PERCOBAAN 5 REGULATOR TEGANGAN MODE SWITCHING 1. Tujuan a. Mengamati dan mengenali prinsip regulasi tegangan mode switching b. Mengindetifikasi pengaruh komponen pada regulator tegangan mode switching c. Menggunakan rangkaian tertintegrasi untuk regulasi tegangan mode switching
2. Pengetahuan Pendukung dan Bacaan Lanjut Regulasi Tegangan Switching Regulator tegangan dengan mode switching semakin sering digunakan dan secara perlahan telah menggantikan regulator kontinyu pada berbagai aplikasi. Ada dua keuntungan penggunaan regulator mode switching, yaitu efisiensi daya yang lebih baik dan proses untuk menaikkan atau menurunkan tegangan dapat memerlukan transformator. Dengan demikian regulator tegangan mode switching umumnya lebih kompak. Secara umum regulator mode switching menyimpan energi dari sumber dan mengeluarkannya pada beban. Energi dapat disimpan pada komponen penyimpan energi berupa induktor atau kapasitor seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Proses penyimpanan dan pengeluaran energi dikendalikan oleh mekanisme pengendali switching dengan umpan balik.
Energi dari Sumber
Energi ke Beban
Energi dari Sumber
Energi ke Beban
Gambar 1 Prinsip Umum Switched Regulator
Konverter Buck Rangkaian dasar konverter Buck tampak pada Gambar 2. Konverter Buck ini berfungsi sebagai regulator penurun tegangan (step down). Prinsip kerja umum konverter ini adalah sebagai berikut. Pertama, saat saklar terhubung dari sumber melalui induktor L ke beban RL. Arus pada 1|Regulator Tegangan Mode Switching
induktor akan naik. Saat saklar tiba-tiba dibuka untuk sesaat induktor L akan mempertahankan arus mengalir. Arus mengalir dari Gnd melalui Dioda D ke induktor L dan beban RL. V1 D
Vur
L
Vo C
RL
VPWM Gambar 2 Konverter Buck Saat keadaan mapan, maka tegangan outut Vo akan mempunyai tegangan riak (ripple) yang kecil. Pada saat saklar terhubung, bila tegangan riak output dapat dianggap kecil maka tegangan induktor dan arus induktor dapat diperoleh sbb.:
Disini adalah tegangan sumber tak teregulasi dan sebelum saklar terhubung.
adalah arus induktor sesaat
Persamaan di atas menunjukkan arus naik secara linier terhadap waktu. Laju perubahan arus berbanding lurus dengan selisih tegangansumber dan output dan berbanding terbalik dengan induktansi induktor yang digunakan. Besar arus maksimum yang dicapai bergantung pada interval waktu saklar terhubung. Saat saklar terputus arus dari sumber terputus dan induktor akan mengalirkan arus melalui dioda. Tegangan induktor dan arus induktor dapat diperoleh sbb.:
Persamaan di atas menunjukkan arus turun secara linier terhadap waktu. Laju perubahan arus juga berbanding lurus dengan tegangan jumlah output dan tegangan cut-in dioda dan terbalik dengan induktansi induktor yang digunakan. Besar arus minimum yang dicapai adalah nol. 2|Regulator Tegangan Mode Switching
Saat itu dioda masuk keadaan cut-off. Tegangan outputnya.
pada rangkaian akan mengikuti tegangan
Kapasitor berfungsi untuk menjagategangan output tetap dengan menekan tegangan riak. Muatan dalam kapasitor dikeluarkan saat saklar terputus dan arus pada induktor telah mencapai nol.
Regulator Tegangan Switching dengan IC Pengendalian saat saklar terhubung dan terputus sangat menentukan besar tegangan output dan riaknya. Pengendalian saklar ini dilakukan dengan menggunakan pengendali lebar pulsa (Pulse Width Modulator). Lebar pulsa yang diberikan diatur mengikuti umpan balik tegangan pada outputnya seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Fungsi pengendalian lebar pulsa dengan mekanisme umpan balik ini direalisasikan dalam rangkaian terintegrasi (IC).
Vur
L
D
Vo C
RL
Pembangkit PWM Gambar 3 Prinsip pengendalian pada Konverter Buck Rangkaian terintegrasi untuk regulator switching umumnya mempunyai fungsi dasar yang mencakup rangkaian tegangan referensi, rangkaian osilator, dan rangkaian komparator untuk pembentuk PWM dengan membandingkan referensi dan tegangan outputnya. Rangkaian terintegrasi ini juga umumnya telah mempunyai transistor yang berfungsi sebagai saklar untuk pengendalian arus kecil atau sedang. Untuk pengendalian arus besar dapat ditambahkan transistor saklar di luar IC tersebut. Bacaan Lanjut Data Sheet dan applicatison note IC LM3524
3. Komponen dan Peralatan a. b. c. d. e. f. g.
Breadboard Induktor Kapasitor Resistor Transistor IC Resistor metrik
3|Regulator Tegangan Mode Switching
h. i. j. k. l.
Generator Sinyal Osiloskop Multimeter (minimum 2 bh) Catu Daya Ter-regulasi (2 bh) Kabel dan asesori pengukuran
4. Persiapan Bacalah Data Sheet LM3524. Perhatikan cara perhitungan frekuensi osilatornya.
5. Percobaan Konverter Buck 1. Susunlah rangkaian konverter buck seperti pada Gambar 4 pada breadboard namun jangan hubungkan dulu generator sinyalnya. Komponen yang digunakan adalah sbb.: Resistor R1 1k, R2 220, RL 47 5W, Transistor Q BD139, Dioda D 2N5822, Induktor L 220H, Kapasitor C 220F. Tegangan dari sumber tegangan diset pada 9V.
Vur
Q
R1
D
R2
L
C
RL
VPWM
Gambar 4 Rangkaian Percobaan Konverter Buck 2. Hubungkan generator sinyal ke osiloskop, pilih bentuk gelombang persegi. Aturlah gelombang output tersebut sehingga pulsa yang dihasilkan adalah 0 dan 9V dengan frekuensi 1kHz. Lalu hubungkan generator sinyal ke rangkaian dengan ground generator sinyal terpisah dari osiloskop. 3. Gunakan osiloskop untuk mengamati tegangan beban (output, kanal 1) dan tegangan pada dioda (kanal 2). Gunakan multimeter untuk mengukur tegangan pada beban. 4. Sambil mengubah duty cycle pulsa dari 20% hingga 80% dengan langkah 5% pada generator sinyal, amati dan catat tegangan DC output pada multimeter dan bentuk sinyal tegangan output (kanal 1) serta pada (dioda kanal 2). Gunakan fungsi npengukuran pada osiloskop untuk mengukur tegangan riak pada output. 5. Gantikan induktor L dengan induktansi yang lebih kecil sebesar 100H. Ulangi pengamatan seperti pada langkah 4 di atas. 6. Kembalikan induktor pada induktansi awal 220H dan ubah kapasitor C menjadi 470F. Ulangi pengamatan seperti pada langkah 4 di atas. 4|Regulator Tegangan Mode Switching
7. Kembalikan kapasitor pada induktansi awal 220F dan ubah frekuensi generator sinyalmenjadi 5kHz. Ulangi pengamatan seperti pada langkah 4 di atas. Regulator Tegangan Konverter Buck dengan LM3524 1. Susunlah rangkaian seperti pada pada Gambar 5 di bawah ini pada breadboard. Nilai komponen yang digunakan sama dengan percobaan sebelumnya, Dioda D 2N5822, induktor L 220H, Kapasitor C 220H, beban RL 47 5W, tegangan belum teregulasi Vur 9V. Untuk menentukan frekuensi osilator gunakan resistansi RT 5K dan kapasitansi 220nF.
5k
RF 5k 5k
5k
VOsc
Inv
VR
NI
Vin
Osc
EB
+CL -CL
RT
CT
LM3524
CB
L
V1
Vo
EA
RT
CA
CT
SD
Gnd
Vur
D
C
RL
Comp 50k 1nF
Gambar 5 Rangkaian Percobaan Konverter Buck dengan LM3255 2. Gunakan osiloskop untuk mengamati bentuk tegangan V1 pada dioda dan tegangan riak pada output Vo dan multimeter untuk mengukur tegangan output Vo. 3. Catat tegangan DC dan riak output, bentuk sinyal pada tegangan dioda dan bentuk sinyal pada output. 4. Ulangi langkah 3 untuk kapasitansi CT sebesar 50 nF dan 100nF. 5. Kembalikan nilai kapasitansi CT ke 220nF, lakukan pengamatan seperti pada 3 untuk resistansi umpan balik RF pada nilai 3k, 4k, dan 6k. 6. Kembalikan nilai RF pada nilai 5k, lakukan pengamatan seperti pada 3 tegangan Vur untuk rentang 7-12V dengan langkah 1V.
6. Analisis dan Diskusi Dengan menggunakan hasil pengamatan dan pengukuran lakukanlah analisis dan diskusikan hal-hal berikut: 5|Regulator Tegangan Mode Switching
1. Pengaruh masing-masing nilai komponen induktor L dan kapasitor C pada konverter Buck, serta frekuensi dan lebar pulsa switching pada tegangan output dan riaknya. 2. Apa yang mempengaruhi pemilihan frekuensi dan induktansi pada konverter Buck. 3. Pada rangkaian regulator dengan IC LM3524 apa pengaruh frekuensi dan resistansi feedback pada tegangan outputnya dan riaknya, apa pengaruh tegangan input Vur pada duty cycle sinyal PWM.
6|Regulator Tegangan Mode Switching
