View of Rancang Bangun Osilator Gelombang Kotak untuk Sistem Pensaklaran Catu Daya Digital

(1)

198| Universitas Multi Data Palembang

RANCANG BANGUN OSILATOR GELOMBANG KOTAK UNTUK SISTEM PENSAKLARAN CATU DAYA DIGITAL

Wahyu Nabila^1*), I. Gusti Lanang Dwitya Putra², Ahmad Fahri Ramadhani³, Belen Septian⁴

1,2,3,4

Teknik Elektro, Fakultas Ilmu Komputer dan Rekayasa, Universitas Multi Data Palembang

1[email protected], ²[email protected],

3[email protected], ⁴[email protected]

Kata kunci:

catu daya digital; NE555;

osilator

Abstract: In the electronic circuits, a power supply that has an efficient output is essential. Thus, it is necessary to design an optimal power supply, namely a digital power supply. One of the main parts of a digital power supply is the control circuit.

The control circuit is a switching circuit that requires a digital input from an oscillator and produces a square wave by utilizing the NE555 integrated circuit. In this research, the design of the NE555 oscillator uses an astable operation mode in which the frequency value determines the periodic square wave. The experiments were conducted at a frequency of 20-40 kHz, resulting in an average duty cycle of 50.01%. According to these results, it was concluded that this oscillator design could be used for digital power supply switching systems.

Abstrak: Dalam rangkaian elektronika diperlukan catu daya yang memiliki keluaran yang efisien. Oleh karena itu, diperlukan catu daya yang optimal yaitu berupa catu daya digital. Salah satu bagian utama catu daya digital yaitu rangkaian pengendali. Rangkaian pengendali merupakan rangkaian pensaklaran yang memerlukan masukan digital dari osilator dan menghasilkan gelombang kotak dengan memanfaatkan sirkuit terpadu NE555. Pada penelitian ini, dirancang osilator menggunakan NE555 dengan mode operasi astable sehingga gelombang kotak periodiknya dapat ditentukan oleh nilai frekuensi. Pengujian dilakukan pada frekuensi 20-40 kHz, dan menghasilkan rata-rata siklus kerja 50,01%. Berdasarkan hasil tersebut, disimpulkan bahwa rancangan osilator ini dapat digunakan untuk sistem pensaklaran catu daya digital.

Nabila dkk. (2023). Rancang Bangun Osilator Gelombang Kotak untuk Sistem Pensaklaran Catu Daya Digital. MDP Student Conference 2023.

PENDAHULUAN

Bagian yang sangat penting dalam suatu rangkaian elektronika adalah catu daya. Catu daya merupakan perangkat elektronika yang mencatu atau menyediakan daya pada berbagai rangkaian elektronika seperti rangkaian mikrokontroler, optocoupler, penguat, penyaring, pembangkit, dan rangkaian lainnya.

Dengan banyaknya rangkaian yang membutuhkan catu daya, perancangannya harus dilakukan secara optimal agar dihasilkan keluaran yang efisien.

Umumnya, ada dua catu daya yang digunakan yaitu catu daya digital dan analog. Catu daya analog memiliki beberapa kelemahan, yaitu kestabilannya yang kurang baik dan konsumsi daya yang besar. Dengan perkembangan teknologi digital, perangkat catu daya yang menggunakan teknologi kendali digital bermunculan [1]. Catu daya digital terdiri atas tiga bagian utama, yaitu jaringan pembangkit tegangan acuan, komponen elektronika, dan rangkaian pengendali [2]. Rangkaian pengendali merupakan rangkaian pensaklaran yang memerlukan masukan digital dari osilator dan menghasilkan gelombang kotak. Gelombang kotak memiliki dua keadaan yaitu ON dan OFF, yang dapat digunakan sebagai pensaklaran transistor.

(2)

Universitas Multi Data Palembang | 199 Ada beberapa penelitian yang dilakukan untuk merancang catu daya digital di antaranya catu daya digital yang menggunakan mikrokontroler [3], catu daya digital topologi flyback [4], dan catu daya topologi flyback yang dikombinasikan dengan mikrokontroler [5]. Catu daya digital menggunakan mikrokontroler sebagai pengendali transistor dirancang beroperasi pada frekuensi 20 kHz dan menghasilkan efisiensi catu daya sebesar 80,74% [3]. Penelitian catu daya digital topologi flyback, dirancang beroperasi pada rentang frekuensi 24 kHz – 65 kHz, menunjukkan bahwa frekuensi kerja yang yang terlalu tinggi dapat mengganggu kinerja transistor pada saat saturasi [4]. Sedangkan, penelitian catu daya digital topologi flyback yang dikombinasikan dengan mikrokontroler sebagai pengendali MOSFET beroperasi pada frekuensi konstan 30 kHz dan mampu menghasilkan efisiensi sebesar 77%.

Pada catu daya digital jenis switching mode power supply (SMPS), pengaturan frekuensi memiliki peran penting untuk mengatur pensaklaran transistor. Hal ini disebabkan frekuensi kerja yang terlalu tinggi dapat mengganggu kinerja transistor, dan sebaliknya, frekuensi yang terlalu rendah akan menghasilkan ripple yang besar pada tegangan keluaran [6]. Berdasarkan dari permasalahan di atas, diusulkan rancangan rangkaian osilator yang beroperasi dengan mode astable. Rancangan rangkaian osilator ini menghasilkan gelombang kotak yang beroperasi pada frekuensi 20 kHz – 40 kHz dan memanfaatkan sirkuit terpadu NE555 sebagai rangkaian timer untuk beroperasi secara astable. Penelitian ini tidak membahas perancangan catu daya digital secara menyeluruh, tetapi berfokus pada sistem pensaklarannya.

METODE

Pada bagian ini akan dibahas mengenai teknik perancangan osilator gelombang kotak menggunakan sirkuit terpadu NE555 serta pengaturan gelombang keluaran menggunakan mode operasi astable. Untuk mendapatkan gelombang kotak yang ideal, diterapkan beberapa nilai frekuensi yang didapat dari perubahan nilai resistor dan kapasitor. Pada mode ini, sirkuit terpadu NE555 dibuat untuk bekerja pada mode astable dengan penambahan tiga komponen eksternal yaitu dua resistor ( dan ) dan kapasitor ().

Skematik Rangkaian Osilator dengan Sirkuit Terpadu NE555

Pada penelitian ini, rangkaian osilator gelombang kotak dirancang menggunakan sirkuit terpadu NE555 yang terdiri dari 3 bagian utama yang meliputi, comparator, timer, dan output seperti yang ditampilkan pada Gambar 1. Terdapat dua rangkaian pembanding tegangan yang bekerja secara membalik dan tak membalik. Kedua rangkaian ini terdiri dari dua penguat operasional yang berfungsi untuk membandingkan dua level tegangan masukan [6] [7]. Kemudian, keluaran dua pembanding tegangan ini terhubung ke SR Flip-Flop. Rangkaian penyimpan ini bertujuan untuk memproses level digital yang dihasilkan oleh pembagi tegangan. Pada saat dicatu high dan dicatu low, keluaran yang dihasilkan oleh terminal adalah high. Selanjutnya, keluaran membalik dari dihubungkan ke NPN transistor sebagai tegangan bias transistor. Transistor inilah yang akan mengendalikan masukan pembanding tegangan.

Terminal keluaran terhubung ke gerbang NOT, sehingga sinyal keluaran yang dihasilkan sama dengan terminal . Pada penelitian ini, sirkuit terpadu NE555 dirancang untuk dapat beroperasi secara astable seperti yang ditampilkan pada Gambar 2.

(3)

200 | Universitas Multi Data Palembang

Gambar 1. Blok Diagram Fungsional Sirkuit Terpadu NE555

Gambar 2. Skematik Rangkaian Osilator dengan Mode Astable

Mode Operasi Astable

Operasi astable atau disebut free running multivibrator merupakan timer yang tidak stabil dan terus beralih antara dua bagian yang stabil tanpa penerapan pemicu eksternal. Pada mode astable, osilator menghasilkan gelombang kotak periodik yang ditentukan oleh nilai frekuensi [8]. Nilai frekuensi ditentukan oleh tiga komponen pasif , , dan dan dapat dihitung dengan menggunakan persamaan (1).

Nilai ini berbanding terbalik dengan periode.

, (1) Lebar pulsa adalah total periode sinyal ON dan OFF dalam suatu waktu [9]. Jika kondisi lebar pulsa tetap maka efisiensi catu daya digital tetap terjaga [4] [10]. Lebar pulsa gelombang kotak dapat diatur dengan mengubah nilai duty cycle . adalah waktu ketika sinyal pada kondisi ON dalam satu periode dan dapat dinyatakan sebagai rasio antara periode ON dengan periode OFF. Nilai dihitung menggunakan persamaan (2).

(2)

(4)

Universitas Multi Data Palembang | 201 Pada mode operasi astable, lebar pulsa (PWM) dapat diatur dengan mengubah rasio periode [9].

Sinyal PWM aktif biasanya memiliki amplitudo tetap dan frekuensi dasar, tetapi lebar pulsa bervariasi.

Besaran PWM ini sebanding dengan amplitudo sinyal asli yang tidak dimodulasi dan memiliki siklus kerja antara 0%-100%.

HASILDANPEMBAHASAN

Pada penelitian ini, rangkaian pensaklaran dengan osilator gelombang kotak dirancang untuk dapat beroperasi pada frekuensi kerja 20-40 kHz seperti yang ditampilkan pada Gambar 3. Nilai komponen yang dibutuhkan dapat ditentukan dengan menggunakan persamaan (1).

Gambar 3. Skematik Rangkaian Osilator

Pada mode astable, sirkuit terpadu NE555 dapat menghasilkan sinyal periodik tanpa memerlukan sinyal modulasi. Hasil keluaran rangkaian osilator tersebut berupa gelombang kotak seperti yang ditampilkan pada Gambar 4. Idealnya, amplitudo maksimal yang dihasilkan osilator bernilai sama dengan tegangan masukan. Namun, pada keadaan sebenarnya gelombang kotak akan terpotong sebesar 1/3 dari tegangan masukan. Pada frekuensi 40 kHz, dapat diamati bahwa periode total sebesar 25 µs yang tiap-tiap periodenya bernilai 12,5 µs. Lebih lanjut, frekuensi osilator dapat diatur pada rentang 20-40 kHz dengan mengubah nilai resistor dan atau seperti yang ditampilkan pada Gambar 5.

Gambar 4. Sinyal Keluaran pada Frekuensi 40 kHz

(5)

Nilai frekuensi berbanding terbalik dengan nilai resistor dan . Frekuensi bernilai 20 kHz ketika bernilai 72 kΩ dan naik menjadi 40 kHz ketika bernilai 36 kΩ. Di sisi lain, frekuensi bernilai 20 kHz ketika bernilai 36 kΩ dan naik menjadi 40 kHz ketika bernilai 18 kΩ. Lebih lanjut, perubahan nilai frekuensi tidak mempengaruhi nilai .

Gambar 5. Hubungan Frekuensi Terhadap Resistor dan

Perubahan nilai resistor dan hanya mempengaruhi frekuensi yang dihasilkan osilator. Apabila nilai dan disubstitusi ke dalam persamaan (2), maka nilai hanya akan mengalami perubahan dalam skala 0,01 dengan nilai rata-rata sebesar 50,01% yang ditunjukkan oleh Gambar 6.

(6)

Universitas Multi Data Palembang | 203 Gambar 6. Hubungan Frekuensi Terhadap Duty Cycle ()

Gambar 7. Perbandingan Resistansi, Duty Cycle, dan Frekuensi (A) Hubungan Rasio Resistansi dan Duty Cycle. (B) Hubungan Rasio Resistansi dan Frekuensi

(7)

Gambar 7.a menampilkan grafik hubungan antara perubahan nilai rasio resistansi dan terhadap . Nilai rasio resistansi berbanding lurus dengan nilai sehingga apabila nilai rasio resistansi dinaikkan maka nilai akan ikut naik. Akan tetapi, perubahan nilai akan menyebabkan trade-off terhadap nilai frekuensi. Pada gambar 7.b, menunjukkan jika nilai rasio resistansi dan turun maka nilai frekuensinya akan meningkat. Akan tetapi, apabila rasio resistansi tersebut digunakan, maka nilai frekuensi tidak mencapai 40 kHz. Dengan demikian, nilai resistansi dan tidak dapat ditentukan dengan rasio seperti pada Gambar 7.b.

SIMPULAN

Frekuensi memiliki peran penting sebagai pensaklaran transitor dalam catu daya digital. Kinerja transistor akan terganggu apabila diberikan frekuensi yang terlalu tinggi. Sebaliknya, frekuensi yang terlalu rendah menyebabkan ripple yang besar pada tegangan keluaran. Oleh sebab itu, dirancang osilator gelombang kotak yang dapat beroperasi pada frekuensi kerja 20-40 kHz. Pada rentang frekuensi ini, rata-rata siklus kerja gelombang kotak adalah 50,01%. Hasil ini menunjukkan bahwa rancangan ini dapat digunakan untuk sistem pensaklaran catu daya digital. Akan tetapi, rancangan ini memiliki kelemahan, yaitu memerlukan tegangan masukan minimal sebesar 4,5 Volt. Pada penelitian selanjutnya, tegangan masukan diharapkan dapat dikurangi sebesar 50% dan diintegrasikan dengan sistem kontrol cerdas.

DAFTARPUSTAKA

[1] C. R. and A. A. Hutasuhut, "Analisa Perbandingan Switch Mode Power Supply dan Transformasi Linear pada Audio Amplifier," Jurnal Ilmiah Pendidikan Teknik Elektro, pp. 93-102, 2017.

[2] W. Yan, Y. Wang, Z. Wang, Y. Jin and G. Shi, "The design of Power Amplifier Switch Mode Power Supply for Handset Applications," in The 5th Annual IEEE International Conference on Cyber Technology in Automation, Control and Intelligent Systems, Shenyang, 2015.

[3] A. S. Samosir, A. Haris and N. I. Tohir, "Rancang Bangun Catu Daya Digital Menggunakan Buck Converter Berbasis Mikrokontroler Arduino," ELECTRICIAN – Jurnal Rekayasa dan Teknologi Elektro, pp. 44-52, 2017.

[4] W. M. Md., A. z. Alam and D. A. Rahman, "Improvement of Active Power Factor Correction Circuit for Switch Mode Power Supply Using Fly Back and Boost Topology," in 2018 7th International Conference on Computer and Communication Engineering (ICCCE), Kuala Lumpur, 2018.

[5] I. M. Fitriani, "Kinerja Topologi Flyback pada SMPS(Switch Mode Power Supply)," JUPITER (Jurnal Pendidikan Teknik Elektro) , pp. 31-43, 2020.

[6] F. Farhan and B. Sujanarko, "Pengaruh Frekuensi dan Duty Cycle pada Ripple Tegangan Buck Converter," Dielektrika, pp. 51-61, 2022.

[7] M. M. Abrar, "Design and Implementation of Astable Multivibrator using 555 Timer," IOSR Journal of Electrical and Electronics Engineering (, pp. 22-29, 2017.

[8] H. Royal, "Understanding of IC555 Timer and IC555 Timer Tester," International Journal of Inventive Engineering and Sciences (IJIES), pp. 4-6, 2015.

(8)

Universitas Multi Data Palembang | 205 [9] A. Malvino and D. Bates, Electronic Principles, New York: McGraw-Hill Education, 2015.

[10] M. C. Taneri, N. Genc and A. Mamizadeh, "Analyzing and Comparing of Variable and Constant Switching Frequency Flyback DC-DC Converter," in The 4th International Conference on Power Electronics and their Applications (ICPEA), Elazig, 2019.