CHARGER PORTABLE SEBAGAI PENGISIAN BATERAI HANDPHONE DARI SUMBER DAYA DC MENGGUNAKAN METODE BUCK BOOST CONVERTER Agus Setyawan1, Bambang Sumantri, ST.,M.Sc2, Agus Indra Gunawan, ST.,M.Sc2 1
2
Penulis, Mahasiswa Jurusan Teknik Elektronika PENS - ITS Dosen Pembimbing, Staf Pengajar di Jurusan Teknik Elektronika PENS - ITS Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Electronics Engineering Polytechnic Institute of Surabaya Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA Tel: +62 (31) 594 7280; Fax: +62 (31) 594 6114 email :
[email protected]
Abstrak — Charger merupakan piranti yang digunakan dalam pengisian baterai. Charger portable dibuat untuk mengimbangi fungsi piranti elektronika yang praktis yang bisa dibawa kemana-mana, termasuk handphone. Charger portable memanfaatkan sumber daya dc yang lebih banyak dtemukan ditempat-tempat umum karena sifatnya yang praktis. Charger ini mengubah sumber daya dc menjadi dc (dc to dc converter) sesuai tegangan yang dibutuhkan dalam pengisian baterai, yang umum digunakan adalah 5 volt. Dengan menjadikan tegangan dc konstan 5 volt, maka sumber daya tersebut dapat dimanfaatkan dalam melakukan pengisian. Disinilah fungsi charger portable sebagai dc to dc converter, yakni menjadikan tegangan itu konstan. Dalam dc to dc converter, yang paling banyak digunakan adalah buck converter, boost converter, dan buckboost converter. Buck converter bersifat menurunkan tegangan input, boost converter bersifat menaikkan tegangan input dan buck-boost converter memiliki fungsi keduanya. Converter tersebut menghasilkan tegangan konstan sesuai yang diinginkan. Charger portable dibuat dengan memanfaatkan metode buck converter dan boost converter yang digabung menjadi satu. Dan oleh karena portable, maka digunakan rangkaian yang paling sederhana dengan komponen yang sederhana agar konsumsi daya terhadap charger ini menjadi minim. Hal ini karena daya yang tersimpan dalam baterai dc yang terbatas dan mudah cepat habis. Untuk menentukan output dari converter mana yang digunakan, buck ataukah boost, maka digunakan sebuah relay dimana ketika tegangan relay cukup untuk menghasilkan tegangan 5 volt maka relay aktif dan memilih output dari buck converter yang digunakan. Tapi jika ternyata output dari buck converter belum bisa menghasilkan output yang diinginkan karena supply dari input kurang, maka output dari boost converter yang digunakan
Kata Kunci : charger, portable, dc to dc converter, buck converter, boost converter I. PENDAHULUAN Handphone merupakan alat komunikasi yang saat ini paling banyak digunakan dalam kehidupan sehari-hari. Keberadaan handphone seakan tidak bisa digantian dengan alat komunikasi lainnya karena sifatnya yang praktis dan dapat dibawa kemana-mana. Penggunaan handphone secara kontinyu tentu mengurangi sumber daya pada baterai yang digunakannya. Untuk itu perlu dilakukan charging baterai handphone yang biasanya menggunakan adaptor yang menggunakan sumber daya ac dari jala-jala PLN yang ada di rumah-rumah. Sedangkan pada keadaan tertentu pengguna handphone belum tentu berada di rumah atau di tempat yang menyediakan sumber daya ac. Kalau dibandingkan dengan sumber daya dc, maka sumber daya dc lebih mudah didapatkan di tempat-tempat umum, berupa baterai yang umum dijual di pasaran. Dengan melihat kondisi tersebut, dibutuhkan sebuah charger portable yang efisien yang dapat memanfaatkan berbagai jenis baterai dc, bahkan mulai tegangan sumber 1,5 volt. Output yang dihasilkan haruslah tetap konsan (5 volt dc), walaupun menggunakan input tegangan dari baterai yang bervariasi, sehingga tidak merusak daya tahan dari baterai handphone itu sendiri. Dengan metode yang sudah ada dapat dibuat sebuah dc-dc converter yang nantinya dapat digunakan sebagai charger portable yang dapat digunakan dalam keadaan darurat. Rangkaian ini dibuat seefisien mungkin dengan menggunakan komponen yang sederhana sehingga tujuan pembuatan proyek akhir ini dapat terpenuhi.
1
vL
II. DASAR TEORI
Vd Vo
di L L dt diL Vd Vo dt L diL iL dt t iL (1 D)T
2.1 Boost converter Boost converter adalah jenis dc-dc converter yang memiliki output tegangan yang lebih besar dari tegangan input.
Vd Vo L Vd Vo (1 DT ) iL opened L
diL dt
Gambar 2.1 Rangkaian Dasar Boost Converter
Vd
Saklar adalah saklar elektronik yang bekerja secara cepat antara on dan off sehingga menghasilkan duty cycle secara otomatis mengikuti besar tegangan input. Besarnya duty cycle berubah-ubah sesuai besar input yang diberikan untuk menjaga output agar tetap konstan. Ketika saklar dalam posisi tertutup, maka diode dalam keadaan reverse, sehingga terjadi penyimpanan muatan oleh induktor.
vL
OPENED t Vd Vo
iL
iL
( 1-D )T DT
T
t
Gambar 2.4 Pengaruh Duty Cycle pada Boost Converter Besarnya duty cycle akan mempengaruhi nilai tegangan output. Perbandingan duty cycle antara keadaan closed dan open dapat dilihat pada grafik gambar 2.4. Tegangan yang dihasilkan merupakan nilai rata-rata dari keadaan saklar yang open dan closed. Nilai duty cycle boost converter memenuhi persamaan berikut: Vo 1 Vd 1 D
Gambar 2.2 Boost Converter Kondisi Saklar Tertutup vL
Vd
di L L dt diL Vd dt L diL iL iL dt t DT Vd diL dt L Vd DT iL closed L
Vo Vo
D RCf
Sedangkan ketika saklar dalam kondisi terbuka, maka diode menjadi kondisi tertutup dan induktor akan membuang energinya menuju kapasitor.
Gambar 2.3 Boost Converter Kondisi Saklar Terbuka
Gambar 2.5 Rangkaian Boost Converter dengan Controller Sederhana Untuk nilai induktansi yang digunakan adalah sebagai berikut:
Lmin
2
D(1 D) 2 R 2f
dengan :
Lm in = Nilai Induktansi minimum D = Duty cycle R = Resistansi f
= Frekuensi
2.2 Buck converter Buck converter adalah jenis dc-dc converter yang memiliki output tegangan yang lebih kecil dari tegangan input.
Gambar 2.9 Pengaruh Duty Cycle Pada Buck Converter Seperti halnya boost converter, sinyal duty cycle dapat dibuat dari rangkaian analog dengan memanfaatkan komponen yang sederhana, yakni kapasitor dan transistor.
Gambar 2.6 Rangkaian Dasar Buck Converter Ketika saklar tertutup, diode dalam keadaan reverse sehingga sinyal input menuju induktor dan terjadi penyimpanan energi.
Gambar 2.10 Rangkaian Buck Converter dengan Controller Sederhana
Gambar 2.7 Buck Converter Kondisi Saklar Tertutup vL
Vd Vo
iL t iL
Besarnya duty cycle agar tegangan output sesuai yang diharapkan adalah sebagai berikut:
diL dt
Vo Vd
Vd Vo L
diL dt diL dt
L
closed
D
Vo Vo
iL Vd Vo DT L Vd Vo DT L
1 D 8LCf 2
Nilai induktansi yang dibutuhkan untuk membuat sebuah buck converter adalah berdasarkan persamaan berikut:
Sedangkan saat kondisi saklar terbuka diode menjadi forward bias sehingga ada aliran tegangan yang melalui kapasitor.
(1 D ) R 2f
Lm in dengan :
Lm in = Nilai Induktansi minimum D = Duty cycle R = Resistansi f Gambar 2.8 Buck Converter Kondisi Saklar Terbuka vL
Vo diL dt diL dt iL
L
= Frekuensi
III. PERANCANGAN SISTEM 3.1 Blok Diagram Sistem
diL dt
Vo L iL t opened
iL (1 D)T Vo L
Vo L (1 D)T
Gambar 3.1 Desain Alat
3
Alat ini dirancang dan dibuat dengan menggunakan metode dari rangkaian buck dan boost converter, dimana output dari kedua tipe converter tersebut terhubung dengan relay untuk mengaktifkan output mana yang akan digunakan.
4.2 Pengukuran Menggunakan Oscilloscope 4.2.1. Pengukuran Terhadap Sinyal yang Bekerja pada Converter. A. Boost Converter
3.2 Relay Relay yang digunakan adalah relay 5 volt, namun dalam kenyataannya relay ini dapat aktif walaupun tegangan yang diberikan padanya kurang dari 5 volt. Untuk mengantisipasi agar relay tidak aktif saat kondisi yang tidak dibutuhkan, dimana saat tegangan output buck converter kurang dari 5 volt, maka ditambahkan pembatas tegangan agar tegangan output buck converter yang kurang dari 5 volt tidak dapat mengaktifkan relay.
Gambar 4.3 Sinyal pada Kaki Basis Q1 557 Kaki basis pada Q1 557 adalah sinyal yang berasal dari kaki kolektor Q3 547. Sinyal yang didapatkan adalah sinyal gergaji, dimana hal ini dipengaruhi oleh kapasitor 330pF yang dipasang paralel dengan kaki basis Q1 557. Ketika pertama kali kolektor dari Q3 547 mengalirkan arus, maka tegangan yang terukur pada kaki basis Q1 557 tinggi. Karena ada tegangan yang masuk basis, dimana bila transistor pnp memiliki tegangan basis yang lebih tinggi dari emiternya, maka tegangan akan dialirkan dari emiter menuju kolektor, sehingga basis dari Q2 337 mendapat tegangan dari kolektor Q1 557.
Gambar 3.2 Rangkaian Pembatas Tegangan Kurang Pada Relay IV PENGUJIAN SISTEM 4.1 Pengukuran Menggunakan Multitester Pengujian mengunakan multitester digunakan untuk mengetahui nilai output yang dhasilkan oleh rangkaian charger portable ini dari berbagai input yang diberikan padanya. Nilai output yang diambil adalah tegangan dan nilai arus. Pengukuran di lakukan dengan menggunakan input baterai ukuran AA/1,5 volt.
Gambar 4.4 Sinyal pada Kaki Basis Q2 337 Karena mendapat tegangan pada kaki basisnya, untuk transistor npn, ketika tegangan pada basis lebih besar daripada tegangan pada emiter (emiter digroundkan), maka tegangan pada kolektor akan dialirkan menuju emiter. Sedangkan kolektor pada Q2 337 sendiri tidak memiliki tegangan, sehingga kolektor melalui kapasitor 330pF menarik tegangan pada kaki yang terhubung paralel dengan kaki basis Q1 557. Karena ditarik oleh kapasitor, maka tegangan yang masuk kaki basis Q1 557 semakin kecil sehingga menghasilkan sinyal gelombang gergaji. Dalam keadaan ini kapasitor akan terus mengisi hingga Q1 557 tidak lagi aktif karena tegangan pada kaki basisnya tidak cukup kuat untuk membuat transistor aktif (ditarik sepenuhnya oleh kapasitor).
TB = Tanpa Beban, DB = Dengan Beban Berdasarkan nilai referensi tegangan yang diinginkan adalah tegangan dc 5 volt dan dengan nilai output yang dihasilkan, dapat dicari nilai error sebagai berikut. Error (%) = | nilai referensi – nilai output sesungguhnya | x 100% nilai referensi
4
tegangan ini akan menonaktifkan kinerja dari Q3 547 saat tegangan output sudah mencapai 5 volt, yakni dengan cara menarik tegangan pada basis Q3 menuju ground. Ketika Q3 tdak aktif, maka tidak ada tegangan yang masuk Q1, sehingga saklar menjadi off.
Gambar 4.5 Sinyal pada Kaki Kolektor Q2 337 Gambar diatas adalah sinyal kolektor Q2 yang terhubung langsung pada induktor (sebagai saklar). Ketika Q1 557 tidak lagi aktif, maka Q2 337 juga tidak aktif. Dengan demikian kolektor tidak lagi menarik tegangan dari kapasitor. Pada kondisi ini kapasitor melakukan pengosongan energi. Saat energi pada kapasitor sudah habis, Q1 dan Q2 kembali aktif. Hal ini berlangsung kontinyu sehingga dapat dikatakan bahwa Q2 337 adalah sebagai saklar otomatis yang kinerjanya juga dikendalikan oleh Q1 557. Jika diamati bentuk gelombang yang dihasilkan, maka setiap nilai input yang berbeda akan menghasilkan bentuk sinyal yang berbeda. Semakin tinggi nilai tegangan input, maka nilai duty cycle semakin kecil, sehingga jika input terus diperbesar, maka tidak ada duty cycle yang dihasilkan sehingga nilai output akan sama dengan nilai input. Saat Q1 dan Q2 aktif maka saklar dalam posisi terhubung dan diode dalam kondisi reverse, sehingga indukor melakukan pengisian. Sedangkan saat transistor idak aktif maka saklar dalam kondisi open dan diode menjadi forward bias. Dalam kondisi ini induktor mengalirkan muatan yang tersimpan olehnya menuju kapasitor 100uF. Besarnya nilai frekuensi yang bekerja pada saklar tersebut adalah tergantung dari nilai RC seri yang bekerja pada rangkaian tersebut, yakni resistor 33k dan kapasitor 330pF.
f
Gambar 4.7 Sinyal pada Kaki Kolektor Q3 547 Gambar di atas adalah gambar sinyal pada kaki kolektor Q3 yang terhubung dengan Q1. Sinyal berbentuk gelombang gergaji karena ada kondisi dimana tegangan pada kaki basis Q3 ditarik oleh Q4 menuju ground, yakni saat tegangan output yang dihasilkan sudah mencapai 5 volt. B.
Buck Converter
Gambar 4.9 Sinyal pada Kaki Basis Q1 547 Kaki basis pada Q1 547 pada buck converter mempunyai bentuk sinyal seperti gambar di atas (b,c,d sinyal digeser kebawah pada oscilloscop). Kenaikan tegangan pada basis Q1 547 disebabkan karena proses pengosongan kapasitor yang muatannya dialirkan ke basis Q1 547. Jika dilihat dari bentuk sinyal, maka saat kapasitor tidak membuang energinya pada transistor, tegangan yang mengalir pada basis transistor cukup kecil. Hal ini berarti tegangan pada basis tidak cukup kuat untuk membuat transistor menjadi aktif. Ketika terjadi pengosongan energi kapasitor ke basis transistor, barulah transistor menjadi aktif. Karena emitter dari Q1 547 ini terhubung pada output buck converter, dimana nilai tegangan emitter lebih besar daripada nilai tegangan basis, maka tidak ada arus yang mengalir dari kolektor ke emitter. Aktifnya transistor justru membuat nilai tegangan pada transistor Q1 547 menjadi turun.
1 2 RC
dengan:
f = Frekuensi
R = Resistansi C = Kapasistansi Untuk Q3 547, bekerja sebagai penyalur sinyal ke Q1 557, dimana kaki kolektor Q3 terhubung dengan basis Q1. Kinerja dari transistor ketiga ini juga dikendalikan oleh transistor keempat Q4 547 sebagai detektor tegangan. Detektor tegangan ini penting, karena saklar yang dibuat bekerja hanya dengan menggunakan rangkaian analog dengan komponen sederhana tanpa kontrol otomatis (berupa IC mikrokontroler). Detektor
5
5.
6.
Gambar 4.11 Sinyal pada Kaki Kolektor Q1 547 / Basis Q2 327
DAFTAR PUSTAKA
Bentuk sinyal yang dihasilkan oleh Q1 547 pada kaki kolektornya seperti gambar diatas. Saat tegangan naik, maka tegangan pada kaki kolektor Q1 ini dapat mengaktifkan Q2 karena kolektor dari Q1 terhubung dengan basis Q2 secara langsung. Sedangkan saat tegangan pada posisi low, Q2 tidak dapat aktif karena nilai tegangan terlalu kecil.
Gambar 4.12 Sinyal pada Kaki Kolektor Q2 327 Sinyal yang dihasilkan oleh kolektor Q2 seperti tampak pada gambar di atas. Semua sinyal tersebut digeser kebawah pada layar oscilloscop, nilai lembah adalah posisi ground, sedangkan nilai puncak adalah nilai tegangan tertinggi yang dihasilkan. Sinyal yang dihasilkan adalah pulsa PWM yang dihubungkan pada buck converter sebagai saklar.
BAB V KESIMPULAN 1.
2. 3. 4.
Efisiensi converter dengan beban dan tanpa beban hampir sama (dengan beban sedikit lebih besar, kecuali untuk boost converter dengan 1 atau 2 masukan baterai. Semakin besar tegangan masukan, nilai efisiensi menjadi lebih kecil, karena tidak langsung semua daya masukan menjadi daya keluaran (tegangan masukan makin besar, namun tegangan keluaran tetap).
Converter yang dibuat dapat menghasilkan tegangan keluaran yang berkisar pada 5volt dc, dengan error 0% s/d 6% pada kondisi tanpa beban, dan 2 s/d 18% pada kondisi dengan beban. Nilai arus keluaran berkisar dari 140mA s/d 240mA, dengan boost converter justru memiliki arus yang lebih besar, kecuali untuk masukan satu buah baterai. Pada buck converter saat tegangan masukan turun, maka memungkinkan perubahan kinerja dari buck menjadi boost converter dan arus justru lebih besar. Nilai efisiensi yang baik dimiliki masing-masing converter dengan masukan yang kecil (satu baterai untuk boost converter, lima baterai untuk buck converter), karena hampir seluruh daya masukan sama dengan daya keluaran.
6
[1]
http://talkingelectronics.com/
[2]
Dr. Zainal Salam. Version 3-2003. “Power Electronics and Drives”.UTM-JB
[3]
Michael Day, Bill John. March 16-31, 2007. “EE Times-Asia”, www.eetasia.com
[4]
Ali Emadi, Alireza Khaligh, Zhong Nie, Young Joo Lee. 2009. "Integrated Power Elektronic Converters and Digital Control", CRC Press,Taylor & Francis Group,LLC.
