Bahan pengantar kuliah tentang buck converter

Sebelum melihat lebih jauh dan melatih simulasi rangkaian untuk buck converter, sebaiknya terlebih dahulu melihat kembali post tentang simulasi untuk linear step-down. Dari post tersebut dapat diperoleh gambaran kemungkinan mengapa para pendahulu memikiran alternatif lain dari regulator linier yaitu regulator non-linier seperti buck converter.

Kemudian dilanjutkan dengan melihat kembali artikel mengenai penyakelaran pada sistem DC. Hal ini berguna untuk melihat rekonstruksi rangkaian evolusi dari sakelar ideal, BJT dan MOSFET. Dalam artikel itu bisa dilihat contoh dasar low-side swithing dengan NPN maupun N-MOSFET, dan high-side switching dengan PNP maupun P-MOSFET.

Setelah itu, dapat dilanjutkan dengan meninjau kembali sejenak tentang prinsip dasar bagaimana mempergunakan MOSFET sebagai sakelar elektronik. Di sana dapat dilihat kembali bagaimana cara MOSFET dioperasikan antara dua keadaan yaitu cut-off dan triode (ohmic).

MENURUNKAN TEGANGAN DENGAN BJT

Sebelum masuk ke penurun tegangan yang mempergunakan rangkaian tidak linier (on-off) kita akan melihat kembali rangkaian penurun tegangan linier, kali ini dengan mempergunakan BJT NPN.

Gambar 1.

Gambar 2.

Dapat dilihat bahwa dengan mempergunakan BJT pada rentang operasi linier, kita dapat menurunkan tegangan dari level catu daya ke level yang kita perlukan pada beban. Efisiensi untuk sistem ini berada pada kisaran 55,9 %. Transistor NPN mengeluarkan daya kira-kira sebesar 1,9 Watt berupa panas.

SIMULASI BUCK CONVERTER DENGAN LTSPICE

Gambar 3.

Gambar 4.

Perhitungan untuk mencari nilai average dan RMS dapat mengacu dan mengikuti contoh pada halaman di situs pada link ini.

Gambar 5. Topologi dasar buck converter (sumber: SLVA477B)

Gambar 6. Topologi dengan komponen dan pengendali MOSFET yang lebih realistis
(sumber: SLVA057)

Gambar 7. Simulasi rangkaian tanpa induktor dan diode

Gambar 8.

Gambar 9.

Gambar 10.

Gambar 11.

Gambar 12.

Gambar 13.

Gambar 14.

Gambar 15.

CONTOH KONFIGURASI RANGKAIAN BUCK CONVERTER

Gambar 16. (Sumber: microcontrollerslab.com)

Gambar 17. (Sumber: AVR Tiny Buck Converter)

Gambar 18. (Sumber: KD1JV on boost and buck converters implemented with an ATtiny13V)

Gambar 19.

Gambar 20. (Sumber: Arduino-based Switching Voltage Regulators)

SUMBER BELAJAR UTAMA:

Buck Converter Design Example
Basic Calculation of a Buck Converter’s Power Stage, SLVA477B
Buck Converter Basics

SUMBER PEMBANDING:

KOMPONEN:

Buck DC/DC Converters

Simulasi linear step-down

Apa yang perlu dilakukan jika, misalnya, kita memiliki catu daya 9 V (DC) sementara kita membutuhkan tegangan 5 V (DC)?

Cara yang paling mudah adalah dengan menggunakan pembagi tegangan dengan resistor. Misalkan beban berupa resistor 10 Ω, sehingga dengan beda potensial sebesar 5 V akan memerlukan arus sebesar 500 mA.

Gambar 1.

Gambar 2. Pembagi tegangan dengan resistor

Gambar 3. Pemeriksaan rancangan dengan perhitungan

Pada Gambar 1 dapat dilihat bahwa meskipun rancangan ini memberikan nilai yang mendekati nilai sasaran awal (5 V, 500 mA) namun efisiensinya masih sangat rendah. Tidak sampai 8,538 % daya yang dipakai oleh rangkaian benar-benar dipakai oleh resistor beban R_load. Pada Gambar 2 terlihat bahwa dari 3.302 A arus yang ditarik dari sumber, sebenarnya hanya 500 mA yang benar-benar mengalir ke beban. Demikian pula diperlihatkan bahwa dari total disipasi daya sebesar 29,72 W hanya 2,537 W saja daya yang dipergunakan oleh beban.

Selain masalah efisiensi daya, ada masalah lain yang dalam gambar-gambar di atas tidak diperlihatkan, yaitu risiko apabila nilai tegangan pada sumber berubah-ubah. Masalah lain (yang juga berlaku sama untuk semua sistem untai terbuka atau “open loop“) adalah jika arus beban berubah nilainya. Dengan kata lain penggunaan daya oleh beban meningkat.

Alternatif sederhana lainnya yang dapat dipergunakan adalah dengan mempergunakan zener.

Gambar 4. Perhitungan dasar zener dengan bantuan aplikasi Android

Gambar 5. Simulasi rangkaian dasar zener

Gambar 6. Simulasi perubahan tegangan sumber

Dari Gambar 5 kita bisa melihat perbaikan efisiensi daya, sekitar 52,88 % daya dipergunakan oleh beban, jauh lebih baik daripada yang ditunjukkan pada Gambar 1 sebesar 8,538 %. Gambar 6 memberikan informasi hasil simulasi perubahan pada tegangan sumber. Sebagai regulator yang paling sederhana, zener dapat membantu mengurangi efek dari variasi pada sumber maupun beban. Tentu saja kemampuan ini terbatas pada rentang tertentu.

Gambar 7. Regulasi tegangan menggunakan LM7805

Gambar 8. Hasil simulasi perubahan sumber dan beban pada sistem dengan regulator LM7805

Gambar 9. Detail hasil simulasi pengaruh variasi sumber dan beban

Gambar 10. Rata-rata disipasi daya

Sebagaimana terlihat dari Gambar 7 sampai Gambar 9, penggunaan regulator tegangan linear seperti LM7805 mampu membantu sistem untuk mengatasi pengaruh perubahan sumber dan beban. Pada simulasi tersebut sengaja kapasitor pada input dan output tidak dipasang, dengan demikian kerja tunggal voltage regulator dapat lebih terlihat. Pada penggunaan yang sesungguhnya, sebaiknya kapasitor masukan dan keluaran benar-benar dipergunakan.

Dari informasi pada Gambar 10, dapat diperkirakan bahwa disipasi daya oleh beban sekitar 55,12 %. Disipasi daya oleh LM7805 sendiri dalam simulasi sekitar 2,03 Watt, daya ini diwujudkan dalam bentuk panas oleh komponen.

Komponen voltage regulator semacam LM7805 maupun yang bertipe LDO sudah sangat lazim dipergunakan. Tipe regulator ini mudah untuk dirancang ke dalam sistem dan mudah untuk diwujudkan dalam bentuk rangkaian fisik. Hanya saja tipe linear ini secara umum masih kalah dari tipe non-linier (SMPS; switched mode power supply) dalam hal efisiensi penggunaan energi (daya). Bahasan tentang bagian dari SMPS akan dilanjutkan pada post di lain waktu.

BZX384-Series (PDF)
BZX585_SERIES (PDF)

Simulasi sakelar untuk sistem DC

Pada tulisan sebelumnya, telah saya coba ungkapkan simulasi sakelar untuk sistem AC (alternating current). Dari konfigurasi tersebut dapat dikembangkan dasar pemahaman untuk operasi TRIAC maupun SCR (tunggal maupun anti-parallel).

Kali ini saya akan menampilkan dasar penyakelaran dalam bentuk yang mendekati ideal sebagai dasar untuk pemahaman operasi transistor BJT maupun MOSFET. Terutama sebagai persiapan untuk penyakelaran pada catu daya (SMPS), misalnya pada aplikasi buck converter.

Dikarenakan keterbatasan waktu pada kesempatan ini saya terutama akan menampilkan beberapa screenshot. Seiring waktu post ini akan diperbaharui dan dilengkapi.

Gambar 1.

Gambar 2.

Gambar 3. Hasil simulasi Gambar 2. untuk mencari nilai Average dan RMS

Gambar 4. Sakelar elektronik berupa BJT TIP3055

Gambar 5.

Gambar 6.

Gambar 7. High side switching dengan TIP2955

Gambar 8. High side switching dengan IRF9540N

Gambar 9. Hasil simulasi high side switching dengan IRF9540N

Sakelar, sebuah titik mula [updated]

Tulisan ini adalah tulisan yang diperbaharui dari tulisan sebelumnya pada blog lama,
pikirsa.wordpress.com.

In the beginning there was a switch.

Di elektronika, AFAIK (As Far As I Know) komponen yang sering menjadi maskot adalah resistor. Dari tiga komponen pasif dasar, RLC (memristor masih belum dijumpai secara massal), R adalah rajanya. Tetapi di elektronika daya (power electronics), sering dilupakan bahwa sebenarnya sakelar justru menjadi sangat penting sebagai dasar untuk memahami komponen aktif yang lebih lebih kompleks.

Sakelar adalah dasar yang sederhana untuk memahami diode. Diode menjadi sangat penting untuk memahami DIAC maupun SCR. SCR menjadi dasar untuk memahami TRIAC. Begitulah “jalannya”, selangkah demi selangkah berurutan. Sayangnya seperti yang saya kemukakan dalam tulisan sebelumnya. Sistematis itu sering tidak diminati, dianggap bertele-tele padahal untuk banyak hal dalam sains (science) dan teknik (enginering) tidak sistematis itu sangat berbahaya dan terbukti sering mencelakakan. Kalaupun jalan pintas (short-cut) untuk sesaat tampak “menghasilkan” dengan cara yang menyenangkan, tapi jangka panjang (dan bahkan menengah) sering terbukti lebih banyak merugikan daripada menguntungkan.

Ini terutama penting bagi siswa dan mahasiswa, mereka yang sedang membangun dan membentuk dasar-dasar dan kerangka pemahaman yang baik dan benar. Jalan pintas itu bisa diambil terutama jika kita sudah punya dasar pemahaman. Misalnya, di sistem Android ada beberapa aplikasi elektronika yang memudahkan perhitungan.Kita tinggal memasukkan input tanpa perlu mengutak-atik persamaan secara manual. Tapi tanpa berusaha untuk memahami dasarnya, fasilitas bantuan ini sebenarnya justru mencelakakan.

Nah setelah yakin bahwa belajar dengan sistematis adalah jalan yang terbaik, setidaknya dalam pengertian urut komponen, maka kita bisa memulai bahasan mengenai sakelar.

Menurut KBBI, definisi sakelar adalah:
sa·ke·lar n penghubung dan pemutus aliran listrik (untuk menghidupkan atau mematikan lampu)

Sedangkan menurut Oxford Dictionary of English, definisi switch (sakelar) adalah:
a device for making and breaking the connection in an electric circuit.

Menurut IEEE definisi sakelar (switch) lebih diperinci sebagai berikut:

(4) (electric and electronics parts and equipment) A device for making, breaking, or changing the connections in an electric circuit. Note: a switch may be operated by manual, mechanical, hydraulic, thermal, barometric, or gravitational means, or by electromechanical means not falling within the definition of “relay.”

Sedangkan definisi relay, masih menurut IEEE adalah:

(1) (general) An electric device designed to respond to input conditions in a prescribed manner and, after specified conditions are met, to cause contact operation or similar abrupt change in associated electric control circuits.
Notes:
1. Inputs are usually electrical, but may be mechanical, thermal, or other quantities, or a combination of quantities. Limit switches and similar simple devices are not relays. 2. A relay may consist of several relay units, each responsive to a specified input, with the combination of units providing the desired overall performance characteristic(s) of the relay.

(2) (electric and electronics parts and equipment) An electrically controlled, usually two-state, device that opens and closes electrical contacts to effect the operation of other devices in the same or another electric circuit.
Notes: 1. A relay is a device in which a portion of one or more sets of electrical contacts is moved by an armature and its associated operating coil. 2. This concept is extended to include assembled reed relays in which the armature may act as a contact. See also: switch.

Sakelar [sumber: Wikipedia.org]

Sakelar pushbutton [sumber: Wikipedia.org]

Dengan demikian secara sederhana sebuah saklar adalah sebuah pemutus atau penyambung. Bahkan sebuah kabel “jumper” dapat dipergunakan untuk menggantikan komponen sakelar yang sesungguhnya. Kemampuan daya hantar arus lalu bergantung pada bahan dan penampangnya.

Sebuah komponen switch ideal memiliki nilai tahanan sama dengan nol, sehingga jika dialiri arus maka tidak ada jatuh tegangan di antara kaki-kakinya. Tapi tentu saja komponen yang ideal seperti itu belumlah ada. Yang ada adalah sakelar yang nilai tahanannya amat kecil, dan untuk banyak keperluan dapat diabaikan. AFAIK, kita masih menunggu superkonduktor suhu kamar diproduksi massal dan berharga lebih terjangkau 🙂 .

Pada gambar berikut, diperlihatkan sebuah rangkaian sederhana dengan sebuah sumber tegangan dan dua resistor, tanpa sakelar. Sekali terhubung dengan catu daya arus akan terus mengalir melewati kedua resistor sampai catu dayanya kehabisan energi (semisal cell atau baterai) atau dilepaskan dari hubungan ke rangkaian.

Gambar berikut di bawah ini adalah contoh sederhana rangkaian pada gambar di atas yang telah diberi sakelar (switch). Pada pembahasan ini sakelar dimaknai secara sederhana sebagai penyambung dan pemutus pada rangkaian elektronik. Dalam simulasi dengan LTspice berikut, sebagai pengganti tangan manusia atau suatu sistem mekanis lainnya maka dipergunakan sumber sinyal (signal generator). Amplitudo dan frekuensi dari generator sinyal (sumber tegangan) akan mengendalikan kerja sakelar (switch).

Sedangkan gambar di bawah ini adalah waveform (gelombang) hasil percobaan rangkaian di atas.

Catu daya untuk rangkaian ini berupa tegangan DC yang stabil sebesar 12 Volt, asumsinya untuk simulasi ini sumber tegangan merupakan sumber tegangan ideal tanpa tahanan dalam.

Sakelar “Switch01” dikendalikan dengan menggunakan V(tegcontrol) dengan pengaturan sebagai berikut.

Sakelar “Switch01” yang dikendalikan “V(tegcontrol)” akan memutus dan menyambung rangkaian sederhana yang berisi resistor dan catu daya. Sebagai akibatnya, apakah ada arus yang mengalir untuk tiap saat (waktu) tertentu ditentukan oleh kondisi apakah pada saat itu sakelar sedang dalam kondisi tertutup (menyambung) atau terbuka (putus). Kondisi ini tergambar dalam bentuk gelombang pada I(S1) yaitu arus yang melintasi resistor dan sakelar. Juga bentuk gelombang tegangan pada V(nd1).

Bentuk gelombang I(S1) dan V(nd1) yang saling berkebalikan merupakan ciri khas dari sebuah sakelar, terutama sakelar yang mendekati karakteristik sebuah sakelar ideal. Pada kenyataannya selain adanya nilai tahanan yang lebih besar dari nol, juga diperlukan wantu gelombang dan arus untuk mencapai nilai steady-nya. Ada selang waktu yang selalu diperlukan untuk naik (rise) dan turun (fall). Untuk sakelar elektronis tegangan dan arus tidak mungkin begitu saja untuk berpindah dari satu nilai ke nilai lain tanpa selang waktu sedikit pun, baik dalam orde picodetik, nanodetik, mikrodetik maupun milidetik.

Jika pada simulasi di atas menggunakan catu daya D.C. maka bagaimana untuk simulasi dengan catu daya A.C.? Bagaimanakah bentuk gelombang keluarannya?

Bisa ditebak, setiap kali sakelar menutup maka arus akan mengalir, dan tegangan di terminal akan “hilang” (kondisi hubung pendek) sebagai berikut. V(n002) adalah tegangan di node n002 yang terletak antara switch dan R2.

Tahap berikutnya adalah tahap kita mulai “meniru” bagaimana gelombang dihasilkan oleh SCR. Bedanya kali ini saklar akan terhubung (on) sebelum off, sedangkan pada aplikasi SCR di elektronika daya (power electronics), SCR biasanya akan terlebih dahulu dalam kondisi off sebelum diaktifkan (on). Waktu penyalaan ini biasanya dikaitkan dengan sudut, dan dinamakan sudut penyalaan (firing angle). Ada juga istilah conduction angle yang merupakan (180 - firing angle) atau dalam radian (π - firing angle).

karya: Harley H. Hartman (Googling: Wolfram Alpha Hartman)

Berikut adalah gambar rangkaian sakelar yang dikonfigurasikan untuk “meniru” kerja SCR. Dengan urutan hidup-mati yang berkebalikan dari kerja SCR. Waktu hidup (lebar pulsa) selama 1 mS dan dinyalakan tanpa delay dari 0 mS.

Berikut adalah gambar gelombang keluarannya.

Eksperimen berikut menggambarkan perbedaan antara simulasi switch dengan SCR. Pada SCR (juga TRIAC) sekali gate terpicu dan batas latching terlampaui maka thyristor akan terus dalam kondisi on walaupun sinyal picu di gate sudah dihilangkan (dimatikan, off), sampai principal current nilainya turun di bawah nilai ambang holding current. Sedangkan pada switch hidup-mati, sambung-putus dapat dilakukan kapanpun. Untuk menunjukkan efeknya maka dipergunakan tunda nyala (delay) sebesar 4 mS. Komutasi untuk SCR tidak semudah ini, apalagi jika sumber catu daya adalah catu daya D.C.

Gelombang hasil simulasi.

Simulasi berikut dilakukan untuk mendekati hasil ideal yang bisa didapatkan pada percobaan dengan SCR. Kali ini sudut penyalaan, firing angle sengaja dipilih pada sudut 90°. Melalui simulasi ini diharapkan nantinya saat melakukan simulasi dan percobaan pada SCR maka kita sudah bisa menduga/menebak apa yang seharusnya kita dapatkan. Jika hasilnya tidak sama maka kita bisa segera menduga ada yang salah atau setidaknya ada yang jauh menyimpang.

Rangkaian berikut menggunakan delay sebesar 5 mS dari 0 mS. Waktu hidup sinyal sebesar 5 mS dengan periode sebesar 20 mS.

Berikut hasil simulasi, penyulutan tepat pada sudut 90° dan off pada 180°. Dapat dilihat bahwa tegangan pada node nd1 “terpotong” pada saat sakelar menutup.

Bentuk simulasi operasi TRIAC pada sudut penyulutan 90°.

Rangkaian simulasi switch untuk menyerupai unjuk kerja TRIAC yang disakelar tepat 90°.

Hasil simulasi:

UPDATE:

Bagian sisipan ini memperlihatkan simulasi penyakelaran yang dapat dilakukan dengan bantuan simulator TINA-TI.

Demikianlah tulisan ini saya buat dalam semangat untuk belajar bersama, dan agar siswa/mahasiswa terinspirasi untuk belajar dengan cara yang lebih sistematis. Belajar elektronika daya dengan cara melompat-lompat memang menarik, dan terkesan efisien. Terutama jika kita belum termotivasi untuk menekuninya sebagai sebuah ilmu dan sebagai sarana untuk bertransformasi. Tetapi percayalah anda akan lebih banyak mengalami kerugian daripada keuntungan. Untuk mahasiswa ~> elektronika daya (elda, power electronics) sebenarnya lebih dari sekedar sebuah mata kuliah, tetapi bahkan dalam bentuk dan praktinya yang paling sederhana ilmu ini adalah sarana transformasi diri yang dahsyat. Saya tidak membual, silahkan dicari sebanyak mungkin informasi pembanding. Saya yakin anda akan semakin menemukan kebenarannya.

Sebelum belajar TRIAC, hendaknya meluangkan waktu untuk belajar SCR, dan sebelumnya belajar diode dan sebelumnya switch, seperti yang telah coba saya tuangkan di sini, sebagai awalan.

Simulasi IGBT sebagai sakelar

Post kali ini adalah kelanjutan dari tulisan sebelumnya yang membahas mengenai simulasi penggunaan MOSFET sebagai sakelar dengan bantuan simulator turunan SPICE. Karena itu bagi yang belum mambaca bagian tersebut disarankan untuk membaca bagian itu terlebih dahulu. Terutama mengenai tujuan dan filosofi dasar perbandingan sederhana antar software simulator.

Keterangan lebih rincin mengenai Insulated Gate Bipolar Transistor Loading (IGBT) dapat dilihat di beberapa sumber bebas akses yang tersedia, misalnya di situs ini dan di sini. Singkatnya pada prinsipnya dapat dibayangkan secara sederhana bahwa IGBT adalah perpaduan antara MOSFET dengan BJT. Mosfet dipergunakan untuk mengendalikan operasi komponen melalui tingkat tegangan pada kaki gate (bukan base). Sedangkan BJT dipakai sebagai pelaksana pengendalian arus.

sumber: http://www.electronics-tutorials.ws/power/insulated-gate-bipolar-transistor.html

I. PROTEUS

Gambar 1.

Gambar 2.

Gambar 3.

Gambar 4.

Gambar 5.

Gambar 6.

II. LTSPICE

Gambar 7.

Gambar 8.

Gambar 9.

Gambar 10.

Gambar 11.

Gambar 12.

Gambar 13.

Gambar 14.

Gambar 15.

Gambar 16.

Gambar 17.

Gambar 18.

Pada Gambar 18, dengan melakukan zooming terhadap tampilan kurva karakteristik maka kita bisa melihat dengan lebih detail sehingga kita bisa melakukan skenario what-if dengan nilai tegangan masukan pada gate yang berbeda-beda. Misalnya pada Gambar 18, diperlukan tegangan pada V2 setidaknya sekitar 10 V sehingga nilai V_GE tidak berbeda jauh. Jika tegangan pada V_GE jauh di bawah 10 V maka nilai besar arus listrik yang dapat lewat tidak akan dapat mendekati nilai maksimumnya dan nilai jatuh tegangan pada CE akan semakin besar yang mengakibatkan keborosan penggunaan energi pada komponen penyakelar.

III. TINA-TI

Gambar 19.

Gambar 20.

Gambar 21.

Gambar 22.

Gambar 22 menunjukkan bahwa berkaitan dengan disipasi daya (pengeluaran energi per satuan waktu), saat kritis untuk penyakelaran ada pada saat crossing. Yaitu saat persimpangan arus dan tegangan pada komponen semikonduktor penyakelar seperti IGBT. Saat itulah nilai power tertinggi terjadi, yang menghasilkan panas pada komponen.