Rangkaian buck dan boost regulator dengan kontrol pwm

RANGKAIAN BUCK DAN BOOST REGULATOR DENGAN KONTROL PWM
Yulian Aska (13210119)
Waktu Percobaan: Mei 2013
Laboratorium Manufaktur Elektronika - Sekolah Teknik Elektro dan Informatika ITB
Abstrak
Percobaan yang dilakukan adalah membuat rangakaian Buck dan Boost dengan menggunakan PWM. PWM dapat diperoleh dari rangkaian analog menggunakan komparator ataupun dari generator signal. Dengan komparator sinyal referensi adalah sinyal dc dan sinyal input adalah sinyal segitiga. Sinyal segitiga dapat diperoleh dari rangkaian penghasil sinyal segitiga dan dari generator sinyal. Hasil percobaan menunjukan bahwa rangkaian Buck dan Boost sudah bisa melakukan fungsinya meski belum sempurna.
Kata kunci: buck, boost, PWM, sinyal segitiga, komparator.
1.Hasil dan analisis
1.1 SINYAL SEGITIGA
Percobaan pertama yang dilakukan adalah membuat sinyal segitiga dengan menggunakan IC555 sebagai penghasil sinyal kotak dan rangkaian integrator untuk melakukan integral pada sinyal kotak sehingga menghasilkan sinyal segitiga. Namun karena kendala perbedaan frekuensi yang dihasilkan oleh output rangkaian penghasil sinyal kotak dan rangkaian integrator, sinyal segitiga tidak berhasil diperoleh.
Kemudian digunakan rangkaian kedua yaitu rangkaian penghasil sinyal segitiga. Berikut ini adalah rangkaian yang digunakan.
Gambar 1 Rangkaian penghasil sinyal segitiga
Op Amp yang digunakan adalah op Amp 741. Dan berikut ini adalah nilai-nilai komponen yang digunakan pada rangkaian pada gambar 1.
Tabel 11 Tabel nilai komponen pada rangkaian gambar 1
Komponen
|
Nilai
|
Rt
|
680 Ω
|
R1
|
1 k Ω
|
R2
|
2,7 k Ω
|
C
|
200nF
|
Frekuensi yang dihasilkan oleh rangkaian di atas diperoleh dengan berhitungan sebagai berikut.
fout = = 4963,23 Hz
Dari hasil percobaan diperoleh nilai frekuensi sebesar 3,638 Hz.
Berikut ini adalah hasil plot output dari rangkaian di atas yang di plot melalui osiloskop.
Gambar 2 Hasil sinyal segitiga dari rangkaian pada gambar 1
1.2 KOMPARATOR UNTUK PENGATURAN PWM
Percobaan kedua yang dilakukan adalah membuat PWM dengan rangkaian analog menggunakan komparator. Berikut ini adalah rangkaian yang digunakan pada percobaan ini.
Gambar 3 Rangkaian Komparator non inverting
Rangkaian menggunakan sebuah komparator LM339 dan input Vin dari generator sinyal dengan frekuensi 1kHz dan amplitude 20Vpp. Vcc yang digunakan adalah sebesar 5V DC.
Besarnya Vreferensi diatur dengan sebuah trimpot yang melakukan pembagi tegangan sederhana menggantikan komponen R3 dan R4. Artinya Vreferensi akan bernilai (R1 x Vcc)/(Rref +R1). Dengan R1 dan Rref diwakili oleh trimpot.
Nilai komponen yang digunakan pada rangkaian pada gambar 3 adalah sebagai berikut.
Tabel 12 Tabel nilai komponen pada rangkaian gambar 3
Komponen
|
Nilai
|
R2
|
10 k Ω
|
R3
|
1 M Ω
|
Duty-cycle maksimal yang dihasilkan adalah 50%. Hal tersebut dikarenakan nilai tegangan input tidak seluruhnya bernilai positif sedangkan Vref hanya bernilai positif.
Rangkaian pada gambar 3 di atas dapat melakukan compare sederhana. Apabila nilai tegangan pada input noninverting lebih besar dari nilai tegangan pada input invertingnya maka nilai output akan high. Sebaliknya apabila tegangan pada input noninverting lebih besar dari nilai tegangan pada input invertingnya maka nilai output akan low.
Berikut adalah ilustrasi dari pengaturan PWM dengan komparator tersebut.
Gambar 4 Komparator dengan duty cycle 100%
Berikut ini adalah hasil percobaan dengan beberapa nilai duty cycle.
Gambar 5 Komparator dengan duty cycle 50%
Gambar 6 Komparator dengan duty cycle 25%
Kemudian pada sinyal segitiga sebagai sinyal input dipasang offset sehingga duty cycle maksimal dapat mencapai 100% berikut adalah hasil yang diperoleh dari percobaan.
Gambar 7 Komparator dengan duty cycle 100%
Gambar 8 Komparator dengan duty cycle 0%
Gambar 9 Komparator dengan duty cycle 25%
Gambar 10 Komparator dengan duty cycle 50%
Gambar 11 Komparator dengan duty cycle 75%
1.3 RANGKAIAN BUCK
1.3.1 RANGKAIAN BUCK DENGAN TRANSISTOR
Percobaan ketiga yang dilakukan adalah membuat rangkaian Buck converter DC-to-DC. Berikut adalah rangkaian yang digunakan pada percobaan kali ini.
Gambar 12 Rangakaian Buck Converter
Switch yang digunakan untuk percobaan pertama adalah transistor 2N3055. Dan nilai komponen sebagai berikut. Rangkaian yang digunakan belum menggunakan feedback.
Tabel 13 Tabel nilai komponen pada rangkaian gambar 12
Komponen
|
Nilai
|
Induktor
|
100 uH
|
Rbeban
|
5.1 k Ω
|
Kapasitor
|
22 uF
|
Dioda
|
Vt=0.7V
|
Sinyal PWM digunakan dari rangkaian komparator dari percobaan sebelumnya. PWM dari komparator diatur sebesar 50%. Sinyal input yang digunakan adalah sinyal DC sebesar 10V. Berikut adalah gambar-gambar hasil percobaan.
Gambar 13 Output PWM dari komparator
Terlihat dari gambar 13 bahwa output sinyal PWM memiliki duty cycle 50%, frekuensi 1 kHz dan amplitude 2.44 Vpp. Namun karena frekuensi yang sangat kecil dan ada kendala pada ripple tegangan kapasitor, percobaan dilanjutkan dengan mengunakan pengaturan PWM menggunakan generator sinyal.
Berikut adalah sinyal input PWM yang digunakan dengan duty cycle 50%.
Gambar 14 Input sinyal PWM
Terlihat dari gambar 14 bahwa output sinyal PWM memiliki duty cycle 50%, frekuensi 9.45 kHz dan amplitude 1 V.
Gambar 15 Sinyal input setelah terbebani dan plot sinyal output
Terlihat bahwa sinyal input terbebani setelah dihubungkan ke rangkaian bust dan cukup mempengaruhi pula respon transien dari sinyal output.
Untuk lebih jelasnya berikut adalah output sinyal ac yang dihasilkan dari rangkaian.
Gambar 16 Sinyal output ac rangkaian Buck
Gambar 17 Sinyal output ac rangkaian Buck pembesaran
Terlihat bahwa output memiliki respon orde 2 sesuai dengan rangkaian. Pada saat input high output rangkaaian overdamped dan berosilasi pada saat input control low. Namun karena resistansi input transistor cukup besar input menjadi terbebani.
Kemudian frekuensi diperbesar menjadi 100kHz dengan alasan jika perioda duty cycle semakin kecil perubahan nilai DC dari output semakin terlihat dengan adanya perubahan duty cycle karena perioda switching semakin kecil. Dengan perioda switching semakin kecil waktu pengisian atau charge terlihat respon transiennya.
Berikut adalah hasil percobaan berupa sinyal input dan output dc dengan frekuensi switching 100kHz.
Gambar 18 Sinyal input setelah terbebani dan plot sinyal output dc
Nilai DC dari osiloskop adalah 4,3 V dan setelah dilakukan pengukuran menggunakan multimeter diperoleh tegangan sebesar 4,35 V.
Gambar 19 Pengukuran sinyal output mengunkan multimeter
1.3.2 RANGKAIAN BUCK DENGAN MOSFET
Pada percobaan ini switch yang digunakan diganti dengan mosfet. Nilai komponen yang digunakan adalah sebagai berikut.
Tabel 14 Tabel nilai komponen pada rangkaian gambar 12
Komponen
|
Nilai
|
Induktor
|
100 uH
|
Rbeban
|
3.37 k Ω
|
Kapasitor
|
22 uF
|
Dioda
|
Vt=0.7V
|
Kontrol PWM menggunakan generator sinyal dengan duty cycle yang diubah-ubah. Nilai tegangan input adalah sebesar 5V dc. Berikut adalah gambar-gambar hasil percobaan ini.
Gambar 20 Sinyal output dc
Sinyal output DC yang dihasilkan dari rangkaian tersebut di atas adalah sebesar 1,7 V dengan tegangan input 5V dan duty cycle 50%. Frekuensi yang digunakan adalah 50kHz.
Berikut adalah hasil tabel hasil percobaan untuk beberapa nilai duty cycle.
Tabel 15 Tabel hasil percobaan rangkaian Buck
Duty cycle
|
Vout (V)
|
30%
|
1,57 V
|
45%
|
1.67 V
|
60%
|
1.72 V
|
70%
|
1.76 V
|
80%
|
1.78V
|
Berikut adalah output tegangan ac yang dihasilkan.
Gambar 21 Sinyal output ac
Terlihat jika dibandingkan dengan rangkaian yang menggunakan transistor, rangkaian dengan mosfet ini lebih baik. Hal ini diperkirakan karena pengaruh resistansi dari transistor.
Gambar 22 sinyal input PWM dan Sinyal output ac
Sebelumnya telah dilakukan simulasi dengan PSIM dengan nilai komponen sama. Berikut adalah hasil simulasinya.
Gambar 23 Sinyal output ac
Terlihat bahwa respon output ac sama dengan hasil percobaan. Respon trasnsien naik, kemudian berosilasi. Nilai Ripple tegangan kapasitor dan ripple arus induktor dapat ditentukan dari pehitungan sederhana.
Untuk rangakaian Buck ini nilai tegangan output adalah sebesar Vo=kVs. Dengan Vo adalah tegangan output, Vs adalah tegangan input, dan k adalah duty cycle.
Jika dilihat dari hasil percobaan di atas hasil belum sempurna sesuai dengan teori yang ada. Namun terlihat dari tabel 5 bahwa hubungan antara ketiga parameter sudah benar. Artinya dengan bertambahnya duty cycle nilai tegangan output membesar.
1.4 RANGKAIAN BOOST
Percobaan keempat yang dilakukan adalah membuat rangkaian Boost converter DC-to-DC. Berikut adalah rangkaian yang digunakan pada percobaan kali ini.
Gambar 24 Rangakaian Boost Converter
Pada rangakaian di atas digunakan switch berupa MOSFET dan nilai komponen sebagai berikut.
Tabel 16 Tabel nilai komponen pada rangkaian gambar 24
Komponen
|
Nilai
|
Induktor
|
100 uH
|
Rbeban
|
5.1 k Ω
|
Kapasitor
|
22 uF
|
Dioda
|
Vt=0.7V
|
Kontrol PWM diatur dengan menggunakan duty cycle dari generator sinyal dengan frekuensi 50kHz.
Berikut ini adalah gambar-gambar hasil percobaan yang dihasilkan.
Gambar 25 Sinyal input PWM setelah terbebani
Gambar 26 Sinyal output ac
Gambar 27 Sinyal output dc
Berikut adalah hasil tabel hasil percobaan tegangan output dc untuk beberapa nilai duty cycle. Tegangan input yang digunakan adalah sebesar 5V.
Tabel 17 Tabel hasil percobaan rangkaian Boost
Duty cycle
|
Vout (V)
|
Arus (A)
|
25%
|
5.27
|
0.3
|
35%
|
5.76
|
0.5
|
45%
|
6.08
|
0.7
|
50%
|
6.28
|
0.9
|
55%
|
6.31
|
1
|
60%
|
6.56
|
1.2
|
65%
|
6.66
|
1.4
|
Sebelumnya telah dilakukan simulasi dengan PSIM dengan nilai komponen sama seperti rangkaian pada percobaan. Berikut adalah hasil simulasinya.
Gambar 28 Sinyal output ac
Terlihat bahwa respon output ac sama dengan hasil percobaan. Respon trasnsien naik, kemudian berosilasi. Nilai Ripple tegangan kapasitor dan ripple arus induktor dapat ditentukan dari pehitungan sederhana.
Untuk rangakaian Boost ini nilai tegangan output adalah sebesar Vo=Vs/(1-k). Dengan Vo adalah tegangan output, Vs adalah tegangan input, dan k adalah duty cycle.
Jika dilihat dari hasil percobaan di atas hasil belum sempurna sesuai dengan teori yang ada. Namun terlihat dari tabel 6 bahwa hubungan antara ketiga parameter sudah benar. Artinya dengan bertambahnya duty cycle nilai tegangan output membesar.
2.Gambar dokumentasi percobaan
Gambar 29 Rangkaian Buck dengan MOSFET
Gambar 30 Rangkaian komparator, sinyal segitiga, dan rangkaian sinyal kotak
Gambar 31 Rangkaian Boost dengan MOSFET
Gambar 32 Rangkaian Buck dengan transistor
PUSTAKA
Sumber gambar diakses tanggal 31 Mei 2013
http://circuit-diagram.hqew.net/Non$2dInverting-Comparator-With-Histeresis_2677.html
http://www.play-hookey.com/analog/generators/triangle_waveform_generator.html
http://homepages.which.net/~paul.hills/Circuits/PwmGenerators/PwmGenerators.html
http://services.eng.uts.edu.au/~venkat/pe_html/ch07s3/ch07s3p1.htm
http://services.eng.uts.edu.au/~venkat/pe_html/ch07s1/ch07s1p1.htm
Laporan Kegiatan Lab - Laboratorium Manufaktur Elektronika– STEI ITB
|