BAB IV
ANALISA PERANCANGAN BCSU
BERDASARKAN HASIL PENGUKURAN DAN
SIMULASI RANGKAIAN DENGAN MENGGUNAKAN
MULTISIM
Analisa perancangan berdasarkan hasil simulasi dan pengukuran rangkaian, dimaksudkan untuk mengetahui apakah alat yang dirancang sesuai dengan apa yang diharapkan. Analisa dititik beratkan pada pengaruh duty cycle terhadap keluaran boost chopper untuk beberapa frekuensi dan pengaruh penambahan beban terhadap keluaran boost chopper dengan umpan balik.
4.1. Pengaruh duty cycle terhadap keluaran boost chopper untuk beberapa frekuensi
A. Tujuan percobaan
Mengetahui pengaruh duty cycle terhadap tegangan keluaran boost chopper dengan beberapa frekuensi yang berbeda.
B. Langkah-langkah percobaan
8. Membuat rangkaian seperti pada gambar 4.1 dimana rangkaian penyalaan untuk power mosfet diambil dari keluaran rangkaian pembangkit tegangan segi empat.
9. Mengatur frekuensi, dimana frekuensi yang digunakan adalah (8, 10, 12 KHz).
10. Mengubah-ubah duty cycle untuk perubahan frekuensi tersebut diatas.
11. Beban yang digunakan adalah tahanan sebesar 38,5 Ohm. Rangkaian penyalaan C D Vin S MOSFET L R
Gambar 4.1 Rangkaian pengaruh duty cycle terhadap tegangan chopper
Tabel 4.1 Hasil pengujian pengaruh duty cycle terhadap frekuensi Duty Cycle Frekuensi (KHz) 0,5 0,6 0,7 Vi Ii Vo Io Vi Ii Vo Io Vi Ii Vo Io 8 12 1,8 24 0,6 12 1,8 24 0,8 12 1,8 24 1,03 9 12 1,7 22 0,5 12 1,7 22 0,6 12 1,7 22 0,9 10 12 1,5 20 0,4 12 1,5 20 0,5 12 1,5 20 0,8
1. Bentuk gelombang tegangan switching dan tegangan output pada frekuwensi 8 KHz, duty cycle 0,6 diukur pada keadaan tanpa beban.
Time/div : 50us/div Volt/div : 2v/div Pengali 10
V
t
a
b
Gambar 4.2 Bentuk gelombang tegangan switching (a) dan tegangan output (b)
2. Bentuk gelombang tegangan gate dan tegangan output pada frekuwensi 10 KHz duty cycle 0,6, diukur pada keadaan berbeban.
Time/div : 50us/div Volt/div : 2v/div Pengali 10 V t a b
3. Bentuk gelombang tegangan gate dan tegangan output pada frekuwensi 12 KHz duty cycle 0,6, diukur pada keadaan berbeban.
Time/div : 50us/div Volt/div : 2v/div Pengali 10 V a b t
Gambar 4.4 Bentuk gelombang tegangan gate (a) dan tegangan output (b)
4. Bentuk gelombang tegangan dan arus output diukur pada keadaan berbeban. Untuk tegangan ; Time/div : 50us/div Volt/div : 1v/div Pengali 10 Untuk arus ; Time/div : 50us/div Volt/div : 5v/div Pengali 1
V t . a b .
Gambar 4.5 Bentuk gelombang arus output (a) dan tegangan output (b)
4.1.2 Analisa Pengaruh Perubahan Duty Cycle
4. Dari data hasil percobaan pada tabel 4.1, tegangan output akan semakin besar jika duty cyle yang digunakan semakin besar.
5. Dengan menggunakan persamaan
− = D V V in 1 1
0 maka untuk beberapa
penggunaan duty cycle dapat dihasilkan tegangan output sebagai berikut :
D V0
0,5 24
0,6 30
0,7 40
Dari hasil perhitungan dibandingkan dengan data hasil pengamatan maka untuk setiap perubahan duty cycle, tegangan output pengamatan mendekati nilai tegangan hasil perhitungan.
6. Data hasil percobaan pada duty cycle yang sama dan penggunaan frekuensi makin besar maka tegangan output mengalami penurunan hal ini disebabkan apabila frekuensi besar maka XL akan akan kecil, Jika XL kecil maka tegangan akan kecil, hal ini dapat dibuktikan dengan persamaan berikut ; fl XL= 2Π f XL L Π = 2
Dari persamaan tersebut diatas terlihat bahwa apabila frekuensi makin besar harga XL akan makin kecil, begitu sebaliknya jika frekuensi makin kecil maka harga XL akan makin besar. Sehingga jika XL besar maka harga XL akan besar, dengan tambah besarnya harga XL maka tegangannya akan besar juga sebaliknya jika XL kecil tegangannya akan kecil.
7. Dengan mengubah-ubah duty cycle maka tegangan keluaran akan berubah-ubah dan ini sesuai dengan prinsip kerja dari boost chopper yang dirancang.
8. Berdasarkan gambar 4.5 menunjukan beda fasa antara arus dan tegangan adalah 0o, hal ini dikarenakan beban yang digunakan adalah beban resistif murni. Dibawah ini digambarkan garafik hubungan antara efesiensi dan frekuensi untuk duty cycle 0,5.
η f
66% 8 KHz
53% 10 KHz
η
f 40 50 60 8 10 12Gambar 4.6 Grafik hubungan antara η dengan f
4.2. Pengaruh perubahan beban terhadap tegangan keluaran dengan umpan balik
5 Tujuan percobaan untuk mengetahui pengaruh perubahan beban terhadap tegangan keluaran dengan umpan balik.
6 Langkah –langkah percobaan. 1. Membuat rangkaian seperti gambar 4.7.
2. Dengan bantuan osiloscope untuk melihat frekuensi yang diinginkan, maka pada rangkaan frekuensi dapat diatur dengan menset VR1 pada rangkaian penyalaan sampai mendapatkan frekuensi 20 KHz.
3. Untuk mengatur duty cycle diset dengan mengatur VR2 untuk mendapatkan tegangan keluaran yang diinginkan.
RVar Rangkaian penyalaan C OMPA R A T OR PENGU A T VD z R C D L Vin MOSFET
Gambar 4.7 Rangkaian pengaruh perubahan beban dengan umpan balik
Tabel 4.2 Hasil percobaan pengaruh perubahan beban dengan umpan balik
Beban Vin Iin Pin Vo Io Po
1 12 0,15 1,68 48 0,026 1,2
2 8 0,09 0,75 32 0,018 0,512
V
a
b
t
Gambar 4.8 Bentuk gelombang tegangan output dan tegangan gate pada beban pertama diukur pada 50μs/div, 2V/div, pengali 10
(a) tegangan trigger, (b) tegangan output
V
a
b
t
Gambar 4.9 Bentuk gelombang trigger dan tegangan drain diukur pada time /div 50μs/div, Volt/div 2V/div, pengali 10
4.2.1 Analisa Pengaruh Perubahan Beban
Dari data hasil percobaan terlihat bahwa tegangan input mengalami penurunan sesuai dengan penurunan tegangan output, hal ini sesuai dengan persamaan 3.6. Dengan menggunakan persamaan tersebut maka dapat dihitung perubahan tegangan input dan perubahan tegangan output pada beban ketiga. VDz = 1,8 Volt
Vg = 4 Volt
R r N =
r = pengesetan dari tahaanan sebesar 1KOhm R = Tahanan variabel 50 Kohm
02 , 0 50 1 = = N 6 6 12− = = ∆Vin 0 0 . 2 . . 2 V V N V V Vin g Dz ∆ + = ∆ N V V V V V DZ g in . . 2 . 2 . 0 0 + ∆ = ∆ 02 , 0 . 24 . 2 8 , 1 4 . 2 . 6 + = 76 , 2 48 = = 17,4 V
Jika tegangan input turun sebesar .100% 50% 12
6 =
= , Maka tegangan output akan
turun sebesar .100% 36,2%. 48 4 , 17 = =
Berdasarkan gambar 4.8 dapat dihitung duty cyclenya, dimana ton = 1,2 sedangkan toff = 0,4, maka ; off on on t t t D + = 75 , 0 4 , 0 2 , 1 2 , 1 = + =
Dengan D = 0,75 dari gambar 4.8 terlihat bahwa tegangan keluaran yang dihasilkan adalah 48 Volt, hasil tersebut terlihat dari hasil percobaan mendekati
dengan hasil perhitungan dengan persamaan
D V Vo in − = 1 1 , Dengan memasukan
harga Vo = 48V dan Vin = 12 V, maka diperoleh harga D = 0,75.
Dari data tersebut diatas dapat digambarkan grafik hubungan antara η dan perubahan beban sebagai berikut.
η Beban
71,4% 1
69,1% 2
1 2 3 Beban Ω η (%)
66,6 69,1 71,4
Gambar 4.10 Grafik hubungan antara η dan perubahan beban
Berdasarkan gambar 4.10 terlihat bahwa pada tegangan drain terdapat gangguan hal ini dikarenakan hal-hal sebagai berikut:
Pengawatan komponen yang kurang baik, kabel penghantar yang kurang baik atau adanya komponen yang kurang presisi. Berdasarkan gambar tersebut maka untuk frekuensi dapat dihitung dengan persamaan berikut :
T f0 = 1 KHz 50 10 . 50 . 4 , 0 1 6 = = − V = 1,4div.2V/div.10 = 28 Volt
Dari hasil tersebut diatas terlihat bahwa mosfet yang dipilih untuk boost chopper tidak akan rusak hal ini dikarenakan rating tegangan dari mosfet itu sendiri adalah 80 volt sampai dengan 100 volt.
4.3 Simulasi Rangkaian
Untuk menganalisa perancangan berdasarkan simulasi rangkaian, digunakan Multisim Ver.10.
• Tujuan percobaan, untuk membandingkan hasil simulasi software dengan hasil pengukuran langsung rangkaian.
• Langkah-langkah percobaan simulasi rangkaian
1. Seperti halnya pada langkah percobaan rangkaian yaitu membuat rangkaian simulasi pada multisim seperti pada gambar 4.11 dan 4.14, dimana rangkaian penyalaan untuk power mosfet diambil dari keluaran rangkaian pembangkit tegangan segi empat (signal generator).
2. Mengatur frekuensi (8, 10, 12 KHz), mengubah-ubah duty cycle dan beban rangkaian.
3. Memberikan beban tahanan (38.5=39 Ohm) dan pada gambar 4.14 memberikan perubahan beban.
Gambar 4.12 Bentuk gelombang tegangan switching (a) dan tegangan output (b) Gambar grafik diatas menunjukan gambaran dua buah sinyal pada titik ukur yang berbeda yaitu titik ukur pada out put rangkaian switching (a) dan titik ukur pada output rangkaian chopper (b). Tegangan switching pada grafik diatas diambil dari simulasi generator sinyal pada multisim dimana frekuensi dan aplitudonya dapat diatur sesuai dengan perubahan duty cycle yang diinginkan pada percobaan simulasi.
Gambar 4.13 Bentuk gelombang tegangan gate (a) dan tegangan output (b)
a b
a
Gambar grafik diatas menunjukan gambaran dua buah sinyal pada titik ukur yang berbeda yaitu titik ukur pada out put gate mosfet (a) dan titik ukur pada output rangkaian chopper (b). Bentuk dari sinyal tegangan gate pada grafik simulasi multisim berbentuk kotak yang pada prinsipnya tegangan yang diumpankan pada gate mosfet ini adalah tegangan dari rangkaian switching seperti pada gambar grafik 4.11 diatas yang berbentuk kotak. Sinyal kotak ini yang mempengaruhi kerja mosfet dimana pada saat level low digate mosfet akan meloloskan tegangan sedangkan pada saat level high akan menyekat tegangan, dengan terjadinya proses penyekatan dan meloloskan tegangan pada mosfet akan mempengarhi besarnya tegangan output dari rangkaian chopper dimana pada saat frekwensi switching yang diumpankan kegate mosfet tetap dan duty sycle diubah dari level kecil kebesar maka tegangan output chopper akan naik. Dan sebaliknya jika duty cycle-nya tetap dan frekuensi switching (gate) diubah dari level kecil ke besar maka tegangan output semakain bertambah.
Gambar 4.14 Rangkaian simulasi pengaruh perubahan beban dengan umpan balik
Gambar 4.15 Bentuk gelombang tegangan output dan tegangan gate, (a) tegangan gate, (b) tegangan output
Seperti halnya pada garafik sebelmnya pada grafik gambar 4.15 diatas menunjukan gambaran dua buah sinyal pada titik ukur yang berbeda yaitu titik ukur pada output gate mosfet (a) dan titik ukur pada output rangkaian chopper (b). Bentuk dari sinyal tegangan gate pada grafik simulasi multisim berbentuk kotak dimana sinyal ini dipengaruhi oleh tegangan umpan balik dari rangkaian chopper, hal ini mengakibatkan lebar pusa sinyal semakin sempit. Dengan demikian pengaruh tegangan umpan balik akan mengakibatkan perubahan tegangan input dari rangkain chopper dimana tegangan input akan semakin kecil jika tegangan output besar.
a b
Tabel 4.3 Perbandingan tegangan output (Vo) hasil perhitungan dengan pengukuran dan simulasi dengan frekuensi switching.
Frekuensi (KHz)
Vo Perhitungan Vo Pengukuran Vo Simulasi
Vi Vo Vi Vo Vi Vo
8 12 24 12 24,7 12 24.2
9 12 22 12 22,5 12 22,2
10 12 20 12 20,7 12 20,3
Dari data tabel diatas jika dibandingkan tegangan output yang mendekati dari hasil perancang output berdasarkan perhitungan adalah hasil simulasi, jika dibandingkan dengan hasil pengukuran langsung. Hal ini bisa diakibatkan dari hasil alat ukur yang tidak presisi dan tidak ada komponen yang ideal, sedangkan simulasi untuk alat ukur disetting sedemikian mendekati pengukuran ideal.
