BAB. IV. DASAR CONVERTER DC-DC

Konverter DC-DC ada 2 macam, yaitu:

1. Tipe linier

2. Tipe peralihan (switching)

Penggunaan tegangan searah (DC) pada sistem tenaga sangat dibutuhkan,

sehingga peralatan yang menghasilkan tegangan searah terus dikembangkan. Salah satu

aplikasi elektronika daya adalah konverter DC-DC atau yang lazim di sebut DC Chopper.[15]

Konverter DC-DC berfungsi untuk mengkonversi tegangan masukan searah

konstan menjadi tegangan keluaran searah yang dapat divariasikan berdasarkan

perubahan duty cycle rangkaian kontrol chopper-nya. Diagram blok konverter DC-DC

dapat dilihat pada gambar dibawah ini.

Gambar 2.13 Diagram Blok Konverter DC-DC

Kelebihannya terutama pada pengubah daya secara jauh lebih efisien dan pemakaian

komponen yang ukurannya lebih kecil. Pengubah daya DC-DC (DC-DC Converter) tipe

peralihan atau dikenal juga dengan sebutan DC Chopper dimanfaatkan terutama untuk

penyediaan tegangan keluaran DC yang bervariasi besarannya sesuai dengan permintaan

pada beban. Daya masukan dari proses DC-DC tersebut adalah berasal dari sumber daya

DC yang biasanya memiliki tegangan masukan yang tetap. Tegangan keluaran DC yang

ingin dicapai adalah dengan cara pengaturan lamanya waktu penghubungan antara sisi

keluaran dan sisi masukan pada rangkaian yang sama. Komponen yang digunakan untuk

menjalankan fungsi penghubung tersebut tidak lain adalah switch (solid state electronic

switch) seperti misalnya Thyristor, MOSFET, IGBT, GTO.

ChopperDC

DC konstan DC variabel

Kontrol PWM DC-DC

4.1 Dc Chopper

Salah satu aplikasi elektronika daya adalah konverter DC-DC atau yang lazim di

sebut DC Chopper.[15] Konverter DC-DC berfungsi untuk mengkonversi tegangan

masukan searah konstan menjadi tegangan keluaran searah yang dapat divariasikan

berdasarkan perubahan duty cycle rangkaian kontrol chopper-nya.

Dc chopper digunakan untuk mengubah sumber tegangan dc yang tetap menjadi

tegangan dc yang variabel dengan mengatur kondisi on-off (duty cycle) rangkaian dc

chopper melalui rangkaian kontrol PWM, komponen yang digunakan untuk menjalankan

fungsi penghubung tersebut tidak lain adalah switch (solid state electronic switch) seperti

misalnya Thyristor, MOSFET, IGBT, GTO.

Sumber tegangan dc dapat diperoleh dari baterai, atau dengan menyearahkan sumber

tegangan ac yang kemudian dihaluskan dengan filter kapasitor untuk mengurangi riak.

Kelebihannya terutama pada pengubah daya secara jauh lebih efisien dan pemakaian

komponen yang ukurannya lebih kecil.

Blok diagram dc chopper dapat dilihat pada gambar 2.1 dibawah ini.

Gambar 2.1 Blok diagram sistem dc chopper[10]

Berdasarkan pada arah aliran arus dan tegangan. Dc chopper diklasifikasikan

menjadi 5 kelas, yaitu: [12]

1. Dc chopper kelas A

2. Dc chopper kelas B

3. Dc chopper kelas C

4. Dc chopper kelas D

5. Dc chopper kelas E

Kuadran operasi dari masing-masing kelas dc chopper dapat dilihat pada gambar

2.2 dibawah ini.

Gambar 2.2 Klasifikasi dc chopper[12]

2.1.1 Dc chopper Kelas A

Tegangan beban dan arus beban keduanya positif seperti terlihat pada gambar

2.2(a) yang merupakan dc chopper satu kuadran dan dapat dikatakan beroperasi seperti

penyearah. Dc chopper kelas A dilihat pada gambar 2.3 dibawah ini.

4

Gambar 2.3 Dc chopper kelas A[12]

Cara kerja dc chopper dapat dibagi menjadi dua mode. Selama mode 1, dc

chopper akan on dan arus mengalir dari sumber ke beban. Selama mode 2, dc chopper

akan off dan arus beban terus mengalir melewati dioda freewheeling Dm karena adanya

energi yang tersimpan dalam induktor. Rangkaian ekivalen untuk mode-mode ini

ditunjukkan pada gambar 2.3(b) sedangkan bentuk gelombang arus beban dan tegangan

keluaran ditunjukkan pada gambar 2.3(c). [12]

Dengan mengasumsikan arus induktor naik secara linier dari I1 ke I2 pada waktu

t1, maka

dimana I = I2 – I1 …………… (2.1)

Jika t1 = kT dan t2 = (1-k) T maka tegangan keluaran rata-rata(VL) adalah

…………… (2.2)

Sedangkan arus masukan rata-rata(IL) adalah [12]

…………… (2.3)

2.1.2 Dc chopper Kelas B

Aliran arus beban keluar pada beban. Tegangan beban positif tetapi arus beban

negatif, seperti gambar 2.2(b), ini juga merupakan dc chopper satu kuadran, tetapi

operasinya pada kuadran dua dan beroperasi seperti inverter. Dc chopper kelas B dapat

dilihat pada gambar 2.4 dimana baterai (E) adalah bagian pada beban dan mungkin emf

balik pada motor dc. [12]

Gambar 2.4 Dc chopper kelas B [12]

Ketika saklar (S1) on, maka tegangan (E) mengalirkan arus melalui induktor (L)

dan tegangan beban (VL) menjadi nol dan ketika saklar (S1) off, sejumlah energi yang

disimpan dalam induktor dikembalikan ke sumber melalui dioda dan arus menurun. [12]

Dengan mengasumsikan arus induktor naik secara linier dari I1 ke I2 pada waktu

t1,

…………. (2.4)

Sedangkan arus induktor turun secara linier dari I2 ke I1 pada waktu t2,

………… (2.5)

Dengan I = I2 – I1 merupakan arus ripple puncak ke puncak induktor maka

………… (2.6)

Jika t1 = kT dan t2 = (1-k) T maka tegangan keluaran rata-rata(VL) adalah

…………… (2.7)

Sedangkan arus masukan rata-rata (IL) adalah [12]

…………… (2.8)

2.1.3 Dc chopper Kelas C

Arus beban dapat positif atau negatif sedangkan tegangan beban selalu positif

seperti pada gambar 2.5(c). Hal ini disebut chopper dua kuadran. Dc chopper kelas A dan

B dapat dikombinasikan untuk membentuk dc chopper kelas C seperti pada gambar 2.5

dibawah ini.

Gambar 2.5 Dc chopper kelas C [12]

S1 dan D2 beroperasi seperti dc chopper kelas A. S2 dan D1 beroperasi seperti dc

chopper kelas B. Tetapi harus dijaga untuk memastikan dua saklar tidak bekerja secara

bersamaan, bila hal itu terjadi sumber (Vs) mengalami hubung singkat. Dc chopper kelas

C dapat beroperasi sebagai penyearah (rectifier) maupun pembalik (inverter). [12]

Besarnya tegangan keluaran rata-rata(VL) untuk dc chopper kelas C adalah

[10] …………… (2.9)

2.1.4 Dc chopper Kelas D

Arus beban selalu positif. Tegangan beban dapat positif atau negatif, seperti pada

gambar 2.2(d). Dc chopper kelas D dapat juga beroperasi sebagai penyearah atau

pembalik, yang ditunjukkan pada gambar 2.6 dibawah ini

Gambar 2.6 Dc chopper kelas D [12]

Ketika saklar (S1 dan S4) on maka arus mengalir melalui beban, vL dan iL menjadi

positif dan saat saklar (S1 dan S4) off maka arus beban iL akan akan terus mengalir untuk

beban induktif yang tinggi melalui dioda (D2 dan D3) dengan arah tetap tetapi tegangan

keluaran (VL) berbalik arah.

Besarnya tegangan keluaran rata-rata(VL) untuk dc chopper kelas D adalah

[10] …………… (2.10)

2.1.5 Dc chopper Kelas E

Arus beban dan tegangan beban dapat positif atau negatif seperti pada gambar

2.2(e). Hal ini dikenal dengan dc chopper empat kuadran. Dua dc chopper kelas C dapat

dikombinasikan untuk membentuk chopper kelas E, seperti pada gambar 2.7(a), polaritas

tegangan dan arus beban ditunjukkan pada gambar 2.7(b). Peralatan yang beroperasi pada

macam-macam kuadran ditunjukkan pada gambar 2.7(c). untuk operasi pada kuadran

keempat, arah baterai (E) harus dibalik. [12]

Gambar 2.7 Dc chopper kelas E [12]

Besarnya tegangan keluaran rata-rata(VL) untuk dc chopper kelas E adalah

[10] …………… (2.11)

4.1 CONVERTER DC-DC NON ISOLATED4.1.1. BUCK CONVERTER

tegangan keluaran akan lebih rendah atau sama dengan tegangan masukan.

Gambar. (a) Skema buck converter (b) Bentuk gelombang tegangan switching

Gambar. Skema buck power stage

Gambar. State buck.

Gambar. Penambahan umpan balik untuk mengatur tegangan keluaran.

(Vg –Vo).DT = Vo.(1-D)TVg.DT-VoDT = VoT – VoDTVg.DT = VoT Vo/Vg = D

Keuntungan pada konfigurasi Buck antara lain adalah efisiensi yang tinggi, rangkaiannya sederhana, tidak memerlukan transformer, tingkatan stress pada komponen switch yang rendah, riak (ripple) pada tegangan keluaran juga rendah sehingga penyaring atau filter yang dibutuhkan pun relatif kecil.Kekurangan yang ditemukan misalnya adalah tidak adanya isolasi antara masukan dan keluaran, hanya satu keluaran yang dihasilkan, dan tingkat ripple yang tinggi pada arus masukan. Metoda Buck sering digunakan pada aplikasi yang membutuhkan sistim yang berukuran kecil.

4.1.2. BOOST CONVERTER

tegangan keluaran yang dinginkan lebih besar dari tegangan masukan

Gambar. (a) Skema boost converter (b) Bentuk gelombang tegangan inductor dan arus kapasitor

Gambar. Grafik tegangan out-put vs duty ratio untuk boost converter tidak ideal

Gambar. Grafik efisiensi vs duty ratio

Boost juga memiliki efisiensi tinggi, rangkaian sederhana, tanpa transformer dan tingkat ripple yang rendah pada arus masukan. Namun juga Boost tidak memiliki isolasi antara masukan dan keluaran, hanya satu keluaran yang dihasilkan, dan tingkatan ripple yang tinggi pada tegangan keluaran. Aplikasi Boost mencakup misalnya untuk perbaikan faktor daya (Power Factor), dan untuk penaikan tegangan pada baterai

4.1.3. BUCK-BOOST CONVERTER

kombinasi antara Buck dan Boost, tegangan keluaran dapat diatur menjadi lebih tinggi atau lebih rendah dari tegangan masukan

tegangan keluaran memiliki tanda berlawanan dengan tegangan masukan. Oleh karena itu metoda ini pun ditemui pada aplikasi yang memerlukan pembalikan tegangan (voltage inversion) tanpa transformer. Walaupun memiliki rangkaian sederhana, metoda Buck-Boost memiliki kekurangan seperti tidak adanya isolasi antara sisi masukan dan keluaran, dan juga tingkat ripple yang tinggi pada tegangan keluaran maupun arus keluaran.

4.1.4. H-BRIDGE CONVERTER

4.1.5. SEPIC CONVERTER

Jika kombinasi Buck dan Boost diinginkan tanpa adanya proses pembalikan tegangan, maka salah satu pilihannya adalah dengan konfigurasi SEPIC.Keuntungan pada SEPIC adalah memiliki arus masukan dengan tingkat ripple rendah, tidak memakai transformer, penjagaan kerusakan pada rangkaian melalui kapasitor jika switch gagal berfungsi (capacitive isolation).

Kekurangan yang ditemui misalnya tidak adanya isolasi antara sisi masukan dan keluaran serta tegangan keluaran memiliki riple yang tinggi. SEPIC sering digunakan pada aplikasi perbaikan faktor daya (Power Factor).

4.1.6. CUK CONVERTER

tegangan keluaran yang dihasilkan dapat diatur menjadi lebih tinggi atau lebih rendah dari tegangan masukan. Cuk juga digunakan pada aplikasi yang memerlukan pembalikan

tegangan (voltage inversion) tanpa transformer, namun dengan kelebihan tingkat ripple yang rendah pada arus masukan maupun arus keluaran.

4.2. CONVERTER DC-DC ISOLATED

In many DC-DC applications, multiple outputs are required and output isolation may need to be implemented depending on the application. In addition, input to output isolation may be required to meet saftey standards and / or provide impedance matching.

TRAFO PENGISOLASI.

Trafo Pemisah

Operasi dasar trafo dalam konverter daya dapat dimengerti dengan menggantikan

trafo dengan sebuah model sederhana seperti tampak pada gambar 2.14 [24]. Model ini

terdiri dari trafo ideal ditambah dengan sebuah induktor shunt yang dikenal dengan

induktansi magnetik LM (magnetizing inductance). Induktor ini memodelkan magnetisasi

inti trafo.

Keseimbangan volt-second (volt-second balance) harus terbentuk dalam

induktansi magnetik. Selanjutnya, karena tegangan dari semua belitan pada trafo ideal

adalah sebanding, keseimbangan volt-second harus terbentuk pada masing-masing

belitan. Kesalahan dalam pencapaian keseimbangan volt-second mengakibatkan trafo

saturasi dan dapat merusakkan konverter. Tercapainya keseimbangan vol-second

selanjutnya disebut sebagai mekanisme reset trafo (transformer reset mechanism).

Gambar 2.14 Rangkaian ekivalen suatu trafo dalam konverter dc-dc off-line.

Perancangan trafo daya pada regulator pensaklaran meliputi pemilihan inti yang

disesuaikan dengan nilai daya yang akan disalurkan. Langkah selanjutnya

adalah menentukan jumlah belitan primer hingga memenuhi nilai volt-second

(E-T) berdasarkan siklus tugas maksimal (Dmaks) yang direncanakan dan

frekuensi pensaklaran pensaklaran (fs) sebagai berikut:

(2.30)

Persamaan tersebut memberikan jawaban dalam V-s. Jumlah belitan sisi

primer Np minimal yang diperlukan guna mendukung produk E-T tersebut

ditentukan menurut persamaan berikut: [8, 10, 16]

(2.31)

atau:

(2.32)

Dimana Ae adalah luas inti, dan B adalah nilai fluks yang digunakan seperti

diindikasikan dalam kurva histerisis, seperti pada gambar 2.15.

Dalam rangkaian forward seperti pada gambar 2.12 dan 2.13, trafo beroperasi

dalam kuadran pertama kurva histerisis. Nilai fluks dari inti ferit yang digunakan, B (B

maks) adalah 2400 gauss atau B yang digunakan untuk persamaan adalah 1200 gauss.

Pulsa unipolar diumpankan oleh komponen semikonduktor menyebabkan inti trafo

terkemudi dari nilai BR-nya menuju saturasi. Saat pulsa beralih ke nol, inti akan kembali

ke nilai BR-nya. Untuk mendapatkan efisiensi tinggi, induktansi primer dijaga tetap tinggi

agar mengurangi arus magnetisasi dan mengurangi rugi tembaga. Hal ini berarti inti harus

mempunyai celah nol atau seminimal mungkin.

Gambar 2.15 Kurva Histerisis Inti Magnetik dalam konverter forward

4.2.1. FORWARD CONVERTER (BUCK)

Dalam pengubah Forward, transformer digunakan untuk mengisolasi sisi masukan dari keluaran. Seperti Buck, tegangan keluaran yang dihasilkan lebih rendah atau sama dengan tegangan masukan.

Dalam topologinya, pengubah Forward dapat menggunakan satu switch seperti pada Gambar 9 atau dengan dua switch seperti pada Gambar 10. Keduanya memiliki karakteristik tegangan keluaran yang ripplenya rendah, namun ripple arus masukan yang

tinggi. Konfigurasi Forward dapat digunakan pada aplikasi yang membutuhkan keluaran lebih dari satu (multiple outputs).

Gambar. Forward converter dengan transistor (saklar) tunggal

Gambar. Forward converter dengan transistor (saklar ) ganda.

4.2.2. PUSH-PULL CENTER TAP CONVERTER (BUCK)

Pada Push-Pull, persamaan tegangan yang dipakai sama dengan persamaan untuk Full Bridge, namun bila dilihat dari rangkaiannya, hanya dua switch yang digunakan. Dengan demikian Push-Pull merupakan alternatif yang lebih murah dari Full Bridge pada aplikasi tegangan masukan yang rendah. Sama halnya dengan Full Bridge, pengubah Push-Pull memiliki tegangan keluaran yang rendah tingkat ripplenya, namun cukup tinggi ripple pada arus masukannya.

4.2.3. PUSH-PULL BOOST CONVERTER

4.2.4. FLYBACK CONVERTER

Gambar. Buck-boost converter

The flyback converter can be developed as an extension of the Buck-Boost converter. Fig 14a shows tha basic converter; Fig 14b replaces the inductor by a transformer. The buck-boost converter works by storing energy in the inductor during the ON phase and releasing it to the output during the OFF phase. With the transformer the energy storage is in the magnetisation of the transformer core. To increase the stored energy a gapped core is often used.

Jika kombinasi yang diinginkan adalah seperti Buck-Boost namun menggunakan isolasi antara sisi masukan dan keluaran, maka konfigurasi yang dapat dipakai adalah Flyback.

Gambar. Mengganti inductor dengan transformator (single end flyback)

The concept behind the foward converter is that of the ideal transformer converting the input AC voltage to an isolated secondary output voltage. For the circuit in Fig. 15, when the transistor is ON, Vin appears across the primary and then generates

The diode D1 on the secondary ensures that only positive voltages are applied to the output circuit while D2 provides a circulating path for inductor current if the transformer voltage is zero or negative.

The problem with the operation of the circuit in Fig 15 is that only positive voltage is applied across the core, thus flux can only increase with the application of the supply. The flux will increase until the core saturates when the magnetising current increases significantly and circuit failure occurs. The transformer can only sustain operation when there is no significant DC component to the input voltage. While the switch is ON there is positive voltage across the core and the flux increases. When the switch turns OFF we need to supply negative voltage to rset the core flux. The circuit in Fig. 16 shows a tertiary winding with a diode connection to permit reverse current. Note that the "dot" convention for the tertiary winding is opposite those of the other windings. When the switch turns OFF current was flowing in a "dot" terminal. The core inductance act to continue current in a dotted terminal, thus

Gambar. Rekonfigurasi flyback konverter.

Gambar. Forward converter dengan kumparan tertiary

Flyback memiliki ripple yang tinggi pada tegangan keluarannya dan sering dijumpai pada aplikasi daya rendah, dan juga pada aplikasi yang membutuhkan keluaran banyak (multiple outputs).

4.2.5. ISOLATED SEPIC CONVERTER

4.2.5. ISOLATED CUK CONVERTER

4.2.6. BUCK CONVERTER JEMBATAN DENGAN PENGISOLASI TRANFORMATOR.

Konfigurasi lain yang fungsinya serupa dengan Buck namun memiliki isolasi antara sisi

masukan dan keluaran dikenal dengan Half Bridge dan Full Bridge. Pada dasarnya,

rangkaian half bridge menggunakan dua switch sedangkan pada full bridge menggunakan

empat switch. Tegangan keluaran yang dihasilkan Full Bridge adalah dua kali dari Half

Bridge pada frekuensi peralihan dan Duty ratio yang sama

Kedua konfigurasi tersebut sering dimanfaatkan dalam aplikasi tegangan masukan tinggi,

tegangan keluaran yang bersih dari ripple dan juga untuk aplikasi daya tinggi (high

power). Selain jumlah komponen yang bertambah dibandingkan dengan Buck, kedua

konfigurasi ini juga memiliki arus masukan yang tingkat ripplenya tinggi.

4.2.6.1. BUCK CONVERTER JEMBATAN PENUH.

4.2.6.2. BUCK CONVERTER SETENGAH JEMBATAN

4.3. Ringkasan dari beberapa topologi DC-DC converter

4.4. TOPOLOGI PENSAKLARAN POWER SUPLAI.

4.5. Rangkaian Kontrol Konverter DC-DC

Rangkaian konverter DC-DC digunakan untuk mendapatkan tegangan keluaran

searah (DC) yang dapat diatur sesuai dengan yang diinginkan. Konverter mode

pensaklaran DC-DC menggunakan satu atau lebih saklar untuk

mentransformasikan tegangan searah dari satu level tegangan ke level tegangan

yang lain dengan cara mengubah-ubah perioda waktu penyala padaman saklar

dengan perioda pensaklaran (Ts = ton + toff) adalah tetap atau konstan. Metoda

ini lebih dikenal dengan istilah modulasi lebar pulsa (Pulse Width Modulation).[8]

Modulasi lebar pulsa merupakan suatu teknik modulasi dimana nilai sampel dari suatu

gelombang digunakan untuk menentukan lebar sinyal pulsa setelah dilewatkan

pada komparator. Rangkaian ini mengubah tegangan masukan menjadi pulsa-

pulsa dengan lebar pulsa sebanding dengan besarnya sinyal masukan. Prinsip

dasar modulasi lebar pulsa dapat dilihat pada gambar 2.23.

Gambar 2.23 Blok Fungsional Modulasi Lebar Pulsa

Gambar 2.21 Rangkaian Pembangkit Pulsa Dengan Lebar Pulsa Dapat Diatur

Rangkaian dasar modulasi lebar pulsa ini menggunakan sebuah penguat operasional (Op-

Amp) yang berfungsi sebagai komparator atau pembanding untuk

membandingkan tegangan referensi dengan tegangan pengendali. Tegangan

referensi diperoleh dari oscillator pembangkit gelombang gigi gergaji,

sedangkan tegangan pengendali berasal dari keluaran controller yang nilainya

dapat diatur dari minimum sampai maksimum sesuai tegangan input DC yang

dihubungkan pada controller.

Apabila sebuah gelombang gigi gergaji (Vref) diumpankan ke masukan inverting (-) dari

sebuah komparator dan sinyal modulasi (Vinp) diumpankan ke masukan non

inverting-nya (+), maka sinyal on diperoleh apabila tegangan kontrol lebih besar

dari tegangan gigi gergaji, sebaliknya sinyal off diperoleh apabila tegangan

kontrol lebih kecil dari tegangan gigi gergaji.

Siklus kerja (duty cycle,D) didefinisikan sebagai perbandingan antara waktu saklar on

terhadap perioda Ts. Perbandingan ini biasanya dinyatakan dalam persentase.

Secara matematis definisi tersebut dapat dituliskan sebagai berikut :

………………………………………………………... (2.13)

dimana : D : siklus kerja (duty cycle)

ton : waktu saklar on.

Ts : perioda pensaklaran.

Perioda Ts didefinisikan sebagai selang waktu antara dua titik yang saling berhubungan

pada satu gelombang penuh.

4.5.1. MODE KONTROL TEGANGAN

4.3.1. MODE KONTROL ARUS

2.3.1 Topologi Konveter DC-DC [24]

Rangkaian konverter DC ke DC dapat mengubah besar tegangan dc juga dapat mengubah polaritasnya. Komponen pensaklaran biasa diwujudkan dengan MOSFET daya, namun komponen semikonduktor pensaklaran seperti IGBT, BJT, atau thyristor juga dapat digunakan. Ragam topologi konverter DC ke DC seperti diperlihatkan gambar 2.5 berikut:

Gambar 2.5 Ragam Rangkaian Konverter dc-dc Beserta Rasio Konversinya

1. Konverter Buck . Konverter ini menghasilkan tegangan keluaran V o yang lebih kecil dari tegangan masukan V g. Rasio konversi M(D) = D . Polaritas tegangan keluaran sama dengan tegangan masukan.

2. Konverter Boost . Konverter ini menghasilkan tegangan keluaran yang lebih besar dari tegangan masukan. Rasio konversinya adalah M(D) = 1/(1-D). Konverter ini juga menghasilkan tegangan output dengan polaritas yang sama dengan tegangan masukan.

3. Konverter Buck-Boost , Konverter ini dapat menaikkan atau menurunkan tegangan dengan rasio konversinya M(D) = -D/(1-D). Disamping itu konverter ini membalik polaritas tegangan.

2.3.2 Regulator Buck [15]

Untuk mendapatkan tegangan keluaran dc yang lebih rendah dibanding tegangan

DC masukan, digunakan regulator buck. Rangkaian regulator buck dengan menggunakan

transistor bipolar diperlihatkan seperti pada gambar 2.6. Operasi rangkaian dapat dibagi

dalam dua ragam. Ragam 1 berawal ketika Q1 beralih ON saat t = 0. Arus input yang

meningkat, mengalir melintas induktor filter L, kapasior filter C, dan tahanan beban R.

Ragam dua berawal ketika Q1 beralih OFF saat t = t1. Dioda freewhelling Dm

menghantarkan energi yang tersimpan dalam induktor dan arus induktor terus mengalir

melintas L, C, beban, dan dioda Dm. Arus induktor turun sampai transistor Q1 beralih on

lagi dalam siklus berikutnya. Operasi regulator buck dan bentuk gelombang tegangan dan

arus diperlihatkan pada gambar 2.7.

Gambar 2.6 Diagram Rangkaian Regulator Buck

Tegangan yang melintas induktor L dinyatakan dalam persamaan berikut:

(2.9)

dengan anggapan arus induktor meningkat secara liner dari I1 ke I2 dalam waktu t1,

(2.10)

atau

(2.11)

dan arus induktor turun secara liner dari I2 ke I1 dalam waktu t2,

(2.12)

atau: (2.13)

dimana I adalah aruas riak puncak ke puncak dari induktor L . Nilai I dapat dicari dengan persamaan 2.10 dan 2.12 sehingga menjadi persamaan berikut:

(2.14)

Dengan mengganti t1 = kT dan t2 = (1-k)T, akan menjadikan tegangan output rata-

rata . Dengan anggapan transistor saklar tanpa rugi-rugi, maka

dan arus rata-rata input , .

Periode pensaklaran dapat ditulis sebagai:

(2.15)

menjadikan nilai arus puncak-puncak dalam persamaan berikut:

G

ambar 2.7 Operasi Regulator Buck[14]

(2.16)

atau (2.17)

Dengan menggunakan hukum arus Kirchoff, kita dapat menyatakan arus beban sebagai

berikut:

Jika kita menganggap bahwa arus riak beban io, adalah sangat kecil dan dapat diabaikan,

iL = ic. Arus kapasitor rata-rata, yang mengalir selama t1/2 + t2/2 = T/2, adalah:

Nilai kapasitor dapat dinyatakan sebagai:

dan tegangan riak puncak ke puncak dari kapasitor adalah :

(2.18)

dengan memasukkan nilai I dari persamaan 2.16 atau 2.17 ke dalam persamaan 2.18,

dihasilkan persamaan berikut:

(2.19)

atau

(2.20)

2.5.1 Konverter Forward [24]

Terdapat beragam cara untuk menggabungkan trafo pemisah kedalam konverter

dc-dc. Ragam konverter buck dengan trafo pemisah antara lain adalah konverter full-

bridge, half-bridge, forward, dan push-pull. Rangkaian konverter forward seperti

diperlihatkan pada gambar 2.12.

Gambar 2.12 Rangkaian Konverter Forward

Trafo mengalami reset selama transistor Q1 keadaan off. Selama transistor

menghantar, tegangan input Vg disalurkan melintasi belitan primer trafo. Hal ini

menyebabkan arus magnetisasi trafo meningkat. Saat transistor Q1 beralih off, arus

magnetisasi trafo membias maju dioda D1, dan kemudian tegangan -Vg diumpankan ke

belitan sekunder. Tegangan negatif ini menyebabkan arus magnetisasi berkurang. Saat

arus magnetisasi mencapai nol, dioda D1 beralih off. Keseimbangan volt-second

terbentuk pada belitan-belitan trafo jika arus magnetisasi mencapai nol sebelum akhir

periode pensaklaran. Hal tersebut membatasi siklus tugas dengan persamaan sebagai

berikut:

(2.28)

dan untuk n2 = n1 , persamaan menjadi:

Sehingga disini siklus tugas maksimal dibatasi. Jika batas ini dilewati, maka waktu off

transistor tidak cukup untuk mereset trafo. Tegangan keluaran konverter dapat ditemukan

dengan persamaan :

(2.29)

2.5.2 Konverter Forward dengan Dua Transistor [24]

Ragam konverter forward dengan dua transistor seperti tampak pada gambar.2.13.

Gambar 2.13 Konverter Forward dengan Dua Saklar MOSFET

Setelah transistor beralih off, arus magnetisasi trafo membias maju dioda D1 dan D2 dan

mengumpankan tegangan –Vg melintas belitan primer, sehingga akan mereset trafo.

Siklus tugas juga dibatasi hingga D<0,5. Konverter ini mempunyai keuntungan yaitu

tegangan bloking puncak dari transistor dibatasi sampai Vg . Trafo daya lebih sederhana

karena mekanisme reset trafo telah dilakukan oleh dioda D1 dan D2. Rangkaian ini sangat

popular pada catu daya dengan tegangan masukan 240 Vac.

Pengendali Lebar Pulsa

Rangkaian pengendali lebar pulsa mengatur lebar pulsa sehingga keluaran

regulator tetap stabil walupun terjadi perubahan pada tegangan sumber atau pada beban.

Terdapat dua macam pengendali lebar pulsa yaitu pengendali ragam tegangan (voltage

mode controller) dan pengendali ragam arus (current mode controller).

2.6.1 Pengendali Ragam Tegangan

Dalam kendali ragam tegangan hanya tegangan keluaran yang disensor untuk

mendapatkan tingkat tegangan yang diinginkan. Selanjutnya penguat kesalahan

membandingkan tegangan keluaran tersebut dengan tegangan acuan internal dan

menghasilkan tegangan kesalahan yang diumpankan ke komparator.

Komparator membandingkan tegangan kesalahan dengan suatu gelombang

ramp yang dibentuk oleh osilator internal dan menghasilkan suatu gelombang

termodulasi lebar pulsa (PWM), dan selanjutnya komparator ini disebut

komparator PWM. Gelombang PWM kemudian mengemudikan saklar daya

untuk bergerak on/off.

Kendali ragam tegangan dengan frekuensi tetap seperti diperlihatkan pada gambar

2.16. Contoh rangkaian terpadau dengan tipe ini adalah MC34060, MC34166, dan

TL494. Selain itu juga terdapat kendali mode tegangan dengan frekuensi variabel seperti

yang digunakan dalam catu daya pensaklaran quasi-resonant. Pengaturan lebar pulsa

dengan waktu on tetap waktu off variabel (ZVS), atau waktu on variabel waktu off tetap

(ZCS) Contoh rangkaian terpadu untuk kendali ragam tegangan frekuensi variabel adalah

MC3406666P (ZCS) dan MC34067P(ZVS).

Gambar 2.16 Kendali Ragam Tegangan Frekuensi Tetap

2.6.2 Pengendali Ragam Arus

Pengendali ragam arus pada aplikasi regulator forward seperti diperlihatkan pada gambar 2.17. Sinyal detak dengan frekuensi tetap menandai terbentuknya pulsa. Pulsa berakhir ketika arus induktor mencapai suatu threshold yang ditetapkan sinyal eror. Dengan cara ini sinyal eror sebenarnya mengendalikan arus puncak induktor. Hal ini sangat berbeda dengan skema dasar (ragam tegangan) dimana sinyal eror secara langsung mengendalikan lebar pulsa tanpa memperhatikan arus induktor.

Gambar 2.17 Kendali Ragam Arus pada Regulator Forward.

Beberapa keuntungan diperoleh dari penggunaan kendali ragam arus [8, 24, 26] . Pertama, meningkatnya karakteristik masukan tegangan umpan maju. Rangkaian kendali dengan seketika mengkoreksi perubahan tegangan masukan tanpa menggunakan jangkah dinamis penguat kesalahan. Sehingga regulasi saluran sangat baik dan penguat kesalahan hanya ditugaskan sepenuhnya untuk mengkoreksi perubahan beban. Dalam suatu konverter dengan arus konduktor kontinyu, mengendalikan arus puncak hampir sama dengan mengendalikan arus rata-rata. Sehingga ketika konverter menerapkan kendali ragam arus, induktor dapat diperlakukan sebagai suatu sumber arus yang dikendalikan tegangan kesalahan. Tanggapan frekuensi kendali ke keluaran dua pole dari konverter ini berkurang menjadi tanggapan satu pole (kapasitor dipararel dengan beban). Hasil yang didapatkan adalah kompensasi penguat kesalahan dapat dirancang untuk menghasilkan tanggapan ikal tertutup dengan lebarpita penguatan yang lebih besar. Pengaruh pada catu daya adalah tanggapan terhadap perubahan beban semakin cepat.

Kompensasi kesalahan menjadi sederhana, seperti diperlihatkan pada gambar

2.18. Kapasitor Ci dan resistor Riz pada gambar 2.18(a) menambah zero frekuensi rendah

yang membatalkan satu dari dua pole kendali ke keluaran dari konverter ragam tegangan.

Untuk perubahan beban yang besar, dimana tanggapan konverter dibatasi oleh kecepatan

induktor, penguat kesalahan akan saturasi selama induktor menyesuaikan beban. Selama

waktu tersebut, Ci akan termuati.. Ketika arus induktor mencapai level yang diperlukan,

tegangan pada Ci akan menyebabkan kesalahan yang berpengaruh pada tegangan

keluaran. Waktu pemulihan adalah RizCi yang cukup panjang. Kendali ragam arus

menggantikan pole induktor sehingga jaringan kompensasi menjadi sederhana seperti

pada gambar 2.18(b). Pole yang terbentuk dari Rf dan Cf digunakan untuk menggagalkan

zero yang terbentuk dari kapasitor tapis keluaran dan tahanan seri ekivalen kapasitor

tersebut.

Gambar 2.18 Rangkaian Kompensasi Kesalahan

(a) Kendali Ragam Tegangan (b) Kendali Ragam Arus

Dengan kendali ragam arus, pembatasan arus sangat disederhanakan. Pembatasan

pulsa demi pulsa, tentu sudah melekat pada skema kendali. Selanjutnya batas atas arus

puncak ditetapkan secara sederhana dengan clamping tegangan kesalahan. Pembatasan

arus yang akurat ini memberikan operasi elemen magnetik dan semikonduktor yang

optimal sehingga rangkaian catu daya lebih awet.

Kendali ragam arus juga mempunyai beberapa kelemahan. Umpanbalik arus

sangat sensitif terhadap noise yang timbul dalam operasi pensaklaran. Disamping itu

terdapatnya ketidakstabilan saat duty cycle di atas 50 %. Gangguan yang timbul saat

operasi pensaklaran berlangsung dengan duty cycle lebih dari 50 % akan mengakibatkan

keluaran lebar pulsa berosilasi. Namun ketidakstabilan tersebut dapat diatasi dengan

menambahkan suatu sinyal ramp buatan (artificial ramp) dengan kemiringan (slope)

sebesar 0,5 hingga 1 dari kemiringan sinyal arus saat off[20, 26]. Gambar 2.19

memperlihatkan ketidakstabilan saat duty cycle = 60 %.

Gambar 2.19 Ketidakstabilan saat Duty Cyle 60 %