perancangan purwa rupa modulasi lebar pulsa berbasis timer 555

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