Sistem Penerangan Darurat Menggunakan Forward
Converter Sebagai Charging Baterai untuk
Mensuplai LED
M. Aries Sugianto1, Agus Indra G.,ST.,M.Sc.2, Eru Puspita,ST.,M.Kom.3
1
Penulis, Mahasiswa D3, Teknik Elektronika, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya-ITS, Surabaya
2
Dosen Pembimbing, Staff Pengajar, Teknik Elektronika, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya-ITS, Surabaya
3
Dosen Pembimbing,Staff Pengajar, Teknik Elektronika, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya-ITS, Surabaya
Abstrak
Saat ini, terdapat banyak jenis topologi dari power supply. Dalam proyek ini, bertujuan untuk membuat topology dc-dc forward converter. Topologi forward converter dipilih karena beberapa faktor. Forward converter merupakan rangkaian lain dari switch mode power supply, yang digunakan untuk memproduksi isolasi dan dikontrol tegangan DC dari input supply tegangan DC yang tidak teratur (unregulated). Forward converter pada umumnya lebih efisien dan digunakan dalam aplikasi yang membutuhkan daya output sedikit lebih tinggi (100W-200W). Transformator yang digunakan pada forward converter diinginkan untuk menjadi trafo ideal tanpa ada kebocoran flux, nol arus magnetizing dan tanpa losses.Oleh sebab itu, diperlukan kontroller yang mampu mengubah duty cycle PWM. Dalam proyek ini, UC3845 dipilih sebagai kontroler. Kontroler ini memiliki kinerja frekuensi tinggi yang tetap pada saat mode kontrol pengaliran.
Kata kunci : Penerangan Darurat, Forward Converter, Charging
I. PENDAHULUAN
A. Latar Belakang
Alat Penerangan sangat dibutuhkan dalam kehidupan. Alat yang merupakan bagian yang sangat penting dalam memenuhi kebutuhan manusia ini tidak bisa lepas begitu saja dari berbagai aktifitas manusia. Lampu yang merupakan alat penerangan utama yang terdapat pada rumah-rumah warga, perkantoran, pertokoan, dan diberbagai tempat termasuk jalan-jalan yang selalu kita lewati.
Dalam setiap rumah, perkantoran maupun jalan-jalan yang sering dilewati berbagai kendaraan, lampu yang merupakan alat penerangan harus berada diantara masyarakat dalam menjalankan aktivitasnya, yang terutama pada malam hari. Sehingga segala aktivitas dapat dilakukan walaupun terjadinya pemadaman Listrik oleh PLN pada malam hari. [9]
Permasalahan yang timbul salah satunya ialah bagaimana mengadakan penerangan disaat terjadi pemadaman listrik oleh PLN dalam lingkup kecil maupun besar. Kondisi itu sangat mengganggu aktivitas, khususnya di malam hari. Semua kegiatan terhambat,
baik aktivitas dalam hal pekerjaan maupun sekolah. Mati lampu membuat kegiatan mati sejenak dan hidup kembali. [1]
Di era saat ini, masih banyak warga yang menggunakan lilin sebagai pengganti penerangan disaat listrik PLN padam pada malam hari. Tetapi hal ini lah yang dapat menimbulkan kecelakaan yang diakibatkan lilin sebagai penerangan pengganti. Seperti yang terjadi di Jl. Gubeng Klingsingan V, Selasa (17/ 8/ 2010). "Dari hasil olah TKP sementara, kita menduga api berasal dari lilin yang ditaruh di atas tempat tidur,"ujar Kanit Reskrim Polsek Gubeng Iptu Samidi saat ditemui di lokasi, Rabu (18/8/2010) dinihari. Samidi mengungkapkan bahwa rumah yang dihuni Tia ini memakai lilin karena sejak Senin (16/8/2010) PLN memutus aliran listrik. Nah sejak itu untuk penerangan di dalam rumah, Tia, Mala adiknya dan Titin, mbahnya memakai lilin. [6]
Gambar 1. Lilin [2]
B. Tujuan
Tujuan dari proyek pembuatan Sistem Penerangan Darurat Menggunakan Forward Converter Sebagai Charging Baterai untuk Mensuplai LED ini antara lain : 1. Membuat transformator forward converter yang
ideal.
2. Membuat sebuah rangkaian forward converter yang digunakan sebagai charging baterai yang akan diaplikasikan pada sistem penerangan darurat untuk skala rumah tangga dengan output LED.
C. Perumusan Masalah
Permasalahan yang menjadi bahasan pada proyek akhir ini antara lain :
1. Bagaimana membuat rangkaian forward converter pada sistem penerangan untuk LED.
2. Bagaimana forward converter bisa digunakan untuk charging baterai.
3. Membuat trafo forward converter.
4. Membuat induktor pada rangkaian forward
converter.
Ada beberapa hal yang menjadi batasan masalah pada proyek akhir ini antara lain:
1. Fokus proyek akhir pada rangkaian forward
converter dan trafo forward converter yang
digunakan untuk charging baterai. 2. Menggunakan kontroler UC3845 TI. 3. Target input 100-240 VAC.
4. Output sistem 13,5V , 1A.
II. DASAR TEORI 1. Rangkaian Rectifier
Rangkaian Bridge Rectifier [7]
Sebuah bridge dapat menggunakan empat buah dioda individu, tetapi juga tersedia dalam paket khusus yang berisi empat dioda yang diperlukan. Hal ini disebut
Full-wave Rectifier (penyearah gelombang penuh)
karena menggunakan semua gelombang AC (baik bagian positif dan negatif). 1.4V habis digunakan dalam dioda
bridge rectifier karena masing-masing menggunakan
0.7V ketika melakukan dan selalu ada dua dioda melakukan, seperti ditunjukkan dalam diagram di bawah ini.
Gb.2 Bridge Rectifier dan Signal Output [5]
Bridge rectifier dinilai oleh arus maksimum dapat lewat dan tegangan balik maksimum dapat menahan (ini harus minimal tiga kali RMS sehingga pasokan tegangan penyearah dapat menahan tegangan puncak).
2. Rangkaian Forward Converter [3]
Forward converter merupakan rangkaian switched
mode power supply (SMPS) yang digunakan untuk
memproduksi isolated dan dikendalikan oleh tegangan DC dari pasokan input DC yang tidak teratur (unregulated). Seperti dalam kasus fly-back converter, pasokan input DC didapat setelah diratakan (dan sedikit penyaringan) dari tegangan listrik AC. Forward
Converter, bila dibandingkan dengan rangkaian fly-back
adalah secara umum energinya lebih efisien dan digunakan untuk aplikasi yang membutuhkan daya
output sedikit lebih tinggi (dalam kisaran 100 Watt
sampai 200 Watt). Tetapi pada topologi rangkaian, terutama output rangkaian penyaringan (filtering) tidak sesederhana seperti dalam konverter fly-back.
Gambar 3 menunjukkan topologi dasar forward
converter. Ini terdiri dari perangkat fast switching ‘S’
bersama dengan rangkaian kontrol, sebuah transformator dengan kumparan primer dihubungkan secara seri dengan switch ‘S’ ke pasokan input, rectification dan rangkaian filter untuk kumparan sekunder transformator. Beban yang tersambung di output diperbaiki oleh transformator sekunder.
Gb.3 Rangkaian Dasar Forward Converter [3]
Transformator yang digunakan dalam forward converter diharapkan untuk menjadi transformator ideal
tanpa ada kebocoran fluks, nol arus magnetizing dan tanpa ada losses.
Prinsip Operasi
Rangkaian pada Gambar 3, dasarnya adalah buck
konverter dc-to-dc dengan penambahan transformator
untuk isolasi tegangan output dan penskalaan (scaling).
Gb.5 Aliran arus mode-2 [3]
Ketika saklar 'S' dihidupkan, input DC akan masuk ke kumparan primer pada transformator dan sekaligus tegangan berkala muncul di trafo sekunder.
Dotted dari kedua sisi kumparan sekarang memiliki
polaritas positif. Dioda 'D1', yang dihubungkan secara seri dengan kumparan sekunder mendapat bias maju (forward bias) dan tegangan input digunakan pada rangkaian low pass filter (LPF) sebelum pada beban. Arus pada kumparan primer masuk melalui dotted end sementara arus sekunder keluar dari sisi dotted dan magnitudonya berbanding terbalik dengan rasio gilirannya. Dengan demikian, sesuai dengan asumsi dari sebuah transformator ideal, net magnetizing
ampere-turns transformator adalah nol dan tidak ada
energi yang tersimpan dalam inti transformator. Ketika saklar ‘S’ dimatikan, secara tiba-tiba arus pada sisi primer dan sisi sekunder akan menjadi nol. Arus melalui filter inductor dan beban terus menerus tanpa ada perubahan secara tiba-tiba. Diode ‘D2’ menyediakan jalur freewheeling untuk ini arus tersebut. Ggl yang dibutuhkan untuk menjaga kontinuitas arus
filter-inductor dan untuk mempertahankan tagangan forward bias di D2 yang berasal dari induktor filter 'L'
itu sendiri. Selama freewheeling arus induktor filter akan jenuh karena arus terhadap tegangan output (Vop), tetapi kehadiran filter kapasitor ‘C’ yang relatif besar masih mempertahankan tegangan output mendekati konstan. Ripple pada tegangan output harus berada dalam batas yang dapat diterima. Supply
switching frequency umumnya tetap cukup tinggi
seperti saat berikutnya turn-on dari saklar terjadi sebelum peluruhan arus filter induktor secara nyata.
Gb.6 Topologi rangkaian praktis Forward Converter [3] Gambar 7 menunjukkan beberapa bentuk gelombang arus dan bentuk gelombang tegangan
forward converter yang ditunjukkan pada Gambar 4.
Untuk bentuk gelombang, sekali lagi, banyak asumsi
rangkaian ideal yang telah dibuat.
Dalam Gambar 7, Vload adalah output konverter
tegangan yang dipertahankan konstan pada VO. ‘IL’
adalah arus yang melalui filter induktor ‘L’. Arus Induktor meningkat secara linier selama mode-1 sebagai tegangan yang dijaga agar konstan yang ditunjukkan pada gambar 4. Demikian pula arus induktor melebur dengan kecepatan yang konstan dalam mode-2 ketika mengalir terhadap tegangan output konstan. Rata-rata besarnya arus induktor sama dengan arus beban. ISW dan VSW adalah masing-masing
switch current dan switch voltager. VD3 adalah
tegangan dioda ‘D3’. Switch hanya dilakukan selama mode-1 dan membawa arus kumparan primer (IPR) dari
transformator. Arus magnetisasi transformator
dianggap sangat kecil dan oleh karena itu pada dasarnya kumparan primer membawa arus reflected
inductor.
Saat saklar ‘S’ menjadi ON, kumparan primer mendapatkan tegangan input DC (dengan dotted end yang positif). Tegangan induksi di kumparan yang lain adalah dalam proporsi rasionya bergantian. ‘D3’ Diode dari kumparan tersier adalah reverse bias dan diberi tegangan.
Begitu saklar ‘S’ berubah OFF, arus pada kumparan primer dan sekunder drop ke nol tetapi dioda ‘D3’ mendapat forward bias dan kumparan tersier mempertahankan arus magnetizing. Disaat ‘D3’ aktif, tegangan pada kumparan tersier dijepit (clamp) pada tegangan input dc dengan dotted end pada potensial negatif. Kumparan primer dan sekunder telah terinduksi tegangan akibat tindakan transformator. Tegangan kumparan primer sama dengan dengan dotted end pada potensial negatif.
Dalam Gambar 7, ‘VPr’ menunjukkan tegangan
Gb.7 Bentuk gelombang dari rangkaian forward converter [3] Aplikasi dari forward converter dapat dibagi menjadi 2, yakni rangkaian forward converter dengan 2
switches dan rangkaian dengan clamping aktif.
Gb.8 Rangkaian Forward Converter dengan 2 swithces [3]
Gb.9 Rangkaian Forward Converter dengan clamping aktif [3] 3. Kontroler UC3842/3/4/5 TEXAS INSTRUMENTS [4]
Keluarga UC3842/3/4/5 merupakan perangkat kontrol yang menyediakan fitur untuk melaksanakan secara off-line atau mode skema kontrol dc to dc frekuensi tetap dengan jumlah bagian minimal eksternal. Rangkaian impelementasi internal meliputi
under-voltage lockout menampilkan arus start up kurang dari
1mA, sebuah referensi presisi dipangkas untuk akrasi
diintput kesalahan amp, logika untuk memastikan operasi terkunci, sebuah komparator PWM yang juga menyediakan kontrol batas arus, dan sebuah output kutub totem dirancang untuk sumber atau menurunkan arus tinggi puncak. Pada tahap output, cocok untuk
men-drive N-Channek MOSFETs, yang rendah dalam keadaan off.
Perbedaan antara anggota keluarga ini adalah ambang batas under voltage lockout dan rentang duty
cycle maksimum. Para UC3842 dan UC3844 memiliki
ambang UVLO dari 16Von dan 10Voff, idealnya cocok untuk aplikasi off-line. Ambang batas yang sesuai untuk UC3843 dan UC3845 adalah 8,4V dan 7,6V. UC3842 dan UC3843 dapat beroperasi dengan duty cycle mendekati 100%. Rentang 0 sampai 50% diperoleh oleh UC3844 dan UC3845 dengan penambahan internal
toggle flip flop yang kosong dari output setiap siklus clock lainnya.
Gb.10 Konfigurasi Pin [6]
III.METODOLOGI
Pada tugas akhir ini akan membuat sistem penerangan darurat menggunakan forward converter sebagai charging baterai untuk mensuplai LED. Pada penerapan nyata diharapkan sisitem ini dapat digunakan masyarakat untuk memenuhi kebutuhan didalam menjalankan kegiatan sehari-hari disaat terjadi pemadaman listrik oleh PLN, terutama pada saat malam hari.
Berikut merupakan diagram blok sistem :
Gb.12 Block Diagram perancangan sistem
Berdasarkan blok diagram diatas dapat dijelaskan bahwa, tegangan dari sumber jala-jala akan disearahkan oleh rangkaian bridge rectifier sehingga didapatkan tegangan output DC yang nantinya akan melalui capasitor bank dan dilanjutkan pada rangkaian forward converter dengan UC3845 sebagai PWM controller yang kemudian akan
men-charge baterai/ aki dan diteruskan untuk men-supply LED. A. Perancangan Hardware
Perancangan sistem dan pembuatan perangkat keras (hardware) terdiri dari beberapa rangkaian, yang secara umum antara lain rangkaian bridge rectifier berikut
capacitor bank, rangkaian forward converter yang akan
dikontrol oleh rangkaian dari UC3845 dan diteruskan untuk men-charge baterai yang akan dibebankan pada LED.
Berikut rangkaian umum forward converter
forward converter pada proyek ini :
Gb.13 Rangkaian Forward Converter 2-Switch dengan filter C Gambar rangkaian tersebut merupakan tipe rangkaian
forward converter with 2-switches dengan menggunakan
2 MOSFET sebagai switch yang disusun seri dengan
transformator dan dikontrol oleh UC3845 yang memiliki duty cycle 50%. Yang kemudian akan digunakan sebagai charging baterai untuk men-supply LED sebagai
penerangan rumah pengganti lampu saat terjadi pemadaman listrik.
Gb.14 Rangkaian Driver dan Kontrol PWM
B. Pengujian dan Analisa Hardware
Pada Bab IV dibahas tentang pengujian terhadap sistem yang dibangun disertai dengan analisa. Pengujian sistem menyangkut beberapa hal sebagai berikut: 1. Pengujian rangkaian auxiliary power supply 2. Pengujian rangkaian kontrol PWM dengan UC3845 3. Pengujian rangkaian high and low side driver dengan
UC3845 sebagai input.
4. Pengujian High Frequency Transformer dan Induktor pada Forward Converter.
5. Pengujian Sistem Forward Converter secara keseluruhan.
Berikut ini merupakan gambar perangkat sistem secara keseluruhan.
Gb.15 Rangkaian Driver dan Kontrol PWM
Gb.16 Gambar Sinyal Kontrol PWM
IV. KESIMPULAN
Berdasarkan pengujian dan pengambilan data dari semua pengujian yang telah dilakukan, maka kesimpulan dari proyek akhir ini dibagi menjadi 2 bagian berdasarkan hasil yang dicapai.
a. Keberhasilan :
1. Perangkat pada sistem terdiri dari Power State
(Forward Converter), High and Low Side Driver, PWM Controller using UC3845, dan Auxiliary Power Supply.
2. Perangkat PWM Controller, Driver, dan Supply dapat berintegrasi secara baik dengan output dari tiap-tiap perangkat sesuai dengan desain proyek akhir. Output frekuensi dari PWM Controller adalah 62,5kHz dengan Duty Cycle 50%, yang digunakan untuk men-trigger perangkat Driver sehingga dapat diketahui input VGS pada
MOSFET adalah VGS = 15V.
3. High Frequency Transformer yang telah didesain dapat bekerja dengan baik pada frekuensi 60kHz. Sedangkan untuk Inductor dicari nilai induktansi diatas nilai perhitungan pada desain sistem. b. Kegagalan :
1. Proyek Akhir ini tidak dapat bekerja secara baik setelah seluruh Sistem diintegrasikan. Sistem terintegrasi hanya bisa bekerja pada Vin < 75VAC ,
jauh dari perencanaan dengan Vin = 110-220VAC .
Perangkat driver tidak mampu menerima tegangan ambang dari MOSFET pada keadaan ON. Masalah utama terletak pada grounding perangkat pendukung yang terdapat pada satu titik karena Perangkat driver tidak mampu menerima tegangan ambang dari MOSFET pada keadaan ON.
2. Kegagalan ini dapat juga diakibatkan dengan perencanaan hasil akhir pada sistem dengan daya yang kecil, karena topologi 2-Switch of Forward
Converter ini akan mengalami susut daya di
empat saklar yang digunakan dan menjadi sangat membebani sistem.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Anonymous. 2010. Ngumpul Seru Saat Mati Lampu, From
http://www.hariansumutpos.com/2010/03/33635/ngump ul-seru-saat-mati-lampu.html, 1 Oktober 2010
[2] Anonymous. 2010. Kamar Ssantri Ponpes Ali Usman
Terbakar Karena Lilin, From
http://www.zonaberita.com/jawa-timur/kamar-santri-ponpes-ali-usman-terbakar-karena-lilin.html, 1 Oktober 2010
[3] Anonymous. 2009. Forward Type Switched Mode Power Supply, From L-23(DP)(PE) ((EE)NPTEL).pdf, 21 Januari 2011
[4] Anonymous. 2007. Current Mode PWM Controller, From uc3845.pdf, 3 Januari 2011
[5] Anonymous. 2002. UC3841/ UC3842/ UC3843/ UC3844/ UC3844, From UC3845(2).pdf, 21 Desember 2010
[6] Anonymous. 2007. High Performance Current Mode Controllers, From UC3845D_IC-ON-LINE.CN.pdf, 23 Januari 2011
[7] Fakhrurrozi. 2010. Kebakaran Rumah Mertua TNI AL,
Diduga Disebabkan Lilin. From
http://www.beritajatim.com/detailnews.php/8/Peristiwa/2
010-08-18/74309/Kebakaran_Rumah_Mertua_TNI_Al,_Diduga _Disebabkan_Lilin, 1 Oktober 2010
[7] Hewes, John. 2010. Power Supplies, From http://www.kpsec.freeuk.com/powersup.htm, 30 Desember 2010
[8] Joomla. 2010. Baterai Untuk Sel Surya. Joomla Templates – Design – Joomla.
[9] Ramsay, Malcom. 1991. Pengaruh Pencahayaan Jalan
