DESAIN DAN IMPLEMENTASI BUCK CONVERTER DENGAN MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING PADA RUMAH DC

(1)

DESAIN DAN IMPLEMENTASI

BUCK CONVERTER

_DENGAN

MENGGUNAKAN

SOFT-SWITCHING

_{PADA RUMAH DC}

SKRIPSI

Disusun Oleh : ENDIK PRASETYA

(201210130311117)

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

(2)

DESAIN DAN IMPLEMENTASI

BUCK CONVERTER

_DENGAN

MENGGUNAKAN

SOFT-SWITCHING

_{PADA RUMAH DC}

SKRIPSI

Diajukan Untuk Memenuhi

Persyaratan Guna Meraih Gelar Sarjana Strata 1 Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang

Oleh : Endik Prasetya 201210130311117

JURUSAN TEKNIK ELEKTRO

FAKULTAS TEKNIK

UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG

(3)

LEMBAR PERSETUJUAN

DESAIN DAN IMPLEMENTASI BUCK CONVERTER_DENGAN

MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING PADA RUMAH DC

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana (S1) Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang

Disusun Oleh : Endik Prasetya 201210130311117

Diperiksa dan disetujui oleh :

Pembimbing I

Ir. Nurhadi, MT NIDN : 0731126202

Pembimbing II

(4)

LEMBAR PENGESAHAN

DESAIN DAN IMPLEMENTASI BUCK CONVERTER_DENGAN

MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING_{PADA RUMAH DC}

Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana (S1) Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang

Disusun Oleh :

2. Ir. Diding Suhardi, MT NIDN : 0706066501

(5)

LEMBAR PERNYATAAN

Yang bertanda tangan dibawah ini :

Nama : Endik Prasetya

Tempat/Tgl Lahir : Blitar, 13 Juli 1993

NIM : 201210130311117

Fak/Jur. : TEKNIK/ELEKTRO

Dengan ini saya menyatakan bahwa Tugas Akhir saya dengan judul :

“DESAIN DAN IMPLEMENTASI BUCK CONVERTER_DENGAN

MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING_{PADA RUMAH DC}” beserta seluruh isinya adalah karya saya sendiri dan bukan merupakan karya tulis orang lain, baik sebagian maupun seluruhnya, kecuali dalam bentuk kutipan yang telah disebutkan sumbernya.

Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya. Apabila kemudian ditemukan adanya pelanggaran terhadap etika keilmuan dalam karya saya ini, atau ada klaim dari pihak lain terhadap keaslian karya saya ini maka saya siap menanggung segala bentuk resiko/sanksi yang berlaku.

(6)

KATA PENGANTAR

Dengan mengucap puji syukur kehadirat Allah SWT, atas limpahan rahmat dan hidayah-NYA sehingga penulis mampu menyelesaikan tugas akhir ini. Shalawat serta salam tak lupa penulis panjatkan kepada junjungan kita Nabi Muhammad SAW yang telah membimbing kita menuju jalan kebaikan. Tugas akhir ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan studi S1 Jurusan Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang. Tugas akhir yang disusun oleh

penulis berjudul “DESAIN DAN IMPLEMENTASI BUCK CONVERTER

DENGAN MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING_{PADA RUMAH DC}” .

Penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam penulisan tugas akhir ini masih banyak kekurangan dan keterbatasan. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran yang membangun agar tulisan ini bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan kedepan.

Malang, Juli 2016 Penulis

(7)

DAFTAR ISI

1.5 Sistematika Penulisan Tugas Akhir ... 3

BAB II DASAR TEORI

2.5.1 Kurva Karakteristik MOSFET... 18

(8)

2.6.1 Prinsip Dasar PWM ... 21

2.7 Mikrokontroler ... 23

2.7.1 Definisi Mikrokontroler ... 23

2.7.2 ATMEGA 16 ... 24

BAB III ANALISA DAN PERANCANGAN 3.1 Diagram Blok dan Prinsip Kerja Sistem ... 26

3.2 Perancangan Simulasi ... 27

3.3 Perancangan Hardware ... 28

3.4 Mikrokontroler ... 35

BAB IV HASIL PENGUJIAN ALAT 4.1 Pengujian Software Buck Converter Tanpa Menggunakan Soft-Switching .... 37

4.1.1 Hasil Pengujian Software Buck Converter Tanpa Menggunakan Soft-Switching Dengan Simulasi Orcad Capture Lite Edition ... 38

4.2 Pengujian Software Buck Converter Dengan Menggunakan Soft-Switching.. 39

4.2.1 Hasil Pengujian Software Buck Converter Dengan Menggunakan Soft-Switching Dengan Simulasi Orcad Capture Lite Edition ... 40

4.3 Pengujian Hardware Buck Converter ... 41

4.3.1 Hasil Pengujian Hardware Buck Converter Tanpa Beban ... 42

4.3.2 Hasil Pengujian Hardware Buck Converter Dengan Beban ... 51

4.4 Data Hasil Pengujian Kontrol PWM ... 59

BAB V PENUTUP 5.1 Kesimpulan ... 61

5.2 Saran ... 61

(9)

DAFTAR GAMBAR

gelombang tegangan keluaran ... 11

Gambar 2.6 DC Chopper dengan beban RLE a. Diagram alir, b. Gelombang ... 12

Gambar 2.7 DC Chopper Step Up ... 12

Gambar 2.8 Buck Converter a. Diagram Alir dan b. Gelombang ... 14

Gambar 2.9 Sinyal Tegangan dan Arus Pada Hard-Switching ... 16

Gambar 2.10 Sinyal Tegangan dan Arus Pada Soft-Switching ... 17

Gambar 2.11 Resonant Circuit Seri LC ... 17

Gambar 2.12 Resonant Circuit Paralel LC ... 18

Gambar 2.13 Kurva Karakteristik MOSFET ... 18

Gambar 2.14 Gambar Rangkaian MOSFET Pada Saat Kondisi Cut-Off ... 19

Gambar 2.15 Gambar Rangkaian MOSFET Pada Saat Kondisi Saturasi ... 20

Gambar 2.16 Sinyal Pulse Width Modulation (PWM) ... 21

Gambar 2.17 Tegangan Rata-rata Sinyal Pulse Width Modulation (PWM) ... 22

Gambar 2.18 Dutty Cycle Dari Output PWM ... 23

Gambar 2.19 ATMEGA16A ... 25

Gambar 3.1 (a) Diagram Blok Rangkaian Buck Converter (b) Diagram Blok Rangkaian Buck Converter Menggunakan Soft-Switching ... 26

Gambar 3.2 (a) Desain Rangkaian Buck Converter (b) Desain Rangkaian Buck Converter Menggunakan Soft-Switching ... 27

Gambar 3.3 Rangkaian Buck Converter ... 28

Gambar 3.4 Contoh Gambar Duty Cycle ... 29

Gambar 3.5 Induktor ... 29

Gambar 3.6 Kapasitor ... 31

Gambar 3.7 MOSFET ... 33

(10)

Gambar 4.1 (a) Pengujian Keseluruhan Buck Converter Tanpa Menggunakan Soft-Switching dan (b) Pengujian Keseluruhan Buck Converter Dengan

Menggunakan Soft-Switching ... 37 Gambar 4.2 Rangkaian Buck Converter Tanpa Menggunakan Soft-Switching .... 37 Gambar 4.3 Hasil Output Buck Converter Tanpa Menggunakan Soft-Switching 38 Gambar 4.4 Hasil Output Ids Vds Buck Converter Tanpa Menggunakan

Soft-Switching ... 39 Gambar 4.5 Rangkaian Buck Converter Dengan Menggunakan Soft-Switching . 39 Gambar 4.6 Hasil Output Buck Converter Dengan Menggunakan

Soft-Switching ... 40 Gambar 4.7 Hasil Output Ids Vds Buck Converter Dengan Menggunakan

(11)

(12)

DAFTAR TABEL

Tabel 4.1 Data Hasil Simulasi Orcad Capture Lite Edition ... 38

Tabel 4.2 Data Hasil Simulasi Orcad Capture Lite Edition ... 40

Tabel 4.3 Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 50 KHz ... 42

Tabel 4.4 Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 50 KHz ... 42

(13)

DAFTAR PUSTAKA

[1] Rahmawati, Rosmala. 2015. Perencanaan Dan Pembuatan DC-DC Konverter Untuk Panel Surya Pada DC House. Teknik Elektro : Universitas Muhammadiyah Malang.

[2] Mursyida, Dina. 2010. Rancang Bangun Modul DC-DC Converter Dengan Pengendali PI. Teknik Elektro Industri : Politeknik Elektronika Negeri

Surabaya – ITS.

[3] Muhammad, Athian Ali. 2015. Design And Implementasion Of DC To DC Converter For Mobile Phone Charging Based Microcontroller. Teknik

Elektro : Universitas Telkom.

[4] Rashid, Muhammad. 2011. Power Electronics Handbook. USA : Butterworth-Heinemann.

[5] W. Hart, D. 2011. Power Electronics. Singapore: Mc Graw Hill.

[6] Diktat Elektronika Daya. Bab IV DC Chopper : Universitas Muhammadiyah Malang

(14)

1

BAB I

PENDAHULUAN

1.1 Latar Belakang

Pada saat ini kebutuhan akan energi listrik terus bertambah dengan seiring

bertambahnya pertumbuhan penduduk, dalam hal ini baik sektor Industri maupun

rumah tangga. Negara Indonesia merupakan negara yang memiliki potensi energi

yang sangat luas. Tetapi, sampai saat ini masih banyak wilayah terpencil yang

belum tersentuh jaringan listrik dari PLN yang merupakan satu-satunya

perusahaan yang menyediakan listrik di Indonesia.

Di luar negeri sudah terdapat beberapa penelitian yang memungkinkan

untuk menyediakan akses listrik di daerah terpencil yang tidak terjangkau oleh

PLN. Penelitian ini memanfaatkan sumber energi terbaharukan, salah satunya

adalah dari photovoltaic (PV). PV sendiri memanfaatkan sumber energi dari sinar

matahari menggunakan panel surya yang kemudian dikonversi menjadi tegangan

listrik.

Rumah DC merupakan sebuah rumah yang tenaga listriknya menggunakan

direct current power. Rumah DC menyediakan metode menggunakan sumber

energi terbaharui. Dengan menggunakan sumber energi terbaharui, yang

digunakan adalah dengan memanfaatkan cahaya matahari menggunakan panel

surya sebagai pengubah energi listrik. Tegangan masukan dan keluaran dari panel

surya berubah-ubah sesuai dengan intensitas cahaya, agar keluaran dari panel

surya stabil maka dirancang pembuatan DC-DC converter untuk rumah DC

menggunakan topologi buck. Step down DC-DC converter, umumnya dikenal

sebagai buck converter.

DC-DC converter atau dikenal juga dengan DC chopper dimanfaatkan

terutama untuk penyediaan tegangan keluaran DC yang besarnya bervariasi sesuai

dengan kebutuhan beban. Pada dasarnya hasil tegangan keluaran DC yang ingin

dicapai dilakukan dengan cara pengaturan lamanya waktu penghubungan antara

keluaran dan masukan pada rangkaian yang sama. Komponen yang digunakan

(15)

2 switch (switch) seperti misalnya thyristor, MOSFET, IGBT, GTO, dan komponen

lain seperti induktor, kapasitor, dioda dan resistor.

Pada tugas akhir ini, akan dibuat DC-DC converter tipe buck menggunakan

sumber dari accumulator yang nilai tegangan masukan dan keluaran tidak dapat

berubah-ubah, dengan tegangan masukan dari accumulator sebesar 24 V.

Sehingga keluaran pada rangkaian buck converter sebesar 12 V. Dalam sistem ini

terdapat tipe linier dan switching, masing-masing memiliki kelebihan dan

kekurangannya. Untuk tipe linier mudah didapatkan variasi tegangan outputnya,

namun rendah efisiensinya, sedangkan tipe switching memungkinkan tidak

adanya losses dalam proses peralihannya, namun dalam kenyataannya masih

terdapat losses. Efisiensi yang diberikan tipe switching ini berkisar antara 70% -

80%.

Dengan metode switching ini losses atau hilangnya daya berupa tegangan

dan arus masih relatif besar. Hal ini disebabkan tumpang tindihnya tegangan dan

arus ketika switch beralih dari kedaan ON dan OFF maupun sebaliknya. Untuk

mengatasi hal ini maka ditambahkan soft-switching yang befungsi menaikkan

efisiensi dari switching tersebut hingga 85%.

Jika pada penelitian sebelumnya terdapat perancangan yang sama yaitu

dengan metode buck converter yang tidak menggunakan soft-switching, sehingga

pada penelitian ini akan mengembangkan penelitian tersebut yaitu dengan metode

buck converter menggunakan soft-switching, diharapkan dapat meningkatkan nilai

efisiensi dan mengurangi losses pada switching. (Rosmala Rahmawati, 2015)

1.2 Perumusan Masalah

Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan, maka penulis merumuskan

permasalahan dalam penelitian ini yaitu :

1. Bagaimana merancang dan membuat rangkaian buck converter dengan

menggunakan soft-switching pada rumah DC.

2. Bagaimana menguji soft-switching menggunakan rangkaian buck

converter pada rumah DC.

3. Bagaimana mengimplementasikan soft-switching menggunakan

(16)

3 1.3 Tujuan

1. Menghasilkan rangkaian buck converter yang dilengkapi dengan

soft-switching pada rumah DC.

2. Membandingkan nilai efisiensi keluaran pada buck converter tanpa

menggunakan soft-swicthing dan dengan menggunakan soft-switching.

1.4 Batasan Masalah

Agar tujuan dari tugas akhir ini tidak menyimpang dari tujuan semula,

dibutuhkan suatu batasan-batasan yang jelas guna mengarahkan pembahasan.

Batasan-batasan masalah tersebut adalah sebagai berikut :

1. Tegangan masukan menggunakan accumulator dengan sumber sebesar

24VDC.

2. Tegangan keluaran pada rangkaian buck converter sebesar 12 VDC.

3. Menggunakan beban berupa lampu LED.

4. Membahas rangkaian buck converter dengan menggunakan

soft-switching pada rumah DC.

5. Simulasi dan analisis menggunakan Orcad Capture Lite Edition.

1.5 Sistematika Penulisan Tugas Akhir

Sistematika penulisan pada tugas akhir ini adalah sebagai berikut :

BAB I PENDAHULUAN

Merupakan bagian yang menjelaskan tentang latar belakang,

rumusan masalah, tujuan, batasan masalah, dan sistematika.

BAB II DASAR TEORI

Menjelaskan tentang tinjauan pustaka yang memberikan teori

sebagai acuan atau referensi peneliti untuk melakukan penelitian.

Tinjauan pustaka membahas beberapa teori penting dalam tugas

akhir ini yaitu rumah DC, accumulator, buck converter,

soft-switching, MOSFET, mikrokontroler.

BAB III ANALISA DAN PERANCANGAN

Menjelaskan tentang tahap perancangan dan proses pembuatan

(17)

4 BAB IV HASIL PENGUJIAN ALAT

Pada bagian ini akan dilakukan pengujian pada simulasi dan analisa

hasil pada hardware.

BAB V PENUTUP

Pada bagian ini berisi tentang kesimpulan dari pengerjaan tugas

akhir dan saran untuk memperbaiki kekurangan dari perancangan