Berikut ini sekadar contoh bagaimana buck-boost converter dapat dipergunakan sebagai bagian dari sistem catu daya.
Buck boost converter komersial sekarang telah banyak dijual bebas di toko-toko online lokal Indonesia. Saya dan anda dapat memanfaatkanya dengan lebih mudah untuk banyak keperluan.
Gambar 1
Sistem catu daya (power supply) dapat terdiri dari beberapa bagian (sub system). Misalnya yang ditampilkan pada Gambar 1. Beberapa bagian dari sistem catu daya dikumpukan bersama dan diwadahi dalam satu kotak.
Di era saat saya menulis artikel ini, perdagangan antar negara sudah lebih lancar dari masa-masa sebelumnya. Didukung dengan kemudahan transaksi keuangan dan kemudahan akses terhadap sarana transportasi udara, membuat lebuh banyak orang dapat dengan mudah mendapatkan barang-barang impor. Misalnya komponen dan papan sistem elektronik dari China, sudah jauh lebih mudah ditemui di toko-toko online di kota-kota besar di Jawa dan Sumatera.
Kesemua papan sub sistem dan komponen itu sudah siap untuk dirangkai menjadi sistem yang lebih besar. Ini bisa dilakukan dengan waktu yang lebih singkat dari sebelumnya.
Di Gambar 1, catu daya yang rangkai terdiri dari (sub) sistem yang menyearahkan tegangan AC menjadi DC dan menurunkannya dari 220 VAC menjadi sekitar 12 VDC.
Bagian sub sistem berikutnya adalah papan buck-boost converter, di kotak hanya diberi tulisan penanda sebagai “Boost”. Parameter kerja dari papan ini dapat dilihat di Gambar 2. Papan sub sistem yang ketiga adalah buck converter berbasis LM2596.
Catu daya yang dirakit (DIY: Do It Yourself) telah diperlengkapi dengan indikator tegangan. Adanya fasilitas ini cukup membantu untuk mempercepat pengaturan. Meskipun, di Gambar 1 dapat dilihat tampilan indikator ini tidak sama persis dengan yang ditunjukkan DMM (digital multimeter).
Gambar 2Gambar 3
Pada Gambar 3, terlihat hasil pengaturan bagaiamana jika buck boost converter (ditandai sebagai “Boost”) dan buck converter diatur ke posisi tegangan output minimal (dengan potensiometer). Keluaran sekitar 1,1 V dengan masukan sekitar 12,5 V.
Pada Gambar 4 di bawah ini, semua konverter diatur ke batas keluaran maksimal. Untuk sistem ini, indikator buck converter kadang-kadang menunjukkan nilai yang lebih tinggi dari nilai indikator untuk input-nya. Padahal sebenarnya tidak demikian jika diukur dengan menggunakan DMM yang memiliki akurasi yang lebih baik. Misalnya pada Gambar 5, terlihat bahwa tegangan masukan DC untuk semua dc-to-dc converter adalah 12,74 V, bukan 12,6 V.
Gambar 4Gambar 5Gambar 6Gambar 7
Papan sistem pada Gambar 6 dan Gambar 7 adalah contoh sebuah papan (sub) sistem buck-boost converter. Keduanya adalah tipe yang sama yang dijual oleh toko online yang berbeda. Keterangan lebih lanjut ditempatkan di bagian link.
Gambar 8
Uji coba papan buck-coost converter yang serupa pada Gambar 6 dan Gambar 7 dilakukan dengan mempergunakan tegangan masukan sekitar 8,4 Vdc seperti yang terlihat di Gambar 8. Pada percobaan itu diatur agar tegangan keluaran sebesar 24 V (24,03 V).
Sedangkan pada percobaan seperti pada Gambar 9, tegangan masukan sebesar 8,4 V diturunkan sehingga nilai tegangan di terminal keluaran (output) menjadi 5 V (4,966 V).
Dengan mempergunakan buck-boost converter pula, suatu tingkat tegangan keluaran dapat dijaga tetap (dengan beban yang proporsional untuk kemampuan daya sistem), sekalipun nilai masukannya naik ataupun turun di bawah nilai tegangan keluaran.
Gambar 9Gambar 10
Pada Gambar 10 dan Gambar 11 diperlihatkan bagaimana buck-boost converter berusaha untuk mempertahankan level tegangan di kisaran 7 V sekalipun tegangan masukan berubah dari sekitar 11 V menjadi sekitar 5V.
Percobaan Mosfet (atau tepatnya Enhancement Mosfet n-type, nMosfet) ini ditujukan untuk menguji penggunaan nMosfet sebagai sakelar elektronik untuk aplikasi elektronika daya (power electronics).
Untuk melakukan percobaan bisa dilakukan dengan pilihan satu dari beberapa cara. Misalnya bisa dilakukan dengan menggunakan breadboard. Tetapi bisa juga dilakukan dengan menggunakan cara/metode Manhattan style seperti dalam artikel ini. Cara lainnya lagi adalah dengan menggunakan gaya dead-bug. Ketiga cara/gaya menyusun suatu rangkaian elektronik tersebut adalah alternatif dari penggunaan PCB (tercetak) yang lebih umum ditemui.
Jika tertarik untuk lebih lanjut mengetahui tentang cara/gaya merangkai dapat mencari dari berbagai sumber informasi di Internet. Mengapa, kapan, dan bagaimana masing-masing cara dipergunakan bisa dipelajari lebih dalam. Misalnya seperti pada artikel sebagaimana yang dirilis oleh Hackaday di link berikut ini.
Gambar 1
Pada Gambar 1, bisa dilihat papan percobaan yang dibuat dengan cara Manhattan style. Cara ini umum dipergunakan terutama di linkungan para aktivis RF (radio frequency). Tambahan informasi bisa dilihat di dua situs berikut: link 1 & link 2.
Yang juga penting untuk diingat saat mempergunakan sistem papan ini adalah bahwa komponen tidak dirancang untuk dikenai beban mekanis yang ‘berat’. Artinya komponen jangan ditekan-tekan atau didorong untuk memasang probe oscilloscope. Juga perlu dijaga agar tidak jatuh terbanting atau tertindih benda lain. Percobaan ini bisa dianggap juga sebagai latihan untuk bisa berhati-hati menangani papan kerja di masa yang akan datang.
Gambar 2
Salah satu alternatif cara dari penggunaan Manhattan style, adalah dengan cara membuat ‘pulau-pulau’ (islands) secara langsung di PCB kosong (blank PCB). Cara lain adalah dengan menempelkan potongan-potongan PCB kosong di papan PCB kosong lainnya. Cara pertama lebih cepat dapat dikerjakan daripada cara kedua.
Gambar 2 menunjukkan salah satu contoh hasil penggunaan cara pertama. Ketiga kaki pada gambar itu adalah kaki-kaki komponen MOSFET. Sepintas kaki G, D, maupun S terhubung langsung (kontak) dengan papan PCB kosong yang dipakai sebagai dasar. Tetapi sesungguhya hanya kaki S saja yang terhubung langsung karena memang langsung disolder ke papan PCB kosong. Sedangkan kaki G dan kaki D terisolasi dari papan PCB yang dipakai sebagai common ground.
Sebagaimana banyak hal lain di engineering, ini adalah contoh dari trade-off. Salah satu kekurangan metode ini adalah adanya risiko hubung singkat. Terutama jika seiring waktu papan PCB kosong itu terkena kontoran secara terus menerus. Maka umumnya untuk sistem RF papan PCB dilindungi dengan kotak yang memadai.
Mengenai sejumlah keuntungan penggunaan cara/metode ini, silakan untuk membaca juga sejumlah tautan (link) yang sudah saya sediakan juga di bagian bawah artikel ini.
Gambar 3
Dokumentasi berupa foto untuk artikel ini diambil pada setup cepat sebagaimana yang terlihat pada Gambar 3. Di meja praktik, anda bisa mengatur ulang agar percobaan bisa berlangsung dalam kondisi yang lebih lapang.
Percobaan dilakukan dengan mempergunakan Arduino compatible sebagai sumber sinyal pemicuan pada kaki gate dari Mosfet. Pergunakanlah sumber kode blink dari contoh kode yang telah disediakan di IDE pada Arduino.
Untuk memodifikasi kode program anda perlu mengingat dan memahami bagaimana hubungan (korelasi) antara frekuensi (frequency) dengan periode (period), bagaimana persamaannya. Kemudian bagaimana cara menentukan waktu on dan waktu off untuk tiap bagian rentang waktu tertentu berdasarkan nilai duty cycle yang diberikan.
Gambar 4Gambar 5
Gambar 4 menunjukkan papan percobaan dari sisi bagian depan Mosfet. Jika anda melakukan percobaan di saat praktik di Laboratorium Elektronika Daya, maka anda perlu mengukur nilai dari masing-masing resistor di papan itu. Gambar 5 dapat dipakai sebagai rujukan awal. Buatlah sendiri rangkaian simulasi dengan simulator LTspice. Ganti dan sesuaikan nilai-nilai resistor berdasarkan hasil pengukuran dengan DMM (Digital Multi Meter) yang tersedia di lab.
Gambar 6
Setelah memahami topologi rangkaian dan perwujudannya di papan PCB, anda bisa menghidupkan catu daya. Seperti pada Gambar 6, aturlah tegangan hingga 9 VDC , gunakan DMM sebagai pembanding tampilan tegangan pada catu daya. Setelah itu, untuk sementara matikan catu daya.
Gambar 7
Rangkaian elektronika demo penyakelaran dengan Mosfet ini telah diperlengkapi dengan tambahan komponen pengaman. Gambar 7 menampilkan posisi komponen pengaman dari sisi masukan catu daya di papan praktik.
Gambar 8 di bawah ini menampilkan zoom dari beberapa komponen pengaman agar lebih jelas terlihat. Komponen pertama adalah ferrite bead. Di Gambar 8 posisinya terlihat di bagian kiri, tepat setelah kabel masukan daya positif yang berwarna merah. Fungsinya adalah membantu untuk memperkecil kemungkinan terikutnya sinyal noise ke dalam sistem penyakelaran. Juga sebaliknya dari rangkaian ke sistem catu daya.
Komponen kedua adalah sekring (fuse). Komponen jenis ini lazim dikenal sebagai resettable fuse. Kadang juga disebut sebagai multifuse, polyfuse atau polyswitch. Resminya komponen sekring yang dapat ‘menyambung’, normal menghantar kembali ini dinamakan PPTC (Polymeric Positive Temperature Coefficient).
Gambar 8
Mirip resistor, PPTC juga memiliki kemampuan yang berbeda beda dan ditandai sesuai dengan nilai itu. Pada Gambar 8, PPTC yang berwarna kuning memiliki tanda JK6 065. Jika dilihat pada Tabel 1 itu menandakan bahwa polyfuse itu dirancang untuk mampu bekerja normal menghantarkan arus sampai nilai maksimal 0,65 A. Setelah itu jika arus melewati ambang sampai 1,3 A maka sekring/polyfuse normalnya akan trip/putus sesaat. Setelah polyfuse menjadi lebih dingin, maka arus akan dapat kembali melewatinya.
Tabel 1
Gambar 9
Komponen berwarna hijau di belakang PPTC pada Gambar 8 adalah salah satu wujud dari komponen MOV (Metal Oxide Varistor). Tampilan yang lebih jelas pada Gambar 9 memperlihatkan penanda TNR, yang merupakan produksi dan merk dagang dari Nippon Chemi-Con. Ada banyak MOV yang diproduksi oleh perusahaan lain.
Beberapa MOV dapat lebih mudah ditemukan datasheet-nya daripada yang lain. Yang lebih sulit diperoleh informasi resmi dari pabriknya biasanya merupakan komponen tipe lama yang sudah tidak lagi diproduksi. Komponen tipe itu lalu diproduksi oleh pabrikan lain, mirip ‘obat generik’.
Pada Gambar 9, TNR 180 menandakan bahwa komponen ini bekerja di rentang tegangan 12 V sampai 14 V. Pada rentang itu, MOV TNR ini dirancang untuk tidak aktif/terpicu. TNR baru akan aktif pada tegangan 18 V, atau dalam rentang 16 V sampai 20 V. Jadi misalnya masukan catu daya masih berada di kisaran 14 Vdc maka TNR tidak akan aktif. Kemudian misalnya tegangan catu daya masukan naik menjadi 18 V maka TNR akan bekerja/terpicu, mirip seperti sakelar yang membuat hubung singkat jalur masukan. Ini dilakukan untuk melindungi sistem penerima tegangan. Dengan melakuan hubung singkat diharapkan sekring/fuse di bagian masukan akan bekerja (putus).
Gambar 10
Melanjutkan kembali tahapan praktik, anda bisa memasukkan tegangan 9 Vdc dari catu daya ke rangkaian percobaan, seperti pada Gambar 10. Hati-hati terhadap polaritas tegangan, jangan sampai terbalik.
* Di sistem yang mengizinkan adanya jatuh tegangan tambahan dari catu daya, bisa ditambahkan diode untuk mencegah akibat dari terbaliknya polaritas. Cara lain adalah dengan menggunakan sebuah Mosfet, misalnya pMosfet. [ Lihat bagian link. ] *
Gambar 11 Gambar 12
Berikutnya hubungkan Arduino compatible dengan papan percobaan penyakelaran nMosfet. Lihatlah Gambar 11, kabel USB untuk Arduino dihubungkan dengan USB port pada komputer (laptop). Hubungkan pin GND pada Arduino dengan ground pada PCB. Kedua ground pada masing-masing sistem harus terhubung sehingga level tegangan di kedua sistem dapat diacu berdasarkan nilai commonground.
Berhati-hatilah saat memasukkan pin ke papan Arduino jangan sampai salah. Lihat dan aculah gambar pinout dari Arduino Uno yang telah disediakan (click gambar untuk memperbesar tampilan). Misalnya, cari tanda GND di gambar pinout lalu cari tandanya yang sama di papan Arduino Uno di meja kerja anda.
Hubungkan pin sinyal dari Arduino ke kaki gate pada nMosfet di PCB. Sesuaikan antara pin yang anda pakai dengan program yang anda pada akan eksekusi. Pastikan keduanya mengacu pada kaki pin yang sama pada mikrokontroler.
Hati-hati saat memasang kabel jumper pada Arduino. Lubang pada konektor (female single row PCB header) berjarak rapat, dengan penanda yang kadang tidak mudah terbaca. Jangan sampai salah memasukkan pin kabel jumper.
Gambar 13
Untuk memperoleh data dari variabel kerja rangkaian penyakelaran, hubungkan oscilloscope probe seperti pada Gambar 13. Kanal satu (Ch 1) pada osiloskop dihubungkan ke kaki input menuju resistor gate pada nMosfet. Kanal dua (Ch 2) osiloskop dihubungkan langsung ke kaki drain nMosfet. Lihat Gambar 13, lalu cari dan bandingkan dengan datasheet komponen nMosfet IRLB3034.
Jika osiloskop yang dipergunakan memiliki lebih dari dua kanal masukan, maka kanal ketiga bisa dipakai untuk memonitor nilai tegangan masukan dari catu daya. Dengan begitu nilai arus drain yang melintasi resistor (pada masing-masing bagian proses penyakelaran) dapat diketahui. Jika masih bingung, lihatlah kembali Gambar 5.
Gambar 14
Tabel 2
No
Frequency (Hz)
Duty Cycle (%)
1
50
0
2
50
25
3
50
50
4
50
75
5
50
100
Tabel 2 adalah contoh bagaimana anda bisa mengambil data unjuk kerja rangkaian penyakelaran. Di situ dicontohkan bagaimana anda perlu mengambil sejumlah parameter untuk tiap-tiap duty cycle yang berbeda pada satu frekuensi yang sama.
Di osiloskop digital anda bisa mengamati besaran tegangan DC yang sudah dihitungkan oleh sistem komputasi di osiloskop. Misalnya nilai rata-rata (average) dan nilai RMS. Anda juga bisa memyimpan bentuk gelombang pada masing-masing duty cycle sebagaimana yang ditunjukkan oleh osiloskop. Salah satu contoh adalah sebagaimana tampilan pada Gambar 3.
Anda bisa memperhatikan korelasi antara lebar pulsa dengan nilai tegangan pada drain. Juga pengaruhnya pada arus dan pada daya di beban (misalnya pada resistor di drain).
Dari eksperimen ini diharapkan akan lebih mudah untuk memahami mengenai dasar-dasar PWM dan penggunaannya. Juga bagaimana sebuah nMosfet dapat dipergunakan sebagai sakelar.
Jika percobaan dilakukan di laboratorium, mintalah kepada instruktur anda untuk menentukan nilai frequency dan duty cycle untuk percobaan yang anda akan lakukan.
Setelah memahami perangkat keras yang akan dipakai untuk melakukan eksperimen, berikutnya adalah memahami perngkat lunak yang akan dipakai untuk mengendalikan perangkat lunak itu.
Sebagai awal, mahasiswa harus mampu mengingat kembali dengan baik tentang frekuensi, periode, dan duty cycle. Sangat disarankan untuk membaca kembali tentang semua parameter operasi itu di artikel ini (link) . Kemudian untuk dapat menghitung dan membandingkan nilai amplitudo sinyal, silakan membaca artikel lainnya di sini (link).
Untuk dapat melakukan pemrograman dasar PWM manual dengan baik, anda cukup melihat contoh kode Blink yang tersedia di Arduino IDE. Meskipun disarankan juga untuk membaca artikel berikut ini (link).
