## DC to DC converter sebagai pembangkit tegangan tinggi pada resistivity meter
Hartono, R. Farzand Abdullatif*, Abdullah Nur Aziz, Sahrul Iksan Program Studi Fisika, Fakultas MIPA, Universitas Jenderal Soedirman Jalan Dr. Suparno No.61 Karangwangkal Purwokerto Jawa Tengah Indonesia *e-mail: farzand@unsoed.ac.id
Abstrak – Penelitian rancang bangun DC-DC converter untuk menghasilkan catu daya DC tegangan tinggi telah dilakukan menggunakan metode Pulse Width Modulation (PWM) konfigurasi push-pull. Penelitian ini bertujuan untuk  menghasilkan  tegangan  tinggi  DC  menggunakan  sumber  daya  12  V  dan  menentukan  karakteristik pembebanan  DC-DC  converter.  Terdapat  empat  rangkaian  utama  dalam  DC-DC  converter  yaitu  rangkaian Multivibrator  menggunakan  IC  TL494,    rangkaian  driver  MOSFET  menggunakan  optocoupler  TLP250, rangkaian  switching  MOSFET,  rangkaian  penyearah  menggunakan  dioda  bridge  KBP-206.  Tegangan  input menggunakan  baterai  12  V  7,2  Ah  dan  frekuensi  switching  yang  digunakan  25kHz.  Ferrite  ETD29  dipilih sebagai transformator step up berfrekuensi tinggi. Penelitian ini dilakukan uji pembebanan menggunakan resistor 2 k ohm hingga 50 k ohm. Hasil pengujian tegangan output dari DC-DC converter sebesar 335 V pada keadaan open  circuit  dan  yang  mengalami  penurunan  tegangan  10  %  dari  tegangan  normal  pada  penarikan  arus  mulai 91,86 mA.
Kata Kunci: konverter DC-DC, Pulse Width Modulation, Multivibrator, switching MOSFET
Abstract  – A  DC-DC  converter  that  generates  high-voltage  DC  from  a  12  V  power  supply  has  been  built. Designed using the pulse width modulation (PMW) method in push-pull configuration, the load characteristic of the  DC-DC  converter  was  studied.  Four  The  system  consists  of  four  main  circuits,  i.e.  the    TL594  IC multivibrator circuit, the TLP250 optocoupler MOSFET driver circuit, the MOSFET switching circuit, and the KBP-206 diode bridge rectifier circuit. The system is powered by a 12 V 7,2 Ah battery with a 25 kHz switching frequency.  An  ETD29  ferrite  is  used  for  the  high-frequency  step-up  transformer.  Conducted  by  placing  the system under a loading test ranging from 2 kohm to 50 kOhm, the study found that the converter yields a 335 V voltage output at open conditions, and its voltage drops to 10%  from its normal value as it draws a current of 91,86mA.
Key words: DC-DC converter, Pulse Width Modulation, Multivibrator, switching MOSFET

## PENDAHULUAN
Survei  geofisika  merupakan  metode  untuk melakukan  pendugaan  struktur  batuan  bawah permukaan  melalui  pengukuran  di  permukaan. Salah satu metode survei yang sering digunakan adalah  geolistrik  resistivitas.  Survei  dengan metode ini membutuhkan peralatan  survei yang utama adalah resistivity meter. Resistivity meter dirancang  dan  dibangun  dalam  tiga  bagian utama,  yaitu  rangkaian  pembangkit  tegangan tinggi  DC,  rangkaian  pensaklaran  dan  bagian terakhir  adalah  modul  pengukur  arus  dan tegangan.
Banyak  peralatan  listrik  dan  elektronik yang  membutuhkan  catu  daya  DC  tegangan tinggi,  termasuk  alat  survei  geofisika resistivity meter.  Pembangkit  tegangan  tinggi  pada resistivity meter merupakan bagian penting dari
alat  tersebut.  Pembangkit  tegangan  tinggi  atau catu  daya  tegangan  tinggi  merupakan  suatu piranti elektronik yang dapat menghasilkan arus listrik dengan tegangan tinggi [1]. Penelitian ini adalah untuk menghasilkan tegangan tinggi DC dari tegangan masukan 12 V DC.
Tegangan  tinggi  arus  searah  dalam elektronika  daya  merupakan  tegangan  yang  di mulai dari batas 220 V sampai dengan tegangan yang  mempunyai  nilai  ribuan  volt.  Terdapat empat  jenis  batas  tegangan  tinggi,  yaitu: Tegangan Tinggi (High Voltage) mulai dari 220 V  hingga  2,4  KV,  Tegangan  Tinggi  Menengah (Medium High Voltage) mulai dari 3 KV hingga 30  KV,  Tegangan  Ekstra  Tinggi  (Extra  High Voltage) mulai dari 60 KV hingga 100 KV, dan Tegangan  Ultra  Tinggi  (Ultra  High  Voltage) mulai dari 240 KV hingga 1000 KV. Sementara catu  daya  yang  dipasangkan  pada  alat  tersebut
umum  12  V  atau  24  V.  Untuk  itu  diperlukan suatu  perangkat  catu  daya  yang  mampu menghasilkan  suplai  tegangan  searah  DC ( Direct  Current ),  yang  dihasilkan  melalui konversi tegangan masukan ke tingkat tegangan keluaran  yang  lebih  tinggi  yang  disebut  DC  to DC converter [2].
Rangkaian yang digunakan untuk menghasilkan  tegangan  tinggi  sangat  beragam. Rangkaian yang paling sederhana adalah metode Dickson.  Metode  ini  menggunakan  dioda  dan kapasitor  yang  disusun  secara  berseri  (Mikailu A  et  al.,  2015).  Teknik  lain  untuk  dapat meningkatkan  tegangan  adalah  dengan  teknik Pulse  Width  Modulation  (PWM).  Modifikasi PWM dengan sistem switching dapat memperbaiki hasil sinyal AC yang dihasilkan [4].
Rangkaian-rangkaian  seperti  Inverter,  DC- DC  Converter, Switch  mode  power  supply (SMPS)  dan  Pengontrol  kecepatan  ( Speed Controller ) adalah rangkaian-rangkaian mempunyai  banyak  sakelar  elektronik  di dalamnya.  Sakelar-sakelar  elektronik  yang digunakan  pada  rangkaian  tersebut  umumnya adalah  komponen  elektronik  daya  seperti MOSFET,  IGBT,  TRIAC  dan  lain-lainnya. Untuk  mengendalikan  sakelar  elektronik  daya semacam ini, membutuhkan metode Pulse Width Modulation (PWM) Metode  PWM  merupakan  metode  modulasi lebar pulsa yang berfungsi untuk mengubah atau mengatur  periode  on  (T_on)  dengan  frekuensi dan  amplitudo  yang  tetap.  Sinyal  PWM umumnya  berbentuk  kotak  persegi.  Lebar sempitnya  kotak  persegi  ditentukan  nilai duty cycle . Duty  cycle merupakan  perbandingan sinyal PWM pada kondisi on dalam satu periode (Nugraha & Krismadinata, 2020). Perbandingan antara  waktu  di  mana  sinyal  pada  kondisi Periode  on  (Ton)  dengan  periode  off  atau  nol (Toff)  disebut duty  cycle (D).  Untuk menentukan  besarnya  duty  cycle  digunakan persamaan
𝐷 = × 100% , (1)
dengan  D  menyatakan duty  cycle, t on adalah periode  waktu  on  (s)  di  mana  tegangan  output berada  pada  kondisi  high, t off adalah  waktu periode  off  (s)  di  mana  tegangan  output berada pada  kondisi  low.  Tegangan  keluaran  dapat bervariasi  dengan  mengatur  duty  cycle  dan dapat dinyatakan dengan persamaan
𝑉 = 𝐷  ×  𝑉 (2)
Gambar 1. Sinyal PWM
Pembuatan  catu  daya  DC  tegangan  tinggi menggunakan  rangkaian push-pull  converter . Rangkaian  ini  terdiri  dari  dua  buah  MOSFET sebagai  proses  switching.  Switching  MOSFET merupakan  proses  untuk  mengaktifkan  dan menonaktifkan  MOSFET  secara  bergantian sehingga  mengubah  sinyal  listrik  DC  mejadi AC. Transformator  step  up  difungsikan  sebagai penaik  tegangan  AC.  Agar  tegangan  tinggi  AC diubah  menjadi  tegangan  tinggi  DC  diperlukan rangkaian  dioda  penyearah  jembatan  penuh [5]. Rangkaian push-pull  converter seperti  terlihat pada Gambar 2 .
Gambar 2. Rangkaian Push-Pull DC-DC Converter

## METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dimulai  pembuatan  Multivibrator sebagai  sistem  control  DC-  DC  converter. Rangkaian  dibuat  menggunakan  IC  TL494. Multivibrator  difungsikan  sebagai  perangkat yang  mengontrol  switching  pada  rangkain MOSFET  push-pull.  Dengan  mengatur  nilai duty  cycle  untuk  menghasilkan  sinyal  persegi. Multivibrator  akan  mengrim  sinyal  PWM  pada driver  MOSFET  TLP250.  Tujuan  dari  driver MOSFET  yaitu  sebagai  penguat  sinyal  PWM yang  dihasilkan  dari  multivibrator  dikarenakan tegangan  keluaran  dari  multivibrator  belum cukup  untuk  membuat  MOSFET  bekerja  pada daerah saturasi. Selanjutnya melakukan perancangan  transformator  untuk  menghasilkan tegangan  tinggi  sekitar  300  V.  Perancangan transformator  menggunakan  tegangan  masukan sebesar  12  V  dari  baterai.  Langkah  terakhir
dalam  pembuatan  DC-  DC  converter  yaitu melakukan  perangkaian  pada  papan  PCB sehingga menjadi catu daya DC tegangan tinggi. Seluruh  rangkaian  sebelum  diinstal  akan dilakukan  pengujian  untuk  mengetahui  fungsi dan  kinerjanya  masing-masing.  Pengujian terhadap  rangkaian  PWM  dilakukan  dengan menggunakan  osciloscope  untuk  melihat  sinyal keluarannya.  Variabel  yang  diamati  dari keluaran PWM adalah tegangan puncak puncak (V PP ),  duty  cycle  dan  frekuensinya.  Pengujian transformator  dilakukan  dengan  menggunakan generator isyarat sebagai pembangkit sinyal dan osiciloscope  untuk  menampilkan  hasilnya. Variabel yang diamati adalah tegangan masukan dan  tegangan  keluaran  yang  dihasilkan transformator  step  up.  Tahap  pengujian berikutnya adalah pengujian rangkaian penyearah.    Pengujian  penyearah  dilakukan dengan menggunakan catu daya variabel sebagai sumber  tegangan  dan  osciloscope  sebagai penampil hasilnya. Variabel yang diamati adalah nilai  tegangan  DC  dan  nilai  riak  gelombang yang  masih  terjadi.  Penyearah  yang  baik  harus mempunyai tegangan riak sekecil mungkin.

## HASIL DAN PEMBAHASAN
Sistem  DC-DC  Converter  untuk  menghasilkan catu  daya  DC  tegangan  tinggi  terdapat  jalur input  sebagai  power  dari  baterai  12  V  7,2  Ah. DC-DC converter bekerja dalam 3 tahap operasi. Tahap pertama  kerja converter adalah mengkonversi tegangan DC dari baterai menjadi tegangan  AC  melalui  switching  MOSFET. Tahap kedua tegangan AC ditingkatkan menjadi tegangan  tinggi  menggunakan  transformator. Tahap  terakhir  tegangan  tinggi  AC  diubah menjadi bentuk DC melalui dioda penyearah.
Gambar 3. Sinyal PWM menggunakan TL494.
Berdasarkan  hasil  sinyal  keluaran  PWM yang  ditampilkan  pada  osiloskop  ( Gambar  3 ), menunjukkan sinyal output keluaran dari TL494 berbentuk  kotak  dan  memiliki  duty  cycle  47,5 %. Dapat dilihat bahwa nilai frekuensi switching
sebesar 25 kHz dan tegangan PWM sebesar 5,80 V.  Nilai  frekuensi  switching  dapat  diatur menggunakan  potensiometer  yang  terhubung dengan  TL494.  Pada  Gambar  3,  sinyal  yang berwarna kuning menunjukkan output gate satu sedangkan  sinyal  berwarna  ungu  menunjukkan output  gate  dua.  Terdapat  perbedaan  beda  fase gelombang  180  dejarat  diantara  sinyal  tersebut. Perbedaan  fase  gelombang  ini  yang  berfungsi mengaktifkan  MOSFET  bergantian  sehingga tidak terjadi konduksi secara bersamaan.
Gambar 4. Sinyal PWM pada Kaki Gate 1 dan 2 dari MOSFET
Berdasarkan  hasil  sinyal  keluaran  output osiloskop pada Gambar 4 , menunjukkan sinyal output  keluaran  dari  gate  driver  MOSFET berbentuk kotak. Switching MOSFET yang baik adalah  proses  switching  yang  menghasilkan bentuk  gelombang  kotak  sempurna.  Dapat dilihat Gambar 4 bentuk gelombang PWM dari gate driver terdapat ripple tegangan sebesar 35,5 V  yang  dipengaruhi  oleh  timbal  induktansi  dan kapasitansi  dari  gate  MOSFET.  Hal  tersebut menandakan semakin besar nilai ripple tegangan suatu switching maka disipasi daya yang terjadi semakin  besar,  artinya  daya  tidak  tersalurkan sepenuhnya  ke  beban  melainkan  membuat MOSFET menjadi panas [6].
Perbandingan  peningkatan  tegangan  dapat dilihat  antara  Gambar  3  dan  Gambar  4. Tegangan  PWM  mengalami  peningkatan menjadi  8,40  V  setelah  melewati  driver MOSFET.  Peningkatan  tegangan  ini  bertujuan untuk  membuat  MOSFET  bekerja  pada  daerah saturasi.  Daerah  saturasi  MOSFET  IRLZ44N yaitu  saat  tegangan  VGS  7  -16  V  arus  akan mengalir  secara  penuh.  Selain  memberikan peningkatan  tegangan,  TLP250  berfungsi  untuk mengisolasi  sinyal  agar  tidak  mengganggu proses  switching  dikarenakan  rangkaian  control dan  MOSFET  tidak  terhubung  satu  rangkaian melainkan terhubung secara optik.
Transformator yang digunakan untuk menghasilkan tegangan tinggi AC menggunakan transformator  switching  tipe  ETD29.  Tahap
perancangan  transformator    yang  harus diperhatikan    yaitu  menentukan  lilitan  primer dan  lilitan  sekunder.  Hasil  transformator switching dapat dilihat pada Gambar 5.
Gambar  4.7  merupakan  hasil  lilitan  central trap  (CT)  tranformator  lilitan  primer.  Lilitan dimulai dari CT dengan jumlah dua kawat email a  dan  b  yang  memiliki  ukuran  0,5  mm,  arah lilitan  masing  masing  kawat  saling  berlawan. Kawat  a  searah  jarum  jam  dan  kawat  (b) berlawanan  arah  jarum  jam.  Jumlah  lilitan primer transformator 10 lilit dan lilitan sekunder 279  lilit.  Pembuatan  lilitan  pada  transformator diusahakan  tidak  boleh  ada  renggangan,  hal  ini untuk  mencegah  terjadinya  induktansi  bocor yang  besar.  Tegangan  tinggi  AC  dapat  dapat diukur  menggunkan  MMD.  Hasil  pengukuran tegangan input tranformator 12 V menghasilkan tegangan output 335 V dengan frekuensi sebesar 25  kHz.  Sinyal  keluaran  dari  transformator dihubungkan  dengan  rangkaian  penyearah bridge  untuk  mendapatkan  tegangan  DC.  Hasil pengukuran  tegangan  dari  transformator  pada kondisi open  circuit seperti  ditunjukkan  pada Tabel 1 .
Tabel  1 .  Parameter  transformator  dan  tegangan transformator
V in 12,46 Volt V out 335 Volt N primer 10 lilitan N sekunder 279 lilitan Pengujian sistem DC-DC Converter dilakukan  setelah  semua  komponen  sudah terintegrasi. Pengujian sistem dilakukan dengan menggunakan  pembebanan  berupa  beban resistif.  Pengujian  pembebanan  yang  dilakukan menggunakan  papan  pengujian  resistor  1  kohm 10  Watt  sebanyak 16  buah  dan  1  kohm 1  Watt sebanyak 34 buah. Hasil pengujian pembebanan dari DC-DC konverter seperti ditunjukkan pada Gambar 5 .
Gambar 5. Hasil uji pembebanan DC-DC konverter
Gambar  5 menjelaskan  pengujian  tegangan keluaran  DC-DC  konverter  terhadap  perubahan arus  6,68  mA  hingga  110,61  mA  yang mengalami  penurunan  tegangan.  Tegangan terbaik  yang  dihasilkan  dari  DC-DC  converter adalah  335  V  saat  arus  6,68  mA  hingga 22,83mA.  Standar  penurunan  tegangan  yang diperbolehkan  maksimum  10%  dari  tegangan normal [9]. Berdasarkan grafik tersebut, terdapat penurunan  tegangan  yang  melebihi  10%  yaitu saatpenarikan  arus  91,86  mA  dan  110,61  mA. Tegangan turun menjadi 281 V dan 268 V.

## KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  penelitian  DC-DC  converter sebagai  Pembangkit  Tegangan  Tinggi  pada Resistivity  Meter  dapat  ditarik  kesimpulan sebagai berikut:
1. Tegangan  tinggi  DC  sebesar  335  volt berhasil dibangkitkan dengan rangkaian DC- DC Converter
2. Hasil  pengujian  pembebanan  menunjukkan penurunan  tegangan  melebihi  10%  dari tegangan  output  pada  penarikan  arus  mulai 91,86 mA.

## UCAPAN TERIMA KASIH
Penulis mengucapkan terimakasih kepada semua pihak  yang  telah  membantu  dan  bekerja  sama sampai  terselesaikannya  penelitian  ini.  Ucapan terimakasih kami sampaikan kepada:
1. LPPM  Universitas  Jenderal  Soedirman  yang sudah menugaskan dan memberikan pembiayaan terhadap penelitian ini
2. Laboratorium  Elektronika  Instrumentasi  dan Geofisika  Jurusan  Fisika  FMIPA  Unsoed atas dukungan peralatannya

## DAFTAR PUSTAKA
[1] M. Cahyadi,  E.  Nasrullah,  &  A.  Trisanto, “Rancang Bangun Catu Daya DC 1V–20V Menggunakan Kendali PI Berbasis Mikrokontroler”, J.  Rekayasa  dan  Teknol.
Elektro , vol 10, no. 2, 2016.
[2] M. A.  Assyidiq,  B. Winardi,  &  T. Andromeda, “Perancangan Boost Converter Menggunakan  Voltage  Feedback  Pada Panel  Surya”, Transient:  Jurnal  Ilmiah
Teknik Elektro , vol. 6, No. 3, pp. 404–410, 2017.
[3] A.  Mikailu,  I.  Abdullahi,  M.G,  Sani,  &  S. Muhammad,  “Development  of  Digital Resistivity  Meter”, Advances  in  Physics Theories  and  Application ,  vol.  42,  pp.  56- 61, 2015.
[4] E.  F.  Huda,  “Pengembangan  digital resistivity  meter  multielektroda  otomatis untuk konfigurasi Schlumberger”, Pillar Of Physics ,  vol.  13,  no.  1,  pp.  74-81,  2020. http://dx.doi.org/10.24036/8291171074
[5] D. Nugraha, & K. Krismadinata, “Rancang Bangun Inverter Satu Fasa Dengan Dengan Modulasi Lebar Pulsa PWM Menggunakan Antarmuka  Komputer”, Jurnal  Teknik
Elektro  Dan  Vokasional ,  vol.  6,  no.  1,  pp.
340–351, 2020.
[6] M. K. Kazimierczuk, “Pulse-width modulated DC-DC power converters”, John Wiley & Sons.
[7] D. P.Mulyono,  “Modifikasi  Rangkaian Mekanik  Bootstrap  Untuk  Meningkatkan Kinerja  Gate  Driver  Mosfet”,  Skipsi, Jurusan  Teknik  Elektro  Universitas  Islam Indonesia, 2017.
[8] N. Septiani,  S.  Thaha,  &  N.Muchtar, “Analisis  Drop  Tegangan  Pada  Jaringan Tegangan  Rendah  PT.  PLN  (Persero)  Unit Layanan  Pelanggan  (ULP)  Panakkukang” Seminar  Nasional  Teknik  Elektro  dan Informatika (SNTEI) , hlm 129–135, 2021.