebih kompleks jika dibandingkan dengan inverter biasa. Atas dasar ini, dibuatlah alat sumber tegangan DC terpisah untuk membuat sumber tegangan DC yang dapat digunakan sebagai suplai peralatan inverter multi level tersebut. Banyak metode yang dapat digunakan dalam membuat sumber DC terpisah. Dapat dengan baterai, aki, maupun menggunakan DC chopper.

Metode yang digunakan tentu punya kelebihan dan kekurangannya masing-masing. Dan pada eksperimen ini, digunakan rangkaian DC chopper dengan tipe buck converter sebagai sumber DC terpisah. Eksperimen ini dilakukan agar dapat dilihat kelebihan dan kekurangan pada rangkaian tersebut, sehingga dapat menjadi bahan pertimbangan dalam menentukan sumber DC terpisah.

2.    Landasan Teori

2.1  Multilevel Inverter

Peralatan inverter dikategorikan sebagai peralatan multilevel inverter jika peralatan inverter tersebut minimum memiliki tiga level gelombang  tegangan  keluaran  pada  peralatan

tersebut_.^[17]

       Peralatan multilevel inverter disusun kaskade dengan menggunakan sumber DC terpisah, sehingga mampu menghasilkan tiga level gelombang tegangan keluaran AC. Hal ini berarti jumlah inverter yang disusun kaskade ada tiga buah dimana outputnya disusun seri. Konfigurasi Multilevel Inverter 1 Fasa ini dapat dilihat pada gambar 2.1 berikut.

 

Gambar 2.1 Multilevel inverter 1 fasa untuk m tingkat

2.2  Buck Converter

Buck converter atau biasa disebut dengan step down converter, memiliki prinsip kerja yang unik. Keunikan ini dikarenakan buck converter memiliki kemampuan untuk mengkonversi tegangan DC ke tegangan DC dengan pengaturan yang ditentukan sehingga dapat berfungsi sebagai penurun tegangan DC sesuai dengan magnitudo yang dikehendaki.

Gambar 2.2 Rangkaian buck converter

Gambar 2.3 Gelombang keluaran buck

converter

       Tegangan keluaran  rata-rata  dari buck converter adalah:

Va = D. Vs

       Dengan Va = Tegangan keluaran buck chopper (V), Vs = Tegangan masukan buck chopper (V), D = Duty cycle

2.3  MOSFET

       MOSFET merupakan singkatan dari Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor yang merepresentasikan bahan-bahan penyusunnya yang terdiri dari logam, oksida  dan semikonduktor. Terdapat 2 jenis MOSFET yaitu tipe NPN atau N channel dan PNP atau biasa disebut P channel. MOSFET dibuat dengan meletakkan lapisan oksida pada semikonduktor dari tipe NPN maupun PNP dan lapisan logam diletakkan diatasnya. Gambar 2.4 memperlihatkan konfigurasi dasar dari MOSFET yang terdiri dari 3 buah kaki yaitu gate, drain, source.

Gambar 2.4 Konfigurasi dan lambang MOSFET

2.4  Mikrokontroller  AT89S51

       Mikrokontroller ini mempunyai spesifikasi sebagai berikut: 4 kbytes flash memory, in system programming (ISP), 32 I/O yang dapat diprogram, 128 x 8 bit RAM internal, 2 buah timer/counter 16 bit, 6 sumber interupsi, watchdog timer dan dual DPTR. Mikrokontroller berfungsi untuk mengatur keseluruhan proses pemicuan DC Chopper.

3.    Metode Perancangan dan Pembuatan Alat

       Gambaran umum tentang rancangan alat dapat dilihat pada blok diagram berikut ini

Gambar 3.1 Blok diagram

       Suplai DC terpisah yang dirancang terdiri  dari 3 buah buck converter seperti pada gambar berikut ini.

Gambar 3.2 Rangkaian suplai multilevel inverter satu fasa tiga tingkat

3.1  Perancangan Perbandingan Tegangan DC Chopper

      

       Perhitungan dilakukan agar perbandingan tegangan antar masing-masing DC Chopper dapat ditentukan.

1.       Pada gambar berikut dapat dilihat keluaran multilevel inverter dalam bentuk sketsa yang digambar secara manual.

Gambar 3.4 Gelombang step tiga tingkat

2.       Setiap keluaran DC Chopper ditentukan perbandingan tegangannya. Axis setiap keluaran dibagi menjadi beberapa bagian secara rata, dan magnitudo setiap level adalah nilai rata-rata gelombang sinus.

       Dengan Vn = tegangan level step ke-n, T = periode tiap step

       Konstanta antara ketiga sumber DC dilakukan dengan membandingkan besaran level step dasar, setelah mendapatkan besaran level setiap step. Setelah mendapatkan konstanta tersebut, didapatkan perbandingan antara ketiga sumber DC untuk suplai multilevel inverter. Perbandingan tegangan yang dihasilkan adalah 1 : 1,547 : 1

3.2  Sinyal PWM

      

       Duty Cycle pada sinyal pemicu dapat dibuat sesuai dengan yang direncanakan dengan cara memberikan t_on dan t_off yang berbeda dengan periode waktu yang sama.

       Dengan D = Duty Cycle, t_on = lamanya pulsa dalam kondisi high (µs), t_off = lamanya pulsa dalam kondisi low (µs), T= periode switching (µs), f = frekuensi switching (Hz)

3.3  Perancangan  Program

       Flow Chart dibuat agar memudahkan perancangan program . Flow Chart dapat dilihat pada Gambar 3.5.

Gambar 3.5 Flowchart program utama

       Setelah flow chart telah dibuat, maka program dapat dengan mudah untuk diaplikasikan kedalam bahasa assembly untuk menentukan kerja mikrokontroler.

4.    Hasil dan Analisa

       Alat suplai DC terpisah untuk multilevel inverter satu fasa tiga tingkat dengan menggunakan buck converter ini diuji dengan langkah-langkah sebagai berikut.

1.      Pengujian input buck converter

2.      Pengujian sinyal pemicuan buck converter

3.      Pengujian output buck converter

       Pengujian dilakukan menggunakan duty cycle dengan range 20% sampai dengan 65% untuk buck converter 1 dan buck converter 3, dan dengan nilai switching frequency sebesar 2 kHz. Lampu digunakan sebagai beban resistif, dan juga digunakan beban induktor untuk menguji ketiga buck converter dan multilevel inverter.

4.1  Input Buck Converter

       Input dari DC chopper (buck converter) dihasilkan oleh penyearah yang berfungsi untuk menyearahkan tegangan satu fasa bolak-balik sehingga    dihasilkan    tegangan    keluaran  dc dimana sebelum disearahkan, tegangan satu fasa bolak-balik dari PLN diturunkan dahulu oleh trafo step down.

       Tampilan bentuk gelombang arus input buck converter adalah sebagai berikut

Gambar 4.1 gelombang arus input buck converter pada duty cycle 65%

       Pada Gambar 4.1 di atas terlihat bahwa bentuk gelombang arus masukan dari DC Chopper tidak kontinyu. Hal ini disebabkan karena adanya operasi pensaklaran dari MOSFET buck chopper.

4.2  Sinyal Pemicuan

       Sinyal pemicuan MOSFET ini merupakan sinyal PWM yang dihasilkan oleh port 0 dari mikrokontroler seperti yang diperlihatkan pada gambar berikut

Gambar 4.2 Sinyal pemicuan dari mikrokontroler  untuk

       DC Chopper 2 (gambar atas) saat duty cycle 80% dan DC Chopper 1,3 (gambar bawah) saat duty cycle 50%, T/div = 0,1mS V/div = 5V

       Selanjutnya sinyal pemicuan dari mikrokontroller ini dilewatkan ke rangkaian buffer untuk diperkuat magnitudonya (gambar bawah) dan sinyal pemicuan masukan dari opto coupler (gambar bawah) saat duty cycle 50%, T/div = 0,1mS V/div = 5V

Gambar 4.3 Sinyal pemicuan keluaran dari buffer

       Kemudian sinyal pemicuan keluaran dari buffer dilewatkan ke rangkaian optocoupler. Output dari optocoupler inilah yang nantinya akan memicu MOSFET.

Gambar 4.4 Sinyal pemicuan keluaran dari optocoupler

       Untuk DC Chopper 2 (Gambar 4.3) saat duty cycle 95% dan sinyal pemicuan keluaran dari optocoupler untuk DC Chopper 3 (Gambar 4.4) saat duty cycle 65%, T/div = 0,1mS V/div = 5V

4.3  Output Buck Converter

Gambar  4.5 Gelombang tegangan (kiri) dan arus output buck converter sebelum pembebanan multilevel inverter

       Pengujian output DC Chopper ini meliputi pengujian dan pengukuran tegangan, arus saat DC Chopper sebelum dan sesudah dibebani peralatan multilevel inverter satu fasa tiga tingkat pada masing-masing duty cycle. Untuk pengujian sebelum pembebanan multilevel inverter didapatkan bentuk gelombang sebagai berikut

Dari Gambar 4.6 terlihat bahwa bentuk gelombang arus keluaran pada DC Chopper 1, DC Chopper 2 dan DC Chopper 3 memiliki perbedaan. Hal ini disebabkan karena masing-masing DC Chopper dibebani oleh beban pensaklaran  berupa multilevel inverter satu fasa tiga tingkat yang berbeban dimana multilevel inverter ini terdiri dari tiga buah inverter yang tersusun kaskade dan tiap- tiap inverternya bekerja dengan sinyal pemicuan yang berbeda. Selain pengamatan gelombang dengan menggunakan osiloskop, juga dilakukan pengukuran yang ditunjukkan pada grafik berikut.

Gambar 4.11 Grafik hubungan Vout dan duty cycle

       Dari Gambar 4.5 terlihat bahwa gelombang tegangan keluaran dan gelombang arus keluaran memiliki ripple yang kecil. Sedangkan pengujian dengan pembebanan multilevel inverter didapatkan bentuk gelombang sebagai berikut

Gambar 4.6 Gelombang arus output buck converter 1, 2, dan 3 sesudah pembebanan multilevel inverter

Gambar 4.12 Grafik hubungan Vout dan efisiensi

Gambar 4.13 Grafik hubungan Vout dan perubahan beban lampu

Gambar 4.14 Grafik hubungan Iout dan perubahan beban Lampu

       Dapat dilihat pada Gambar 4.11 sampai dengan Gambar 4.14, tegangan input dapat diregulasi dengan baik oleh alat yang dibuat, sehingga tegangan output dapat sesuai dengan yang dikehendaki, tergantung dari pengaturan duty cycle yang dipakai. Hanya saja perbandingan tegangan output tidak sesuai dengan yang telah dihitung sebelumnya. Hal ini disebabkan oleh buck converter yang tidak dibuat secara identik, dan juga karena keterbatasan pasangan kelipatan duty cycle.

                           

5.    Kesimpulan

      

       Setelah melakukan pengujian pada alat yang telah dirancang, yaitu sumber DC terpisah dengan buck converter, didapatkan bahwa alat ini dapat digunakan sebagai suplai inverter multi level tanpa ada gangguan.

       Namun ada hal-hal yang harus diperhatikan dalam pengorperasian alat ini berkaitan dengan beban inverter multi level dan duty cycle. Pastikan level duty cycle dan jumlah beban sesuai, karena jika jumlah beban bertambah dan level duty cycle tidak ditingkatkan, maka akan terjadi penurunan tegangan yang didapat oleh beban. Ataupun peningkatan duty cycle tanpa ada kenaikan jumlah beban juga akan mengakibatkan tegangan dan arus yang diterima beban naik.

6.    Daftar Pustaka

Anonim, Analysis Converter Buck

Anonim, Chapter 2 Multilevel Voltage Source Inverter Using Cascaded-Inverters With Separated DC Sources

Anonim, Metode Penyediaan Sumber DC Anonim, Switch Mode Inverter , www.ies.eepis.its.edu

Eko Putra, Agfianto, Belajar Mikrokontroler AT89C51/52/55 (teori dan aplikasi), Penerbit Gava Media, 2002.

Eko Rahardjo, Rhino, Pembuatan Modul Perangkat Keras DC Chopper, Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro, Semarang, 2005

Hartono, Andy, Pengaturan Kecepatan Motor Induksi 3 Phasa dengan menggunakan Inverter Sinusoidal Pulse Wide Modulator, Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Diponegoro, Semarang, 2004

Malvino, Prinsip-prinsip Elektronik, Penerbit Erlangga, Jakarta, 1984

Mohan, Undeland and William, Converters, Aplications and Design Second Edition, John Willey & Sons Inc

Pressman A.I, Switching Power Supply Design , The McGraw-Hill, New York, 1999.

Rashid, Muhammad. H, Power Electronics Circuit, Device, and Aplication 2nd, Prentice-Hall International Inc, 1988

Thorborg. K, Power Electronics, Prentice Hall, London, 1988.

Theodore Wildi, Electrical Machines, Drives and Power Systems 3rd,Prentice Hall Inc, New Jersey, 1997

Walker. G, R, Modulation and Control of Multilevel Converters, Department of Computer Science and Electrical Engineering University of Queensland, Queensland, 1999