Simulator rangkaian dan model LED

[ [ simulator & model LED ] ]

Ada dua jalan bagian untuk mempelajari tentang dasar LED driver, yang merupakan peran elektronika daya di pengembangan pemanfaatan teknologi LED. Bagian pertama adalah mempelajari tentang LED, termasuk penggunaan model SPICE-nya. Bagian kedua adalah tentang catu daya. Catu daya linier maupun catu daya tersakelar dapat dipergunakan untuk mensuplai daya ke LED, bergantung pada peruntukannya.

Catu daya linier dengan komponen regulator LM317 dapat diatur untuk bekerja dalam mode constant current. Meskipun begitu di aplikasi yang lebih umum, saat LED menjadi sumber penerangan maka catu daya tersakelar (SMPS; switch mode power supply) menjadi pilihan yang lebih umum karena lebih efisien, lebih ringkas, dan bahkan lebih murah. Mengingat untuk sumber penerangan LED memerlukan rating daya yang lebih besar daripada penggunaannya sebagai indikator. Selain itu sumber penerangan dengan inti utama LED sering harus bekerja dengan dihubungkan ke jala-jala utilitas (seperti PLN) yang bertegangan di atas 90 V (nominal PLN 230 Vrms) dan merupakan tegangan AC.

Prinsip kerja topologi dasar SMPS telah dipelajari sebelumnya. Umumnya terdiri dari buck, boost, buck-boost (inverting/classical), non-inverting buck-boost (cascade & SEPIC), juga flyback. Dengan pemahaman fiosofi kerja rangkaian open-loop topologi dasar, diharapkan saat mengenal lebih jauh solusi SMPS yang ditawarkan secara komersial, akan menjadi lebih mudah. Telah banyak solusi off-the-shelf yang ditawarkan produsen elektronika, baik berupa komponen maupun di level sistem. Ada banyak IC regulator/controller yang memungkinkan pengguna membuat suatu closed loop SMPS dengan lebih mudah. Ditunjang dengan pemahaman topologi dasar tadi, maka proses membaca panduan/datasheet dari IC tersebut diharapkan dapat lebih mudah dilakukan. Setelah bagian ini pun dipahami baru berikutnya memasuki tahapan bagaimana memberi daya yang sesuai untuk tipe-tipe LED tertentu.

Artikel ini masih akan melanjutkan artikel sebelumnya tentang simulasi dengan model LED. Kali ini saya akan lanjut menuliskannya dari sudut pandang simulator. Ada beberapa simulator yang akan dicoba untuk melihat bagaimana simulasi dilakukan. Mengingat masing-masing simulator memiliki perbedaan pengaturan, bahkan perbadaan itu juga ada untuk simulator yang sama tetapi berbeda versi lisensi. Ini juga diperlukan agar mahasiswa mengenal tipe masing-masing ‘senjata’ dengan lebih baik. Kapan menggunakan simulator tertentu dan kapan menggunakan yang lain.

[ 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. ]

PSIM

Gambar 1. Simulasi LED di PSIM.

Sepanjang yang saya ketahui, di PSIM student version simulasi LED hanya sebatas pada mode ideal saja. Simulator PSIM (setidanya versi ini) unggul dalam melakukan simulasi di level sistem, mudah dipergunakan, dan relatif mempercepat pembangunan dengan penggunaan blok sistem. Karena itu simulator ini banyak dipergunakan di elektronika daya (power electronics). Rilis terakhir memungkinkan kombinasi dengan standar SPICE, tetapi fasilitas ini hanya diberikan untuk versi profesional saja.

MULTISIM (LIVE)

Ada dua versi Multisim dari segi akses medianya, yang offline dan yang online (Multisim Live). Untuk yang online terdapat versi yang bisa dipergunakan secara gratis. Pengguna juga dapat melakukan upgrade ke versi online profesional yang dijual satu paket dengan lisensi produk offline. Simulator ini memudahkan pengguna yang perlu melakukan simulasi dasar. Syaratnya hanya komputer yang memiliki browser, koneksi Internet, dan akun yang dibuat dengan gratis. Simulasi yang dibuat akan ditempatkan di dalam mode publik.

Bisa dilihat di Gambar 2, simulator versi gratis ini terbatas dalam hal model komponen, termasuk model LED. File simulasi LED ini telah tersedia, karena telah dibuat oleh orang lain di Multisim Live. Anda bisa segera mencobanya tanpa perlu membuat rangkaian sendiri. Disediakan tempat untuk memasukkan parameter model LED di kolom bagian kanan, jika anda cukup bersabar untuk melakukannya.

Gambar 2. Simulasi dengan Multisim Live.

PartSim

Sama halnya dengan Multisim Live, PartSim adalah juga simulator online. Kita tidak perlu melakukan intalasi apa pun di komputer kita, cukup hanya dengan menggunakan browser saja. Sejak awal, PartSim memang sengaja dibuat bebas pakai alias gratis. Ada kemungkinan mereka bekerjasama dengan perusahaan distribusi komponen seperti Arrow sebagai mitra bisnis. Terdapat peluang penjualan komponen ke pengguna yang mempergunakan PartSim untuk membuat simulasi atau skema rangkaian.

Karena dibangun dengan tujuan yang berbeda dengan Multisim Live, filosofi yang menjadi dasar berbeda, maka cara operasionalnya pun menjadi berbeda. PartSim tampaknya tidak memiliki sumber daya yang cukup untuk membangun simulator online secara utuh dari awal. Mereka memililh mempergunakan mesin ngspice. Tetapi di sisi lain karena memang tampaknya dari awal layanan tidak ditujukan untuk dijual langsung ke pengguna akhir, beberapa fasilitas dibuka bagi pengguna yang hendak memanfaatkannya secara penuh. Tidak ada fasilitas yang ditutup demi agar versi komersial software terjual. Meskipun tampilannya memang masih jauh lebih sederhana daripada simulator yang pada dasarnya adalah simulator komersial professional seperti Multisim.

Gambar 3. Tampilan skema rangkaian di PartSim.

Di PartSim pengguna bisa menambahakan sendiri model komponen berbasis SPICE. Meskipun cara ini tidak sangat praktis tetapi cukup membantu dan mempermudah. Mengingat PartSim adalah simulator yang secara legal gratis bebas pakai dan juga tidak perlu diinstalasi karena berbasis online. Sebagai contoh cepat saya pergunakan kembali model SPICE komponen LED XHP70 produksi Cree yang telah diperoleh sebelumnya.

Gambar 4. Jendela Spice Model.

Jika seperti di Gambar 3 kita melakukan klik di tombol Spice Model di bagian kanan di kolom Part Properties, maka akan terbuka jendela seperti di Gambar 4. Di situ terlihat model komponen yang baru saja saya tambahkan, yaitu XHP70. Pengguna bisa melihat detail model komponen dengan melakukan klik di tombol Show Model Text. Jika melakukan klik di New Model, akan terbuka jendela Create New Model. Di jendela itu anda bisa melakukan copy-paste model SPICE. Setelah selesai (entah memilih cancle atau create) maka akan muncul tampilan jendela seperti Gambar 5 berikut ini.

Gambar 5. PartSim Spice Model Manager.

Gambar 6. Hasil simulasi V₁ vs. I_R1 XHP70 di PartSim.

Gambar 7. Hasil simulasi karakteristik hubungan V_diode dan I_diode.

Untuk kepentingan simulasi model komponen LED, PartSim tampaknya lebih memberikan kemudahan yang fungsional bila dibandingkan dengan Multisim Live.

EveryCircuit

EveryCircuit adalah simulator yang dipasarkan untuk sistem Android dan iPhone, tetapi juga dapat dipergunakan untuk sistem komputer dengan browser Chrome/Chromium. Berbeda dengan dua simulator sebelumnya, simulator ini berbayar, pengguna bisa menggunakan versi online via browser setelah login ke akunnya. Keunggulan simulator ini adalah tampilannya yang menarik dan dapat dioperasikan di smartphone. Kekurangannya adalah bahwa simulator ini tidak ditujukan untuk pemakaian detail seperti Cadence Orcad, Multisim, atau bahkan LTspice. Seperti terlihat di animasi di Gambar 8, terdapat empat parameter model LED yang dapat diubah secara langsung saat simulasi.

Gambar 8. Simulasi V-I LED dengan EveryCircuit.

Micro-Cap 12

Gambar 9. D-LED di Micro-Cap 12.

Di Micro-Cap 12 jika anda menggunakan kata kunci LED untuk pencarian maka anda akan menemukan hasilnya seperti di Gambar 9. Hanya ada tiga model LED yang tampak bisa dipergunakan. Tetapi di Micro-Cap sebenarnya ada beberapa model komponen LED yang sudah disediakan. Meskipun keadanaannya hampir sama dengan di LTspice, sebagian model adalah untuk komponen yang sudah obsolete, sudah dinyatakan tidak lagi diproduksi oleh produsen aslinya. Sebagai contoh bisa dilihat di Gambar 10 berikut ini.

Gambar 10. Contoh model komponen LED yang telah disediakan di dalam Micro-Cap 12.

Gambar 11. Model SPICE dari komponen XHP70 yang ditambahkan ke Micro-Cap12.

Gambar 12. Simulasi karakteristik V-I di XHP70.

Gambar 12 adalah hasil simulasi untuk mendapatkan karakteristik hubungan antara tegangan anode-katode dan arus diode. Sama seperti LTspice, pengguna dapat memilih variabel yang akan dipakai di sumbu horizontal Micro-Cap 12. Pada percobaan ini simulasi yang dilakukan adalah dalam mode transient. Sumber tegangan AC di berikan ke resistor-diode yang terhubung seri. Perhatikan bahwa jika simulator memungkinkan, kita tidak selalu harus melakukan percobaan serupa ini dalam mode dc sweep.

Model LED :: Lumileds LUXEON F

Sebelum melanjutkan paparan kegiatan simulasi, saya akan beralih sementara untuk menyampaikan contoh model LED yang lain selain XHP70 dari Cree. Salah satu perusahaan yang terkemuka adalah Lumiled (yang dulu pernah dimiliki oleh Philips). Nama perusahaan ini lebih terkenal dariada Bridgelux, Epistar, atau Epileds. Terutama dengan produk seri Luxeon yang pernah menjadi brand yang sangat terkenal untuk teknologi LED.

Jika XHP70 memiliki daya maksimum sebesar 29 Watt, maka saya mencari contoh tipe LED dengan daya yang lebih rendah tetapi masih aktif diproduksi oleh produsen awalnya. Sebenarnya perusahaan Cree memiliki variasi produk yang cukup baik dan banyak yang dilengkapi dengan model komponen berformasi SPICE. Tetapi kali ini saya sekadar sengaja untuk mencari alternatif, dari perusahaan yang lain.

Di website produsennya, disampaikan bahwa LUXEON F adalah seri LED yang dibuat untuk target pasar industri otomotif. Sebagaimana perusahaan Cree, di situs seri produk LUXEON F dari Lumileds anda bisa menemui banyak dokumen yang berisikan keterangan tambahan dan juga design resource yang berisi file model SPICE.

Dari seri LUXEON F, saya ambil dua sub-seri sebagai contoh yaitu LUXEON F Cool White (product brief dan datasheet) dan LUXEON F ES Cool White (product brief dan datasheet). Dari keempat dokumen itu dapat disimpulkan bahwa kedua sub-seri LED itu hampir serupa, tetapi ada beberapa keterangan yang dapat menunjukkan perbedaan keduanya.

Gambar 13. Perbandingan antara dua varian LED.

Gambar 13 adalah salah satu contoh upaya untuk membandingkan antara satu produk dengan produk lain. Dengan cara ini diharapkan satu atau lebih perbedaan parameter akan lebih mudah terdeteksi. Di Internet, beberapa situs telah mempermudah pembandingan dengan mengizinkan pengguna melakukan pencarian dan perbandingan langsung berdasar pada parameter (parametric search).

Berikut ini bisa dilihat isi dua file dari ekstraksi dua file zip hasil download yang berbeda untuk dua sub-seri yang berbeda. Masing masing juga terbagi lagi ke beberapa komponen diskrit sesuai pengaturan berdasarkan parameter optiknya.

SPICE_Model_LUXEON_F_CoolWhite_(LFXH-C1A)_20141119.txt [Pastebin link]

****************** INSERT BELOW TEXT INTO LTSPICE "STANDARD.DIO" FILE *******************
*****************************************************************************************
* Copyright (c) 2015, Lumileds Holding B.V.. All rights reserved. *
* *
* WARNING: VF diode model is accurate for following current ranges: *
* LUXEON F Cool White (LFXH-C1A): 50mA to 700mA *
* *
* SPICE model is provided for each VF bin. *
* Model is valid from Tc 25°C to 120°C *
*****************************************************************************************
*
*
.model LFXH-C1A_VFBIN_B_min_PRELIM D(IS=5.045E-26 N=1.815E+00 RS=0.000E+00 XTI=-7.000E+00 EG=3.392E+00 TRS1=-1.000E-06 TRS2=1.000E-09 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
.model LFXH-C1A_VFBIN_B D(IS=1.553E-29 N=1.642E+00 RS=8.712E-02 XTI=-7.000E+00 EG=3.499E+00 TRS1=-1.504E-06 TRS2=1.718E-09 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
.model LFXH-C1A_VFBIN_B_max D(IS=4.562E-21 N=2.426E+00 RS=1.875E-01 XTI=-7.000E+00 EG=3.511E+00 TRS1=-1.028E-02 TRS2=5.287E-05 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
.model LFXH-C1A_VFBIN_C_min D(IS=4.562E-21 N=2.426E+00 RS=1.875E-01 XTI=-7.000E+00 EG=3.511E+00 TRS1=-1.028E-02 TRS2=5.287E-05 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
.model LFXH-C1A_VFBIN_C D(IS=4.139E-20 N=2.569E+00 RS=4.551E-01 XTI=-7.000E+00 EG=3.481E+00 TRS1=-6.633E-03 TRS2=3.694E-05 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
.model LFXH-C1A_VFBIN_C_max_PRELIM D(IS=1.339E-15 N=3.428E+00 RS=6.527E-01 XTI=-7.000E+00 EG=3.468E+00 TRS1=-6.541E-03 TRS2=3.801E-05 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
.model LFXH-C1A_VFBIN_D_min_PRELIM D(IS=1.339E-15 N=3.428E+00 RS=6.527E-01 XTI=-7.000E+00 EG=3.468E+00 TRS1=-6.541E-03 TRS2=3.801E-05 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
.model LFXH-C1A_VFBIN_D_PRELIM D(IS=3.413E-15 N=3.606E+00 RS=8.335E-01 XTI=-7.000E+00 EG=3.512E+00 TRS1=-6.300E-03 TRS2=3.946E-05 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
.model LFXH-C1A_VFBIN_D_max_PRELIM D(IS=1.301E-13 N=4.166E+00 RS=9.923E-01 XTI=-7.000E+00 EG=3.548E+00 TRS1=-6.410E-03 TRS2=4.126E-05 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
*
*

Klik untuk membaca kutipan

Klik untuk menutup

SPICE_Model_LUXEON_F_ES_CoolWhite_(LFXH-C2B)_20141216.txt [Pastebin link]

****************** INSERT TEXT BELOW INTO LTSPICE "STANDARD.DIO" FILE *******************
*****************************************************************************************
* Copyright (c) 2015, Lumileds Holding B.V.. All rights reserved. *
* *
* WARNING: VF diode model is accurate for following current ranges: *
* LUXEON F ES Cool White (LFXH-C2B): 50mA to 1000mA *
* *
* SPICE model is provided for each VF bin. *
* Model is valid from Tc 25°C to 120°C *
*****************************************************************************************
*
*
.model LFXH-C2B_VFBIN_B_min_PRELIM D(IS=7.802E-28 N=1.602E+00 RS=1.499E-01 XTI=-7.000E+00 EG=3.198E+00 TRS1=-2.779E-03 TRS2=2.193E-14 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
.model LFXH-C2B_VFBIN_B D(IS=8.904E-29 N=1.621E+00 RS=1.482E-01 XTI=-7.000E+00 EG=3.319E+00 TRS1=-2.815E-03 TRS2=2.130E-18 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
.model LFXH-C2B_VFBIN_B_max D(IS=7.948E-28 N=1.758E+00 RS=1.382E-01 XTI=-6.999E+00 EG=3.433E+00 TRS1=-3.313E-03 TRS2=2.130E-18 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
.model LFXH-C2B_VFBIN_C_min D(IS=7.948E-28 N=1.758E+00 RS=1.382E-01 XTI=-6.999E+00 EG=3.433E+00 TRS1=-3.313E-03 TRS2=2.130E-18 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
.model LFXH-C2B_VFBIN_C D(IS=6.568E-25 N=2.027E+00 RS=2.744E-01 XTI=-6.999E+00 EG=3.667E+00 TRS1=-4.432E-03 TRS2=5.365E-06 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
.model LFXH-C2B_VFBIN_C_max D(IS=3.692E-21 N=2.475E+00 RS=3.942E-01 XTI=-6.999E+00 EG=3.896E+00 TRS1=-4.419E-03 TRS2=3.242E-21 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
.model LFXH-C2B_VFBIN_D_min_PRELIM D(IS=3.692E-21 N=2.475E+00 RS=3.942E-01 XTI=-6.999E+00 EG=3.896E+00 TRS1=-4.419E-03 TRS2=3.242E-21 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
.model LFXH-C2B_VFBIN_D_PRELIM D(IS=1.646E-18 N=2.932E+00 RS=5.146E-01 XTI=-6.999E+00 EG=4.125E+00 TRS1=-4.681E-03 TRS2=3.242E-21 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
.model LFXH-C2B_VFBIN_D_max_PRELIM D(IS=1.292E-16 N=3.380E+00 RS=6.358E-01 XTI=-6.998E+00 EG=4.354E+00 TRS1=-4.835E-03 TRS2=0.000E+00 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)
*
*

Klik untuk membaca kutipan

Klik untuk menutup

Simulasi model LUXEON F

Model Luxeon F yang terdapat di blok di atas dapat disimulasikan di beberapa simulator berbasis SPICE. Kali ini saya akan terlebih dahulu mempergunakan Micro-Cap, baru kemudian disusul LTspice, dan PartSim.

Untuk melakukan simulasi perlu dipilih model varian yang akan dipakai untuk simulasi. Dua model yang akan dipakai adalah:

LUXEON F Cool White (LFXH-C1A): 50mA to 700mA

.model LFXH-C1A_VFBIN_C_min D(IS=4.562E-21 N=2.426E+00 RS=1.875E-01 XTI=-7.000E+00 EG=3.511E+00 TRS1=-1.028E-02 TRS2=5.287E-05 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)

LUXEON F ES Cool White (LFXH-C2B): 50mA to 1000mA

.model LFXH-C2B_VFBIN_C_min D(IS=7.948E-28 N=1.758E+00 RS=1.382E-01 XTI=-6.999E+00 EG=3.433E+00 TRS1=-3.313E-03 TRS2=2.130E-18 TNOM=25 mfg=Lumileds Type=LED)

Gambar 14. Model LED yang sudah dimasukkan pustaka.

Gambar 15. Rangkaian uji coba model LED.

Gambar 16. Hasil uji coba V vs. I, model LFXH-C1A_VFBIN_C_min di Micro-Cap.

Gambar 17. Kutipan dari datasheet.

Gambar 18. Hasil uji coba V vs. I, model LFXH-C1A_VFBIN_C_min di LTspice.

Gambar 19. Simulasi tegangan dan arus yang menghasilkan daya 1 W.

Gambar 20. Perbedaan V & I yang menghasilkan 1 W dan 2 W di LED.

Gambar 21. Laporan simulasi LFXH-C1A_VFBIN_C_min di PartSim.

Gambar 22. Kurva V vs. I LED dengan titik kursor di ~1 Watt.

Gambar 23. Kutipan dari datasheet.

Gambar 24. Hasil uji coba V vs. I, model LFXH-C2B_VFBIN_C_min di LTspice.

Gambar 25. Simulasi LFXH-C2B_VFBIN_C_min, 1 A dan 700 mA, di Micro-Cap.

Gambar 26. Simulasi LFXH-C2B_VFBIN_C_min, tegangan anode-katode sebesar 2.9 V, di PartSim.

SIMetrix/SIMPLIS

Gambar 27. Hasil uji coba V vs. I, model LFXH-C1A_VFBIN_C_min di SIMetrix.

Gambar 28. Hasil uji coba V vs. I, model LFXH-C2B_VFBIN_C_min di SIMetrix.

Penggunaan parameter sweep di LTspice untuk simulasi rangkaian open loop SEPIC

Keunggulan sistem open loop adalah ringkas dan biasanya lebih mudah dipahami karena sederhana. Kekurangannya, jelas bahwa kalau parameter utama sistem berubah maka nilai sesungguhnya (process variable) akan berubah dan bergeser dari nilai set point.

Untuk proses belajar, rangkaian/sistem open loop selalu disarankan untuk menjadi awalan. Diharapkan dengan cara ini maka korelasi dan kausalitas di sistem itu akan lebih mudah terlihat dan dipahami. Jika satu faktor/variabel berubah apa akibatnya bagi variabel lain? Apa saja variabel lain yang mempengaruhi suatu variabel/parameter operasi di suatu rangkaian/sistem? Dengan bahasa yang sangat informal, dikatakan, ” ‘Apa’ menyebabkan ‘apa’ ?” Dalam bentuk yang lebih formal, “Faktor apa saja yang menyebabkan sesuatu terjadi (atau tidak terjadi)?”

Di artikel sebelumnya telah disampaikan bagaimana LTspice dipergunakan untuk melakukan simulasi open-loop SEPIC. LTspice bisa dipakai untuk menggantikan PSIM dalam hal ini. Kali ini akan dicoba mempergunakan LTspice untuk skenario what-if. Bagaimana jika satu (dan hanya satu) faktor yang diubah, apa akibatnya pada unjuk kerja / parameter operasi rangkaian. Ini penting untuk menanamkan pemahaman hubungan sebab-akibat yang merupakan hubungan dasar di banyak sistem engineering (rekayasa).

[ 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 stepping nilai tegangan masukan.

Gambar 1 menunjukkan simulasi skenario tegangan masukan dinaikkan dari 8 V sampai 14 V dengan setiap kenaikan sebesar 2 V. Di LTspice aktivitas ini dapat dilakukan dengan memberi perintah .step param Vsource 8 14 2. Semua parameter lain dibiarkan tetap, termasuk nilai duty cycle. Hanya tegangan input saja yang nilainya diubah. Hasilnya nampak pada bagian kanan gambar yang sama. Nilai tegangan keluaran sebagai akibat dari perubahan nilai tegangan masukan juga dapat dilihat di hasil zoom in di Gambar 2.

Gambar 2. Hasil simulasi perubahan nilai tegangan sumber, zoomed-in.

Gambar 3. Simulasi perubahan duty cycle.

Gambar 3 menunjukkan percobaan bagaimana jika semua faktor lain tetap, sedangkan nilai duty cycle diubah. Apa pengaruhnya pada tingkat tegangan keluaran?

Hasil simulasi di bagian kanan Gambar 3 membantu membuktikan bahwa nilai tegangan keluaran pada open loop SEPIC selain ditentukan oleh nilai tegangan masukan juga ditentukan oleh nilai duty cycle. Bahkan biasanya untuk prosedur desain, nilai duty cycle yang tepatlah yang dihitung dan dicari. Ini dikarenakan biasanya nilai tegangan masukan dan keluaran sudah ditetapkan.

Percobaan di Gambar 3 menunjukkan semua nilai keluaran yang berada di atas nilai masukan. Ini serupa dengan kerja boost converter. Bagaimana cara untuk menunjukkan apakah rangkaian SEPIC bisa dipakai untuk menurunkan level tegangan seperti buck converter? Jawabannya ada di Gambar 4 berikut ini.

Gambar 4. Uji coba step-down dan step-up dengan open-loop SEPIC.

Secara kualitatif dapat diungkapkan bagaimana pola hubungan antara nilai duty cycle terhadap nilai tegangan output di SEPIC. Jika semua parameter lain tetap, semakin besar nilai duty cycle maka akan semakin besar nilai tegangan output. Di Gambar 4, gelombang berwarna hijau adalah tingkat keluaran tegangan terendah sebagai hasil dari nilai duty cycle sebesar 30%. Gelombang berwarna ungu adalah tingkat keluaran tegangan tertinggi sebagai hasil duty cycle terbesar pada percobaan ini yaitu 57.76%. Dapatkah anda memperkirakan mengapa pada saat duty cycle sebesar 50% maka idealnya nilai tegangan output akan sama dengan nilai tegangan input?

Persamaan dan contoh perhitungan untuk rangkaian/sistem SEPIC dapat ditemui di sejumlah buku textbook elektronika daya. Misalnya D. W. Hart, Power electronics, 1st ed. New York: McGraw-Hill Higher Education, 2010; H. Zumbahlenas, Linear Circuit Design Handbook. Elsevier Science & Technology Books, 2008; F. L. Luo, H. Ye, M. H. Rashid, and M. H. Rashid, Digital Power Electronics and Applications. Elsevier Academic, 2005. Cara lain adalah dengan mengakses, membaca, dan menelusuri berbagai dokumen yang dikeluarkan perusahaan produsen komponen dan sistem elektronika. Misalnya dari Microchip, Texas Instruments, Analog Devices, dan XLSEMI. Anda dapat menemui banyak application note, application report, user guide, white paper. datasheet, dan banyak lagi lainnya. Sebagai contoh kasus, berikut beberapa screenshot dokumen yang menunjukkan bagian perhitungan yang melibatkan duty cycle untuk SEPIC.

Gambar 5. Intersil AN9208 High Frequency Power Converters.

Gambar 6. Microchip AN1978 SEPIC LED Driver Demo Board for Automotive Applications.

Gambar 7. Texas Instruments, LM3478 High-Efficiency Low-Side N-Channel Controller for Switching Regulator.

Gambar 8. Microchip, AN1261 Dimming Power LEDs Using a SEPIC Converter and MCP1631 PIC Attach PWM Controller.
Gambar 9. Texas Instruments, AN-1484 Designing A SEPIC Converter.

Gambar 5 sampai Gambar 9 hanyalah sekadar contoh bagaimana informasi dapat ditemukan dan diperbandingkan, jika ada kemauan. Karena itu, terutama bagi mahasiswa, tidak tersedianya buku textbook yang tercetak bukanlah alasan kuat untuk tidak belajar. Semua screenshot yang ditampilkan di atas hanyalah sebagian kecil dari informasi yang tersedia.

Gambar 10. Simulasi pengubahan nilai resistansi beban.

Gambar 11. Zoom-in hasil simulasi pengubahan nilai resistor beban.

Dari Gambar 10 dan Gambar 11 bisa dilihat bahwa jika nilai resistansi sebuah beban dikurangi, maka akan semakin besar arus yang bisa lewat, semakin kecil pula nilai jatuh tegangan di resistor itu. Demikian pula berlaku sebaliknya.

Gambar 12. Percobaan dengan sumber arus ideal sebagai beban.

Percobaan sebagaimana di Gambar 12 dilakukan untuk memperoleh baseline bagi percobaan berikutnya. Pada kesempatan ini nilai arus beban sama dengan rancangan, yaitu 350 mA. Hasilnya sama dengan sebelumnya, nilai tegangan keluaran di kisaran 12 V. Bagian kanan Gambar 12 terdapat dua plot pane, yang menampilkan gelombang tegangan yang sama yaitu V(out). LTspice memiliki fasilitas bahwa masing-masing sumbu-X di setiap pane dapat diatur terpisah. Tampilan gelombang di pane bagian bawah adalah zoom-in dari gelombang di pane di atasnya. Anda bisa melihat ripple dengan lebih jelas sambil membandingkan dua tampilan gelombang yang sama.

Gambar 13. Percobaan pengaruh variasi arus beban terhadap tegangan keluaran.

Percobaan sebagaimana di Gambar 13 dilakukan dengan mencoba tiga tingkat arus beban yang berbeda. Gelombang tegangan keluaran berwarna hijau adalah hasil simulasi untuk arus beban 50 mA, sedangkan gelombang berwarna merah adalah tegangan keluaran untuk arus beban sebesar 2 A. Perlu diingat kembali, ini adalah sistem yang bertipe open-loop.

Anda bisa mencoba sendiri untuk mengubah satu-per-satu variabel/parameter rangkaian yang lain. Kemudian setelah itu bisa coba menggabungkan stepping untuk lebih dari satu parameter.

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:

Partsim share

Sumber belajar penggunaan PartSim telah saya muat sebelumnya dalam post ini. Bahan-bahan tersebut sudah cukup untuk memulai belajar cara memanfaatkan PartSim dengan baik. Langkah berikutnya adalah mencoba memanfaatkan fasilitas yang disediakan oleh PartSim. Salah satu fasilitas dari PartSim adalah adanya pilihan untuk bisa berbagi rangkaian yang telah dibuat. Proyek yang dibagi dengan fasilitas share dapat diakses bahkan oleh mereka yang tidak memiliki akun di PartSim. Fasilitas ini misalnya dapat dipergunakan untuk memeriksa hasil kerja siswa 🙂 .

Gambar 1.

Gambar 2. Klik Share untuk mulai pengaturan pembagian proyek.

Gambar 3.

Untuk bisa membagi proyek, ubah terlebih dahulu dari Private ke Public seperti yang terlihat pada Gambar 3.

Gambar 4.

Pada Gambar 4 terdapat pilihan cara membagi suatu proyek, salah satu cara paling mudah adalah dengan membagi link ke proyek.

Gambar 5.

Gambar 5 dalah contoh proyek yang dapat dibuka bahkan oleh pengguna yang belum memiliki akun (login).

Seperti semua simulator lain (atau bahkan semua perangkat lunak lain) selalu ada tantangan yang berhubungan dengan cara penggunaan yang diatur oleh pengembang. Misalnya mengenai acuan pengukuran. Untuk dapat melakukan simulasi full bridge rectifier silakan dibaca dan dipahami terlebih dahulu bahasan link berikut sebelum mencoba-coba pada simulator >> electronics.stackexchange.com.

[su_panel border=”2px solid #6D706B” shadow=”1px 2px 2px #6D706B” radius=”10″] Contoh salah satu proyek yang dibagi:

http://www.partsim.com/simulator/#58409

[/su_panel]