BAB III
PERANCANGAN BOOST CHOPPER STEP UP (BCSU)
BCSU yang dirancang untuk menghasilkan tegangan keluaran sebesar 48 volt dengan daya 60 Watt dan tegangan masukannya adalah 12 volt, spesifikasi ini sesuai dengan aplikasi atau kebutuhan dilapangan. Dalam perancangan boost chopper ini diperlukan komponen-komponen berdasarkan kemampuan dari alat yang dirancang dan sistem yang dibuat adalah rangkaian tertutup.
L Q2 MOSFET N GSD G D S R C Penguat Rangkaian Penyalaan U3 LM741 3 2 6 + -OUT V R U3 LM741 3 2 6 + -OUT D Comparator
Gambar 3.1 Blok Diagram Boost Chopper
Pada bab ini akan dibahas tentang perencanaan rangkaian dan komponen utama yang diperlukan untuk perancangan sebuah boost chopper.
3.1 Perencanaan Power Mosfet
Power mosfet yang digunakan berdasarkan pada tegangan dan arus beban maksimum yang diinginkan, dimana tegangan lebih sesaat yang terjadi diperkirakan adalah 100% dari tegangan maksimum.
(
100%.48)
48+ = DS V Volt 96 48 48 = + = VGD D CGD Q2 MOSFET G D S CGS G VDS D CDS S VGSGambar 3.2 Rangkaian Dasar Power Mosfet
Sedangkan arus maksimum yang diperbolehkan mengalir pada drain dimana dengan memperhitungkan adanya arus lebih sesaat sebesar 200% dari arus maksimum maka arus drain akan sama dengan ;
IxV P= Ampere V P I 1,25 48 60 = =
= , dengan demikian untuk arus maksimum power mosfet
akan sama dengan 1,25Amp.
(
200%.1,25)
25 , 1 + = D IAmper 75 , 3 5 , 2 25 , 1 = + =
Berdasarkan data tersebut diatas dengan memperhatikan komponen yang ada dipasaran, maka dipilih power mosfet dengan type IRF530. Dari data power mosfet tersebut mempunyai kemampuan tegangan (VDS) 80 Volt sampai dengan
100 Volt dan dengan rating arus 12 Ampere sampai dengan 14 Ampere.
3.2 Perencanaan Penggunaan Dioda
Dioda ini sebagai pengendali arus dari sumber ke beban pada saat power mosfet tidak berkerja (off). Pada saat power mosfet bekerja (on) dioda utama harus dapat menahan tegangan beban. Arus puncak yang mengalir pada dioda utama sama dengan arus puncak yang mengallir pada power mosfet. Dengan demikian pada perencanaan dioda utama yang digunakan adalah type MR821 jenis fast recovery, karakter dioda ini mampu mengalirkan arus sebesar 8 Ampere dan tegangan 200 Volt.
3.3 Perencanaan Penggunaan Kumparan
Kumparan utama dirancang dan dibuat agar dapat mengakumulasi energi pada saat power mosfet bekerja (on) dan kumparan tersebut harus mampu dilalui arus maksimum 3,75 Ampere. Pada perancangan kumparan utama ada beberapa hal yang perlu diperhatikan diantaranya ;
- Arus Beban
Panda perencanaan kumparan utama arus beban Dc chopper yang diinginkan perlu diperhatikan, hal ini karena pada kumparan (L) terdapat riak arus seperti pada gamabar 3.3 maka untuk mendapatkan arus yang cukup rata yaitu dengan
memeperkecil riak arus (∆I). Riak arus terlebih dahulu ditentukan dengan mengambil harga riak arus sebesar 1% dari arus maksimum.
t1 t2
∆I
t(det) I(A)
Gambaro 3.3 Bentuk arus pada kumparan
max %. 1 I I = ∆ 0125 , 0 25 , 1 . 01 , 0 = = Dari persamaan 2.1, t1 L V I = in ∆ Dimana ;
t1 = ton dari mosfet, naka ton dapat dicari dengan persamaan 2.3
off on on t t t D + =
Bila di asumsikan bahwa ton sama dengan toff. Maka persamaan 2.3 akan
menjadi ; on on on t t t D + =
5 , 0 2 = = on on t t
Dalam perancangan boost chopper frekuensi switching fs yang digunakan
adalah 20KHz, maka : s s f T = 1 ik det 10 . 5 , 0 10 . 2 1 4 4 − = =
Dengan masukan harga Ts= 0,5.10-4 pada persamaan 2.3 dimana Ts = ton +
toff; s on T t = 5 , 0 s on T t = 0,5. ik ik x det 10 . 25 det 10 . 5 , 2 10 . 5 , 0 5 , 0 6 5 4 − − − = = =
Dengan masukan Vin = 12 Volt, ∆I = 0,0125 Ampere, ton = 25.10-6,
kepersamaan 2.1, maka harga L dapat dicari :
I t V L in ∆ = 1 1 . mH H x 24 24000 0125 , 0 10 . 25 12 6 = = = − µ Dimana L1 = L
- Tahanan Dalam Mosfet (RDS)
Panda saat mosfet bekerja (on) kumparan tersebut harus dapat mangakumulasi arus yang melaluinya, sehingga arus tidak dikatakan hubungan singkat dan mosfet terhindar dari kerusakan (lihat gambar 3.4)
Gambaro 3.4 Rangkaian boost chopper pada saat mosfet bekerja
Dari gambar 3.4 diatas dapat ditulis persamaannya sebagai berikut ; ) ( ) ( ) (t V t V t Vin = L + RDS 0 ) ( ) ( ) (t − V t − V t = Vin L RDS Dimana ; ) ( . ) (t R I t VRSD = DS dt t di L VL = ( ) sehingga, ) ( . ) ( ) ( R I t dt t di L t Vin = + DS ) ( . . . . ) (S LSI S R I S Vin = + DS ) . . . ( ) (S S LIS R I Vin = + DS ) ( ) ( DS in I LS R S S V = + ) ( DS in R SL S V I + = i R(DS) L Vin
DS in SR SS L V + = . 1 L R SS L V DS in + = . 1 Sehingga; − = dston L R DS in e R L L V I . 1 − = − DSton L R DS in e R V 1 on DSt L R in DS e V IR = − − 1 on t L e 16 , 0 1 12 16 , 0 . 5 − = on t L e0,16 1 066666 , 0 = − on t L e 16 , 0 93334 , 0 = − − on t L e0,16 9334 , 0 ln = 6 10 . 25 06899287 , 0 16 , 0 − − − = x L H H 6 10 . 9 , 57 − = Dimana, L = L2
Dengan membandingkan L2 = L1 maka terlihat bahwa L1 lebih besar dari pada L2,
Untuk kumparan utama pada perancanaan boost chopper digunakan inti E-I yang terbuat dari ferit, untuk menghitung banyaknya lilitan kumparan utama digunakan persamaan. i N L= Φ ……….3.1 A B. = Φ A n i r.. . µ = A l N i r. . µ = ……….3.2
Jika persamaan 3.1 disubstitusikan ke persaman 3.2 maka akan dihasilakan persamaan; i A N L= .µ r. l A N r 2. µ = ……….3.3 Dimana ; L = inductor (Henry) μr = permeabilitas bahan (0,9≡1) A = luas penampang (mm2) l = panjang kawat (m)
n = banyaknya lilitan per satuan panjang N = Jumlah lilitan.
Dalam pembuatan boost chopper digunakan kawat dengan luas penampang 0,8 mm2 dengan panjang 5 meter menggunakan persamaan 3.3 banyaknya lilitan
dapat dihitung ;
A = 0,8 mm2 = 8.10-7m2 l = 5 meter l A N L= µ r 2. 5 10 . 8 . . 1 10 . 24 7 2 3 − − = N 7 3 2 10 . 8 10 . 120 − − = N N = 387,2 lilitan 3.4 Kapasitor Utama
Agar tegangan keluaran tidak berbentuk pulsa diperlukan kapasitor, hal ini dikarenakan untuk mengurangi V∆ . Untuk memperkecil tegangan ripple, maka ∆V sebesar 1% dari tegangan keluaran maksimum alat maka :
∆V = 0,01 .48 = 0,48 c f Va Vs Va Ia Vc . . ) ( − = ∆
(
)
5 5 10 . 12 75 , 93 . 10 . 12 45 48 , 0 . 20000 . 48 12 48 25 , 1 48 , 0 = = − = C C c F F µ 97 10 . 6 . 97 5 = = −3.5 Rangkaian Penyulut/ Penyalaan
Agar power mosfet dapat bekerja (on), maka power mosfet membutuhkan rangkaian penyalaan atau swicthing. Pada perancangan boost chopper rangkaian penyalaan terdiri dari ;
- Rangkaian tegangan gigi gregaji - Rangkaian penguat
- Rangkaian pembanding (comparator)
3.5.1 Rangkaian Pembangkit Gigi Gergaji
Rangkaian ini berfungsi membangkitkan tegangan gigi gergaji. Dimana rangkaian ini terdiri dari dua bagaian pokok yaitu:
5. Rangkaian pembangkit tegangan segi empat
Rangkain pembangkit tegangan segi empat ini dengan lebar pulsa dan frekuensi yang dapat disetting. Komponen utama dari rangkain ini adalah IC NE555. C1 C out R1 R C3 C U1 NE555 2 5 3 7 6 4 8 1 TR CV Q DIS THR R VCC . R2R U2 NE555 2 5 3 7 6 4 8 1 TR CV Q DIS THR R VCC . VR2 C2 C VR1 C4 C
Catatan ;
IC1=IC2=IC NE555 C1 = ? (dicari)
R1 = 50 KΩ C2 = 10 ηF
VR1 = VR2 = 100 KΩ C3 = 1 ηF
R2 = 10 KΩ C4 = 10 ηF
Untuk menentukan C1 maka digunakan persamaan 2.6 sebagai berikut ; T = 0,7(RA+RB)C
RA = R1 RB = R2
Sehingga persamaan 2.6 menjadi ; T=0,7(R1+R2)C s f T = 1 , fs =20 KHz 20 1000 = T = 50 detik ) 50 100 ( 7 , 0 50 1 = + C = 476,19 F
6. Rangkaian pengubah tegangan segi empat menjadi tegangan gigi
gergaji
Rangkaian pengubah tegangan segi empat jadi tegangan gregaji menggunakan komponen utama resistor, kapasitor dan transistor NPN tipe BC109.
10K R VCC 12V 2,2nF C 200K R Q1 BC109C output input
Gambar 3.6 Rangkaian pengubah tegangan segi empat
7. Rangkaian komparator (Rangkaian pembanding)
Rangkaian pembanding ini berfungsi untuk membandingkan tegangan gigi gregaji dengan tegangan referensi yang dihasilkan penguat. Tegangan keluaran dari rangkain ini berupa tegangan segi empat dengan selang yang berubah-ubah sesuai dengan naik turunnya tegangan referensi IC yang digunakan pada rangkaian pembanding adalah LM741.
Persamaan gelombang keluarannya adalah : Vout = Vsat.Sign(Vg – Vref)……….………..(3.4)
IC + -Vref
Vgergaji Output (ke G)
Output dari rangkaian komparator adalah tegangan segiempat yang prinsif kerjanya berdasarkan pemotongan gelombang gigi gregaji dengan tegangan referensi, yang dapat dianalisa sebagai berikut :
ton toff
Vref Vg
Gambar 3.8 Cara kerja rangkaian komparator
Dimana ;
Vref = Tegangan referensi
Vg = Tegangan gigi gregaji
ton = Waktu penyalaan
toff = Waktu padam
R r
N = , perbandingan tahanan setingan pada variabel resistor (r) 1K, terhadap tahanan resistor variabel (R) 50K.
Vo = Tegangan ouput VDZ=Tegangan Dioda zener
Berdasarkan gambar 3.8 dan 3.9 maka didapat persamaan ;
on ref g g t V V T V − = g ref g on V V V T t = ( − )
+ − = NVo R R V R R Vref DZ . 1 2 4 2 Bila ; 2 1 10 5 1 2 4 2 = = = R R R R , maka ; + − = . 0 2 1 2 1 V N V Vref DZ T t D= on T V V V T D g ref g − = ( T V NV V V T D g DZ g + − − = 0 2 1 2 1 g DZ g V V N V V D − − − = 0 . 2 1 2 1 g DZ g V V N V V D 0 . 2 1 2 1 + + = g g Dz g g V V N V V V V D . 0 2 + + = + + + = g g DZ V NV V V D 0 2 1 1 Bila, − = D V V in 1 1 0
+ + − = g g DZ in V V N V V V 0 . 2 1 1 1 1 + = g g DZ in V V N V V V 0 . 2 1 1 + = g DZ in V V N V V 2 . 1 0 + = 0 . . 2 V N V V V DZ g in Bila, 0 . . . 2 V N V V V V DZ in g out = + ) . ( . . 2VgVin = V0 VDZ + NV0 0 . . 2 . .V02 + V0VDZ − VgVin = N ……….3.5
Jika persamaan 3.5 dikalikan dengan
N
1
, maka persamaan tersebut akan menjadi ; 2 1 . 0 . . 2 . . 2 0 0 + V VDz − Vg Vin = V N 0 . . 2 . 0 2 0 + − = N V V N V V V DZ g in N V V N V V V2 0. DZ 2. g. in 0 = − +
N V V N V V V 0. DZ 2. g. in 0 = − +
Untuk perubahan tegangan input yang kecil maka persamaan 3.5 akan menjadi ;
g g DZ in V N V V V V V 2 2 2 0 0 + = g g DZ in V N V V V V V 2 . . 2 2 0 0 + = ∆ ∆ 0 0 . 2 . . 2 V V N V V V g DZ in ∆ + = ∆ ……….….……….3.6
3.6 Perencanaan Rangkaian Penguat
Rangkaian ini berfungsi untuk mengetahui adanya penurunan atau penaikan tegangan keluaran pada boost chopper. Masukan dari rangkaian penguat adalah tegangan keluaran dari boost chopper dan tegangan dari dioda zener, dimana tegangan diode zener merupakan tegangan acuan sekaligus sebagai penggerak awal apabila sistem tidak bekerja. Keluaran dari rangkaian penguat ini adalah tegangan referensi yang merupakan masukan bagi rangkaian pembanding. Bila tegangan boost chopper naik maka tegangan referensi akan naik juga dan bila tegangan boost chopper turun maka tegangan referensi juga akan turun.
Vref D1 DIODE ZENER1 1 2 R3 VCC 12V Vo 48V R1 R2 R4 U3 LM741 3 2 6 + -OUT VR
Gambar 3.9 Rangkain Penguat
Catatan ;
VR = 100 KΩ R3 = 1 KΩ
R1 = 10 KΩ R4 = 10 KΩ
R2 = 5 KΩ DZ = 3 Volt
Persamaan tegangan keluarannya adalah : + − = 0 1 2 4 2 N.V R R V R R Vref DZ ……….3.7 3.7 Rangkaian Penyearah
Rangkaian penyearah yang digunakan untuk boost chopper adalah rangkaian penyearah yang menggunakan diode bridge (penyearah jembatan) yang mana terbagi atas tiga bagian ;
Rangkaian penyearah ini menggunaakan diode bridge 10Amp dan kapasitor sebesar 10000 μF 16 Volt dan trafo 5 Amp.
F1 FUSE/SM + C8 C-POL output T1 5Amp 220Vac 12 Vac 0 0 - + D3 BRIDGE 1 4 3 2
Gambar 3.10 Penyearah rangkaian daya
2. Rangkaian penyearah untuk rangkaian switching
Rangkaian ini menggunakan diode penyearah sebesar 2 Amp dan kapasitor sebesar 1000μF 16Volt trafo yang digunakan adalah 0,5Amp.
- V F1 FUSE/SM VCC 12V + C8 C-POL - + D3 BRIDGE 1 4 3 2 T1 0,5 Amp 220Vac 12 Vac 0 0
Gambar 3.11 Penyearah rangkaian switching
3. Rangkaian penyearah untuk penguat dan komparator
Rangkain penyearah ini menggunakan dioda penyearah sebesar 2Amp dan kapasitor sebesar 1000μF 16Volt.
- V F1 FUSE/SM VCC 12V + C8 C-POL - + D3 BRIDGE 1 4 3 2 T1 0,5 Amp 220Vac 12 Vac 0 0
