Elka 2 - perc 5 - Switching Voltage Regulator (1)

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
L
D
Vur
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 𝑉𝐿𝑜𝑛 dan arus induktor 𝐼𝐿𝑜𝑛 dapat diperoleh sbb.:
𝑉𝐿𝑜𝑛 = 𝑉𝑢𝑟 − 𝑉𝑜
𝑉𝐿𝑜𝑛 = 𝐿
𝐼𝐿𝑜𝑛 =
𝑑𝑖𝐿𝑜𝑛
𝑑𝑡
𝑉𝑢𝑟 − 𝑉𝑜
𝑡 + 𝐼𝐿01
𝐿
Disini 𝑉𝑢𝑟 adalah tegangan sumber tak teregulasi dan 𝐼𝐿01 adalah arus induktor sesaat
sebelum saklar terhubung.
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 𝑉𝐿𝑜𝑓𝑓 dan arus induktor 𝐼𝐿𝑜𝑓𝑓 dapat diperoleh sbb.:
𝑉𝐿𝑜𝑓𝑓 = −𝑉𝐷 − 𝑉𝑜
𝑉𝐿𝑜𝑓𝑓 = 𝐿
𝑑𝑖𝐿𝑜𝑓𝑓
𝑑𝑡
𝐼𝐿𝑜𝑓𝑓 = 𝐼𝐿02 −
𝑉𝐷 + 𝑉𝑜
𝑡
𝐿
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 𝑉1 pada rangkaian akan mengikuti tegangan
outputnya.
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
220H, Kapasitor C 220F. 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 100H. Ulangi
pengamatan seperti pada langkah 4 di atas.
6. Kembalikan induktor pada induktansi awal 220H dan ubah kapasitor C menjadi 470F.
Ulangi pengamatan seperti pada langkah 4 di atas.
4|Regulator Tegangan Mode Switching
7. Kembalikan kapasitor pada kapasitansi awal 220F dan ubah frekuensi generator sinyal
menjadi 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 220H, Kapasitor C 220H, 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
CB
LM3524
L
V1
Vo
EA
RT
CA
CT
SD
Gnd
Vur
D
C
RL
Comp
50k
1nF
Gambar 5 Rangkaian Percobaan Konverter Buck dengan LM3524
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