RANCANG BANGUN PENYEARAH SATU FASA MENGGUNAKAN

RANCANG BANGUN PENYEARAH SATU FASA MENGGUNAKAN DOUBLE SERIES
BUCK BOOST CONVERTER UNTUK PERBAIKAN FAKTOR DAYA
(Sub Judul : Regulator Tegangan)
Aditya Wika M1, Ir Moh Zaenal Efendi MT2
Mahasiswa Elektro Industri, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Surabaya, Indonesia1*
Dosen Pembimbing, Politeknik Elektronika Negeri Surabaya, Surabaya, Indonesia2
[email protected]
ABSTRAK
Pada peralatan-peralatan elektronika memerlukan catu daya berupa sumber tegangan searah yang dihasilkan dari
rangkaian penyearah. Konsekuensi dari penyearah tersebut menyebabkan bentuk gelombang arus menjadi tidak rata atau
terdistorsi. Oleh sebab itu dewasa ini banyak dikembangkan dan diteliti bentuk-bentuk baru dari konverter perbaikan faktor daya
yang mempunyai kemampuan yang baik, seperti faktor daya tinggi, dan harmonisa yang rendah. Pada proyek akhir ini jenis dc-dc
konverter yang akan diaplikasikan sebagai regulator tegangan output adalah jenis converter buck-boost. Regulator diperlukan agar
tegangan keluaran dari sistem stabil dan sesuai dengan set point. Agar rangkaian buck-boost dapat digunakan sebagai regulator
tegangan maka harus bekerja pada kondisi kontinyu. Pada proyek akhir ini digunakan PI kontroler untuk menjaga kesetabilan dari
tegangan output sehingga perubahan dari tegangan input maupun perubahan beban tidak menyebabkan perubahan yang signifikan
dari tegangan output. Tegangan yang keluar dari regulator ini berada pada kisaran 18,5 volt dengan kesalahan maksimal 1,06%.
Pada pengujian akhir integrasi alat diperoleh faktor daya sebesar 0,98 dan DPF 0,99 dengan daya output sebesar 12,5 Watt. Sudah
terjadi perbaikan dari penyearah konvensional yang memiliki faktor daya 0,82 menjadi 0,9.
Kata Kunci : Buck-Boost Converter, regulator tegangan, PI kontroler
ABSTRACT
In the electronic devices usually require a source of DC power supply generated from the rectifier diode. The
consequences of the rectifier causes the current waveform becomes uneven or distorted. Therefore, nowdays many people develope
new forms of power factor improvement converter that has a good ability, such as high power factor and low harmonics. At this
final project the type of dc-dc converter that will be applied as a voltage regulator output is buck boost converter. Regulator is
required to output voltage of the system is stable and in accordance with the set point. In order for buck boost circuit can be used as
a voltage regulator then it should work in continuous mode. In this final project PI controller is used to maintain the stability of the
output voltage although the change of the input voltage or the change of load do not cause a significant change of the output
voltage. The voltage that comes out of the regulator is in the range of 18.5 volts with a maximum error 1.06%. In the end of the tool
integration testing obtained power factor is 0,98, DPF is 0,99 and.5 12.5 Watts output power.
Keyword: Buck-Boost Converter, voltage regulator, PI controller
1
I.
PENDAHULUAN
Dalam
penggunaan
peralatan-peralatan
elektronika biasanya memerlukan catu daya
berupa sumber tegangan searah yang dihasilkan
dari penyearah diode. Pertimbangan harmonisa
dan distorsi gelombang yang terjadi akibat
pemasangan penyearah
gelombang penuh
memegang peranan yang penting. Terutama yang
berhubungan pergeseran arus input dan tegangan
input Ac-Dc Full Wave Rectifier yang
mengakibatkan faktor daya rendah. Perbaikan
kualitas sumber Ac-Dc Full Wave Rectifier satu
fasa dengan factor daya mendekati satu telah
menjadi objek yang mendapat perhatian secara
khusus.
Pada akhir-akhir ini banyak dikembangkan dan
diteliti bentuk–bentuk baru dari konverter yang
mempunyai kemampuan yang baik seperti faktor
daya tinggi, harmonisa rendah dan juga ripel
tegangan output yang kecil. Sehingga topik ini
menjadi isu yang menarik untuk diteliti.
Pada proyek akhir ini dibuat konverter yang
memiliki faktor daya tinggi, dimana konverter
tersebut merupakan gabungan dari penyearah dan
dua buah buck boost converter. Buck boost
converter yang pertama berfungsi sebagai
konverter perbaikan faktor daya dan buck boost
converter yang kedua berfungsi sebagai regulator
tegangan output. Dengan rangkaian terasebut
diharapkan dapat mengatasi masalah faktor daya
yang rendah pada sisi sumber (input) serta
tegangan keluaran (output) yang konstan.
II. TEORI PENUNJANG
II.1 Prinsip dasar buck boost converer
DC chopper dapat digunakan sebagai
regulator mode pensaklaran untuk mengubah
tegangan DC, yang tidak teregulasi menjadi
tegangan DC yang teregulasi. Regulasi tidak biasa
dicapai melalui pengaturan PWM (Pulse Widht
Modulation) pada frekuensi tertentu dan devais
pensaklaran menggunakan BJT, MOSFET, atau
IGBT. Salah satu jenis topologi dasar pensaklaran
yaitu Buck Boost. Buck Boost dapat digunakan
untuk menaikkan dan menurunkan tegangan input
dengan mengatur duty cycle penyulut dari
MOSFET.
II.2 Kontrol PI
Kontrol PI merupakan salah satu jenis
pengatur yang banyak digunakan pada kontrol
loop tertutup. Selain itu sistem ini
mudah
digabungkan dengan metoda pengaturan yang lain
seperti Fuzzy dan Robust, Sehingga akan menjadi
suatu sistem pengatur yang semakin baik. Kontrol
PI terdiri dari 2 jenis cara pengaturan yang saling
dikombinasikan, yaitu Kontrol P (Proportional)
dan Kontrol I (Integral). Masing-masing memiliki
parameter tertentu yang harus diset untuk dapat
beroperasi dengan baik, yang disebut sebagai
konstanta. Setiap jenis, memiliki kelebihan dan
kekurangan masing-masing.
Tabel 2.1. Respon PI controller terhadap
perubahan konstanta
III. PERENCANAAN SISTEM
III.1 Perencanaan buck boost konverter
Dalam mendesain buck boost converter harus
diperhatikan parameter-parameter seperti tegangan input,
tegangan output, arus output yang diinginkan, frekuensi
switching dan lain-lain.
Pada awal perencanaan nilai parameter yang
ditetapkan sebagai berikut :
Tegangan input (Vin)
= 66 Volt
Tegangan output (Vout)
= 18,5 Volt
Ripple tegangan
= 0,1%
Arus output (Iout)
= 3,5 Ampere
Ripple arus
= 25%
Frekuensi switching
= 50 kHz
1. Duty cycle
 D 
Vout  Vin 
1  D 
 D   Vout
1  D   V
in
Vin D  Vout  Vout D
Vin  Vout D  Vout
D
2.
Gambar 2.1. Rangkaian buck boost konverter
 Vout
18.5

 0.22
Vin  Vout 18.5  66
Nilai induktor
Lmin 
(1  D) 2 R
2f
Lmin 
(1  0.22) 2
 5.29  32.2 H
2  50 103
2
3.
Arus induktansi
iL
I max  iL 
2
where :
Vs  D
IL 
\
2
R1  D 
66  0.22
IL 
 4.5 A
2
5.29  1  0.22 
I L  25%  I L
I L  0.25  4.5  1.125 A
iL
2
1.125
 4.5 
 5.06 A
2
I max  iL 
I max
4.
Rs 
DT
2  Cs
1
50

103
Rs 
2  1.15n
Rs  1.9 K
0.22 
III.2 Perencanaan dan pembuatan kontroler PWM
III.2.1 PWM generator
Pembangkit pulsa pwm menggunakan timer/counter
pada mikrokontroler ATMega 16 tepatnya pada
timer/counter 2 menggunakan register counter (TCNT2)
mencacah naik saja dan tidak pernah mencacah turun.
Frekuensi dan duty cycle PWM yang dihasilkan pada mode
fast PWM ini dirumuskan :
Desain induktor dan kapasitor
n
L  I max
 10 4
B max  Ac
dim ana
B max  0,25tesla
Ac  1,61cm 2
n
0.322m  5.06
 10 4  40.48
0,25  1,61
Jadi diperlukan 41 lillitan.
Dimana
PWM
foc0= frekuensi output OC2 mode fast
fosc = frekuensi osilator
N = skala clock
D = duty cycle
III.2.2 Optocoupler dan totempole
Optocoupler merupakan rangkaian isolasi driver
dengan rangkaian kontrol. Sedangkan totempole digunakan
untuk mengurangi switch losespada saat switching.
Gambar 3.1 berikut menunjukkan rangkaian lengkap
optocoupler dan totempole.
Vo  0,1%  Vo  0,00118.5  0.0185
V 
Qo   o   DT
R
1
 18.5 
Qo  
 15.39
  0.22 
50 103
 5.29 
Co 
5.
Qo 15.39 

 832F
Vo 0.0185
Desain rangkaian snubber
I on  t fall
Cs 
2  Voff
I on  I in  I L  4.5 A
Voff  Vin  Vout
Voff  66  18.5  84.5V
t fall  43ns
Cs 
Cs 
I on  t fall
2  Voff
4.5  43n
 1.15nF
2  84.5
Gambar 3.1 Rangkaian optocoupler dan totempole
III.2.3 Desain kontroler
Kontroler digunakan untuk mengontrol tegangan
output dari buck boost converter agar tegangan outputnya
stabil. Kontroler yang digunakan adalah mikrokontroler
ATMega 16 dengan menggunakan algoritma PI kontroler.
Dalam membuat kontroler ini yang diperhatikan
adalah mengenai set point dari output buck boost yang
harus dipertahankan yang dilihat dari data ADC. Dari data
ADC maka diperoleh error dari set point. Dari error
tersebut akan dikalikan time sampling yang kemudian
menghasilkan integral. Kemudian didapatkan nilai P dari
konstanta proporsional dikalikan error. Sedangkan I
diperoleh dari konstanta integral dikalikan integral. Nilai PI
3
adalah penjumlahan dari nilai P dan I. Berikut adalah
program lengkapnya.
SP =154;
// Reference = 18.5 volt
Sensor = read_adc(2);
PV=Sensor ;
Error= SP-PV;
Integral += Error * TimeSampling;
P = Kp * Error; I = Ki * Integral;
PI=P+I;
PWM =PWM+PI;
if(PWM<50) PWM = 50;
if(PWM>120) PWM =120;
OCR2 =(unsigned char) PWM;
III.3. Desain sensor tegangan
Pada mikrokontroler tegangan yang dapat dibaca
berada dalam
range 0-5 VDC sehingga diperlukan
pembagi tegangan. Dari tegangan referensi yang sebesar
14.3 V maka tegangan bisa dibagi menjadi 4. Gambar 3.2
adalah rangkaian pembagi tegangan tersebut.
Gambar 3.2 Rangakaian pembagi tegangan
Dalam perhitungan Vin yang digunakan 18.5 volt
DC dan Vout yang diharapkan adalah sekitar 2,5V DC
supaya bisa dibaca dengan baik oleh mikrokontroler dan
dapat dikontrol, maka:
IV. Pengujian dan analisa
IV.1 Pengujian buck boost converter dan driver
penyulut
IV.1.1 Pengujian desain induktor
Setelah dilakukan desain induktor frekuensi tinggi
tentunya dilakukan pengujian induktor. Hasil dari
pembuatan induktor seperti pada Gambar 4.1 di
bawah.Hasil pengujian induktor memiliki nilai Induktansi
(L) = 375 uH dan memiliki nilai Q sebesar 16,9. Dalam
perencanaan awal nilai Induktansi yang seharusnya adalah
322 uH. Perbedaan tersebut diperkenankan karena tidak
melebihi 25% dari desain awal. Nilai Q seperti pada
Gambar 4.2 menunjukkan nilai 16,9, hal ini dikarenakan
untuk frekuensi tinggi minimal induktor memiliki nilai Q
10. Sehingga induktor tersebut bisa digunakan untuk buck
boost converter dengan frekuensi switching 50kHz.
Gambar 4.1 Induktor frekuensi tinggi
Gambar 4.2 Hasil pengukuran induktor menggunakan
LCR meter
IV.1.2 Pengujian driver penyulutan
PWM yang digunakan untuk penyulut rangkaian
buck boost converter dibangkitkan dari mikrokontroller AT
Mega16 dengan frekuensi 50 KHz menggunakan timer 2.
Setting Timer 2 program untuk menghasilkan PWM 50
KHz pada mikrokontroller AT Mega16 adalah sebagai
berikut:
// Timer/Counter 2 initialization
// Clock source: System Clock
// Clock value: 13560.000 kHz
// Mode: Fast PWM top=FFh
// OC2 output: Non-Inverted PWM
TCCR2=0x69;
TCNT2=0x00;
OCR2=0x00;
Nilai OCR2 pada setting awal adalah 0x00 heksa.
Nilai OCR2 berkisar antara 0-255 sehingga Untuk
mengatur besarnya duty cycle penyulutan maka nilai OCR2
dapat dicari dengan duty cycle dikalikan 255 sebagai nilai
maksimal OCR2. Berikut contoh programnya :
4
while (1)
{
// Place your code here
OCR0=128; //50% x 255 =128
}
Bentuk
gelombang
PWM
yang
dihasilkan
mikrokontroller ditunjukkan Gambar 4.3 dibawah ini:
dari mikrokontroler di ambil dari AVCC yang bernilai
sekitar 3,88 volt. Pada pengujian ini tegangan variabel
yang di baca oleh sesor tegangan adalah DC power supply.
Berikut adalah Gambar 4.4 yang menunjukkan sensor
tegangan dan juga Tabel pengujiannya yang ditunjakkan
pada Tabel 4.3.
Gambar 4.4 Rangkaian Pembagi tegangan
Tabel 4.3 Hasil pengujian sensor tegangan
Gambar 4.3 Gelombang PWM keluaran PORTD.7
Vref (V)
Vout (V)
Vout teori (V)
Kesalahan
IV.1.3 Pengujian buck boost converter
Pengujian buck boost dilakukan dengan sumber
DC Power supply dari tegangan input 10 volt sampai 35
volt untuk fungsi buck dan input 5 volt sampai 20 volt
untuk fungsi boost. dengan menggunakan beban lampu 100
watt 220 volt. Hasil yang diperoleh seperti pada Tabel 4.1
dan Tabel 4.2 di bawah
5
0,65
0,65
0%
10
1,30
1,30
0%
15
1,95
1,96
0,5%
18,5
2,40
2,41
0,4%
20
2,59
2,60
0,4%
25
3,24
3,26
0,6%
Tabel 4.1 Tabel pengujian buck boost fungsi buck
30
3,88
3,91
0,8%
Vin (Volt)
Iin (A)
Vout (Volt)
Iout (A)
10
15
20
25
30
35
0,05
0,06
0,07
0,07
0,08
0,1
5,5
8,8
12,3
15,4
19,5
25
0,1
0,11
0,125
0,125
0,14
0,15
Tabel 4.2 Tabel pengujian buck boost fungsi boost
Vin (Volt)
Iin (A)
Vout (Volt)
Iout (A)
5
0,15
6,5
0,1
10
0,2
14,4
0,25
15
0,24
22,4
0,15
20
0,27
30,5
0,16
Dari kedua tabel diatas data yang diperoleh
menunjukkan bahwa buck boost converter secara
fungsional telah bisa berfungsi untuk menaikkan dan
menurunkan input tegangan DC. Dibandingkan dengan
desain tegangan output yaitu 18,5 volt maka terjadi error
yang besar. Hal ini terjadi karena pada desain awal buck
boost
ini harus dikontrol oleh mikrokontroler
menggunakan metode PI kontroler.
IV.2. Pengujian sensor tegangan
Pengujian sensor tegangan ini bertujuan untuk
mendapatkan hasil yang sesuai dengan system yaitu
bekerja antara range 0-5 Volt. Pada sensor ini range yang
digunakan adalah 0-3,88 Volt yang setara dengan tegangan
0-30Volt. Nilai di atas tidak sesuai teori karena Vrefferensi
Dari tabel diatas range tegangan sampai 30 Volt
masih bisa dikontrol oleh mikrokontroler tetapi jika
melebihi range tegangan tersebut mikrokontroler kesulitan
dalam mengontrolnya karena tegangan berapapun diatas
30volt tetap dibaca 30 Volt.
IV.3. Pengujian kontroler
kontroler disini digunakan untuk menjaga
tegangan output buck boost agar stabil. Untuk menguji
kontroler ini adalah dengan mengubah ubah tegangan input
atau dengan mengubah ubah besarrnya beban. Kontroler
dikatakan baik apabila bisa menjaga kestabilan tegangan
output yang dikontrol. Hasil pengujian dapat dilihat pada
Tabel 4.4 dan Tabel 4.5 .
Tabel 4.4 Pengujian kontroler dengan perubahan tegangan
input
V input (V)
I input (A)
V output(V)
Vref (V)
error
5
0,22
8,9
18,5
51,89 %
10
0,28
18,5
18,5
0%
15
0,21
18,8
18,5
1,62 %
20
0,13
18,6
18,5
0,54 %
25
0,09
18,6
18,5
0,54 %
30
0,07
18,4
18,5
0,54 %
35
0,06
18,3
18,5
1,08 %
5
Tabel 4.5 Pengujian kontroler dengan perubahan beban
V input (V)
I input (A)
V output(V)
Vref (V)
error
35
0,09
18,5
18,5
0%
35
0,11
18,5
18,5
0%
35
0,8
18,8
18,5
1,62 %
35
0,36
18,8
18,5
1,62 %
35
0,95
18,7
18,5
1,08 %
35
1,33
18,5
18,5
0%
Di bawah ini pada Gambar 4.5
kita dapat
melihat grafik respon dari buck boost dengan sinyal step
sebesar 35 volt dengan setting tegangan output 18,5 volt.
Gambar 4.5 grafik respon tegangan output buck boost
tanpa kontrol PI
Pada Gambar 4.5 di atas terlihat bahwa respon
dari buck boost untuk mencapai set point sebesar 18,5 volt
membutuhkan waktu sekitar 3,2 detik. Dari hal tersebut
akan kita pergunakan program PI kontroler sehingga
diharapkan dapat mempercepat respon sistem.
V. Kesimpulan dan saran
V.1 Kesimpulan
Setelah dilakukan proses perencanaan pengujian serta
analisa dan juga membandingkannya dengan teori-teori
penunjang, maka dapat disimpulkan bahwa:
1. Buck boost dapat berfungsi dengan baik karena bisa
menaikkan dan menurunkan tegangan input.
2. Hasil penggulungan induktor sangat berpengaruh
terhadap nilai induktansi dan juga nilai Q dari
induktor tersebut.
3. Dua buah series buck boost tidak dapat digunakan
sensor tegangan dengan ground yang sama, sehingga
dibuthkan dua mikrokontroler untuk dua buck boost
converter.
4. Pada pengujian buck boost yang dikontrol dengan PI
kontroler dan dibebani resistor geser sudah bekerja
dengan baik karena bisa mempertahankan tegangan
output sekitar 18,5 V.
V.2 Saran
Selama pengerjaan proyek akhir ini tentunya tidak
lepas dari berbagai macam kekurangan dan kelemahan,
secara khusus pada peralatan yang telah dibuat. Namun
pada kenyataan yang ada setelah tepat masa waktu Proyek
Akhir ini habis, penulis belum sempat memperbaiki
kekurangan-kekurangan itu. Untuk itu demi kesempurnaan
alat ini, penulis dapat memberikan beberapa catatan
penting sebagai berikut:
1.
2.
3.
Gambar 4.6 grafik respon tegangan output buck boost
dengan kontrol PI
Pada Gambar 4.6 yang merupakan grafik respon
buck boost setelah menggunakan kontrol PI. Dari gambar
tersebut terlihat bahwa respon dari sistem lebih cepat untuk
mencapai set point. Respon yang terjadi juga menunjukkan
adanya overshoot sebelum mencapai set point. Kontrol PI
di atas juga belum memiliki output yang stabil masih ada
sedikit osilasi cukup lama hingga setelah 6 detik baru
dalam keadaan stabil di set point. Kontrol PI juga menjaga
sistem sehingga output tetap berada di sekitar set point
meskipun ada perubahan tegangan output maupun
perubahan beban.
Penggulungan dari induktor dilakukan sebaik
mungkin sehingga induktor memiliki nilai induktansi
sesuai dengan desain dan nilai Q yang tinggi.
Pada buck boost konverter ini menggunakan mosfet
IRFP 460 Untuk hasil yang maksimal diharapkan
menggunakan komponen yang mempunyai rating arus
dan tegangan lebih besar.
Tuning control P dan I yang lebih banyak sehingga
bisa didapatkan tegangan output yang lebih stabil.
VI. Daftar Pustaka
[1] Ir. Moh Zaenal Efendi, MT, “DC-DC Converter”,
PENSITS, Surabaya
[2] Yamudi, “Design of One phase AC- DC Full wave
Rectifier With Flyback and Buck Konverter as Power
Faktor Correction and Current Harmonic”, PENS-ITS,
Surabaya
[3] Sutejo Maspriyanto, “Pengaturan Kecepatan Motor
Induksi 3Ø Menggunakan Kontrol PI Berbasis Direct
Torque Control, PENS-ITS, Surabaya
[4] Tim IE, Yosef S. Tobing danWelly Purnomo, “AN
116DC Motor Speed Control Using PID”, ITS, surabaya
[5] Datasheet of Mikrocontroller AT Mega 16
6