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

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.