Prinsip Kerja Buck Converter

NAMA :M. FAISAL FARUQI NIM

:2201141004

TUGAS:ELEKTRONIKA DAYA

-BUCK CONVERTER Rangkaian ini merupakan salah satu konverter DC-DC pada Elektronika Daya (ELDA). Dengan rangkaian Buck-Converter ini, kita bisa menurunkan tegangan tanpa harus menurunkan efisiensi pada rangkaian tersebut. Menurunkan tegangan Pada rangkaian elektronika, terdapat berbagai rate tegangan yang digunakan. Mungkin kalo yang biasa ngulik, udah tau berapa aja tegangan yang dipakai. Tegangan yang digunakan dalam rangkaian elektronika dimulai dari 3.3V , 5V , 12V , 18V , 24V. Terus, menurunkan tegangan digunainnya dimana? Sebagai contoh, dalam proses pengukuran tegangan DC , mikrokontroller hanya mempunyai range pembacaan ADC 0-5V. Sedangkan sensor memiliki range input 0 - 100 V. Untuk menurunkan range 0 - 100V agar sesuai dengan pembacaan mikrokontroler, digunakanlah Buck-Converter untuk menyesuaikannya. Prinsip Kerja Buck-Converter Prinsip kerja Buck-Converter adalah dengan menggunakan switch yang bekerja secara terusmenerus (ON-OFF). Adapun dikenal dengan istilah PWM (Pulse Width Modulation) dan Duty Cycle dalam mengendalikan kecepatan (frekuensi) kerja switch tersebut.

Gambar 1 Buck-Converter

Gambar 1 menjelaskan tentang switch pada Buck-Converter. Switch tersebut akan bekerja secara terus-menerus. Kecepatan Switch (dalam realisasinya) akan tergantung pada Duty Cycle dan frekuensi yang digunakan.

Posisi switch di titik 1

Gambar 2 Buck-converter saat switch pada posisi 1 Gambar 2 menjelaskan arah arus saat switch berada pada posisi satu. Disini induktor mulai menyerap sebagian daya dari power suplai.

Tegangan pada induktor

Tegangan Ripple (akan dijelaskan selanjutnya)

Mencari arus yang mengalir melalui induktor

Persamaan penyelesaian pada perubahan arus di induktor

Posisi switch di titik 2

Gambar 3 Buck-Converter saat switch pada posisi 2

Gambar 3 menjelaskan arah arus pada rangkaian ketika switch berada di titik 2. Walaupun tidak terhubung pada sumber, pada posisi ini daya disuplai dari induktor yang telah menyerap daya selama rangkaian terhubung pada sumber (switch posisi satu). Tegangan pada induktor

Tegangan Ripple (cukup kecil)

Mencari arus yang mengalir melalui induktor

Persamaan penyelesaian pada perubahan arus di induktor

Tegangan pada induktor dan gelombang arus

Karena dalam operasinya menggunakan PWM, tentu switch akan bertindak ON dan OFF secara terus menerus. Hal ini akan berpengaruh terhadap bentuk gelombang keluaran pada rangkaian ini.

Gambar 4 Bentuk gelombang keluaran

Gambar 4 menjelaskan bagaimana output dari Buck-Converter. Pada diagram i-t terlihat arus naik turun sesuai dengan posisi switch. Begitupun dengan tegangan. (DT = Duty time alias waktu kerja). Panjang DTs tergantung seberapa besar nilai dari PWM atau Duty Cycle pada rangkaian tersebut. Apakah semakin besar nilai duty cycle semakin baik? belum tentu. untuk mencobanya temen-temen bisa menggunakan Electronic Workbench sebagai simulator. Dari sini diambil sebuah persamaan untuk penyelesaian kasus di atas

-BOOST CONVERTER DC Chopper Tipe Boost merupakan salah satu jenis dari DC Chopper. Rangkaian elektronika daya ini dapat mengubah tegangan DC pada nilai tertentu menjadi tegangan DC yang lebih tinggi. Untuk mendapatkan tegangan yang lebih tinggi daripada masukannya, DC Chopper Tipe Boost menggunakan komponen switching untuk mengatur duty cycle-nya. Komponen switching tersebut dapat berupa thyristor, MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), IGBT, dll.

Berikut adalah rangkaian DC Chopper Tipe Boost (Boost Converter).

Rangkaian DC Chopper Tipe Boost (Boost Converter)

Seperti halnya DC Chopper Tipe Buck, komponen-komponen yang menyusun DC Chopper Tipe Boost (Boost Converter) adalah sumber masukan DC, MOSFET, Dioda Freewheeling, Induktor, Kapasitor, Rangkaian Kontrol (Drive Circuit), serta Beban (R). MOSFET digunakan untuk mencacah arus sesuai dengan duty cycle sehingga keluaran DC Chopper dapat sesuai dengan yang diinginkan. Rangkaian Kontrol digunakan untuk mengendalikan MOSFET, sehingga MOSFET mengetahui kapan dia harus membuka dan kapan harus menutup aliran arus. Induktor digunakan untuk menyimpan energi dalam bentuk arus. Energi tersebut disimpan dalam induktor ketika MOSFET on dan dilepas ketika MOSFET off. Dioda Freewheeling digunakan untuk mengalirkan arus yang dihasilkan induktor ketika MOSFET off dengan bias maju.

Prinsip Kerja DC Chopper Tipe Boost (Boost Converter)

MOSFET yang digunakan pada rangkaian DC Chopper Tipe Boost adalah bertindak sebagai saklar yang dapat membuka atau menutup rangkaian sehingga arus dapat dikendalikan sesuai dengan duty cycle yang diinginkan. Berikut adalah skema secara umum dari DC Chopper Tipe Boost.

Skema Boost Converter Beserta Keluarannya

Kinerja dari DC Chopper tipe Boost dapat dibagi menjadi 2 kerja utama, yaitu : 

Ketika MOSFET on (tertutup) dan dioda off, arus mengalir searah jarum jam dari sumber menuju ke induktor (terjadi pengisian arus pada induktor). Polaritas induktor pada sisi kiri lebih positif dibandingkan sisi kanannya.

MOSFET Boost Converter ON



Ketika MOSFET off (terbuka) dan dioda on, arus yang disimpan di induktor akan berkurang karena impedansi yang lebih tinggi. Berkurangnya arus pada induktor menyebabkan induktor tersebut melawannya dengan membalik polaritasnya (lebih negatif pada sisi kiri). Sehingga, arus yang mengalir pada dioda dan pada beban adalah penjumlahan antara arus pada sumber dan arus pada induktor (seri). Disaat yang bersamaan kapasitor juga akan melakukan penyimpanan energi dalam bentuk tegangan. Itulah sebabnya DC Chopper Tipe Boost memiliki keluaran yang lebih tinggi dibandingkan dengan masukannya.

MOSFET Boost Converter OFF

Dari rangkaian DC Chopper Tipe Boost seperti diatas, didapatkan hasil gelombang keluaran secara terperinci seperti dibawah ini :

Gelombang Keluaran DC Chopper Tipe Boost

Dari gambar dapat dilihat bahwa arus pada beban (IL) akan naik secara linier ketika MOSFET dalam kondisi OFF dan turun secara linier pula ketika MOSFET dalam kondisi ON. Namun penurunan arus beban (IL) tersebut tidak mencapai nol. Sehingga gambar diatas dapat digolongkan menjadi DC Chopper Tipe Boost Mode Continous. Semakin besar duty cycle, maka semakin besar pula tegangan keluaran yang dihasilkan DC Chopper Tipe Boost. Namun, tegangan keluaran tersebut selalu lebih besar atau sama dengan tegangan masukan DC Chopper. Semakin besarnya duty cycle dapat dilihat dari semakin besarnya area yang diwarnai biru muda pada gambar diatas. Mode Continous dan Discontinous Pada DC Chopper Tipe Boost Pada DC Chopper Tipe Boost dikenal dengan adanya mode continous dan discontinous. Mode continous adalah mode dimana arus yang dihasilkan oleh induktor tidak pernah habis sampai nol ketika MOSFET pada rangkaian tersebut dalam kondisi OFF.

Continous Mode DC Chopper Tipe Boost

Fungsi Alih dari mode continous dapat dilihat pada persamaan berikut :

Sedangkan mode discontinous adalah mode dimana arus yang dihasilkan oleh induktor pada saat MOSFET pada kondisi OFF, dapat mencapai nilai nol. Hal ini dikarenakan oleh adanya beban yang terlalu ringan pada rangkaian.

Discontinous Mode DC Chopper Tipe Boost

Fungsi Alih dari mode continous dapat dilihat pada persamaan berikut :

Berikut adalah grafik hubungan duty cycle dengan fungsi alir dari DC Chopper Tipe Boost

Kurva Perbandingan Duty Cycle dan Fungsi Alih Boost Converter

Dari grafik diatas dapat diketahui bahwa, semakin besar duty cycle (D), maka semakin besar pula fungsi alihnya / M(D). Namun, kenaikan tersebut bukanlah secara linier, melainkan secara eksponensial. Begitu pula sebaliknya, semakin kecil duty cycle (D), maka semakin kecil pula fungsi alihnya / M(D). Berikut adalah kurva hubungan antara duty cycle dan efisiensi serta hubungan antara duty cycle dan rasio tegangan.

Kurva Hubungan Duty Cyle dan Efisiensi

Kurva Hubungan Rasio V dan Duty Cylcle

Kelebihan dan Kekurangan DC Chopper Tipe Boost (Boost Converter) 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. Dibandingkan topologi standar (Boost, Buck-Boost dan Cuk), konverter ini memiliki keunggulan antara lain polaritas masukan-keluaran yang sama, riak tegangan keluaran yang sangat rendah, regulasi yang baik, respon yang cepat, induktor yang bekerja dalam daerah linier serta strategi kontrol yang sederhana. Pada dasarnya konverter ini bekerja berdasarkan prinsip Boost Chopper dengan modifikasi pada rangkaian magnetik.