[ [ video ] ] [su_panel border=”3px solid #30C0F0″ radius=”10″]
Kurasi video di halaman ini adalah salah satu bentuk layanan kepada mahasiswa untuk mata kuliah Elektronika Daya. Baik selama masa perkuliahan maupun setelah lulus. Semua video di sini maupun di halaman lain telah melalui proses penyaringan dari ratusan video lainnya, diseleksi selama berhari-hari. Agar bisa lebih sesuai, bermanfaat, dan bisa dinikmati dalam proses belajar dengan lebih baik.
Tentu saja tidak diwajibkan bagi mahasiswa untuk menyaksikan semuanya, masing-masing hingga selesai. Sesuaikan dengan arahan dan panduan dari dosen di setiap musim perkuliahan. Video yang sama sudah saya unggah juga di LMS Moodle. Bagi alumnus, silakan disaksikan sesuai minat dan keperluan. Semoga bermanfaat sebagai bagian dari continuing education, proses belajar berkelanjutan.
Dengan cara ini diharapkan dapat melengkapi literasi yang menjadi pokok kemajuan peradaban bangsa dan negara. Kita bisa belajar langsung dari para akademisi dan peneliti yang beraktivitas fokus di bidangnya masing-masing. Dari produsen yang mengetahui detail alat dan sistem yang dihasilkannya. Dari penjual ahli yang memiliki pengalaman perbandingan banyak alat/sistem serupa. Dari para engineer dan teknisi yang hampir setiap hari menangani alat/sistem. Dari pengguna akhir yang bisa menyampikan langsung pengalamannya sebagai konsumen.
Menonton video seperti ini sebenarnya memiliki persamaan dengan proses membaca. Pada intinya, kita bersedia belajar dari pengalaman orang lain/pengalaman peradaban lain. Keduanya dapat dilakukan dengan pengaturan waktu kita sendiri, dengan lebih bebas.
Diharapkan dapat menambah wawasan dan bisa memperoleh gambaran umum yang lebih luas mengenai peran elektronika daya (power electronics) di sistem ketenagalistrikan. Selamat belajar.
Kurasi informasi ini adalah bagaian dari pelayanan untuk memfasilitasi dan memotivasi sesuai dengan peruntukan KKNI level 5 dan KKNI level 6 perguruan tinggi vokasi.
Untuk artikel kali ini saya hendak menyampaikan sekilas tentang dua simulator rangkaian dan sistem yang juga bisa dimanfaatkan untuk pelajaran elektronika daya (power electronics). Tentu saja keduanya juga bisa dipakai untuk simulasi rangkaian elektronika lainnya atau bahkan pemodelan sederhana dengan rangkaian listrik di sistem tenaga. Yang pertama adalah simulator Micro-Cap 12 dan yang kedua adalah SIMplex/SIMPLIS.
Untuk artikel ini sengaja saya menggunakan topologi SEPIC sebagai contoh karena baru saja dibahas panjang dan lebar di beberapa artikel sebelumnya. Untuk mengakses artikel-artikel tersebut silakan buka Sumber belajar di bagian akhir artikel ini dengan cara melakukan klik pada tulisannya. Karena itu di artikel ini saya tidak akan berpanjang lebar lagi mengenai SEPIC. Begitu pula belum akan memberikan tutorial mengenai penggunaan keduanya. Bahasan yang lebih panjang semoga bisa dilakukan di lain kesempatan.
Micro-Cap 12
Simulator Micro-Cap adalah simulator yang general untuk rangkaian listrik dan komponen/sistem elektronika. Seperti juga LTspice, simulator ini cukup baik untuk melakukan simulasi rangkaian tersakelar. Karena itu dapat dipergunakan untuk bidang power electronics terutama dc-dc converter.
[ 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 rangkaian SEPIC dengan Micro-Cap 12.
Gambar 2. Hasil simulasi transient V(out) SEPIC dengan Micro-Cap 12.
Hasil di Gambar 2 dapat dibandingkan dengan hasil simulasi untuk parameter yang sama dengan hasil sebelumnya di LTspice dan PSIM. Berikutnya, hasil di Gambar 3 adalah untuk pengukuran riak/ripple dengan simulasi.
Gambar 3. Penggunaan kursor di Scope Micro-Cap 12.
Gambar 4. Penggunaan Tag Mode di hasil simulasi mode transient di Micro-Cap 12.
Gambar 5. Fasilitas Periodic Steady State.
Simulator Micro-Cap 12 memiliki fasilitas PSS (Gambar 5), yang bisa dipergunakan untuk memperoleh gambaran keadaan stabil/tunak dengan lebih cepat. Ini terutama sekali bermanfaat untuk sistem SMPS (switch mode power supply). Hasil simulasi pengaturan di Gambar 5 bisa dilihat di Gambar 6 di bawah ini.
Gambar 6. Hasil simulasi dengan menggunakan fasilitas PSS.
Gambar 7. Tiga pilihan cara untuk melakukan simulasi mutual inductance / coupled inductors / transformer.
Gambar 8. Hasil dari simulasi rangkaian dengan induktansi.
Gambar 8 merupakan hasil simulasi dari sistem di Gambar 7 yang merupakan contoh rangkaian yang sudah disediakan oleh perusahaan pembuat Micro-Cap. Pertama, bisa dilihat ada tiga cara untuk menempatkan komponen mutual inductance / coupled inductors / transformer di Micro-Cap 12. Kedua, bisa dilihat polaritas gelombang keluaran terhadap gelombang masukan. Bandingkan polaritas V(TOUT) terhadap V(INPUT) di Gambar 9 dengan yang di Gambar 8.
Gambar 9. Pembalikan polaritas tegangan keluaran.
Pembalikan polaritas tegangan dilakukan dengan memberi tanda negatif pada nilai K (coupling coefficient). Ini salah satu contoh praktik mengenai pentingnya kita untuk mau membaca sumber panduan yang dikeluarkan oleh produsen.
A negative coupling coefficient is the equivalent of flipping the polarity of one side of the transformerSpectrum Software
Gambar 10. Simulasi dengan hubungan induktor kopel di Micro-Cap.
Gambar 10 merupakan rangkaian simulasi yang sebenarnya sama dengan sebelumnya. Hanya saja ditambahi komponen mutual inductance, yang dipakai sebagai penanda untuk menghubungkan L1 dan L2 sebagai coupled inductors. Perlu diingat, sesuai di gambar rangkaian, nilai masing-masing induktor sengaja tidak diturunkan hingga separuhnya. Hal ini dilakukan untuk sebisa mungkin menjaga agar semua parameter/faktor lain tetap sama, yang berubah hanyalah adalah hubungan kopel dengan koefisien sebesar 0.9 pada kedua induktor. Hasil simulasinya bisa dilihat di Gambar 11, bisa diperhatikan bahwa kadang-kadang memang bagaimanapun kita perlu waktu simulasi yang lebih lama. Rentang waktu yang lebih panjang ini terutama untuk mencapai kondisi steady state atau setidaknya mendekati kondisi itu. Bisa coba dibandingkan sendiri bagaimana jika mempergunakan PSS.
Gambar 11. Simulasi transient untuk SEPIC dengan coupled inductors.
Tampilan yang terlihat di Gambar 12 adalah hasil pembesaran dari Gambar 11, dengan rentang waktu yang diperpendek. Anda bisa bandingkan hasilnya dengan simulasi sebelumnya yang menggunakan simulator LTspice.
Gambar 12. Tampilan zoom-in simulasi rangkaian SEPIC dengan coupled inductors.
SIMetrix/SIMPLIS
Simulator yang kedua yang hendak saya utarakan ini sebenarnya terdiri dari dua simulator yang terpisah. Kedua perusahaan pembuatnya bekerja sama dan memasarkan dua simulator itu ke dalam satu paket. Paket (bundle) simulator ini juga telah dipakai oleh beberapa perusahaan produsen komponen elektronika untuk melayani kebutuhan dasar simulasi dari para penggunanya. Tentu saja yang diberikan adalah serupa versi demo yang memiliki keterbatasan dalam jumlah node maupun fasilitas/fitur simulasi. Sungguhpun begitu, bundle simulator ini sudah memadai untuk mempelajari bagian-bagian dari ilmu elektronika daya.
Simulator SIMetrix pada dasarnya serupa dengan simulator keluarga SPICE lainnya, meski tentu karena proses pengembangan di masing-masing perusahaan, produk akhirnya tidak akan persis sama.
What is Simetrix?
SIMetrix is a mixed-signal circuit simulator designed for ease and speed of use.
The core algorithms employed by the SIMetrix analog simulator are based on the SPICE program developed by the CAD/IC group at the department of Electrical Engineering and Computer Sciences, University of California at Berkeley. The digital event driven simulator is derived from XSPICE developed by the Computer Science and Information Technology Laboratory, Georgia Tech. Research Institute, Georgia Institute of Technology.
Although originally derived from these programs only a tiny fraction of the overall application code can be traced to them. Nearly all of the simulator code is either new or has been rewritten in order to provide new analysis features and to resolve convergence problems.SIMetrix Technologies
Sedangkan simulator SIMPLIS adalah simulator yang mengambil pendekatan berbeda dari keluarga SPICE untuk melakukan simulasi rangkaian. Di simulasi rangkaian oleh SIMPLIS detail komponen non-linier akan diabaikan oleh simulator. Beberapa komponen perlu diterjemahkan oleh simulator ke format yang dapat dengan lebih cepat dikerjakan oleh SIMPLIS. Sekalipun tidak mendetail, namun untuk banyak keperluan sistem penyakelaran daya simulator jenis ini justru lebih banyak berguna.
Di bidang Power Electronics sejak dulu masalah simulasi adalah masalah yang pelik, tidak semua simulator berbasis SPICE punya kemampuan yang setara untuk dapat cepat menyelesaikan simulasi dengan cepat dan tepat. Bahkan, alasan inilah yang menyebabkan simulator LTspice yang gratis namun berpenampilan antar-muka yang tidak menarik itu tetap menjadi andalan banyak desainer sistem elektronika daya. Simulator SIMPLIS mengambil pendekatan yang berbeda dengan LTspice.
What is SIMPLIS?
SIMPLIS is a circuit simulator designed for rapid modelling of switching power systems. An acronym for “SIMulation for Piecewise LInear System”, it is supplied with our SIMetrix/SIMPLIS product range.
SIMPLIS is a component level simulator like SPICE but is typically 10 to 50 times faster when simulating switching circuits. It achieves its speed by modelling devices using a series of straight-line segments rather than solving non-linear equations as SPICE does. By modelling devices in this way, SIMPLIS can characterise a complete system as a cyclical sequence of linear circuit topologies. This is an accurate representation of a typical switching power system where the semiconductor devices function as switches. However, a linear system can be solved very much more rapidly than the non-linear systems that SPICE handles. The end result is accurate, but extremely fast simulations, allowing the modelling of complex topologies that would not be viable with SPICE.
SIMPLIS has three analysis modes: Transient, Periodic Operating Point and AC. Transient analysis is similar to the SPICE equivalent but is typically 10-50 times faster. Periodic Operating Point is a unique analysis mode that finds the steady-state operating waveforms of switching systems. AC analysis finds the frequency response of a switching system without needing to use averaged models. This is especially useful for what-if studies on new circuit topologies or control schemes where the small-signal averaged model has not yet been derived.
Because non-linear devices are defined using a sequence of straight line segments, models for such devices are quite different from SPICE models. There are of course many SPICE models available and so in order to retain compatibility with these, SIMetrix/SIMPLIS has the ability to convert models for some types of device into SIMPLIS format. This conversion is performed when the device is placed on the schematic. Devices currently supported are MOSFETs, BJTs and diodes. In the case of MOSFETs and Zener diodes, the conversion is achieved by performing a sequence of simulations using the SIMetrix-SPICE simulator. This method is independent of the method of implementation of the device.
[ 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 rangkaian SEPIC dengan SIMetrix.
Gambar 2. Hasil simulasi dengan SIMetrix, pengaruh penyakelaran pada tegangan keluaran.
Gambar 3. Perubahan polaritas tegangan dua induktor dibandingkan kondisi tegangan keluaran,
Gambar 4. Perubahan polaritas arus di dua kapasitor dibandingkan kondisi tegangan keluaran.
Gambar 5. Simulasi rangkaian SEPIC dengan simulator SIMPLIS
Rangkaian SEPIC yang dipergunakan pada simulasi di Gambar 5 adalah rangkaian yang dasarnya sama dengan yang dipergunakan pada simulasi dengan simulator SIMetrix. Perbedaannya adalah penggunaan bahwa sumber tegangan, MOSFET, dan diode Schottky harus diterjemahkan ke dalam bentuk yang dipahami oleh SIMPLIS. Cara ekstraksi/pengisian parameter komponen telah disediakan oleh SIMPLIS, seperti di Gambar 6. Komponen MOSFET yang tadinya adalah IRL530NS diganti menjadi IRF530NS di simlasi SIMPLIS ini. Adapun penggantian tipe diode sebenarnya tidak diperlukan, hanya saja setelah percobaan awal saya ingin sekaligus secara ringkas menunjukkan penggunaan diode baru dengan kemampuan yang lebih besar.
Gambar 6. Fasilitas ekstraksi parameter otomatis / pengisian parameter komponen secara manual.
Gambar 9. Hasil simulasi risiko arus puncak sesaat melilntasi diode D1.
Gambar 10. Penggunaan fasilitas Mutual Inductor di SIMetrix.
Gambar 10 menunjukkan penggunaan fasilitas Mutual Inductor yang terdapat di MPLAB MINDI SIMetrix. Di gambar yang sama terlihat bahwa untuk simulasi ini D1 telah menggunakan 50wq06fn yang memiliki kemampuan lebih besar.
Gambar 11. Hasil percobaan dengan Mutual Inductor di SIMetrix, riak arus sebesar ∆ 82.03 mA.
Gambar 12. Penggunaan fasilitas Mutual Inductance di SIMPLIS
Gambar 13. Hasil simulasi dengan Mutual Inductance di SIMPLIS
Hasil simulasi rangkaian dengan menggunakan SIMPLIS di Gambar 12 dapat dilihat di Gambar 13 dengan hasil yang tidak jauh berbeda dengan hasil simulasi SIMetrix. Hasil ini juga bisa dibandingkan dengan simulasi menggunakan Micro-Cap, LTspice, dan PSIM.
Sebagiamana biasanya saya selalu mengemukakan bahwa ada banyak bahan belajar yang tersedia di zaman ini. Data-Informasi-Pengetahuan-Kebijaksanaan tersedia untuk dapat diakses dengan jauh lebih cepat dari zaman sebelumnya. Bahkan sering dikatakan bahwa kesulitan pada dekade terakhir ini seringkali bukanlah tentang bagaimana mencari informasi untuk banyak hal, tetapi justru bagaimana memilah data dan informasi yang jumlahnya besar sekali. Ini adalah lanjutan dari era ‘banjir informasi‘.
Ini juga berlaku untuk sumber pengetahuan di bidang elektro/elektronika. Banyak sekali informasi dari berbagai sumber yang bisa ditemukan dan disaring. Disesuaikan penggunaannya sebatas keperluan/kebutuhan. Sering kali persoalannya adalah apakah ada kemauan atau tidak untuk mencari dan mempelajarinya. Selain dari textbook, mahasiswa juga bisa mencari dari berbagai lecture notes/course notes di perguruan tinggi ternama di bidang ini di dunia. Misalnya dari MIT, Rose-Hulman, UoS, Calpoly, UTK, CU Boulder, CMU, Stanford. Alternatif lain adalah dengan mencari di MOOC seperti edX, Coursera, Udacity, MIT OCW. Pilihan lainnya lagi adalah dengan mencari informasi di sejumlah website perusahaan yang bergerak di bidang elektronika. Belum lagi bahwa mahasiswa bisa mengakses sejumlah besar tutorial yang tersedia di sejumlah majalah (Design News, Planet Analog, EETimes, EDN, EEWeb), Instructables, Medium, WordPress, Blogspot, dan Youtube. Meskipun tidak semua sumber tersebut bisa langsung dikutip begitu saja ke dalam karya Tugas Akhir/Skripsi, tetapi tetap bagus dan berharga sebagai bahan belajar.
Di artikel ini akan dicoba dicontohkan bagaimana beberapa bahan dari beberapa sumber dapat dipergunakan untuk membantu lebih memahami tentang komponen dan sistem elektronika daya. Sebagai contoh, dipergunakan lingkup bahasan DC-DC Converter (terutama SEPIC) dan komponen induktor (terutama coupled inductor).
Perusahaan-perusahaan yang memproduksi komponen IC regulator/controller biasanya cukup banyak memberikan sejumlah informasi yang bisa dipakai sebagai bahan belajar. Dari datasheet (data-sheet), application note, user guide, user manual sampai yang whitepapers. Misalnya perusahaan seperti Littelfuse, STMicroelectronics, Texas Instruments, Microchip, Analog Devices, Maxim, Infineon, Renesas, Vishay, Bourns. Beberapa dari perusahaan itu bahkan tidak hanya memproduksi komponen aktif tetapi juga komponen pasif. Sehingga pengguna bisa mendapatkan informasi yang lebih banyak dari satu tempat.
Untuk DC-DC Converter sendiri, komponen pasif yang terpenting adalah induktor. Berbeda dari masa-masa sebelumnya, sekarang sudah semakin banyak variasi komponen induktor siap pakai yang bisa didapatkan. Ada perusahaan-perusahaan yang memiliki fokus untuk memproduksinya, di sampaing beberapa perusahaan produsen komponen elektronika yang umum. Dua yang menurut saya paling mengemuka adalah Coilcraft dan Würth Elektronik. Beberapa yang lain yang juga memproduksi induktor (yang di antaranya) untuk keperluan sistem elektronika daya; Murata, API Delevan, TDK Electronics, Vishay, Bourns, dan TT Electronics.
Perusahaan adalah entitas bisnis, yang kemunculan, keberadaan, serta kemampuannya untuk tetap bertahan adalah berasal dari upaya penyelesaian masalah yang dihadapi oleh pihak lain. Sistem elektronika semakin banyak yang memerlukan komponen induktor, ini adalah kebutuhan yang perlu dipenuhi. Perusahaan-perusahaan yang mampu bertahan sebagai produsen induktor yang dipercaya adalah perusahaan yang bukan hanya mampu memberikan harga produk yang kompetitif. Tetapi lebih dari itu, ada banyak hal lain yang menyumbang kesuksesannya sebagai perusahaan. Antara lain adalah customer education. Setiap perusahaan berlomba untuk mempermudah para pelanggan. Misalnya dari segi distribusi, dari segi pemilihan komponen, bantuan desain sampai dengan ketersediaan informasi.
Di lain artikel akan saya coba untuk menunjukkan contoh bagaimana perusahaan-perusahaan itu menyediakan perangkat lunak seperti simulator, kalkulator, atau setidaknya semacam parametric based selector untuk mempermudah pembeli dan calon pembeli. Tetap kali ini yang akan dicontohkan adalah informasi yang disediakan perusahaan-perusahaan itu. Kalaupun ada kendala mengenai bahasa pengantar, sekarang ini sudah sangat mudah untuk mempergunakan Google Translate atau Bing Microsoft Translator. Keduanya sudah sangat mudah untuk dipergunakan, berbeda dengan saat kuliah S1 saya dahulu. Saat itu layanan online yang tersedia bebas pakai hanyalah layanan Babelfish dari Altavista.
Würth Elektronik
Ada beberapa informasi dari Würth yang cukup bagus sebagai bahan bacaan, berkenaan dengan dc-dc converter atau induktor. Tulisan yang pertama adalah tentang perbandingan sejumlah topologi SMPS {{1}}. Tulisan singkat ini diawali dengan perbandingan antara catu daya linier dengan catu daya tersakelar. Lalu dilanjutkan dengan penjelasan singkat mengenai tipe-tipe/topologi catu daye tersakelar. Di halaman ini juga terdapat link ke file SMPSChart.
Tulisan yang kedua sama singkatnya dengan tulisan yang pertama tadi. Topologi SEPIC dibahas dengan lebih dalam. Dilengkapi dengan gambar tata letak (layout) komponen SEPIC di simulator LTspice{{2}}. Di tulisan ini dikemukakan argumentasi untuk memilih mempergunakan coupled inductors.
You might be asking yourself why you would use a coupled inductor instead of two inductors. Here are the main advantages:
Less space on PCB
Less cost
Input ripple current cancellation (resulting in smaller input capacitor and simpler EMI input filter)
Increased efficiency (due to smaller inductor value [half of uncoupled SEPIC] and therefore less DCR and less winding losses)
[/intense_blockquote]
Artikel ketiga menunjukkan dengan lebih spesifik mengenai coupled inductors {{3}}. Dilengkapi dengan video yang juga dapat dilihat via Youtube, dan topologi rangkaian penyakelar di Gambar 1 berikut.
Gambar 1. Topologi tahapan penyakelar daya.
Artikel yang terakhir ini menyampaikan alternatif cara untuk menentukan nilai induktor yang dipergunakan dalam sistem dc-dc converter{{4}}. Di sini disebutkan tentang fasilitas online yang disediakan, REDEXPERT. Perangkat ini akan coba saya tampilkan di lain artikel. Berikutnya, di tulisan singkat ini disampaikan juga argumentasi yang lebih panjang tentang keutamaan penggunakan coupled inductors bila dibandingkan dengan dua induktor terpisah.
Coupled Inductor vs. Single Inductors
After calculating the SEPIC converter topology, the program suggests the inductors that best fit electronically into the circuit. This list can then be further optimized by taking DCR or mechanical dimensions into consideration.
In this example, a coupled inductor pre-setting shows an example using two single inductors. The inductance value of the coupled inductor is exactly half of the single inductor. This clearly shows that by choosing a coupled inductor, the DCR can be reduced significantly (67 mOhm vs. two 72 mOhm).
Artikel pertama di situs Coilcraft yang saya kutip mengenalkan tentang komponen induktor{{5}}. Ini adalah artikel yang bagus untuk mengingat kembali tentang induktor. Misalnya yang saya kutip di Gambar 2 berikut ini adalah salah satu fungsi induktor di suatu rangkaian daya. Di bagian bawah setiap artikel di Coilcraft, terdapat beberapa tautan yang menarik. Baik yang menuju ke artikel lain maupun ke sejumlah tools yang bisa dipakai untuk membantu perhitungan/simulasi.
Gambar 2. Fungsi induktor untuk mengurangi riak arus.
Artikel kedua membahas secara lebih spesifik mengenai induktor terkopel{{6}}. Misalnya membahas tentang bagimana cara memilih induktor terkopel dengan fasilitas coupled inductor finder. Artikel ini juga membahas persamaan dan perbedaan antara penggunaan istilah komponen induktor, serta masalah coupling coefficient seperti:
Close coupling may not be optimal for all applications. In fact, Coilcraft’s MSC1278 Series of coupled inductors is designed with high leakage inductance for use in certain SEPIC applications. The loosely coupled windings (K ≈ 0.8) improve SEPIC efficiency by reducing circulating current and still provide twice the ripple current reduction of separate inductors.Coilcraft
Artikel ketiga dalam format file pdf yang saya kutip dari situs Coilcraft ini sangatlah ‘praktis'{{7}}. Di dalamnya terdapat contoh perancangan dan perhitungan untuk menentukan induktor mana yang dipilih untuk dipergunakan. Sebagaimana di Gambar 3, saya hanya mengutip langkah 1, langkah 6, dan langkah 7. Sangat disarankan untuk membaca secara utuh informasi di dalam artikel ini dari situs Coilcraft.
Gambar 3. Contoh perancangan.
Halaman berikutnya dari Coilcraft adalah tampilan depan untuk produk coupled inductors{{8}}. Sebagai contoh, sebagian saya tampilkan di Gambar 4.
Gambar 4. Coilcraft Coupled Inductors.
Halaman terakhir yang saya kutip dari Coilcraft adalah halaman yang menyajikan informasi lebih detail tentang salah satu komponen{{9}}. Lihat Gambar 4. Dari halaman itu bisa diakses beberapa informasi di halaman lain tentang komponen yang sama.
Sebagai contoh cepat simulasi coupled inductors, kita bisa mempergunakan PSIM. Berikut ini dipakai dua nilai sebagai pembanding, yang pertama masing-masing bernilai 100 μH dan yang kedua masing-masing bernilai 50 μH. Perlu diingat bahwa seringkali simulasi untuk coupled inductors memerlukan rentang waktu yang lebih panjang.
Gambar 7. Simulasi coupled inductors dengan PSIM untuk nilai 100 μH.
Gambar 8. Hasil simulasi, riak arus sebesar 74.32 mA (0.07432 A)
Gambar 9. Simulasi coupled inductors dengan PSIM untuk nilai 50 μH.
Gambar 10. Hasil simulasi, riak arus sebesar 140 mA (0.14 A)
Sistem konverter dengan tipe SEPIC dapat diwujudkan dengan menggunakan dua buah induktor yang terpisah. Tetapi anda bisa jadi akan menemukan sistem SEPIC dengan hanya satu induktor saja. Sebelum di lain waktu akan melihat bagaimana solusi SEPIC komersial dengan tipe closed-loop, maka kali ini kita akan melihat bagian terakhir dari variasi sistem SEPIC yaitu coupled inductors.
[ 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. Perancangan SEPIC dengan TI PSD.
Gambar 1 menunjukkan bahwa di PSD ada fasilitas perhitungan untuk melakukan perancangan rangkaian SEPIC yang mempergunakan dua induktor yang dililitkan di inti yang sama (coupled inductors). Nanti akan coba kita lihat apakah benar ada perbedaan riak arus (current ripple) antara induktor yang terpisah dengan yang coupled/mutual. Setidaknya induktor yang terkopel ini dipilih untuk dipergunakan oleh produsen karena akan menggunakan tempat yang lebih sedikit di PCB dan cenderung akan lebih murah.
Gambar 2. Microchip PIC16F1788 Wireless DC/DC LED Driver.
Gambar 2 menunjukkan contoh bagaimana coupled inductors dapat membuat suatu produk menjadi lebih ringkas. Bandingkan gambar skema induktor di situ dengan L1 di Gambar 3 berikut ini.
Gambar 3. Texas Instuments, slyt411.
Gambar 4. Microchip, AN1137 Using the MCP1631 Family to Develop Low-Cost Battery Chargers.
Gambar 5. Microchip, AN960 New Components and Design Methods Bring Intelligence to Battery Charger Applications.
Gambar 6. Simulasi dasar dengan induktor terpisah.
Seperti biasa, simulasi di Gambar 6 dipergunakan untuk dasar pembanding/baseline untuk rangkaian dan simulasi berikutnya. Mulai Gambar 7 berikut akan ditunjukkan ‘evolusi’ rangkaian dasar menuju rangkaian dengan coupled inductors/mutual inductance.
Gambar 7. Evolusi yang pertama dari rangkaian.
Gambar 8. Evolusi yang kedua dari rangkaian.
Gambar 8 adalah versi akhir rangkaian simulasi untuk open-loop SEPIC dengan coupled inductors. Meskipun menurut beberapa sumber nilai induktor kopel dapat dikurangi, namun untuk simulasi kali ini masih akan dipertahankan nilai yang sama untuk dibandingkan dengan simulasi dari TI PSD. Di Gambar 1 dapat dibaca nilai riak arus (current ripple) untuk konfigurasi dua induktor (yang masing-masing bernilai 100 μH), yaitu 160 mA. Hasil ini bisa dibandingkan dengan hasil simulasi LTspice untuk rangkaian yang serupa, Gambar 7, sebagaimana terilihat di Gambar 9 berikut ini.
Gambar 9. Riak arus (current ripple) untuk penggunaan dua induktor 100 μH secara terpisah.
Hasil antara simulasi di Gambar 9 adalah masih ‘in the ballpark‘ (mendekati) hasil simulasi PSD di Gambar 1. Berikutnya untuk coupled inductors kita kembali terlebih dahulu ke simulasi PSD, di Gambar 10 ini.
Gambar 10. Perhitungan/simulasi dengan PSD untuk coupled inductors.
Konfigurasi yang diatur untuk perhitungan PSD seperti di Gambar 10 akan menjadi pembanding hasil yang nanti akan diperoleh dari simulasi di LTspice di Gambar 11.
Gambar 11. Riak arus (current ripple) untuk penggunaan coupled inductors 100 μH.
Gambar 11 adalah hasil dari simulasi rangkaian SEPIC di Gambar 9 yang menggunakan coupled inductors. Untuk percobaan ini, nilai masing-masing induktor tidak diubah tetap 100 μH. Maka dapat dibandingkan dengan Gambar 10 bahwa nilai kedua simulasi, tetap mendekati nilai yang sama. Dari sini secara empiris bisa diambil kesimpulan bahwa untuk nilai induktor yang sama maka nilai ripple current akan lebih kecil jika induktor dihubungkan kopel di inti yang sama (coupled inductors). Oleh karena itu beberapa sumber menyatakan bahwa secara praktis bisa diperkirakan bahwa jika memilih mempergunakan coupled inductors, nilai induktansi pun bisa dikurangi separuhnya. Ini jelas merupakan tambahan penghematan, meskipun nilai induktor kopel yang sesungguhnya masih perlu dihitung dengan lebih teliti untuk mengakomodasi ketidakidealan rangkaian.
Gambar 12. Simulasi PSD dengan nilai induktor kopel sebesar 50 μH.
Gambar 13. Simulasi LTspice untuk coupled inductors SEPIC (masing-masing 50 μH).
Simulasi LTspice di Gambar 13 (dan PSD di Gambar 12) menunjukkan bahwa sekalipun nilai masing-masing lilitan induktor dikurangi separuh (50 μH) pada rangkaian dengan coupled inductors, tetapi current ripple akan sebanding dengan riak arus di rangkaian SEPIC dengan induktor terpisah (yang masing-masing induktornya sebesar 100 μH).
Catatan penting untuk simulasi dengan coupled inductors/mutual inductance di LTspice adalah mengenai pengaturan nilai kopel. Untuk semua rangkaian percobaan di atas pengaturan yang dipergunakan adalah K L1 L2 0.9. Angka 0.9 menunjukkan nilai koefisien kopel, nilai coupling coefficient yang sempurna adalah 1. Angka 1 menunjukkan bahwa tidak ada leakage inductance, kopling sempurna antar tiap induktor, L1 dan L2. Selain dari kesulitan untuk mewujudkannya di sistem fisik, nilai coupling coefficient sebesar 1 artinya semua energi di L1 akan dipindahkan ke L2 yang akan mendatangkan masalah juga saat simulasi. Di kondisi itu tidak ada arus yang mengalir ke kapasitor kopling C1. Sehingga coupling capacitor itu memang bisa dihilangkan, tetapi sebagai akibatnya rangkaian SEPIC akan berubah menjadi rangkaian flyback yang memiliki karakteristik kerja yang berbeda. Masih bisa kita ingat bahwa pada umumnya rangkaian SEPIC tidak memerlukan tambahan snubber meskipun bekerja dengan induktor (bahkan dua induktor tunggal yang terpisah atau coupled inductors). Hanya sebagai pembanding, di Gambar 14 di bawah ini akan ditunjukkan bagaimana jika pengaturan kopling untuk Gambar 13 diubah menjadi K L1 L2 1.
Gambar 14. Percobaan dengan pengaturan K L1 L2 1.
Setiap simulator, termasuk simulator rangkaian/sistem elektronika yang berbasis SPICE, tentu memiliki pengaturannya masing-masing. Beberapa berlaku umum, beberapa spesifik di simulator yang dimaksud. Kalau anda perhatikan, di semua rangkaian coupled inductors/mutual inductance simbol/lambangnya hampir serupa/sama. Apakah memang harus demikian di LTspice? Jawabannya adalah tidak. Bagaimana anda menempatkan posisi masing-masing induktor yang terkopel tidak menjadi soal. Yang menjadi penanda perintah bagi LTspice adalah apa yang disebut sebagai ‘K-statement’, misalnya K L1 L2 0.9. Dengan perintah itu LTspice mengetahui bahwa L1 dan L2 terhubung, coupled inductors/mutual inductance/transformer. Dari posisinya di K-statement itu diketahui bahwa L1 sebagai sisi primer, L2 sebagai sisi sekunder, dan mutual coupling coefficient adalah sebesar 0.9. Gambar 15 ini membuktikan bahwa rangkaian tidak harus dibentuk seperti di Gambar 8 (dan seterusnya), kecuali untuk mempermudah pengenalan visual saja. LTspice mengenali adanya induktor yang terhubung kopel hanya dengan mengetahui adanya ‘K-statement’.
Gambar 15. Penggunaan K-statement.
Di kesempatan lain saya akan coba menyampaikan tentang sumber belajar Switching DC-DC Converter / SMPS (Switched Mode Power Suply) dari perusahaan-perusahaan yang memproduksi induktor/ transformer. Karena komponen ini juga merupakan salah satu komponen yang terpenting untuk suatu catu daya tersakelar selain penyakelar (regulator / controller).
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 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.
Gambar 5. 
Gambar 6. Microchip 
Gambar 7. Texas Instruments, 
Gambar 8. Microchip, 
Gambar 9. 
Gambar 11. Zoom-in hasil simulasi pengubahan nilai resistor beban.
