Simulasi buck converter dengan model sakelar

Di artikel ini akan saya sampaikan beberapa contoh simulasi open-loop buck converter sederhana. Sakelar yang dipakai adalah model sakelar sederhana yang mendekati ideal.

Di halaman ini perhitungan tidak dilakukan dengan cara manual, melainkan memanfaatkan aplikasi kecil PSD dari TI. Keterangan detail lebih lanjut dapat dibaca melalui sejumlah tautan di bagian akhir halaman ini.

Gambar 1.  

Gambar 1 di atas adalah contoh dasar desain yang cukup realitis, dalam hal nilai tegangan masukan dapat berubah. Rentang tegangan masukan dari 11 V sampai 13 V.

Gambar 2.

Gambar 2 adalah upaya penyederhanaan rancangan dari Gambar 1. Di sini tegangan masukan disederhanakan dengan dianggap tidak berubah dan bernilai 12 V. Ini adalah contoh sederhana bagaimana dalam beberapa perancangan, kompleksitas dan kerumitan dapat ditambahkan secara bertahap. Desain sistem nyata sering melibatkan sejumlah kerumitan, upaya penyederhanaan sering kali malah melibatkan sejumlah kerumitan. Karena itu pengerjaannya sedapat mungkin secara proporsional dilakukan secara bertahap dan sistematis.

 

CircuitLab

Ada beberapa simulator online yang dapat dipakai untuk melakukan simulasi sistem/sub-sistem/rangkaian elektronika. Salah satunya adalah CircuitLab, yang bisa dipergunakan hanya dengan bermodal browser (peramban). Di sini CircuitLab dipakai untuk mewujudkan simulasi lebih lanjut dari hasil PSD sebelumnya.

Gambar 3.

Salah satu keunggulan CircuitLab adalah tampilannya yang bersih dan elegan. Selain itu pengguna dapat berbagi proyek/rangkaian dengan lebih mudah. Penerima link rangkaian dapat melakukan simulasi tanpa perlu membuat akun terlebih dahulu. Untuk simulasi ini kapasitor input tidak dipakai untuk meminimalkan perhitungan oleh aplikasi. Komponen kapasitor dan yang lainnya (termasuk untuk memodelkan ketidakidealan, seperti ESR/ESL) dapat ditambahkan kemudian.

Gambar 4.

Sebagaimana simulator rangkaian dan sistem elektronika lainnya, nilai Time Step (Gambar 4) adalah nilai yang genting. Secara umum, semakin kecil nilainya akan semakin baik karena akan semakin teliti. Tetapi semakin kecil nilainya, akan semakin membebani sistem yang melakukan perhitungan untuk simulasi rangkaian. Menjaga keseimbangan mengenai hal ini juga adalah bagian seni dari kerja engineering

Gambar 5.

Mengacu pada rancangan dasar dengan PSD sebagaimana di Gambar 2, nilai keluaran yang dijadikan target adalah 7 V @1 A. Nilai hasil simulasi dari software yang berbeda-beda juga akan mungkin berbeda-beda pula. Hal ini antara lain disebabkan karena pembulatan saat perhitungan, cara menghitung, pengaturan simulasi, dan kemungkinan perbedaan model.

Gambar 6.

Di Gambar 6 bisa dilihat bahwa diperlukan waktu untuk naik dan turun bagi sinyal, T_rise dan T_fall. Untuk semua sistem fisis/nyata, selalu diperlukan waktu untuk berubah dari satu kondisi ke kondisi lain, bagaimana pun cepat/singkatnya waktu yang diperlukan.

Untuk rangkaian contoh ini sudah saya buat public di CircuitLab dan dapat diakses (juga dicoba diubah-ubah) melalui link ini.

 

PartSim

Gambar 7.

PartSim adalah aplikasi online lain yang bisa dipakai untuk melakukan simulasi. Berbeda dengan CircuitLab, PartSim dapat dipakai secara gratis dan bebas. Hanya saja pustaka dan tampilan PartSim tidak senyaman CircuitLab (setidaknya pada saat artikel ini ditulis). Model-model SPICE dapat dipakai di PartSim, dan umumnya lebih mudah untuk dikonfigurasikan daripada di CircuitLab.

Gambar 8.

Di semua simulator, pengaturan untuk simulasi transien perlu memperhatikan beban simulasi yang akan diberikan kepada simulator untuk melakukan perhitungan. Khususnya jika mempergunakan PartSim, kita perlu mempertimbangkan beban komputasi . Tidak jarang, akan ditemui kondisi time out saat server PartSim menghentikan perhitungan karena sudah melakukannya terlalu lama. Secara umum rentang waktu simulasi yang singkat, akan lebih menjamin keberhasilan simulasi. Panjang rentang waktu simulasi dan ketelitian simulasi dapat ditingkatkan secara bertahap.

Gambar 9.

Gambar 9 adalah hasil simulasi dari PartSim, bisa dibandingkan dengan hasil simulasi lainnya. Untuk rangkaian simulasi, bisa diakses dan dicoba di tautan ini.

 

PSIM

PSIM adalah simulator offline yang umum dipakai untuk simulasi sistem di elektronika daya. Berbeda dengan pendekatan dasar LTspice, pendekatan pada PSIM diawali dari pendekatan high-level. Model yang dipakai biasanya adalah model yang mendekati ideal. Meskipun sekarang untuk versi komersial penuhnya sudah bisa melakukan simulasi model SPICE dengan lebih mudah.

Gambar 10.

Gambar 11.

Cara penyakelaran sebagaimana di Gambar 11 tidak sepenuhnya tepat, tetapi untuk keperluan simulasi ini masih memadai. Secara umum tegangan pemicuan di kaki gate dibandingkan dengan kaki source. Nanti di bagian bawah akan ditampilkan variasi simulasi lain yang lebih umum dipergunakan.

Gambar 12. Pengaturan simulasi PSIM.

Gambar 13. Pemicuan gerbang sakelar.

Gambar 14. Hasil simulasi.

Berikut ini adalah variasi lain dari rangkaian simulasi untuk buck converter di PSIM dengan masukan 12 V dan target keluaran 7 V @1 A. Cara pemicuan sakelar di simulasi berikut ini menggunakan nilai sudut pemicuan (0° dan 218,16°) dan frekuensi penyakelaran (100 kHz).

Gambar 15.

Gambar 16.

 

LTspice

Simulator PSIM versi lisensi untuk siswa (student’s version) belum memberikan fasilitas simulasi untuk model SPICE. Tetapi dengan LTspice, masalah ini dapat teratasi. Dengan mempergunakan LTspice, simulasi dapat dilakukan bukan hanya dengan model komponen yang mendekati komponen ideal tetapi juga dengan model komponen yang lebih mendekati unjuk kerja komponen fisik komersial. Selain itu, versi penuh LTspice sampai sekarang masih secara legal bisa gratis dipergunakan.

Gambar 17.

Gambar 17 menunjukkan simulasi masih dengan model beban paling sederhana, yaitu model komponen resistor. Berikutnya cara lain adalah dengan menggunakan beban berupa sumber arus konstan yang dipakai sebagai analogi konsumsi arus secara konstan oleh beban.

Gambar 18.

Dikarenakan kesemua rangkaian simulasi ini tanpa sub-sistem umpan balik, maka perubahan nilai tegangan masukan atau perubahan beban akan sangat berisiko mengakibatkan perubahan nilai tegangan keluaran. Di sistem dengan pengendali closed-loop nanti bisa dicoba simulasi kondisi perubahan masukan dan/atau perubahan beban.

 

EasyEDA

Bagian terakhir di halaman ini adalah mengenai simulasi rangkaian buck converter dengan model sakelar sederhana di EasyEDA. Umumnya EasyEDA dikenal sebagai perangkat lunak yang dipakai untuk melakukan perancangan PCB. Tetapi semakin lama, kemampuan simulasi rangkaian EasyEDA semakin baik hingga untuk beberapa penggunakan sudah mencukupi.

Gambar 19.

Gambar 20.

Perangkat lunak EasyEDA dapat dipergunakan langsung secara online dari web browser atau pun dengan diunduh dan dipergunakan di PC. Di pengaturan saat artikel ini disusun, dari sistem EasyEDA anda juga dapat secara langsung berbagi proyek di situs OSHWlab. Khusus untuk rangkaian simulasi buck converter ini proyek dapat diakses melalui link berikut ini. Sekadar sebagai contoh uji coba, proyek yang sama sudah coba diunggah juda di OSHWlab, di link ini.

 

Penutup

Artikel ini dibuat pada saat masih dalam musim pandemi Covid-19. Selain banyak kabar duka, kesusahan, ketidaknyamanan, bencana ini juga berpeluang untuk dijadikan kesempatan untuk menimbang ulang dan mempelajari ulang sejumlah hal. Dari semua yang disampaikan di atas, kita bisa melihat bahwa untuk mencapai suatu sasaran (dalam hal ini simulasi), bisa dilakukan dengan lebih dari satu cara. Tidak semua metode sama persis, ada beberapa yang lebih tepat untuk beberapa keperluan, dan ada yang lain yang lebih tepat untuk keperluan lain. Tetapi secara umum, dalam contoh ini masih cukup memadai untuk menghasilkan hal yang sesuai yang diperlukan.

Ini adalah contoh mengenai pengenalan hal-hal yang esensial, lebih dari formalitas dan seremonial. Dengan memiliki sejumlah fasilitas yang sesuai, kita bisa menghindari sindrom yang diungkapkan melalui the ‘Law of the instrument’ atau yang juga dikenal sebagai “Maslow’s hammer”.

sumber: https://bityl.co/6rKh

 

Di bagian berikut ini ada beberapa rujukan yang dapat secara legal gratis untuk dipergunakan. Sebagian besar berasal dari perusahaan produsen komponen elektronik terkemuka dunia.

 


Bahan belajar lebih lanjut:

 

Leave a Reply

Your email address will not be published. Required fields are marked *