Pages - Menu

Wednesday, September 19, 2012

DC to DC Converter, Chapter 1


Sobat-sobat sekalian, tentu kalian sudah familiar dengan DC to DC converter, ya benar itu merupakan suatu device yang mengubah/ mengkonversi energi listrik dari DC ke DC juga tentunya (menaikkan atau menurunkan), tanpa mengubah polaritas dari sumber. DC to DC converter ini memanfaatkan charging dan discharging pada inductor, dengan metode switching. Switch yang digunakan adalah semikonduktor yang dioperasikan pada frekuensi tinggi semisal transistor BJT atau juga FET. DC to DC converter ini sangat sering dipakai di industri secara umum, dan elektronik khususnya, karena memiliki efesiensi yang tinggi. Device ini biasanya dipakai sebagai pengatur kecepatan motor, atau mobil listrik, dan bisa juga untuk charger.
Beberapa jenis DC to DC converter diantaranya:
  1. Buck Converter, Menurunkan tegangan
  2. Boost Converter, Menaikkan tegangan
  3. Buck-Boost Converter, Menurunkan dan menaikkan tegangan.
  4. Flayback (polaritas dengan outputnya dibalik).
Pada kesempatan kali ini, saya akan mencoba menerangkan kepada sobat-sobat memahami secara simpel bagaimana DC to DC converter itu bekerja. Pada Chapter 1 ini, khusus membahas Buck Converter yak...
 
Ok sebelum masuk ke pembahasan, saya ingin memperkenalkan terlebih dulu istilah duty cycle (k), karena kita akan banyak menyinggung persoalan ini. Duty cycle adalah perbandingan waktu hidup (konduksi) dengan total periode dari switching.
 
Tadi telah disinggung, bahwa rangkaian ini memakai switch yang berupa semikonduktor; yang namanya switch dia bekerja hidup dan mati secara periodik, atau dapat kita katakan adalah ada periode on, ada periode off. 1 periode (T) adalah, waktu yang dibutukan oleh switch untuk 1 kali on dan 1 kali off. Duty cycle ini berfungsi sebagai konstanta pengali tegangan output yang dihasilkan pada desain DC to DC converter (akan dibahas nanti), kira-kira begitu sobat arti dari duty cyle...

ok back to the topic,
 
Seperti yang telah dijelaskan diatas bahwa, Buck converter berfungsi untuk menurunkan tengangan, misalkan dari 12V DC ke 6 Volt DC, 10V DC ke 2 Volt DC, dll. Karana menurunkan tegangan, maka tegangan output yang dihasilkan akan selalu lebih kecil dari tegangan input (supply), namun ingat polaritasnya tetap sama ya. Buck converter menurunkan tegangan dengan memanfaatkan charge dan discharge dari induktor, tentu saja harus memiliki konfigurasi tertentu, jika tidak maka rangkaian tersebut boleh jadi tidak berfungsi sebagai mana mestinya. Secara umum konfigurasi Buck converter adalah sebagai berikut:
Buck Converter
    Tidak usah bingung, rangkaian disamping ini tidak rumit. Ada Vg (Vin) sebagai sumber, kemudian ada FET sebagai switch (Q), ada diode (D) sebagai penyearah, ada induktor (L) sebagai komponen utama charge dan discharge, kemudian ada kapasitor (C) yang berfungsi memeperhalus tegangan output yang dihasilkan, dan terakhir ada beban (R) sebagai matching impedance. Switch (Q) disini ya anggap saja sebagai saklar, yang berkedip pada frekuensi yang cukup tinggi (puluhan hinga ratusan KHz), sebagai pengendali time charge dan discharge. Dalam membuat analisis kita hanya cukup mengabil sample 1 periode saja, karena frekuensi konstan dan terus berulang. Dengan demikian, kita dapat membagai kondisi pada rangkaian diatas, yakni pada kondisi on dan pada kondisi off,
  1.  Kondisi switch on,
Pada kondisi ini, switch pada kondisi menutup, sehingga arus mengalir dari sumber menuju induktor, kapasitor dan juga resistor. Pada kondisi ini, induktor mengalami charging arus. Pada kondisi charging seolah inductor short, sampai arus mencapai maksimum. Persamaan rangkaian pada kondisi on dapat dituliskan sebagai berikut:
Swich on Mode

Vin=VL+ VC,
dimana Vout=VC, maka dapat dituliskan kembali.
Vin=L(di/dt)+Vout ,
di/dt selanjutnya dapat ditulis, Δi/ Δt
in=L Δi/Δt+Vout 
Δt=adalah waktu on, sehingga dituliskan:                                                     
 Vin=L Δi/Δton+Vout                                                                                                                
Sehinga nilai Δton= L Δi/(Vin-Vout)….(1)
Pada kondisi ini dapat dikatakan bahwa nilai tegangan induktor(VL)adalah selisih antara tegangan input dengan tegangan output selama periode on. Pada kondisi ini, ripple diperkiran untuk V(t) (beban):
Arus Induktor saat Periode on
VL~Vin-
Vr
Ic~IL-V/R








O ya, temen-temen jangan bingung yak, kadang saya memakai Vr kadang memakai Vout, kadang juga memakagi Vc, karena nila ketiganya adalah sama, kadang-kadang saya pakai saja, yang penting kalian memahaminya ya. Pada periode on, arus mencharging di induktor sebersar (Vin-Vr)/L, hingga dia mencapai nilai max, tentu juga tergantung dari periode on (ton) nya. Pada saat ini arus juga mengalir di kapasitor, yang besarnya adalah arus induktor dikurangi degnan arus beban.

  2. Kondisi switch off,
 
Pada kondisi switch off, sumber tidak terhubung dengan rangkaian, pada kondisi ini induktor telah berubah menjadi sumber arus, karena telah discharging pada saat switch on. Karena induktor berfungsi sebagai sumber arus, sekarang giliran dia yang mensupply kebutuhan komponen yang lain. Secara matematis dapat dinyatakan dengan:
Kondisi Switch off.

VL=VC=Vout
L Δi/Δtoff =Vout,
hal ini berarti induktor berubah menjadi sumber arus, energi potensial yang tersimpan sebesar L Δi akan dikonversikan mejadi tegangan output (Vout) selama periode off (toff). dari persamaan diatas, kita dapat memperoleh nilai dari Δtoff. 

Δtoff= L Δi/Vout……(2)

Lalu bagaimana dengan distribusi arus yang terjadi pada induktar saat periode ini? nah kita dapat mengamatinya pada gambar berikut:
Arus Induktor pada Kondisi Switch off.

Gambar diatas memperlihatkan, saat induktor periode on, maka arus akan mencharging induktor hingga mencapai Imax, dan pada saat switch off, arus akan discharge dan turun hingga mencapai nilai minimumnya Imin.Turunnya arus ini dapat kita tuliskan secara matematis, sbb:
VL=-Vout
Ic=IL-V/R
Tanda negatif menyatakan bahwa tegangan turun (discharge), sedangkan arus yang mengalir di kapasitor sebesar arus induktor dikurangi dengan arus pada beban. 

Kondisi setelah induktor off
Kondisi Induktor off
Setelah kondisi benar-benar off, artinya saklar terbuka untuk beberapa waktu, maka arus induktor adalah nol, dan tegangannya juga nol. Maka masih tersisa sedikit tegangan di kapasitor. Rangkaian diatas dapat kita tuliskan sebagai berikut:
VL=0, IL=0
Sedangkan untuk ripple yang terjadi, diperkirakan adalah sebagai berikut: 
VL=0, Ic=-V/R    (arus kapasitor discharge)

Secara lengkap kita dapat menggambarkan respon dari tegangan dan arus induktor dalam bentuk diagram garis:
Respon Arus dan Tegangan Induktor


Penguatan dari Buck Converter, Duty Cycle.
Setelah kita mengerti bagaimana prinsip dari kerja rangkaian diatas, maka kita dapat melanjutkan lagi ke penguatan yang dihasilkan oleh buck converter diatas, secara logika saja semisal kita punya sumber 12 VDC kemidan output nya menjadi 6 VDC, berarti penguatan dari buck tersebut adalah 0.5.
Nah bagaimana menganalisisnya? kita perhatikan pembahasan berikut:

Dari persamaan 1 dan 2 kita akan mencari penguatan dari sebuah Buck converter. Inilah yang akan menjawab mengapa dengan input 12 menjadi 2, 3, 5, atau 6 volt.
Persamaan 1: Vin=L Δi/Δton+Vout 
Persamaan 2: L Δi/Δtoff =Vout
Dengan mengganti L Δi, maka
Persamaan 1 : Vin=(Vout. Δtoff )/ Δton + Vout
                                        =Vout([Δtoff / Δton] +1)
                                        =Vout[(Δtoff +Δton)/ Δton], karena Δtoff +Δton=T, maka
                                        =Vout[T/ Δton], karena k= Δton/T,
                                Vin =Vout[1/k], atau Vout= kVin
Nah disinilah, mengapa duty cyle sangat penting pada sebuah DC to DC converter. Duty cyle menentukan berapa kali penguatan output yang dihasilkan. Pada Buck converter, besarnya tegangan output adalah k kali tegangan input.  Ya anggap saya tegangan input 12 V maka, jika k = 0.5, tentu saja output yang dihasilkan adalah 6 Volt.

Induktor Charge-Discharge dalam 1 periode

Pada pembahasan diatas, kita telah menjelaskan satu persatu kondisi rangkaian. Nah kita dapat juga mengamati bagaimana hubungan antara induktor dengan tegangan input output tetapi lengkap satu periode langsung. Ok, kita tehu bahwa satu periode adalah 1 kali untuk on dan off, secara matematis adalah sebagai berikut:
1periode (T)=ton+toff
Dengan difinisi ini, ditambah dengan hasil persamaan 1 dan persamaan 2 diatas, maka dapat dijabarkan sebagai berikut.
Δton+ Δtoff=T
L Δi/(Vin-Vout)+ L Δi/Vout=T

L Δi[(1/(Vin-Vout)+1/Vout)]=T
L Δi[(Vout+Vin-Vout)/(Vin-Vout)Vout]=T
L Δi[(Vin)/(Vin-Vout)Vout]=T…….(3)

Persamaan 3 inilah, gambaran hubungan antara induktor dngan tegangan input output dalam 1 periode, perhitungan ini sangat penting dalam mendesign sebuah buck converter jadi harus dipahami yak.
  
Hohohoho, bagaimana sekarang udah mengerti belum tentang Buck converter ???
hahahah tidak apa-apa, pelan-pelan saja kalau belum mengerti. Pada chapter selanjutnya, akan saya kasih contoh desain...sehingga kalian akan lebih mengerti lagi...
Tunggu yakkk!


To be continue....
                                                                                                                                  

Popular Posts