1 Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Mataram, Nusa Tenggara Barat, Indonesia E-mail : [email protected], [email protected], [email protected]
PERANCANGAN BUCK CONVERTER BERDASARKAN ARUS BEBAN BERBASIS MIKROKONTROLER ARDUINO UNO
BUCK CONVERTER DESIGN BASED ON LOAD CURRENCY USING ARDUINO UNO MICROCONTROLLER
Supriyadin Tiansyah 1, Paniran 2, dan I Nyoman Wahyu3
E-mail :[email protected], [email protected], [email protected]
Abstrak
DC-DC konverter (Buck Converter) merupakan salah satu konverter yang menghasilkan tegangan atau arus DC yang dapat diatur sesuai dengan kebutuhan pengguna. Sumber tegangan dan arus DC-DC konverter (Buck Converter) berasal dari power supply atau baterai. Pada penelitian ini digunakan metode penambahan lebar Pulse Width Modulation (PWM)/increment. Dengan menggunakan metode penambahan lebar Pulse Width Modulation (PWM)/increment, dapat diatur besarnya tegangan dan arus output DC-DC konverter (Buck Converter). Penelitian ini menggunakan frekuensi 30kHz, tegagan input sebesar 24 Volt DC, dengan beban Baterai murni 3.7 Volt DC 4000 mAh, Power Bank 7800 mAh, Handphone 3100 mAh dan beban Laptop 4400 mAh. Dari hasil penelitian ini didapatkan untuk beban Baterai murni membutuhkan waktu charging selama 7 jam 58 menit dengan tegangan dan arus charging sebesar 3.97 V dan 0.498 A, untuk Power Bank membutuhkan waktu charging selama 7 jam 48 menit dengan tegangan dan arus charging sebesar 4.558 V dan 0.880 A, untuk Handphone membutuhkan waktu charging selama 3 jam 41 menit dengan tegangan dan arus charging sebesar 4.277 V dan 0.782 A, dan Laptop membutuhkan waktu charging selama 3 jam 57 menit dengan tegangan dan arus charging sebesar 14.948 V dan 0.998 A..
Kata kunci : DC-DC konverter (Buck Converter), Pulse Width Modulation (PWM), Charging Abstract
Tall buildings, and telecommunication tower development has reached the suburbs such as DC- DC converter (Buck Converter) is one of the converter that produces voltage or DC current that can be adjusted according to user requirements. The voltage source and DC-DC converter (Buck Converter) comes from the power supply or battery. The method in this research is the method of addition of Pulse Width Modulation (PWM) / increment width. By using the method of addition of Pulse Width Modulation (PWM) / increment width, the amount of voltage and output current of DC-DC converter (Buck Converter) can be adjusted. This research uses frequency 30kHz, input voltage 24 volt DC, with load pure battery 3.7 Volt DC 4000 mAh, Power Bank 7800 mAh, 3100 mAh Mobile and 4400 mAh notebook load. The results obtained from this research was for the load Pure Battery takes charging for 7 hours 58 minutes with the voltage and charging current of 3.97 V and 0.498 A, for Power Bank takes charging for 7 hours 48 minutes with the voltage and charging current of 4.558 V and 0.880 A, for Mobile takes charging for 3 hours 41 minutes with the voltage and charging current of 4,277 V and 0.782 A, and Laptops takes charging for 3 hours 57 minutes with the voltage and charging current of 14.948 V and 0.998 A.
Keywords: DC-DC converter (Buck Converter), Pulse Width Modulation (PWM), Charging PENDAHULUAN
Seiring dengan perkembangan dan kemajuan teknologi, peningkatan terhadap kebutuhan konverter daya dengan kinerja dinamik
yang tinggi dalam banyak aplikasi sangat dibutuhkan terutama di industri dan penggunaan barang-barang elektronik. Secara umum, sumber tegangan yang beroperasi di masyarakat adalah
AC, sedangkan untuk masa yang akan datang pengembangan EBT (Energi Baru Terbarukan) memproduksi tegangan DC, sehingga dibutuhkan konverter daya yang memiliki kualitas tegangan output DC dengan efisiensi yang tinggi.
DC-DC konverter (Buck Converter) merupakan salah satu konverter yang menghasilkan tegangan atau arus DC yang dapat diatur sesuai dengan keinginan. Sumber tegangan dan arus DC-DC konverter (Buck Converter) berasal dari power supply atau baterai. DC-DC konverter (Buck Converter) merupakan rangkaian elektronika daya yang berfungsi menurunkan tegangan DC sesuai dengan kebutuhan pengguna.P
Pemilihan DC-DC konverter (Buck Converter) didasarkan efisiensi yang tinggi dalam perubahan daya input ke daya output. Diantara beberapa kriteria kinerja dinamik penting untuk dipertimbangkan adalah riak (ripple), tegangan output, dan waktu recovery. Keuntungan pada konfigurasi Buck Converter antara lain adalah efisiensi yang tinggi, rangkaian yang sederhana, tidak memerlukan transformator, riak (ripple) pada tegangan keluaran yang rendah sehingga penyaring atau filter yang dibutuhkan pun relatif kecil.
Pada penelitian ini penulis akan merancang sebuah DC-DC konverter (Buck Converter) yang mampu menyesuaikan tegangan keluaran terhadap kebutuhan beban secara adaptif, karena tegangan DC yang dibutuhkan oleh beban sangat bervariasi, sehingga DC-DC konverter (Buck Converter) yang dirancang mampu menghasilkan tegangan keluaran DC dengan rentang 3-20 Volt untuk melayani kebutuhan beban DC berdasarkan arus beban pada perangkat elektronik yang membutuhkan catu tegangan DC.
Buck Converter. DC-DC Konverter merupakan salah satu peralatan konverter dengan merubah tegangan DC menjadi tegangan DC yang bernilai lain.
Gambar 1. DC-DC konverter (Taufik, 2008) Prinsip kerja buck converter adalah dengan menggunakan switch yang bekerja secara terus- menerus (ON-OFF). Adapun dikenal dengan istilah Pulse Width Modulation (PWM) dan duty cycle dalam mengendalikan kecepatan (frekuensi) kerja switch tersebut.
Gambar 2. Topologi rangkaian Buck Converter (Taufik, 2008).
Gambar 2. Memperlihatkan tentang switch pada DC-DC konverter (Buck Converter). Switch tersebut akan bekerja secara terus-menerus.
Kecepatan Switch (dalam realisasinya) akan tergantung pada seberapa besar duty cycle dan frekuensi yang digunakan. Frekuensi dibangkitkan dari mikrokontroler dengan menggunakan mode Fast Pulse Width Modulation (PWM). besar kecilnya nilai duty cycle akan dikontrol dengan cara menyesuaikan pembacaan sensor tegangan dan sensor arus pada keluaran DC-DC konverter (Buck Converter).
Pada DC-DC konverter (Buck Converter) ada 2 jenis konduksi yaitu :
a. Continuous Conduction Mode (CCM) dimana arus induktor akan selalu positif sepanjang periode pensaklaran (switching).
Gambar 3 Mode Continuous Conduction Mode (CCM) (Taufik, 2008).
b. Discontinuous Conduction Mode (DCM) dimana arus induktor akan bernilai nol (pengosongan) untuk beberapa saat, saat periode pensaklaran (switching).
Gambar 4 Mode Discontinuous Conduction Mode (DCM) (Taufik, 2008).
Sensor Arus ACS712. Teknologi Hall effect menggantikan fungsi resistor shunt dan current transformer menjadi sebuah sensor dengan ukuran yang relatif jauh lebih kecil. Aliran arus listrik yang mengakibatkan medan magnet yang menginduksi bagian dynamic offset cancellation dari ACS712. bagian ini akan dikuatkan oleh amplifier dan melalui filter sebelum dikeluarkan melalui kaki 6 dan 7, modul tersebut membantu penggunaan untuk mempermudah instalasi arus ini ke dalam sistem. ACS712 adalah Hall Effect current sensor. Hall effect ACS712 merupakan sensor yang presisi sebagai sensor arus AC atau DC dalam pembacaan arus didalam dunia
industri, otomotif, komersil dan sistem-sistem komunikasi.
Sensor ini memiliki pembacaan dengan ketepatan yang tinggi, karena didalamnya terdapat rangkaian low-offset linear Hall dengan satu lintasan yang terbuat dari tembaga.cara kerja sensor ini adalah arus yang dibaca mengalir melalui kabel tembaga yang terdapat didalamnya yang menghasilkan medan magnet yang di tangkap oleh integrated Hall IC dan diubah menjadi tegangan proporsional. Ketelitian dalam pembacaan sensor dioptimalkan dengan cara pemasangan komponen yang ada didalamnya antara penghantar yang menghasilkan medan magnet dengan hall transducer secara berdekatan. Persisnya, tegangan proporsional yang rendah akan menstabilkan Bi CMOS Hall IC yang didalamnya yang telah dibuat untuk ketelitian yang tinggi oleh pabrik.
Gambar 5. Perbandingan tegangan keluaran terahapap arus dari sensor arus ACS712 (Allegro Microsystem,
2006).
Pulse Width Modulation (PWM). Pulse Width Modulation adalah teknik pengaturan ‘perbedaan’
lebar pulsa high dan lebar pulsa low (duty cycle) dalam suatu periode tertentu dan pada output dari mikrokontroler jika dirata-ratakan menghasilkan nilai output tegangan DC tertentu, hal ini seakan- akan menghasilkan output analog (Andrianto dkk, 2016).
Gambar 6. Pulse Width Modulation (PWM) (Andrianto et al., 2016).
Sensor Tegangan. Rangkaian pembagi tegangan biasanya digunakan untuk membuat suatu tegangan referensi dari sumber tegangan yang lebih besar, titik tegangan referensi pada sensor, untuk memberikan bias pada rangkaian penguat atau untuk memberi bias pada komponen aktif.
Rangkaian pembagi tegangan pada dasarnya dapat dibuat dengan 2 buah resistor, contoh rangkaian dasar pembagi tegangan dengan output VOut dari tegangan sumber VIn menggunakan resistor pembagi tegangan R1 dan R2 seperti pada Gambar 7
Gambar 7. Rangkaian dasar pembagi tegangan.
Minimum Sistem Arduino Uno. Board Arduino Uno adalah sebuah board Arduino yang menggunakan IC (Intergrated Circuit) mikrokontroler ATmega328. Board ini memiliki 14 digital input/output (6 buah diantaranya dapat digunakan sebagai output PWM), 6 buah analog input, 1 UARTs (Universal Asynchronous Receiver/Transmitter), osilator kristal 16 MHz, koneksi USB, jack power, soket ICSP (In-Circuit System Programming) dan tombol reset.
Spesifikasi board Arduino Uno dapat dilihat pada Tabel 1 berikut ini.
Tabel 1 Tabel spesifikasi Arduino Uno (Andrianto dkk, 2016).
Mikrokontroler Atmega328
Tegangan Operasional 5V Tegangan Input
(rekomendasi) 7-12V
Tegangan Input (limit) 6-20V PIN Digital I/O
14 (6 buah diantaranya dapat digunakan sebagai output PWM)
PIN Analog Input 6 (A0 s.d A5) Arus DC per Pin I/O 40 mA Arus DC untuk Pin 3.3 V 50 mA
Memori Flash 256 KB, 8 KB digunakan untuk bootloader
SRAM 8 KB
EEPROM 4 KB
Clock Speed 16 MHz
Gambar 8. Arduino Uno (Andrianto dkk, 2016).
Metodelogi Penelitian. Penelitian ini merancang sebuah DC-DC konverter (Buck Converter) dengan tegangan keluaran DC sebesar 3-20 Volt untuk melayani kebutuhan beban DC berdasarkan arus yang mengalir ke beban pada perangkat elektronik yang membutuhkan catu tegangan DC.
Perencanaan Komponen Sistem Yang Diperlukan Dalam Rancang Bangun Buck Converter. Pada perencanaan perancangan penelitian ini meliputi perencanaan sumber dan beban serta komponen perangkat keras yang akan digunakan dalam merancang Buck Converter, seperti : perancangan Buck Converter dengan menentukan parameter sistem (tegangan input, tegangan input minimal dan maksimal, frekuensi Pulse Width Modulation (PWM), arus maksimal, nilai induktor, nilai kapasitor, nilai diode,
ripple arus output
IOUT
, ripple tegangan output
VOUT
, perancangan main board modul Printed
Circuit Board (PCB), perancangan sensor
tegangan dengan menggunakan prinsip dasar
pembagi tegangan, serta men-simulasikan
menggunakan PSIM professional Version
9.0.3.400.
Perancangan Perangkat Keras. Secara umum, diagram blok perencanaan perancangan penelitian perancangan DC-DC konverter (Buck Converter) ditunjukan oleh Gambar gambar 9 dibawah ini.
Gambar 7. Blok diagram perencanaan perancangan buck converter.
Perancangan Buck Converter. Gambar 8 menunjukkan konfigurasi dasar dari sebuah DC- DC konverter dengan parameter sistem tegangan input
VIN
, arus input IIN
, kapasitor input
, kapasitor input CIN
, switch SW
, Dioda D , induktor L ,
kapasitor output COUT
, arus output IOUT
, dan
L ,
kapasitor output COUT
, arus output IOUT
, dan
, arus output IOUT
, dan
tegangan output
VOUT
, setelah menentukan
parameter sistem yang akan digunakan, saklar
terintegrasi dalam rangkaian Buck Converter.
Beberapa konverter memiliki dioda yang diganti dengan saklar kedua yang diintegrasikan ke dalam konverter (konverter sinkron).
Gambar 8. Tahapan daya buck converter (Texas Instrument, 2015).
Perancangan GUI (Graphical User Interface) MATLAB. Hasil pengukuran yang dibaca oleh sensor akan ditampilkan pada komputer secara serial menggunakan GUI (Graphical User Interface) yang dirancang menggunakan software MATLAB R2013, sebelum ditampilkan ke MATLAB, hasil pembacaan sensor akan diolah oleh mikrokontroler Arduino Uno melalui pin Analog to Digital Convertion (ADC) dari pembacaan setiap modul sensor yang terhubung pada pin analog mikrokontroler. Software yang digunakan dalam mengolah hasil pembacaan sensor adalah software IDE Arduino.
Diagram Alir Penelitian. Tahapan demi tahapan yang dilakukan penulis pada saat melakukan penelitian tugas akhir ini. Agar penelitian dilakukan secara baik maka di buat diagram alir
Mulai
Push Button (Start Charge) Menampilkan Tegangan (V) dan
Arus (I) Awal Buck Converter
IF I <= 200mA
OCR1A = OCR1A OCR1A +4
Ya
Tidak
Charging
End Proses Pengecekan Arus Buck
Converter
Gambar 9. Diagram alir perancangan perangkat lunak
HASIL DAN PEMBAHASAN
Pengujian Sistem. Pengujian sistem bertujuan untuk mengetahui apakah sistem dapat bekerja dengan baik sesuai dengan perancangan atau tidak. Proses pengujian dilakukan pada masing masing bagian agar mempermudah dalam menganalisa kesalahan serta memperbaiki untuk kesempurnaannya.
Pengujian Rangkaian Driver MOSFET. Pada pengujian rangkaian driver MOSFET menggunakan sinyal Pulse Width Modulation (PWM) dari mikrokontroler Arduino Uno pin OCR1A (pin 9) mode Fast Pulse Width Modulation (PWM) dengan frekuensi yang dibangkitkan adalah sebesar 30
kHz
, karena tegangan Pulse Width Modulation (PWM) dari mikrokontroler Arduino Uno masih belum mampu untuk memcatu kaki gate MOSFET, maka dirancanglah driver gate MOSFET yang terdiri dari 2 buah Bipolar Junction Transistor (BJT) tipe 2N2222, 2 buah resistor 10 disisi collector, 2 buah resistor 1 disisi basis dengan tegangan input sebesar 24 Volt DC, seperti yang terlihat pada Gambar 10.Gambar 10. Grafik pengujian menggunakan beban baterai murni pada saat tombol start ditekan Pengujian Rangkaian Power Supply. Dari hasil pengukuran menggunakan multimeter digital, dapat dilihat bahwa tegangan keluaran dari IC LM7805 dan IC LM7809 tegangan yang dihasilkan adalah sebesar 5.10 Volt dan 9.02 Volt.
Gambar 11. Skema rangkaian regulator LM7809 dan LM7805
Pengujian Rangkaian Sensor Tegangan.
Pengujian rangkaian sensor tegangan dilakukan dengan cara mengambil data dari nilai keluaran sensor tegangan dengan memberikan tegangan input pada masukan modul sensor tegangan sebesar 0 Volt sampai dengan 25 Volt.Rangkaian sensor tegangan ini menggunakan rangkaian pembagi tegangan, dimana tegangan keluaran dari rangkaian sensor tegangan tidak boleh melebihi tegangan maksimum dari analog to digital convertion (ADC) mikrokontroler (5 Volt DC) yang memiliki resolusi 10 bit (rentang nilai digital 0 - 1023). Rangkaian modul sensor tegangan terdiri dari 2 buah resistor yaitu resistor 1
R1 sebesar
30k
dan resistor 2 R2 sebesar 7.5k
.
k
.Gambar 11. Skema rangkaian modul sensor tegangan Pengujian Rangkaian Sensor Arus. Pengujian rangkaian sensor arus ini bertujuan untuk mengetahui kelinearan dari sensor arus yang digunakan. Pengujian dilakukan dengan cara mengubah-ubah nilai arus, sehingga arus yang
melewati sensor akan berubah-ubah. Skema rangkaian pengujian sensor arus dapat dilihat pada Gambar 12.
Gambar 12. Skema rangkaian pengujian sensor arus ACS712-20A-T
Pengujian Rangkaian Keseluruhan DC-DC Converter (Buck Converter). Dalam melakukan pengujian rangkaian keseluruhan DC-DC Converter (Buck Converter) ini menggunakan beberapa beban untuk mengetahui karakteristik atau kemampuan alat yang telah dirancang, skematik rangkaian pengujian rangkaian keseluruhan DC-DC Converter (Buck Converter) dapat dilihat pada Gambar 10.
Gambar 13. Rangkaian pengujian DC-DC Converter (Buck Converter)
DC Chopper tipe Buck merupakan salah satu jenis dari DC Chopper. Rangkaian elektronika daya ini dapat mengubah tegangan DC pada nilai tertentu menjadi tegangan DC yang lebih rendah. Untuk mendapatkan tegangan yang lebih rendah daripada tegangan masukannya, DC Chopper tipe Buck menggunakan komponen switching untuk mengatur besarnya duty cycle.
Pengujian Menggunakan Beban Baterai Murni 3.7 Volt DC.
Tabel 2. Hasil pengujian menggunakan beban baterai murni 3.7 Volt DC
Beban mAh
V
Out(Volt)
I
Out(Ampere)
Waktu Baterai
Murni 3.7 VDC diparalel
4400 3.97 0.498 7 Jam 58 Menit
Gambar 14. Grafik pengujian menggunakan beban baterai murni pada saat tombol start ditekan Pada gambar 4.14 Tegangan dan arus output Buck Converter ketika dibebani baterai murni 4400 mAh mencapai tegangan dan arus maksimum yang diperlihatkan pada Tabel 4.3, hal ini disebabkan karena nilai register pengendali PWM output compare match (OCR1A) mengalami penambahan lebar duty cycle setiap 1.5 Volt DC, ketika sensor arus mendeteksi arus yang mengalir ke beban lebih besar dari sama dengan 0.200 A.
maka, nilai register pengendali PWM output compare match (OCR1A) akan dipertahankan dengan nilai output compare match (OCR1A) yang baru.
Pengujian Menggunakan Beban Handphone.
Tabel 3. Hasil pengujian menggunakan beban Handphone
Beban mAh
V
Out(Volt)
I
Out(Ampere)
Waktu
Handphone 3100 4.277 0.782
3 Jam 41 Menit
Gambar 15. Grafik pengujian menggunakan beban Handphone pada saat tombol start ditekan.
Pada gambar 4.22 Tegangan dan arus output Buck Converter ketika dibebani Handphone 3100 mAh mencapai tegangan dan arus maksimum yang diperlihatkan pada Tabel 4.5, hal ini disebabkan karena nilai register pengendali PWM output compare match (OCR1A) mengalami penambahan lebar duty cycle setiap 1.5 Volt DC, ketika sensor arus mendeteksi arus yang mengalir ke beban lebih besar dari sama dengan 0.200 A.
maka, nilai register pengendali PWM output compare match (OCR1A) akan dipertahankan dengan nilai output compare match (OCR1A) yang baru
PENUTUP
Kesimpulan. Berdasarkan pengujian dan analisa yang telah dilakukan pada Penelitian ini, dapat diambil beberapa kesimpulan sebagai berikut:
1. Kinerja sistem Buck Converter pada penelitian ini dengan melakukan pengujian dengan empat beban baterai lithium ion yang besar nilai mAh nya berbeda-beda, yang dimana pengujian dengan baterai murni 4400 mAh selama 7 Jam 58 Menit, pengujian dengan power bank 7800 mAh selama 7 Jam 48 Menit, pengujian dengan beban handphone 3100 mAh selama 3 Jam 41 Menit, dan pengujian menggunakan beban laptop 4400 mAh selama 3 Jam 57 Menit. Perbedaan lama waktu pengisian dari setiap beban dipengaruhi oleh besarnya nilai mAh dari setiap beban tersebut.
2. Dalam perancangan ini mempertahankan nilai arus yang mengalir ke beban dengan metode increment (penambahan lebar duty cycle),
dimana pada saat arus melebehi 0.2 A penambahan lebar duty cycle akan diberhentikan pada nilai duty cycle yang baru.
Dari hasil pengujian yang telah dilakukan, setiap beban menghasilkan arus yang berbeda-beda, hal ini dipengaruhi oleh beberapa faktor, seperti perbedaan nilai mAh pada setiap baterai, tegangan baterai dan juga rangkaian dalam dari perangkat elektronik yang akan dicas (charging).
3. Perancangan induktor dilakukan dengan cara menggunakan bahan inti ferit berwarna kuning dengan dimater luar sebesar 2.7 cm dengan jari jari dalam sebesar 0.7 cm, dengan jumlah lilitan sebanyak 6 lilitan yang dirancang menggunakan kawat tembaga 1.5 mm.
pengukuran nilai Henry induktor menggunakan ESR meter digital. Sehingga diperoleh nilai induktasi induktor (L) sebesar 18µH.
Saran.
Dalam pengerjaan dan penyelesaian tugas akhir ini tentu tidak lepas dari berbagai macam kekurangan dan kelemahan, baik pada sistem maupun pada peralatan yang telah dirancang. Untuk memperbaiki kekurangan tersebut, maka perlu dilakukan hal-hal sebagai berikut :
1. Pemilihan bahan inti ferit pada perancangan induktor disesuaikan, agar menghasilkan nilai induktor yang sesaui dengan harapan.
2. Pemilihan sensor arus yang pembacaannya relatif stabil.
3.
Agar kedepannya Buck Converter dirancang bersifat statis.
.
DAFTAR PUSTAKA
Allegro MicroSystem, 2006, Fully Intergrated, Hall Effect-Based Linear Current Sensor IC with 2.1 kVRMS and a Low-Resistance Current Conductor, U.S.A, tersedia di http://henrysbench.capnfatz.com/henrys- bench/arduino-current-measurements/the- acs712-current-sensor-with-an-arduino/, diakses 12-07-2017.
Andrianto, H., dan Darmawan, A., 2016, Arduino Belajar Cepat dan Pemrograman, Informatika, Bandung.
Taufik., 2008, Practical Design Of Buck Converter, PECON, Electrical Engineering Departement, California Polytechnic University, USA.
Texas Instruments, 2015, Basic Calculation of a Buck Converter’s Power Stage, tersedia di http://www.ti.com/general/docs/lit/getliterature.t sp?baseLiteratureNumber=SLVA157, diakses 14-07-2017.
