Beberapa alternatif simulasi pemicuan sakelar di PSIM (student version)

Mari memulai dari contoh bagaimana suatu open-loop SEPIC circuit hendak dirancang. Polanya sama dengan yang ditampilkan pada artikel sebelumnya, yaitu didahului dengan perancangan di Power Stage Designer Tool (versi 4.0).

Tujuan rancangan awal yang diinginkan adalah untuk mendapatkan sebuah rangkaian konverter open-loop SEPIC. Rangkaian dasar ini nanti dapat dilanjutkan menjadi sebuah sistem closed-loop SEPIC. Sistem DC-DC converter SEPIC yang diinginkan adalah yang mampu mengalirkan sejumlah 0.35 A ke beban, dengan level tegangan terminal keluaran konverter sebesar 12 V. Input rangkaian berupa tegangan DC antara 8 V sampai 17 V. Operasi penyakelaran sebesar 330 kHz. Batas riak arus (current ripple) pada induktor yang diinginkan maksimum sebesar 90%. Rancangan awal dengan PSD dapat dilihat di Gambar 1 berikut ini.

[ Semua gambar di bawah ini dapat dilihat versi tampilan yang lebih besar dengan cara melakukan klik-kanan di gambar lalu memilih “Open image in new tab” pada browser. ]

Gambar 1. Rancangan awal rangkaian dengan PSD

Gambar 2. Contoh pengaturan tegangan input dengan slider.

Di Gambar 2 bisa dilihat bahwa pengguna/perancang bisa melakukan simulasi nilai input menjadi sebesar 8.99 V dari batas rentang antara 8 V sampai 17 V. Namun cara yang lebih mudah dan tepat adalah untuk sementara mengganti semua nilai tegangan masukan menjadi sebesar 9 V seperti pada Gambar 3.

Gambar 3. Semua nilai input diganti menjadi 9 V.

Gambar 4. Simulasi rancangan di PSIM

Hasil rancangan awal di PSD kemudian dilanjutkan dengan simulasi di PSIM student version seperti di Gambar 4. Ini adalah salah satu bentuk alternatif pemicuan MOSFET di PSIM. Pemicuan MOSFET ideal ini dapat menggunakan ‘square-wave voltage source’, dengan detail seperti di Gambar 5.

Gambar 5. Pengaturan parameter untuk square-wave voltage source.

Nilai duty cycle sebesar 58.53% yang dengan mudah diperoleh menggunakan PSD, dimasukkan sebagai 0.5853 di PSIM. Demikian juga nilai frekuensi 330 kHz dimasukkan sebagai 330k.

Gambar 6. Nilai average dan RMS hasil simulasi PSIM (Simview).

Gambar 7. Penggunaan Parameter File di PSIM.

Simulasi di Gambar 7 pada dasarnya serupa dengan simulasi sebelumnya. Perbedaan utamanya adalah penggunaan fasilitas Parameter File. Seperti terlihat dengan penggunaan fasilitas ini parameter komponen dapat dikumpulkan dengan rapi di dalamnya. Bahkan jika dikehendaki isi file dapat juga ditampilkan di schematic.

Gambar 8. Hasil simulasi, zoom-in.

Di Gambar 8 dapat dilihat bagimana pengaruh penyakelaran MOSFET pada arus di induktor L1, L2, dan arus di R1. Dari gambar ini bisa diperhatikan bagaimana kondisi pada saat MOSFET on dan juga bagaimana pada saat MOSFET off.

Gambar 9. Penggunaan bi-directional switch.

Jika sebelumnya on-off switch controller dipergunakan untuk membantu pemicuan MOSFET, maka di Gambar 9 bisa dilihat bahwa sakelar elektronik berupa MOSFET diganti dengan bi-directional switch. Sama seperti komponen lain dalam simulasi, Flag dapat diberi nilai 1 agar arus/tegangan di komponen tersebut dapat disimpan. Tetapi untuk simulasi ini akan dicontohkan penggunaan voltage probe dan current probe.

Gambar 10. Hasil simulasi dengan bi-directional switch.

Gambar 11. Hasil simulasi (average & RMS) dengan bi-directional switch.

Gambar 12. Arah aliran arus melewati kapasitor saat kondisi sakelar on & off.

Gambar 12 merupakan penjelas dari Gambar 10 dan Gambar 11 khusus untuk menunjukkan perubahan arah aliran arus di kapasitor. Bisa dilihat di Gambar 10 maupun Gambar 11 bahwa arah arus yang melintasi kedua induktor adalah tetap. Begitu pun dengan arah arus di beban. Untuk arah arus di switch dan diode juga tetap tetapi ada saat mengalami discontinuity (arus dapat bernilai 0 A), lihat Gambar 13 berikut ini.

Gambar 13. Nilai aliran arus melewati switch dan diode saat kondisi switch on & off.

Penandaan negatif mauppun positif (biasanya tidak ditulis) hanya menunjukkan arah arus sebenarnya, relatif terhadap arah arus konvensi (yang ditetapkan dari awal sebagai rujukan). Untuk mengingat kembali tentang passive sign convention, dapat melihat di halaman Wikipedia ini. Perubahan arah arus sebenarnya di kedua kapasitor yang ditunjukkan dengan kurva di Gambar 12 dapat dilihat dengan lebih jelas di Gambar 14 berikut ini. Ingat tentang kondisi posisi switch on saat arah arus ini terjadi (tanda panah hijau), sehingga nilai arus diberi tanda negatif. Jika sakelar/switch dalam posisi off maka arah arus justru akan sama dengan arah tanda panah konvensi arus yang berwana merah, maka nilai arusnya positif. Perubahan polaritas ini terus menerus terjadi selama penyakelaran terjadi.

Gambar 14. Arah arus melewati kedua kapasitor saat kondisi switch on.

Gambar 15. Simulasi SEPIC di PSIM menggunakan pemicuan Gating Block.

Gambar 15 menunjukkan bahwa pemicuan juga dapat dilakukan dengan menggunakan Gating Block. Perbedaannya adalah pada penulisan pengaturan waktu pemicuan. Jika input frekuensi sama dengan nol maka switching points akan bermakna seconds, sedangkan jika nilai frekuensi tidak nol seperti contoh maka switching points akan dihitung dalam degree. Duty cycle sebesar 58.53% sebanding nilainya dengan 210.708 derajat.

Gambar 16. Arah arus melewati kedua kapasitor saat kondisi switch on, dari 9 V ke 12 V .

Gambar 16 merupakan hasil simulasi dari sistem SEPIC di Gambar 15, saat tegangan masukan sebesar 9 V dinaikkan menjadi 12 V di keluaran yang mengalirkan arus sebesar 0.35 A di beban. Arah arus (polaritas) di kapasitor sama dengan yang diperlihatkan di Gambar 12.

Di Gambar 16 juga diperlihatkan bahwa terdapat dua pengukuran arus yang melewati induktor L2. Sekalipun nilai (absolut) sama tetapi polaritasnya berbeda. Untuk memahami fenomena ini, lihat kembali Gambar 15. Posisi polaritas alat ukur I_L2 yang diwakili oleh tanda titik (dot) berbeda dengan polaritas konvensi penanda arus komponen induktor L2. Karena itu pada saat switch on, di L2 arah arus sebenarnya adalah dari ground ke titik node pertemuan antara C1, D1, dan I_L2. Karena arah arus sebenarnya bersesuaian dengan konvensi arus yang ditetapkan (melalui penempatan posisi tanda polaritas komponen), maka nilai arus adalah positif. Tetapi perlu diingat bahwa komponen fisik yang sesungguhnya dari induktor dan resistor tidak memiliki polaritas sebagai mana seperti kapasitor elektrolit (elco). Pada induktor tanda dot dipergunakan juga untuk menunjukkan arah masuk putaran kawat di inti (core). Arah arus sebenarnya pada saat sakelar hidup ini berlawanan dengan tanda polaritas di alat ukur I_L2, karena itu sekalipun nilainya sama dengan pembacaan arus L2 tetapi bertanda negatif.

Di Gambar 17 di bawah ini anda bisa melihat hasil simulasi rangkaian yang sama di Gambar 15. Perbedaannya adalah bahwa rangkaian kali ini dipergunakan untuk menurunkan level tegangan input yang sebesar 15 V menjadi tegangan keluaran sebesar 12 V yang mengalirkan arus yang besarnya sama yaitu 0.35 A di beban. Untuk mencapai ini maka nilai sudut pemicuan diubah dari yang semula 210.708 menjadi 165.06. Bisa dilihat bahwa pola sinyal di Gambar 17 sama dengan pola sinyal di Gambar 16. Baik untuk step-up maupun step-down, cara kerja komponen akan sama walaupun nilai arus dan tegangannya berbeda.

Gambar 17. Arah arus melewati kedua kapasitor saat kondisi switch on, dari 15 V ke 12 V .

Gambar 18. Pemicuan MOSFET dengan menggunakan comparator.

Gambar 18 memperlihatkan alternatif lainnya untuk melakukan pemicuan sakelar elektronik berupa MOSFET. Cara yang diperlihatkan tidak asing lagi karena merupakan cara pembangkitan PWM yang klasik, yaitu memanfaatkan komponen comparator. Sinyal segi tiga dibangkitkan dan dihubungkan dengan sisi negatif comparator. Sedangkan nilai duty cycle diwakili oleh nilai teganan DC rata.

Gambar 19. Hasil simulasi dengan mempergunakan komponen pembanding.

Gambar 19 dapat dipakai untuk mempelajari tentang bagaimana cara kerja komponen comparator membandingkan tingkat tegangan masukan dan menghasilkan tegangan keluaran. Perhatikan juga bahwa tingkat keluaran maksimum on-off controller adalah 1 (satu) V, sekalipun nilai tengangan masukannya jauh lebih tinggi.

Gambar 20. Penggunaan Paramater Sweep di PSIM.

Suatu nilai/parameter di simulasi PSIM dapat diubah secara otomatis oleh sistem atas perintah pengguna. Kemudian simulasi akan dilakukan oleh PSIM untuk menghitung perubahan apa saja yang terjadi sebagai akibat dari perubahan satu parameter (atau lebih) itu tadi. Misalnya di Gambar 20 bisa dilihat bahwa saya hanya akan melakukan perubahan satu parameter saja, yaitu nilai kapasitor C1 yang diwaliki oleh variabel C1_val. Nilai ini akan diubah satu persatu secara bertahap, cara ini dinamakan stepping/sweeping. Misalnya di contoh nilai C1_val akan dinaikkan bertahap, mulai dari 1 μF sampai 10 μF, dengan setiap kali perhitungan kenaikan adalah sebesar 2 μF.

Gambar 21. Hasil simulasi stepping dengan Parameter Sweep di PSIM.

Demikian, di artikel ini coba dipaparkan beberapa contoh alternatif pemicuan sekaligus juga penjelasan unjuk kerja beberapa bagian dari rangkaian SEPIC. Semua simulasi ini pada dasarnya juga bisa dilakukan di simulator lain, misalnya LTspice, meskipun dengan pengaturan yang agak berbeda.

font cache: Ψ α β π θ μ Φ φ ω Ω ° ~ ± ≈ ≠ ≡ ≤ ≥ ∞ ∫ • ∆

Pengerjaan contoh soal SEPIC dari buku Daniel W. Hart dengan PSDT 4.0, PSIM, dan LTspice

Salah satu (sumber) penjelasan yang baik mengenai SEPIC (Single-Ended Primary-Inductance Converter) terdapat di buku Daniel W. Hart; D. W. Hart, Power Electronics, 1st ed. New York: McGraw-Hill Higher Education, 2010. Di Chapter 6, di halaman 236 terdapat contoh soal yang baik untuk dijadikan sebagai latihan pemahaman tentang bagaimana variabel-variabel (parameters) dari sebuah rangkaian SEPIC mempengaruhi unjuk kerja sistem. Di halaman tersebut sudah terdapat contoh pengerjaan manual, sehingga kali ini hanya akan dicoba dibuktikan dengan menggunakan Power Stage Designer Tool 4.0 dari Texas Instruments, PSIM 12.0.3 student version dari Powersim, dan LTspice dari Analog Devices.

Pada tulisan sebelumnya telah diperlihatkan bagaimana penggunaan PSIM untuk rangkaian yang umum dipelajari pada mata kuliah Elektronika Daya I. Kali ini akan dicoba untuk memperlihatkan bagaimana simulasi rangkaian SEPIC dapat dilakukan dengan mempergunakan aplikasi yang secara legal diperoleh secara gratis dengan educational license.

Soal dari buku Daniel W. Hart dipergunakan semata-mata untuk keperluan pendidikan, #FairUse.

Parameter rangkaian SEPIC:

V_s = 9 V
D = 0.4
f = 100 kHz
L₁ = L₂ = 90 μH
C₁ = C₂ = 80 μF
I_o = 2 A

Carilah output voltage (tegangan keluaran) ; the average, maximum, and minimum inductor currents (arus induktor rata-rata, maksimum dan minimum); dan the variation in voltage across each capacitor (variasi tegangan di masing-masing kapasitor).

Perhitungan di buku coba direkonstruksi dengan menggunakan PSD (PSD 4.0/PSDT 4.0) yang juga bebas diperoleh gratis dari website Texas Instruments. Kapasitor C₁ di soal adalah juga kapasitor C₁ pada PSD 4.0, sedangkan C₂ pada soal adalah C_o pada rangkaian simulasi PSD 4.0. Komponen induktor L₁ dan L₂bersesuaian posisi pada rangkaian di PSD 4.0.

[ Semua gambar di bawah ini dapat dilihat versi tampilan yang lebih besar dengan cara melakukan klik-kanan di gambar lalu memilih “Open image in new tab” pada browser. ]

Gambar 1. Simulasi contoh soal dengan PSD 4.0

Gambar 2. Simulasi rangkaian SEPIC dengan PSIM.

Gambar 3. Hasil simulasi, nilai rata-rata tegangan keluaran.

Bandingkan Gambar 3 yang merupakan hasil dari simulasi PSIM dengan Gambar 4 berikut yang merupakan hasil dari rancangan awal dengan PSD 4.0.

Gambar 4. Hasil PSD 4.0, nilai tegangan keluaran dari rangkaian/sistem.
Gambar 5. Nilai arus minimum dan maksimum di induktor L₁ dengan arus keluaran rangkaian sebesar 2 A dan tegangan masukan 9 V.

Gambar 6. Nilai arus rata-rata di induktor L₁menurut simulasi PSIM.

Gambar 7. Zoom in di hasil simulasi PSIM untuk nilai arus di induktor L₁.

Di Gambar 7, bisa dilihat berapa nilai maksimum, berapa nilai minimum dan juga berapa nilai selisih (delta, ∆) untuk arus di induktor L₁.

Gambar 8. Nilai arus minimum dan maksimum di induktor L₂ dengan arus keluaran rangkaian sebesar 2 A dan tegangan masukan 9 V.

Gambar 9. Zoom in di hasil simulasi PSIM untuk nilai arus di induktor L₂.

Gambar 10. Nilai tegangan minimum dan maksimum di kapasitor C₁ dengan arus keluaran rangkaian sebesar 2 A dan tegangan masukan 9 V.

Gambar 11. Zoom in di hasil simulasi PSIM untuk nilai arus di kapasitor C₁.

Di Gambar 11, bisa dilihat berapa nilai maksimum, berapa nilai minimum dan juga berapa nilai selisih (delta, ∆) untuk tegangan di kapasitor C₁.

Gambar 12. Rangkaian simulasi PSIM untuk melihat simulasi penyulutan pada gate MOSFET dan nilai tegangan keluaran rangkaian/sistem.

Gambar 13. Hasil simulasi PSIM untuk penyulutan pada gate MOSFET dan nilai tegangan keluaran rangkaian/sistem.

Gambar 14. Hasil zoom-in simulasi PSIM untuk penyulutan pada gate MOSFET dan nilai tegangan keluaran rangkaian/sistem.

Telah dapat dilihat pada rangkaian gambar sebelum ini bagaimana rancangan konverter elektronika daya berupa SEPIC yang awalnya disimulasikan dengan PSD/PSDT kemudian disimulasikan dengan simulator lain, yaitu PSIM. Berikutnya, bagaimana jika rangkaian yang sama (bersumber dari contoh soal di buku) itu disimulasikan di LTspice? Simulator LTspice adalah simulator SPICE yang secara legal dapat diperoleh secara gratis. Dahulu installer dapat diunduh di situs Linear Technology, perusahaan pembuatnya. Namum sekarang setelah Linear Technology dibeli dan menjadi bagian dari perusahaan Analog Devices, maka simulator ini dapat di unduh di tempatnya yang baru, di sini.

Gambar 15. Rangkaian simulasi SEPIC di simulator LTspice.

Tanda panah berwarna merah di Gambar 15 menunjukkan konvensi penandaan arah arus di komponen yang terdekat dengan tanda panah itu. Konvensi ini mengikuti penandaan pada buku Daniel W. Hart, agar lebih mudah untuk memahami cara kerja open-loop SEPIC circuit berdasarkan hasil simulasi LTspice yang akan ditampilkan kemudian.

Gambar 16. Kondisi rangkaian SEPIC saat sakelar MOSFET menutup dan diode off.

Gambar 17. Kondisi rangkaian SEPIC saat sakelar MOSFET terbuka dan diode on.

Gambar 18. Hasil simulasi contoh soal rangkaian SEPIC dengan LTspice.

Jika anda perhatikan pada Gambar 18, terdapat tanda negatif pada kurva untuk iL₁ dan iL₂. Hal ini hanya pengaturan kecil dan tidak mempengaruhi besaran nilai, hanya polaritas (arah arus) saja yang berubah. Pemberian tanda minus/negatif ini agar arah arus pada kedua induktor akan sama dengan penandaan/konvensi arah arus pada Gambar 15.

Telah dapat dilihat bahwa LTspice dapat berfungsi sama dengan PSIM untuk simulasi SEPIC. Apa fokus simulasi yang dilakukan di LTspice dapat diatur sendiri sesuai keperluan dan rasa ingin tahu. Ikuti terlebih dahulu pengaturan seperti pada Gambar 18, agar anda dapat membayangkan apa yang terjadi pada kondisi di Gambar 15, Gambar 16, dan Gambar 17. Berikutnya anda bisa fokus pada masing-masing bagian sehingga LTspice dapat memberikan hasil seperti yang ditampilkan oleh PSIM di gambar-gambar sebelumnya.

Sebenarnya PSIM telah memiliki fasilitas untuk dapat melakukan simulasi SPICE di dalam software PSIM. Sehingga pengguna tidak perlu memanggil aplikasi lain untuk melakukan simulasi SPICE, misalnya CoolSPICE atau LTspice. Sayangnya untuk student version seperti yang dipergunakan di sini, fasilitas itu tidak diberikan. Namun demikian, telah dapat dibuktikan untuk sebatas keperluan belajar ini, versi PSIM yang diberikan masih memadai.

Gambar 19. Perbedaan fasilitas pada versi-versi PSIM.

font cache: Ψ α β π θ μ Φ φ ω Ω ° ~ ± ≈ ≠ ≡ ≤ ≥ ∞ ∫ • ∆

Percobaan penyakelaran N-Mosfet (Manhattan style)

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.

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.

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.

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 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.

Setelah memahami topologi rangkaian dan perwujudannya di papan PCB, anda bisa menghidupkan catu daya. Seperti pada Gambar 6, aturlah tegangan hingga 9 V_DC , gunakan DMM sebagai pembanding tampilan tegangan pada catu daya. Setelah itu, untuk sementara matikan catu daya.

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).

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

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 V_dc 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).

Melanjutkan kembali tahapan praktik, anda bisa memasukkan tegangan 9 V_dc 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. ] *

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 common ground.

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.

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.

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).

TEXT:

Datasheet:

METAL OXIDE VARISTORS TNR
METAL OXIDE VARISTORS (TNR) , full version
Radial Lead Resettable Polymer PTCs

VIDEO:

Perhitungan nilai tegangan/arus berdasarkan sudut

Mari mulai dari sesuatu yang sudah dipelajari pada post sebelumnya.

Gambar 1.

Gambar 2.

Dengan bantuan software seperti Maxima (wxMaxima) maka penurunan persamaan untuk perhitungan dapat diperoleh dengan mudah dan cepat.

sqrt((1/(2*%pi))*(integrate((Vm*sin(x))^2, x, 0, (2*%pi))));

Gambar 3.

Gambar 4.

(1/(1*%pi))*(integrate((Vm*sin(x))^1, x, 0, (1*%pi)));

Gambar 5.

Sebagai contoh kasus bisa kembali melihat pada post sebelumnya mengenai penyearah setangah gelombang berbeban RL (resistor dan induktor). Tegangan rata-rata keluaran dapat dihitung dari persamaan singkat berikut:

Gambar 6.

Dari manakah persamaan untuk mencari nilai pendekatan tersebut berasal?

Gambar 7.

Gambar 8.

Bagaimana dengan nilai RMS seperti pada contoh di Gambar 4?

sqrt((1/(2*%pi))*(integrate((Vm*sin(x))^2, x, 0, (b))));

Gambar 9.

sqrt((1/(2*%pi))*(integrate((Vm*sin(x))^2, x, a, b)));

Gambar 10.

Gambar 11. [Klik gambar untuk memperbesar]

Gambar 12. [Klik gambar untuk memperbesar]

Gambar 13.

Pada persaman %i23 di Gambar 10, terdapat variabel “b” yang nilainya biasanya diisi dengan nilai (2π). Nilai ini adalah nilai batas atas dari persamaan integral hingga. Untuk kepentingan penyelesaian pada contoh kasus (contoh soal), nilai b bisa diperoleh dengan memperhatikan Gambar 12. Tepatnya batas paling kanan, sekitar 10.36 mS. Nilai ini dibandingkan dengan nilai satu siklus penuh untuk memperoleh nilai pendekatan 3.255 radian seperti pada Gambar 13.

Hasil perhitungan pada Gambar 13, Gambar 14, dan Gambar 15 bisa dibandingkan dengan hasil simulasi pada Gambar 11. Keduanya sebanding, sedangkan mengenai selisih nilai perhitungan bisa dipelajari pada post sebelumnya. Mengenai unsur parasitik pada komponen elektronik/elektrikal bisa dicari informasinya di Internet, sebagai salah satu awalan bisa dicoba di halaman situs ini.

Gambar 14.

Gambar 15.

Persamaan pada Gambar 10, batas nilai a dan b (dengan nilai yang berbeda dari nilai 0 dan 2π) dapat dipergunakan untuk mempelajari sakelar (terutama sakelar elektronis) selain diode.

Gambar 16. catatan: .options plotwinsize=0 [Klik kiri pada gambar untuk memperbesar tampilan.]

Gambar 17.

Gambar 18. catatan: .options plotwinsize=0 [Klik kiri pada gambar untuk memperbesar tampilan.]

Gambar 19.

Gambar 20. catatan: .options plotwinsize=0 [Klik kiri pada gambar untuk memperbesar tampilan.]

Gambar 21.

Gambar 22. catatan: .options plotwinsize=0 [Klik kiri pada gambar untuk memperbesar tampilan.]

Gambar 23.

Gambar 24. catatan: .options plotwinsize=0 [Klik kiri pada gambar untuk memperbesar tampilan.]

Gambar 25.

Gambar 26. catatan: .options plotwinsize=0 [Klik kiri pada gambar untuk memperbesar tampilan.]

Gambar 27.

Gambar 28. catatan: .options plotwinsize=0 [Klik kiri pada gambar untuk memperbesar tampilan.]

Gambar 29.

Gambar 30. catatan: .options plotwinsize=0 [Klik kiri pada gambar untuk memperbesar tampilan.]

Gambar 31.

Persamaan pada Gambar 31 dapat dibandingkan dengan persamaan yang terdapat pada paper ini.

Gambar 32. [Klik kiri pada gambar untuk memperbesar tampilan.]

Gambar 33. [Klik kiri pada gambar untuk memperbesar tampilan.]

Gambar 34. [Klik kiri pada gambar untuk memperbesar tampilan.]

Gambar 35. [Klik kiri pada gambar untuk memperbesar tampilan.]

Mengenal PSIM

PSIM adalah salah satu produk dari perusahaan Powersim yang ditujukan khusus untuk keperluan simulasi di bidang elektronika daya (power electronics). Bersama beberapa produk lain sejenis PSIM menjadi standar industri. Namun demikian versi utuh dari PSIM tidaklah gratis. dengan kata lain jika hendak mempergunakan fitur-fitunya secara untuh pengguna secara legal harus membayar. Untuk keperluan pendidikan di engineering technology penggunaan PSIM dapat digantikan dengan simulator lain yang gratis seperti LTspice. Merskipun begitu banyak hasil simulasi dari PSIM yang baik untuk dijadikan pembanding dan/atau bahan belajar.
[intense_panel shadow=”11″ border=”1px solid #696161″]

Untuk memudahkan proses belajar, disarankan untuk membuka halaman post ini di dua tab atau window pada browser. Dengan demikian pengguna dapat dengan lebih cepat membandingkan antara gelombang tegangan/arus dengan rangkaian atau antar gelombang.

[/intense_panel]

Gambar 1.