BAB III PERANCANGAN BOOST CHOPPER STEP UP (BCSU)
BCSU yang dirancang untuk menghasilkan tegangan keluaran sebesar 48 volt dengan daya 60 Watt dan tegangan masukannya adalah 12 volt, spesifikasi ini sesuai dengan aplikasi atau kebutuhan dilapangan. Dalam perancangan boost chopper ini diperlukan komponen-komponen berdasarkan kemampuan dari alat yang dirancang dan sistem yang dibuat adalah rangkaian tertutup.
Rangkaian Penyalaan
U3 + 6
3 U3
OUT
+ -
2
6
3
OUT
LM741 Comparator
Penguat
2 LM741
R
L
D
D
V
Q2 MOSFET N GSD
C
R
S
G
Gambar 3.1 Blok Diagram Boost Chopper
Pada bab ini akan dibahas tentang perencanaan rangkaian dan komponen utama yang diperlukan untuk perancangan sebuah boost chopper.
3.1 Perencanaan Power Mosfet Power mosfet yang digunakan berdasarkan pada tegangan dan arus beban maksimum yang diinginkan, dimana tegangan lebih sesaat yang terjadi diperkirakan adalah 100% dari tegangan maksimum. V DS = 48 + (100%.48) = 48 + 48 = 96Volt
CGD
VGD
G
D
D
VGS
D CDS
S
G
CGS
VDS
Q2 MOSFET
S Gambar 3.2 Rangkaian Dasar Power Mosfet
Sedangkan arus maksimum yang diperbolehkan mengalir pada drain dimana dengan memperhitungkan adanya arus lebih sesaat sebesar 200% dari arus maksimum maka arus drain akan sama dengan ; P = IxV
I=
P 60 = = 1,25 Ampere , dengan demikian untuk arus maksimum power mosfet V 48
akan sama dengan 1,25Amp. I D = 1,25 + ( 200%.1,25)
= 1,25 + 2,5 = 3,75 Amper Berdasarkan data tersebut diatas dengan memperhatikan komponen yang ada dipasaran, maka dipilih power mosfet dengan type IRF530. Dari data power mosfet tersebut mempunyai kemampuan tegangan (VDS) 80 Volt sampai dengan 100 Volt dan dengan rating arus 12 Ampere sampai dengan 14 Ampere.
3.2 Perencanaan Penggunaan Dioda Dioda ini sebagai pengendali arus dari sumber ke beban pada saat power mosfet tidak berkerja (off). Pada saat power mosfet bekerja (on) dioda utama harus dapat menahan tegangan beban. Arus puncak yang mengalir pada dioda utama sama dengan arus puncak yang mengallir pada power mosfet. Dengan demikian pada perencanaan dioda utama yang digunakan adalah type MR821 jenis fast recovery, karakter dioda ini mampu mengalirkan arus sebesar 8 Ampere dan tegangan 200 Volt.
3.3 Perencanaan Penggunaan Kumparan Kumparan utama dirancang dan dibuat agar dapat mengakumulasi energi pada saat power mosfet bekerja (on) dan kumparan tersebut harus mampu dilalui arus maksimum 3,75 Ampere. Pada perancangan kumparan utama ada beberapa hal yang perlu diperhatikan diantaranya ; -
Arus Beban
Panda perencanaan kumparan utama arus beban Dc chopper yang diinginkan perlu diperhatikan, hal ini karena pada kumparan (L) terdapat riak arus seperti pada gamabar 3.3 maka untuk mendapatkan arus yang cukup rata yaitu dengan
memeperkecil riak arus (∆I). Riak arus terlebih dahulu ditentukan dengan mengambil harga riak arus sebesar 1% dari arus maksimum.
I(A)
∆I
t1
t2 t(det)
Gambaro 3.3 Bentuk arus pada kumparan
∆ I = 1%.I max = 0,01.1,25 = 0,0125 Dari persamaan 2.1, ∆ I =
Vin t1 L
Dimana ; t1 = ton dari mosfet, naka ton dapat dicari dengan persamaan 2.3 D=
t on t on + t off
Bila di asumsikan bahwa ton sama dengan toff. Maka persamaan 2.3 akan menjadi ; D=
t on t on + t on
=
t on 2t on
= 0,5 Dalam perancangan boost chopper frekuensi switching fs yang digunakan adalah 20KHz, maka : Ts =
1 fs
1 2.10 4 = 0,5.10 − 4 det ik =
Dengan masukan harga Ts= 0,5.10-4 pada persamaan 2.3 dimana Ts = ton + toff; 0,5 =
t on Ts
t on = 0,5.Ts = 0,5 x0,5.10 − 4 = 2,5.10 − 5 det ik = 25.10 − 6 det ik Dengan masukan Vin = 12 Volt, ∆I = 0,0125 Ampere, ton = 25.10-6, kepersamaan 2.1, maka harga L dapat dicari : L1 =
Vin .t1 ∆I
12 x 25.10 − 6 0,0125 = 24000 µ H = 24mH =
Dimana L1 = L
-
Tahanan Dalam Mosfet (RDS)
Panda saat mosfet bekerja (on) kumparan tersebut harus dapat mangakumulasi arus yang melaluinya, sehingga arus tidak dikatakan hubungan singkat dan mosfet terhindar dari kerusakan (lihat gambar 3.4) L i
Vin
R(DS)
Gambaro 3.4 Rangkaian boost chopper pada saat mosfet bekerja
Dari gambar 3.4 diatas dapat ditulis persamaannya sebagai berikut ; Vin (t ) = V L (t ) + V RDS (t ) Vin (t ) − V L (t ) − V RDS (t ) = 0 Dimana ; V RSD (t ) = R DS .I (t ) VL = L
di (t ) sehingga, dt
Vin (t ) = L
di (t ) + R DS .I (t ) dt
Vin ( S ) = L.S .I .S + R DS .I ( S ) Vin ( S ) = S ( L.I .S + R DS .I ) Vin ( S ) = I ( LS + RDS ) S I=
Vin S ( SL + R DS )
=
Vin 1 . L SS + SRDS
=
Vin . L
1 SS +
R DS L
Sehingga; V L I = in . L R DS =
Vin R DS
Rds t on 1 − e L
− RDS t on L 1 − e
IRDS = 1− e Vin
− RDS t on L
5.0,16 = 1− e 12
0 ,16 t on L
0,066666 = 1 − e
− 0,93334 = − e ln 0,9334 = e L=
0,16 t on L
0 ,16 t on L
0,16 t on L
− 0,16 x 25.10 − 6 − 0,06899287
= 57,9.10 − 6 H H
Dimana, L = L2 Dengan membandingkan L2 = L1 maka terlihat bahwa L1 lebih besar dari pada L2, maka kumparan tersebut memenuhi syarat perancangan.
Untuk kumparan utama pada perancanaan boost chopper digunakan inti E-I yang terbuat dari ferit, untuk menghitung banyaknya lilitan kumparan utama digunakan persamaan. L=
NΦ …………………….3.1 i
Φ = B. A
= µ r .i.n. A = µ r .i
N . A ………………….3.2 l
Jika persamaan 3.1 disubstitusikan ke persaman 3.2 maka akan dihasilakan persamaan; L=
=
N .µ r . A i
µ r N 2 .A ……………………….3.3 l
Dimana ; L = inductor (Henry) μr = permeabilitas bahan (0,9≡1) A = luas penampang (mm2) l = panjang kawat (m) n = banyaknya lilitan per satuan panjang N = Jumlah lilitan. Dalam pembuatan boost chopper digunakan kawat dengan luas penampang 0,8 mm2 dengan panjang 5 meter menggunakan persamaan 3.3 banyaknya lilitan dapat dihitung ; L = 24 mH =24.10-3 H
A = 0,8 mm2 = 8.10-7m2 l = 5 meter L=
µ r N 2 .A l
24.10
N2 =
−3
1.N 2 .8.10 − 7 = 5
120.10 − 3 8.10 − 7
N = 387,2 lilitan
3.4 Kapasitor Utama Agar tegangan keluaran tidak berbentuk pulsa diperlukan kapasitor, hal ini dikarenakan untuk mengurangi ∆ V . Untuk memperkecil tegangan ripple, maka ∆V sebesar 1% dari tegangan keluaran maksimum alat maka : ∆V = 0,01 .48 = 0,48 ∆ Vc =
Ia(Va − Vs ) Va. f .c
1,25( 48 − 12 ) 48.20000.c 45 0,48 = 12.10 5.C 93,75 C= 12.10 5 0,48 =
= 97.6.10 − 5 F = 97 µ F Kapasitor yang ada dipasaran 97μF dengan range tegangan 60Volt.
3.5 Rangkaian Penyulut/ Penyalaan Agar power mosfet dapat bekerja (on), maka power mosfet membutuhkan rangkaian penyalaan atau swicthing. Pada perancangan boost chopper rangkaian penyalaan terdiri dari ; -
Rangkaian tegangan gigi gregaji
-
Rangkaian penguat
-
Rangkaian pembanding (comparator)
3.5.1 Rangkaian Pembangkit Gigi Gergaji Rangkaian ini berfungsi membangkitkan tegangan gigi gergaji. Dimana rangkaian ini terdiri dari dua bagaian pokok yaitu: 5. Rangkaian pembangkit tegangan segi empat Rangkain pembangkit tegangan segi empat ini dengan lebar pulsa dan frekuensi yang dapat disetting. Komponen utama dari rangkain ini adalah IC NE555.
VR1 VR2 1 R1 R
2 3 4
. TR Q R U1 NE555
VCC DIS THR CV
8
R2 R
7
1 2
6
3
5
4
.
VCC
TR
DIS
Q
THR
R
CV
8 7 6 5
U2 NE555
C3
out C
C1 C
C2 C
C4 C
Gambaro 3.5 Rangkaian pembangkit tegangan segi empat
Catatan ; IC1=IC2=IC NE555
C1 = ? (dicari)
R1 = 50 KΩ
C2 = 10 ηF
VR1 = VR2 = 100 KΩ
C3 = 1 ηF
R2 = 10 KΩ
C4 = 10 ηF
Untuk menentukan C1 maka digunakan persamaan 2.6 sebagai berikut ; T = 0,7(RA+RB)C RA = R1
RB = R2
Sehingga persamaan 2.6 menjadi ; T=0,7(R1+R2)C T=
1 , f =20 KHz fs s
T=
1000 20
= 50 detik C1 =
50 0,7(100 + 50)
= 476,19 F
6. Rangkaian pengubah tegangan segi empat menjadi tegangan gigi gergaji Rangkaian pengubah tegangan segi empat jadi tegangan gregaji menggunakan komponen utama resistor, kapasitor dan transistor NPN tipe BC109.
VCC 12V 200K R output 10K input
Q1 BC109C
2,2nF C
R
Gambar 3.6 Rangkaian pengubah tegangan segi empat
7. Rangkaian komparator (Rangkaian pembanding) Rangkaian pembanding ini berfungsi untuk membandingkan tegangan gigi gregaji dengan tegangan referensi yang dihasilkan penguat. Tegangan keluaran dari rangkain ini berupa tegangan segi empat dengan selang yang berubah-ubah sesuai dengan naik turunnya tegangan referensi IC yang digunakan pada rangkaian pembanding adalah LM741. Persamaan gelombang keluarannya adalah : Vout = Vsat.Sign(Vg – Vref)…………………….……………..(3.4)
Vref
+
Vgergaji
IC
Output (ke G)
-
Gambar 3.7 Rangkain komparator
Output dari rangkaian komparator adalah tegangan segiempat yang prinsif kerjanya berdasarkan pemotongan gelombang gigi gregaji dengan tegangan referensi, yang dapat dianalisa sebagai berikut :
Vg Vref ton
toff
Gambar 3.8 Cara kerja rangkaian komparator
Dimana ; Vref = Tegangan referensi Vg = Tegangan gigi gregaji ton = Waktu penyalaan toff = Waktu padam r , perbandingan tahanan setingan pada variabel resistor (r) 1K, terhadap R
N=
tahanan resistor variabel (R) 50K. Vo = Tegangan ouput VDZ=Tegangan Dioda zener Berdasarkan gambar 3.8 dan 3.9 maka didapat persamaan ; Vg T
=
t on =
V g − Vref t on T (V g − Vref ) Vg
R R Vref = − 2 V DZ + 2 N .Vo R1 R4 Bila ;
R2 R2 5 1 = = = , maka ; R4 R1 10 2
1 1 Vref = − V DZ + N .V0 2 2 D=
t on T T (V g − Vref Vg
D=
D=
T 1 1 T V g − − V DZ + NV0 2 2 Vg T
1 1 V g − − VDZ − N .V0 2 2 D= Vg
D=
D=
Vg +
Vg Vg
D = 1+
+
1 1 V DZ + N .V0 2 2 Vg V Dz N .V0 + 2V g Vg
1 + 2
V DZ NV0 + V g V g
1 Bila, V0 = Vin 1− D
1 = Vin 1 − 1 + 1 V DZ + N .V0 2 V g V g 1 = Vin 1 V DZ + N .V0 2 Vg V g 1 = Vin V + DZ N .V0 2V g
2.V g = Vin VDZ + N .V0
Bila, Vout =
2.V g .Vin V DZ + N .V0
2.V g .Vin = V0 (V DZ + N .V0 ) 2
N .V0 + V0 .V DZ − 2.V g .Vin = 0 ………………………….3.5 Jika persamaan 3.5 dikalikan dengan menjadi ; N .V 0
V02 +
2
+ V 0 .V Dz − 2.V g .V in = 0.
V0.V DZ 2.V g .Vin − = 0 N N
V02 = −
V0.V DZ 2.V g .Vin + N N
1 2
1 , maka persamaan tersebut akan N
V0 =
−
V0.V DZ 2.V g .Vin + N N
Untuk perubahan tegangan input yang kecil maka persamaan 3.5 akan menjadi ; Vin = V0
V DZ N + V02 2V g 2V g
∆ Vin VDZ 2.V0 .N = + ∆ V0 2V g 2V g V + 2.V0 .N ∆ Vin = DZ ∆ V0 …………….….……….3.6 2.V g
3.6 Perencanaan Rangkaian Penguat Rangkaian ini berfungsi untuk mengetahui adanya penurunan atau penaikan tegangan keluaran pada boost chopper. Masukan dari rangkaian penguat adalah tegangan keluaran dari boost chopper dan tegangan dari dioda zener, dimana tegangan diode zener merupakan tegangan acuan sekaligus sebagai penggerak awal apabila sistem tidak bekerja. Keluaran dari rangkaian penguat ini adalah tegangan referensi yang merupakan masukan bagi rangkaian pembanding. Bila tegangan boost chopper naik maka tegangan referensi akan naik juga dan bila tegangan boost chopper turun maka tegangan referensi juga akan turun.
Vo 48V
VR
R1 R2
VCC 12V 3
+
R4 2
R3
U3
OUT 2
D1
Vref
-
LM741
1
DIODE ZENER1
6
Gambar 3.9 Rangkain Penguat
Catatan ; VR = 100 KΩ
R3 = 1 KΩ
R1 = 10 KΩ
R4 = 10 KΩ
R2 = 5 KΩ
DZ = 3 Volt
Persamaan tegangan keluarannya adalah : R R Vref = − 2 V DZ + 2 N .V0 ………………………….3.7 R1 R4 3.7 Rangkaian Penyearah Rangkaian penyearah yang digunakan untuk boost chopper adalah rangkaian penyearah yang menggunakan diode bridge (penyearah jembatan) yang mana terbagi atas tiga bagian ; 1. Rangkaian penyearah untuk rangkaian daya
Rangkaian penyearah ini menggunaakan diode bridge 10Amp dan kapasitor sebesar 10000 μF 16 Volt dan trafo 5 Amp.
D3
1 220Vac T1
12 Vac 2 -
0
F1
+ 4
0
FUSE/SM BRIDGE 3
5Amp
+
C8 C-POL
output
Gambar 3.10 Penyearah rangkaian daya
2. Rangkaian penyearah untuk rangkaian switching Rangkaian ini menggunakan diode penyearah sebesar 2 Amp dan
1
kapasitor sebesar 1000μF 16Volt trafo yang digunakan adalah 0,5Amp.
220Vac T1
D3
12 Vac 2 -
0
F1
+ 4
0
VCC 12V
FUSE/SM BRIDGE 3
0,5 Amp
+
C8 C-POL
-V
Gambar 3.11 Penyearah rangkaian switching
3. Rangkaian penyearah untuk penguat dan komparator Rangkain penyearah ini menggunakan dioda penyearah sebesar 2Amp dan kapasitor sebesar 1000μF 16Volt.
1 220Vac T1
12 Vac 2 -
0
D3 F1
+ 4
0
VCC 12V
FUSE/SM BRIDGE 3
0,5 Amp
+
C8 C-POL
-V
Gambar 3.12 Penyearah rangkaian penguat dan komparator
