ISSN: 1693-6930
101
PERANCANGAN PURWA RUPA MODULASI LEBAR PULSA BERBASIS TIMER 555 DAN IRF 40 Wahyu Sapto Aji Teknik Elektro Universitas Ahmad Dahlan dan Anggota TeUAD Research Centre Jalan Prof. Dr. Soepomo Janturan UHIII, Yogyakarta email:
[email protected] Abstract In many applications such of DC motor speed regulation commonly needed DC to DC voltage conversion. The method that frequently use for DC to DC conversion is using chopper circuit. In chopper circuit a DC voltage source being chopped at constant frequency but with variable duty cycle (in this case it’s called as Pulse Width Modulation, PWM). In this research a circuit chopper has been design successfully. The circuit uses 555 timer IC as PWM pulse shaper and IRF 40 power Mosfet as switch device. This circuit prototype successfully tested to drive a 12 watt DC motor at 1200 rpm with voltage at 12 V. Keywords: chopper, IC 555, IRF 40, Mosfet, PWM
Abstrak Perubahan tegangan DC ke DC seringkali dibutuhkan dalam banyak aplikasi, misalnya untuk pengaturan kecepatan motor DC. Metode yang seringkali digunakan adalah dengan menggunakan untai chopper atau perajang, dimana pada metode ini suatu tegangan catu DC dicacah menurut frekuensi tertentu dengan lebar pulsa hasil cacahan dapat diatur sehingga nantinya diperoleh pulsa-pulsa segi empat DC yang dapat ditapis (dalam hal ini disebut sebagai modulasi lebar pulsa (Pulse Width Modulation, PWM). Pada penelitian ini telah berhasil dirancang purwa rupa perajang dengan IC 555 sebagai pembentuk pulsa PWM dan mosfet IRF 40 sebagai penyaklarnya. Purwa rupa ini telah diuji untuk mengatur kecepatan sebuah motor DC daya 12 watt dan kecepatan nominal 1200 rpm pada tegangan 12V. Kata kunci: IC 555, IRF 40, Mosfet, Perajang, PWM
1. PENDAHULUAN Dalam banyak aplikasi seringkali dibutuhkan perubahan tegangan DC ke DC seperti misalnya untuk pengaturan kecepatan motor DC. Metode yang seringkali digunakan adalah dengan menggunakan untai chopper atau perajang, dimana pada metode ini suatu tegangan catu DC dicacah menurut frekuensi tertentu dengan lebar pulsa hasil cacahan dapat diatur sehingga nantinya diperoleh pulsa-pulsa segi empat DC yang dapat ditapis (dalam hal ini disebut sebagai modulasi lebar pusa (Pulse Width Modulation, PWM) [1-3]. Komponen penting pada untai chopper adalah komponen pensaklar. Terdapat beberapa pilihan yang bisa digunakan sebagai komponen pensaklar yaitu diantaranya adalah Transistor Bipolar, IGBT, Tyristor dan Mosfet. Mosfet memiliki kelebihan dibandingkan dengan transistor bipolar diantaranya adalah kecepatan pensaklarannya yang sangat tinggi dan kemudahannya untuk dioperasikan pararel, karena seperti diketahui mosfet merupakan komponen yang peka tegangan bukan peka arus sehinga tidak memerlukan untai penyama arus saat dioperasikan pararel. Sehingga dalam perancangan ini mosfet dipilih sebagai komponen pensaklaran. 2. CHOPPER Chopper dengan topologi Buck [4-5] pada pokoknya merupakan untai pensaklar, yang diagram dasarnya dapat dilihat pada Gambar 1. Sedangkan Gambar tegangan keluaran Vo
Perancangan Purwa Rupa Modulasi Lebar Pulsa Berbasis……(Wahyu Sapto Aji)
ISSN: 1693-6930
102
sebelum ditapis akan berupa dan arus beban nol dapat dilihat berturut-turut pad Gambar 2 dan 3.
Gambar 1. Untai dasar chopper
Gambar 2. Tegangan keluaran Vo
Gambar 3. Arus benan Io T merupakan perioda perajangan (Chopping period)., f merupakan frekuensi perajangan dan k merupakan daur tugas yang besarnya adalah t1/T. Besarnya tegangan keluaran rata-rata adalah sebagai berikut:
Va =
t1
1 t1 vo dt = Vs = f t1 Vs = k Vs ∫ T 0 T
(1)
Dengan harga rms Vo adalah sebagai berikut:
1/ 2
⎛ 1 kT ⎞ Vo = ⎜ ∫ vo 2 dt ⎟ 0 ⎝T ⎠
Vs2 =k RL
TELKOMNIKA Vol. 6, No. 2, Agustus 2008 : 101 - 108
(2)
ISSN: 1693-6930
TELKOMNIKA
■ 103
Sedangkan arus rata-ratanya adalah:
Ia =
Va RL
(3)
Berdasarkan hubungan antara tegangan dari arus beban untai chopper terbagi menjadi lima kelas, yaitu: kelas A, B,C,D dan E. Pada perancangan ini yang dirancang merupakan chopper kelas A. Chopper kelas A disebut juga sebagai chopper kuadran pertama dimana tegangan dan arus beban memilki polaritas yang sama yaitu positif, untuk lebih jelasnya kurva V-I chopper kelas A dapat dilihat pada Gambar 4. Sehingga apabila chopper ini digunakan untuk menggerakkan sebuah motor DC maka chopper ini hanya memungkinkan perputaran pada 1 arah saja apabila tanpa mekanisme pengubahan polaritas
Gambar 4. Kurva V-I chopper kelas A 3. METODE PENELITIAN Chopper yang dirancang merupakan chopper PWM kelas A Topologi Buck dengan menggunakan transistor MOSFET IRFZ40 sebagai komponen pensaklar. Daya maksimal dari chopper adalah sebesar 100 watt. Tegangan sumber adalah sebesar 15 V. Diagram fungsional untai chopper yang dirancang adalah sebagai berikut:
Keterangan: 1. Pembangkit gelombang gigi gergaji. 2. Tegangan referensi. 3.Pembanding. 4.Buffer 5.IRFZ 40
Gambar 5. Diagram chopper Perancangan Purwa Rupa Modulasi Lebar Pulsa Berbasis……(Wahyu Sapto Aji)
ISSN: 1693-6930
104
Untai pembangkit gelombang ramp dibangun dari IC NE 555, hal ini dilakukakan mengingat IC 555 merupakan IC pewaktu yang stabil dan dengan mudah dapat diatur frekuensinya, selain kemudahan memperolehnya. Frekuensi perajangan maksimal dipilih dengan memperhatikan kecepatan pensaklaran IRFZ40. Terlihat dari data sheet bahwa waktu pulih dari IRFZ 40 adalah 180 ns. Sedangkan waktu minimal untuk pensaklaran adalah sebesar 100 waktu pulih tadi sehingga frekuensi maksimal dapat ditentukan sebesar:
T = 100 x180 x10 −9 det ik f =
1 = 55555.56 Hz = 55.6 kHz . T
V pp dari tegangan ramp yang dihasilkkan diusahakan mencapai nilai maksimal yang bisa dihasilkan oleh IC 555 yaitu 15 V hal ini dimaksudkan untuk memperlebar daerah pengaturan. Tegangan DC referensi merupakan tegangan setting yang akan menentukan besar daur tugas dari chopper. Untai ini tak lain merupakan untai pembagi tegangan dengan menggunakan potensio.Jangkauan tertinggi dari tegangan referensi adalah sama dengan Vpp dari tegangan ramp yang dihasilkan oleh IC 555, yaitu 15 volt. Komparator dibangun dengan menggunakan IC op–amp 741 dengan catu bipolar 15 V. Keluaran dari untai komparator merupakan pulsa kotak dengan Vpp=7 V.Pemilihan nilai 7 V berdasarkan grafik karakteristik ID-VDS dari IRFZ40. Untai buffer merupakan untai pengikut tegangan, yang juga dibangun dengan menggunakan op-amp 741, keluaran dari pengikut tegangan digunakan untuk mendrive gate (atau menjadi VGS)dari RFZ40. Source IRFZ40 dihubungkan ke catu daya DC 15 V atau dengan kata lain VDS diatur pada tegangan 15V.Tegangan catu 15 V ini dapat diperoleh dengan mensearahkan jala-jala PLN menggunakan jembatan dioda yang berkapasitas arus sebesar 25 A. Hal ini dilakukan untuk menjamin kemampuan chopper melayani beban dengan daya 150 watt. Pemilihan nilai-nilai di atas adalah dalam rangka menngatur agar IRFZ bekerja pada daerah normalnya, yaitu VGS < VDS-VT,dengan V T sebesar 4 V. IRFZ 40 merupakan transistor mosfet daya tipe N enhacement buatan International Rectifier. Beberapa karakteristik dari IRFZ40 dapat dilihat dari Tabel 1. Tabel 1. Data sheet IRFZ40 No Parameter Nilai 1. VDS(maks) 50 V VT(maks) 4V 2. RDS(on) 0.028 Ω 3. ID(25o,continous) 31 A 25 ns 4. td(on,maks) 60 ns 5. td(off,maks) 70 ns 6. tr (rise time) 25 ns 7. tF (fall time) 8. QRR 2.1 μC 9. trr 350 nS 10. IS 51 A 11. Di/dt 100 A/ μS Terlihat dari Tabel 1 tersebut, IRFZ 40 memiliki RON yang sangat kecil yaitu 0.028 Ω, hal ini berarti panas yang didisipasikan oleh IRFZ40 relatif kecil yang artinya IRFZ 40 memiliki rugi panas yang kecil. Nilai VDS(maks) adalah sebesar 50 V dengan IDS(maks) sebesar 31 A kontinyu. Sedang waktu tunda (td) totalnya adalah 85 ns.
TELKOMNIKA Vol. 6, No. 2, Agustus 2008 : 101 - 108
TELKOMNIKA
ISSN: 1693-6930
■ 105
Dioda freewhelling (DF) berfungsi untuk memberi jalan bagi tegangan balik yang dibangkitkan oleh Ls dan beban sesaat setelah Mosfet padam. Dioda Dm dipilih dengan kapasitas arus ID sebesar 10 A, Untuk melindungi Mosfet IRFZ40 dan dioda frewhelling dari tingginya nilai di/dt dapat dipasang sebuah inductor (Ls) yang serial dengan beban dan dipasang kapasitor penapis yang terpasang pararel dengan Ls.Besarnya Ls mengikuti persamaann sebagai berikut:
di VS = dt Ls
(4)
Data dari tabel menunjukkan bahwa IRFZ40 memiliki:
di 100 A = dt 10−6 S Sedangkan Vs=Vds=15 V, sehingga diperoleh hasil sebagai berikut.
di VDS = dt Ls 100 A 15V = Ls 10 −6 S
(5)
Ls = 0.15 μH Nilai Cs dapat dicari dengan lebih dahulu mencari WR, (energi lebih yang terjadi karena pemulihan cepat), besarnya WR adalah mengikuti persamaan sebagai berikut:
WR =
2 ⎤ trr.Vs ⎞ 1 ⎡⎛ Ls⎢ ⎜ Io + ⎟ − Io⎥ Ls ⎠ 2 ⎢⎝ ⎥ ⎣ ⎦
(6)
Nilai Io merupakan arus beban (IL), karena daya Chopper adalah sebesar 100 watt dengan VDS=15 Volt, maka Io menjadi sebesar: Io =
P 100 watt = = 6,67 Ampere VDS 15 Volt
(7)
Akibatnya besarnya WR menjadi:
WR =
2 ⎤ 1 ⎡⎛ trr.Vs ⎞ ⎟ − Io2 ⎥ Ls ⎢⎜ Io + 2 ⎢⎝ Ls ⎠ ⎥⎦ ⎣
WR =
2 ⎡⎛ ⎤ 1 350 10-915 ⎞⎟ − 10 2 ⎥ x 0.15 .10-6 ⎢ ⎜ 10 + ⎢⎜ ⎥ 2 0.15 .10 -6 ⎟⎠ ⎣⎢ ⎝ ⎦⎥
(8)
WR = 1.44 10- 4 joule
Perancangan Purwa Rupa Modulasi Lebar Pulsa Berbasis……(Wahyu Sapto Aji)
ISSN: 1693-6930
106 Besarnya Cs adalah mengikuti persamaan:
2WR Farad V 2c VB = tegangan dadal Diode frewhellin g . Cs =
(9)
Apabila diambil VB=60 volt, maka besarnya Cs menjadi:
Cs = Cs =
2WR V 2c
Farad
2x1.44 10-4 = 80nF 60 2
(10)
4. HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasarkan perhitungan di atas dihasilkan rangkaian purwa rupa seperti terlihat pada Gambar 6 berikut.
Gambar 6. Untai lengkap TELKOMNIKA Vol. 6, No. 2, Agustus 2008 : 101 - 108
TELKOMNIKA
ISSN: 1693-6930
■ 107
Pengamatan dilakukan untuk mendapatkan informasi bentuk pulsa ramp dan pulsa PWM yang dihasilkan. Dalam pengamatan terlihat untai telah berhasil membangkitkan tegangan ramp seperti terlihat dalam Gambar 7.
Gambar 7. Tegangan Ramp
Gambar 8. Pulsa PWM dengan duty cycle 80%
Gambar 9. Pulsa PWM dengan duty cyle 15%
Perancangan Purwa Rupa Modulasi Lebar Pulsa Berbasis……(Wahyu Sapto Aji)
108
ISSN: 1693-6930
Gelombang PWM yang dihasilkan oleh purwa rupa terlihat pada Gambar 8 , Gambar 9. Gambar 8 merupakan gambar PWM dengan duty cycle sebesar 80%, sedangkan Gambar 9 merupakan pulsa PWM dengan duty cycle 15%. Pengujian dilakukan dengan cara membebani untai chopper dengan sebuah motor dc berdaya 15 watt. Hasil pengujian menunjukkan kurva kecepatan motor melawan tegangan sebagaimana terlihat adalah Gambar 10.
Gambar 10. Grafik kecepatan melawan tegangan sebuah motor dc pada uji purwa rupa chopper. 5. SIMPULAN Berdasarkan hasil uji, dapat disimpulkan bahwa pembuatan prototype untai chopper berbasis IRF40 dapat memberikan hasil yang baik. Purwa rupa ini telah diuji untuk mengatur kecepatan sebuah motor DC daya 12 watt dan kecepatan nominal 1200 rpm pada tegangan 12V. Namun demikian, pada penelitian ini sistem yang dirancang belum dilengkapi sistem umpan balik, sehingga untuk penelitian selanjutnya dapat dilengkapi dengan umpan balik untuk memperbaiki karakteristik rangkaian. DAFTAR PUSTAKA [1]. Huangsheng, X., King, K., and Jani, Y., “High Performance DC Chopper Speed and Current Control of Universal Motors Using a Microcontroller”, IEEE Industry Applications Conference (IAS 2007), 23-27 Sept. 2007, pp.701-705. [2]. Mihalic, F., and Kos, D., “Conductive EMI reduction in DC-DC converters by using the Randomized PWM”, IEEE International Symposium on Industrial Electronics 2005 (ISIE 2005), Vol. 2, 20-23 June 2005, pp.809 – 814. [3]. Chinnaiyan, V.K., et al., “Design and Implementation of High Power DC-DC Converter and Speed Control of DC Motor using TMS320F240 DSP”, India International Conference on Power Electronics 2006 (IICPE 2006), 19-21 Dec. 2006, pp. 388-392. [4]. Nishimura, K., et al., “Two Buck Choppers Built-in Single Phase One Stage PFC Converter with Reduced DC Voltage Ripple and its Specific Control Scheme”, TwentyThird Annual IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition 2008 (APEC 2008), 24-28 Feb. 2008 pp.1378-1383. [5]. Chakrabarty, K., Poddar, G., and Banerjee, S., “Bifurcation Behavior of the Buck Converter”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.11, Issue 3, May 1996, pp.439447.
TELKOMNIKA Vol. 6, No. 2, Agustus 2008 : 101 - 108
