Materi Converter Dc-dc 1f6n

 

4    

BAB II

 

DASAR TEORI

   

2.1 Konverter DC-DC    

Sistem catu-daya yang bekerja dalam mode pensaklaran (switching) mempunyai efisiensi yang jauh lebih tinggi dibanding sistem catu-daya linier. Oleh karenanya, hampir semua catu-daya modern bekerja dalam mode switching atau dikenal   sebagai SMPS (Switched Mode Power Supply). Komponen utama dari sistem  

catu-daya adalah konverter dc-dc yang berfungsi untuk mengkonversikan daya  

elektrik bentuk dc (searah) ke bentuk dc lainnya.

Secara umum, ada tiga rangkaian (topologi) dasar konverter dc-dc, yaitu buck, boost, dan buck-boost. Rangkaian lain biasanya mempunyai kinerja mirip dengan topologi dasar ini sehingga sering disebut sebagai turunannya. Contoh dari konverter dc-dc yang dianggap sebagai turunan rangkaian buck adalah forward, push-pull, half-bridge, dan full-bridge. Contoh dari turunan rangakain boost adalah konverter yang bekerja sebagai sumber arus. Contoh dari turunan rangkaian buck-boost adalah konverter flyback.

L R

Vin

DC CHOPPER

Vo

Gambar 2.1 Rangkaian dasar konverter dc ke dc

 

E

 

5    

     

Vs

 

RL

Vo

       

Gambar 2.2 Rangkaian Mode Switch Chopper

Dari persamaan diatas terlihat bahwa tegangan keluaran DC dapat diatur besarannya dengan menyesuaikan parameter D. Parameter D dikenal sebagai Duty cycle yaitu rasio antara lamanya waktu switch ditutup (ton)dengan perioda T dari pulsa tegangan keluaran.

Gambar 2.3 Tegangan mode switch chopper

....................................................... (2.1)

 

 

6    

 

dengan 0  D  1. Parameter f adalah frekuensi peralihan (switching frequency) yang digunakan dalam mengoperasikan saklar. Berbeda dengan tipe linier, pada  

tipe peralihan tidak ada daya yang diserap pada transistor sebagai saklar. Ini   dimungkinkan karena pada waktu saklar ditutup tidak ada tegangan yang jatuh    

pada transistor, sedangkan pada waktu saklar dibuka, tidak ada arus listrik mengalir. Ini berarti semua daya terserap pada beban, sehingga efisiensi daya menjadi 100%. Namun perlu diingat pada prakteknya, tidak ada saklar yang ideal,  

sehingga akan tetap ada daya yang hilang sekecil apapun pada komponen saklar dan  efisiensinya walaupun sangat tinggi, tidak pernah mencapai 100%.  

2.1.1. Buck Chopper Buck chopper merupakan konverter dc ke dc, nilai rata-rata tegangan keluaran lebih kecil dari nilai sumber tegangannya. IL IT

Vs

Io

Vo

RL

ID

Gambar 2.4 Rangkaian Buck Chopper

Cara kerja rangkaian dapat dijelaskan sebagai berikut :

Saat transistor on. Dalam hal ini transistor dioperasikan sebagai saklar, sehingga tegangan jatuh pada transistor untuk kondisi ideal sama dengan nol. Dengan demikian, arus dari sumber tegangan akan dialirkan ke inductor, kapasitor dan beban RL.

 

 

7    

L

 

Io  

+

+ VL -

 

+

Vs  

RL

C

 

-

 

Vo

Gambar 2.5 Rangkaian Buck Chopper saat transistor on

   

VL= Vs-Vo.....................................................................................................(2.2) Saat transistor off, yaitu dengan menghilangkan arus basis, Dioda freewheel akan bekerja yang disebabkan oleh adanya energy yang tersimpan pada inductor, sehingga arus akan mengalir dari L, C beban dan diode. Arus induktor ini akan menurun sampai transistor kembali di “on” kan.

L Io + + VL Vs

-

C

RL

+ Vo

-

Gambar 2.6 Rangkaian Buck Chopper saat transistor off

VL = -Vo ........................................................................................................ (2.3) Ts = ton + toff………………………………………………………………… (2.4)

(Vs-Vo)ton = Vo(Ts-ton) Vston - Voton = VoTs-Voton

 

 

8    

 

VoTs -Voton + Voton =Vston VoTs = Vston  

=  

 

=D

Vo = DVs……………………………………………………………..…….(2.5)

       

Gambar 2.7 Tegangan dan Arus pada rangkaian buck chopper

Tegangan jatuh pada induktor, L adalah: VL = VS-Vo = L

……………………………………………..……(2.6)

Dengan Mengasumsikan kenaikan arus pada induktor linear, selama selang waktu t1, maka : t1 =

(

)

=

…………………………………………………(2.7)

dan arus akan turun dari I2 ke I1 dalam selang waktu t2, maka berlaku -Vo = -L

 

………………………………………………………………..(2.8)

 

9    

 

Sehingga, t2 =  L

......................................................................................................(2.9)

dimana ΔI adalah riak arus pada induktor dari puncak ke puncak. Dengan      

menyelesaikan persamaan ΔI, didapatkan: ΔI =

(

)

……………………………………………...(2.10)

  Dengan mensubstitusikan t1 = D.T dan t2 = (1-D).T, serta Vo = D.T dimana

D=  duty cycle / siklus kerja (ton/T), dan dengan mengasumsikan rugi-rugi pada  

transistor diabaikan, maka arus masukan rata-rata : Is = D.Io……………………………………………………………………(2.11) Periode switching dapat dinyatakan : T = 1/f = t1 + t2 =

(

)

………………………………………………..(2.12)

Dengan demikian didapatkan : ΔI =

(

)

………………………………………………………….(2.13)

Dengan menggunakan hokum kirchoff, iL = Ic + Io dan bila kita sumsikan riak arus beban ΔI sangat kecil dan dapat diabaikan, maka ΔiL = ΔiC, dan arus kapasitor rata-rata, yang mengalir selama t1/2+t1/2 =T/2 adalah : Ic = ΔI / 4 …………………………………………………………………..(2.14) Dan tegangan kapasitor dinyatakan : Vc = ∫

dt + Vc(t=0) ....................................................................................(2.15)

Dan tegangan riak kapasitor dari puncak ke puncak adalah : ΔVc = Vc- Vc(t=0) = ∫

dt =

=

…………………………………...(2.16)

Dengan mensubstitusikan nilai ΔI, didapatkan : ΔVc =

 

(

)

………………………………………………………....(2.17)

 

10    

 

2.1.2 Konverter Forward Jika  penerapan mensyaratkan adanya isolasi galvanis antara sisi masukan dan keluaran atau bekerja dengan rasio tegangan yang sangat tinggi maka konverter  

jenis forward bisa menjadi pilihan. Skema dari konverter dc-dc jenis forward    

diperlihatkan di Gambar 2.8 (a). Jika saklar MOSFET menutup maka beban akan merasakan tegangan yang besarnya sebanding dengan tegangan masukan dikalikan rasio jumlah lilitan trafonya. Jika saklar MOSFET menutup maka   tegangan bebannya sama dengan nol. Akibatnya, nilai rata-rata tegangan beban  

 

bisa diatur dengan mengatur faktor-kerja saklar. Rasio tegangan yang tinggi didapat

dengan

memilih

rasio

jumlah

lilitan

trafo

yang

seusai.

Pada Gambar 2.8 (a), trafo dilengkapi dengan belitan tersier dan dioda. Rangkaian ini berperan saat saklar MOSFET terbuka. Belitan bantu dan dioda ini berfungsi untuk menjamin bahwa fluksi magnetik di inti trafo telah turun kembali menjadi nol sebelum saklar MOSFET kembali ditutup. Tegangan maksimum yang dirasakan saklar aktif adalah tegangan sumber ditambah tegangan primer trafo (tegangan beban dikalikan rasio jumlah lilitan primer terhadap sekunder). Selain itu untuk menjamin bahwa fluksi magnetik selalu kembali menjadi nol selama saklar aktif terbuka, saklar aktif tidak boleh dioperasikan dengan faktor-kerja lebih dari 50%. Pada saat ini, konverter forward seperti di GGambar 2.8 (a) banyak dipakai untuk daya sampai 100 Watt.

Untuk daya yang lebih besar, rangkaian konverter forward dimodifikasi menjadi seperti terlihat di Gamabr 2.8(b). Dengan topologi ini, tegangan maksimum yang dirasakan saklar menjadi berkurang. Topologi ini cocok untuk daya sampai 1000 Watt. Untuk daya kecil, topologi ini tidak cocok karena susut daya di empat saklar yang digunakan menjadi sangat membebani sistem.

 

 

11    

     

Beban Beban

     

(a)

(b) Gambar 2.8 Konverter forward

   

2.13 Konverter Jenis Jembatan Masalah utama yang dihadapi konverter forward adalah penggunaan trafo yang kurang efisien. Penggunaan trafo kurang efisien karena trafo dimagnetisasi secara tak simetris (gelombang tegangan trafo bukan gelombang bolak-balik). Untuk mengatasi masalah ini, kita bisa menggunakan topologi setengah-jembatan (halfbridge) seperti terlihat di Gb. 2.9(a). Jika saklar S1 ditutup maka trafo merasakan tegangan positif sedangkan jika saklar S2 ditutup maka trafo merasakan tegangan negatif. Kelemahan utama dari topologi ini adalah tidak cocok untuk dioperasikan dalam mode arus terkendali. Inilah alasan utama mengapa topologi ini tidak banyak digunakan. Untuk mengatasi masalah pada konverter setengah-jembatan, kita bisa menggunakan topologi jembatan-penuh (full-bridge). Untuk memahami kinerja konverter jembatan-penuh, kita bisa menganggap sebagai dua konverter setengahjembatan. Masing-masing konverter setengah-jembatan menghasilkan gelombang persegi yang berbeda fasa. Belitan primer trafo akan merasakan selisih tegangan yang dihasilkan oleh dua konverter setengah-jembatan tersebut. Selisih tegangan ini tergantung pada besarnya beda fasa antara dua gelombang tegangan yang dihasilkan.Gambar 2.10, konverter jembatan-penuh bisa dirancang agar bekerja dalam mode pensaklaran lunak (soft switching). Pada mode kerja ini, pembukaan dan penutupan saklar selalu terjadi saat tegangan pada saklar sama dengan nol.

 

 

12    

 

Akibatnya, rugi-rugi daya pensaklaran (rugi-rugi daya yang terjadi selama proses penutupan dan pembukaan saklar) bisa ditekan menjadi sangat rendah.  

Konverter daya jenis jembatan penuh ini cocok untuk penerapan daya besar   sampai 5000 Watt. Walaupun komponen yang digunakannya banyak, manfaat  

yang didapat bisa mengalahkan kerugiannya.

   

S1

S1

   

S3

Beban

Beban S2

S2

S4

(b)

(a) Gambar 2.9 Konverter jembatan

Gambar 2.10 Gelombang converter jembatan-penuh

2.14 Konverter Push-Pull Topologi turunan buck lain yang cukup popular adalah push-pull seperti terlihat di Gb. 5. Keuntungan utama dari topologi ini adalah dua saklar yang digunakan bisa

 

 

13    

 

dikendalikan dengan dua rangkaian gate yang referensinya sama. Ini akan sangat menyederhanakn rangkaian kendali yang diperlukan sehingga bisa dibuat dalam  

satu chip.   Topologi push-pull cocok untuk penerapan dengan tegangan masukan yang    

rendah karena saklar akan merasakan tegangan sebesar dua kali tegangan masukannya. Akibatnya, rangkaian ini cocok untuk konverter daya yang dipasok dengan battery. Topologi ini banyak dipakai untuk daya sampai 500 Watt.  

S1

   

Beban S2

Gambar 2.11 konverter push-pull

2.1.5 Boost Chopper Boost Chooper merupakan converter dc ke dc, nilai rata-rata tegangan keluaran leih besar dari pada tegangan masukan. L D

Vs

MOSFET

C

Gambar 2.12 Rangkaian Boost Chopper

Prinsip kerja rangkaian pengubah boost adalah sebagai berikut: a)

Saat transistor on : a) Arus tidak mengalir melalui dioda, tetapi melalui saklar

 

RL

 

14    

b) Switch mengalirkan arus induktor

 

L  

+

 

+ VL

-

D

 

C

Vs

 

+ RL Vo

-

 

-

 

Gambar 2.13 Rangkaian Boost Chopper saat transistor on

 

c) Tegangan di induktor sama dengan tegangan masukan dan secara matematis dapat ditulis: VL = Vs ................................................................................................. (2.18) d) Tegangan di induktor menyebabkan arus meningkat di induktor vL = L



iL = ∫

.................................................................. (2.19)

b) Saat transistor off : a) Dikarenakan induktor menyimpan energi induktif, maka i L mengalir secara kontinyu b) Dioda mendapatkan forward bias c) Arus sekarang mengalir (freewheeling) melewati diode L

+

-

VL +

Vs

D C

+ RL Vo

Gambar 2.14 Rangkaian Boost Chopper pada saat transistor off

d) Tegangan di induktor secara matematis dapat ditulis VL = Vs - Vo ......................................................................................... (2.20) Vston + (Vs – Vo)toff = 0

 

 

15    

Votoff = Vston + Vstoff

 

Votoff = VsTs  

=

=

 

Vo =

         

Gambar 2.15 Bentuk gelombang rangkaian boost chopper

Dengan mengabaikan rugi-rugi transistor, maka VsIs = VoIo, maka didapatkan ; Is =

…………………………………………………………………….(2.21)

Periode switching dapat dinyatakan: T=1/f=t1+t2 =

Δ (

)

………………………………………………….. (2.22)

Dengan demikian didapatkan riak arus puncak ke puncak :

 

 

16    

 

ΔI =

(

)

……………………………………………...……………… (2.23)

Bila transistor ON selama selang waktu t1, arus rata-rata kapasitor Ic = Io dan  

tegangan puncak ke puncak dari kapasitor adalah:  

ΔVc = Vc-Vc (t=0) = ∫

……………………...…………… (2.24)

 

Dengan mengsubstitusikan nilai t1, maka riak tegangan kapasitor puncak ke  

puncak adalah: ΔVc  =

(

…………………………………………..………………... (2.25)

  juga memiliki efisiensi tinggi, rangkaian sederhana, tanpa transformer dan Boost  

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

2.1.6 Konverter Buck-Boost Skema konverter buck-boost diperlihatkan di Gambar 2.13. Jika saklar MOSFET ditutup maka arus di induktor akan naik, Saat saklar dibuka maka arus di induktor turun dan mengalir menuju beban. Dengan cara ini, nilai rata-rata tegangan beban sebanding dengan rasio antara waktu pembukaan dan waktu penutupan saklar. Akibatnya, nilai rata-rata tegangan beban bisa lebih tinggi maupun lebih rendah dari tegangan sumbernya . Masalah utama dari konverter buck-boost adalah menghasilkan riak arus yang tinggi baik di sisi masukan maupun sisi keluarannya. Akibatnya, diperlukan tapis kapasitor yang besar di kedua sisinya. Inilah salah satu alasan mengapa konverter buck-boost jarang dipakai di industri.

Dalam industri, topologi yang sering dipakai adalah turunan buck-boost yang lebih popular disebut konverter flyback. Pada konverter ini, energi tersimpan di

 

 

17    

 

trafo akan naik saat saklar MOSFET ditutup. Saat saklar dibuka, energi tersimpan di trafo akan dikirim ke beban melalui dioda. Konverter ini sering dipakai untuk  

menghasilkan banyak level tegangan keluaran dengan menggunakan beberapa   sekunder trafo. belitan    

2.1.7 Konverter Flyback Konverter flyback biasa dipakai untuk daya sampai 100 Watt. Keuntungan utama   dari konverter flyback adalah menggunakan komponen yang paling sedikit  

dibanding konverter jenis lainnya. Kelemahan utama dari topologi ini adalah  

tingginya tegangan yang dirasakan oleh saklar.

Beban

Gambar 2.16 konverter Buck Boost

Beban

Gambar 2.17 Konverter Flyback

 

                     

 

 

19    

 

Metode PWM dalam hal ini digunakan untuk memperbesar dan memperkecil tegangan keluaran dengan mengatur duty cycle nya, informasi yang dibawa oleh  

pulsa-pulsa persegi merupakan tegangan rata-rata. Besarnya tegangan rata-rata   tersebut dapat diperoleh dari :  

Vout = (Vref x duty cycle) / periode  

Semakin lebar durasi waktu tunda positif pulsa dari sinyal PWM yang dihasilkan,   maka tegangan keluaran akan semakin besar.  

 

2.2.2 Pulse Width Modulation Digital PWM (Pulse Width Modulation), menggunakan bentuk gelombang kotak dengan duty cycle tertentu. Pada artikel Akses PWM dengan menggunakan Bascom AVR ini akan saya bahas tentang PWM yang saya aplikasikan ke dalam sebuah led dan ditampilkan pada CRO dengan simulasi proteus. Untuk PWM aplikasi yang sederhana dapat digunakan untuk mengendalikan kecerahan lampu led dan mengatur kecepatan motor. contoh bentuk pulsa PWM pada gambar PWM.

Gambar 2.19 Bentuk pulsa pwm dengan tegangan 5 volt duty cycle 50%

 

 

20    

 

Pada gambar PWM, ditunjukkan contoh PWM dengan duty cycle 50%, jika pulsa tersebut diberikan ke LED atau motor DC maka kecerahan led 50% atau  

kecepatan motor nya 50%. Duty cycle 50% berarti lebar pulsa HIGH dan LOW nya  sama.    

Duty cycle dapat diatur dengan menggunakan fasilitas timer pada mikrokontroler. Pada atmega16 memiliki keluaran PWM yang tersambung ke Timer1 melalui PortD.4 dan portD.5. Keluaran PWM tersebut memiliki pengeturan terpisah   (masing2 duty cycle nya berbeda) walaupun akan bekerja pada frekuensi yang  

sama. Terdapat 3 mode yaitu mode 8,9,10 bit.  

mode 8 bit, mencacah dari 0 sampai 255 mode 9 bit, mencacah dari 0 sampai 511 mode 10 bit, mencacah dari 0 sampai 1023

Gambar 2.20 Bentuk Pulsa PWM inverting dan non inverting

Berikut listing pemrograman dengan BASCOM AVR nya : 'program akses PWM ' mirza dhanu s

 

 

21    

 

$regfile = "m32def.dat" $crystal = 11059200  

Config Timer1 = Pwm , Pwm = 8 , Prescale = 1024 , Compare A Pwm = Clear   , Compare B Pwm = Clear Up Down    

Pwm1a = 51 Pwm1b = 51  

2.2.3 Gambar-gambar bentuk gelombang PWM   I(MOS1)

  10

5

0

-5

0.0681

0.0682

0.0683

0.0684

Time (s)

Gambar 2.21 PWM duty cycle 25 % I(MOS1)

15

10

5

0

0.053

0.0532 Time (s)

Gambar 2.22 PWM duty cycle 50 %

 

0.0534

0.0685

 

22     I(MOS1)

  60

  40

  20

  0

   

-20

0.0814

0.0816

0.0818

0.082

Time (s)

 

Gambar 2.23 PWM duty cycle 75%

 

2.3 Driver MOSFET Rangkaian Driver Mosfet adalah rangkaian yang menghubungkan antara rangkaian control dengan mosfet sehingga rangkaian control dapat berfungsi dengan baik terhadap mosfet. Fungsi utama dari driver mosfet adalah untuk dapat mengoprasikan mosfet dari keadaan OFF ke On dan sebaliknya. Dalam membuat rangkaian pengendali gate MOSFET, diperlukanlah sebuah optocoupler . Optocoupler adalah suatu IC yang meskipun secara fisik menjadi satu, tetapi sebenarnya di dalamnya terdiri dari dua bagian yang terpisah antara antara bagian cahaya dengan bagian deteksi sumber cahaya. Pada optocoupler terdapat isolasi elektris, yaitu kondisi yang terisolasi antara masukan dan keluarannya

(electrical isolation). Penggunaannya memungkinkan untuk

memisahkan dua bagian. Optocoupler yang digunakan adalah IC TLP 250, karena di dalamnya sudah dilengkapi rangkaian penguatan. N.C

VCC

Anoda

Output

Katoda

Output

N.C

GND

Gambar 2.24 Pin Optocoupler TLP 250

 

 

23    

  + 15

 

N.C R

 

Dari PWM

Ke Gate MOSFET 0.1 uF

   

Ke Source MOSFET

N.C

   

Gambar 2.25 Rangkaian Optocoupler TLP 250

 

2.4 MOSFET MOSFET merupakan salah satu jenis FET (field effect transistor) atau transistor efek medan, yang hampir sama dengan JFET (junction field effect) dan IGBT (insulated gate bipolar transistor) yaitu tersusun dari bahan semikonduktor n dan semikonduktor p. MOSFET memiliki 3 atau 4 buah kaki konduktor, yaitu kaki pertama atau ujung atas dinamakan drain, kaki kedua ujung bawah dinamakan source, dan kaki ketiga dinamakan gate. Gate biasanya memiliki 1 atau dua buah kaki. Pada kedua sisi kiri dan kanan terdapat implant semikonduktor yang berbeda tipe bahan. Terminal kedua sisi implant ini terhubung satu dengan yang lainnya secara internal dan dinamakangate. Yang membedakan MOSFET dengan FETFET lainnya terletak pada gate, karena gate pada MOSFET diisolasi oleh bahan oksida.Gate sendiri terbuat dari bahan metal seperti alumunium. Oleh karena itulah, transistor efek medan ini dinamakan metal oxide semiconductor. Mosfet mempunyai kaki-kaki : 1. Sumber (Source) = S 2. Cerat (Drain) = D 3. Gerbang (Gate) = G Adapun susunan pembentukan Mosfet dapat digambarkan sebagai berikut: 1. Semikonduktor konruktor type N diberi terminal cerat (D) dan sumber (S).

 

 

24    

 

2. Kedalamnya ditambahkan semikonduktor type P yang dinamakan Substrate.  

3. Kemudian pada bagian lain di lekatkan lapisan oksida logam tipis (Si O2)

 

dan dinamakan gerbang (gate) Si O2 bersifat isolator.

        Gambar 2.26 Lambang MOSFET

 

MOSFET mempunyai impedansi yang sangat tinggi.Harga dari sebuah MOSFET cukup tinggi, maka dari itu penggunaan MOSFET harus disesuaikan dengan kebutuhan yang sangat mendesak untuk sebuah alat. Dalam pengemasan dan perakitan pada MOSFET, perlu diingat dan diperhatikan bahwa komponen ini tidak tahan terhadap elektrostatik. Untuk pengemasannya menggunakan kertas timah atau heatsync dan untuk pematriannya diusahakan menggunakan solder yang khusus untuk MOSFET. 2.4.1 Parameter Umum MOSFET Karakteristik dapat menjelaskan keistimewaan atau ciri-ciri suatu komponen yang berdasar kan pada hasil rangakain pengujian yang akurat. Karakteristik juga dapat mengindikasikan batasan (range) besaran nilai yang digunakan pada suatu komponen tersebut. Hal ini tentu sangat berguna untuk menetukan pemakaian suatu komponen terhadap kebutuhan suatu sistem. Adapun beberapa parameter penting yang dapat digunakan untuk menetukan penggunaan MOSFET adalah : 1. Drain-Source voltage (VDS) Nilai tegangan maksimum yang akan mengkonduksi bahan substrat yang ada di antara drain dan source agar arus dapat mengalir dari drain ke sumber. 2. Countinuous direct drain current (ID) Nilai arus maksimum yang dapat melewati kanal drain.

 

 

25    

 

3. Gate-Source voltage(VGS) Nilai tegangan yang lebih besar dari nilai tegangan konduksi (VT) agar  

MOSFET pada kondisi ON dan dapat mengalirkan arus.

 4. Total power dissipation (Ptot or PD)

Nilai maksimum disipasi daya untuk komponen tersebut.

   

2.4.2 Kurva Karakteristik MOSFET  

Ada dua macam karakteristik yang bisa ditemukan pada MOSFET, yaitu  

karakteristik pengosongan (drain characteristics) dan karakteristik penghantaran  

(transconductace characteristics).

Gambar 2.27 transconductance characteristics MOSFET

 

 

26    

 

1. Drain Characteristics Analisa kurva drain dilakukan dengan mencoba beberapa tegangan gate to source  

(VGS) konstan, lalu dibuat grafik hubungan antara arus drain (ID) terhadap   tegangan drain to source (VDS).    

Dari gambar 2.27 kurva ini terlihat jelas bahwa transistor MOSFET dapat bekerja (ON) mulai dari tegangan gate to source (VGS) 3,5V sampai dengan nilai tegangan VGS  yang diuji sebesar 3,6V, biasanya pada MOSFET yang difungsikan sebagai elektronik daya memiliki nilai VGS maksimal yang berbeda-beda, sesuai dengan  

tipe atau seri MOSFET yang digunakan. Misalkan tipe atau seri MOSFET  

IRF540n memiliki nilai VGS maksimal sebesar 20V. Terdapat dua daerah kerja, yang pertama adalah daerah ohmic dimana resistansi drain-source adalah fungsi dari : RDS(on) = VDS/IDS…………………………………………………….(2.26) Jika tegangan VGS tetap dan VDS terus dinaikkan, maka IDakan naik. Dan apabila VDS terus dinaikan, maka selanjutnya akan berada pada daerah saturasi atau daerah jenuh. Jika keadaan saturasi telah tercapai, maka arus IDakan konstan. Tentu saja ada tegangan VGS(max), yang diperbolehkan. Karena jika lebih dari tegangan ini akan dapat merusak isolasi gate yang tipis alias merusak MOSFET itu sendiri. Tujuan harus mengetahui DrainCharacteristics yaitu agar MOSFET yang akan digunakan bisa diketahui kehandalannya, apakah kemampuan arus dan tegangan pada MOSFET terutama pada tegangan yang diuji VDS sama dengan datasheet atau tidak. Karakteristik ini juga bisa memberikan informasi tentang proses pengosongan dan pengisian elektron pada MOSFET. 2. Transconductance Characteristics Analisa kurva Transconductance dilakukan hampir sama dengan kurva Drain yaitu dengan mencoba beberapa tegangan, akan tetapi perbedaannya yaitu dibalik dengan mencoba beberapa tegangan drain to source (VDS) dibuat konstan,

 

 

27    

 

sedangkan yang dibuat grafik yaitu hubungan antara arus drain (ID) terhadap tegangan gate to source (VGS).  

Dari gambar 2.27 kurva ini terlihat jelas bahwa pada transistor MOSFET berlaku  

semakin besar tegangan drain to source (VDS) maka semakin besar pula arus drain    

yang dihasilkan. Selain itu, ada proses kenaikan arus drain (ID) dari tegangan threshold (Vth) atau tegangan minimum MOSFET melakukan konduktansi sampai MOSFET mulai bekerja (ON) pada kondisi tegangan gate to source (VGS) yang   telah ditentukan dan kenaikan arus drain (ID) akan menjadi konstan setelah  

mencapai kondisi MOSFET bekerja (ON).  

Tujuan harus mengetahui TransconductanceCharacteristicssama seperti drain characteristics yaitu agar MOSFET yang akan digunakan bisa diketahui kehandalannya, apakah kemampuan arus dan tegangan pada MOSFET terutama pada tegangan yang diuji VGS sama dengan datasheet atau tidak. Karakteristik ini juga bisa memberikan informasi tentang proses terjadinya konduktansi pada gate elektron pada MOSFET. 2.4.3 Prinsip Kerja MOSFET MOSFET merupakan komponen yang terdiri dari tiga terminal yang disebut gerbang, drain dan sumber. Antara drain dan sumber ada bahan substrat. Bahan substrat ini yang akan mengalirkan arus dari drain ke sumber. Konduktifitas bahan substrat ditentukan oleh tegangan yang diberikan antara gate dan sumber.

Gambar 2.28 konstruksi MOSFET

 

 

28    

 

MOSFET dikendalikan oleh tegangan dan memiliki impedansi masukan yang sangat tinggi. Gerbang akan mengalirkan arus bocor yang sangat kecil pada orde  

nanoampere. Walaupun MOSFET memiliki impedansi yang sangat tinggi. Tetapi   bisa mengalirkan arus dengan memberikan tegangan gerbang ke sumber. masih    

Hal ini akan mempengaruhi sifat konduktivitas substrat yang ada didalam MOSFET. MOSFET memiliki masalah pengosongan elektro statis karena substrat yang didalamnya bersifat penyimpan muatan.  

Pada dasarnya fungsi MOSFET dapat dibagi dua, yaitu sebagai saklar dan sebagai  

penguat arus. Sebagai saklar, MOSFET dapat mengalirkan arus jika diberikan  

tegangan gerbang-sumber (VGS) yang lebih besar dari tegangan konduksi (VT). Saat VGS < VT maka MOSFET OFF, saat VGS > VT maka MOSFET ON. Kecepatan switching sangat tinggi dalam orde nanodetik. 2.4.4 Sifat-Sifat MOSFET Komponen utama di dalam aplikasi elekronika daya (power electronics) dewasa ini adalah saklar zat padat (solid-state switches) yang diwujudkan dengan peralatan semikonduktor seperti transistor bipolar (BJT),transistor efek medan (MOSFET), maupun Thyristor. Sebuah saklar ideal di dalam aplikasi elektronika daya akan mempunyai sifat-sifat sebagai berikut: 1. Pada saat keadaan tidak menghantar (off), saklar mempunyai tahanan yang besar sekali, mendekati nilai tak berhingga. Dengan kata lain, nilai arus bocor struktur saklar sangat kecil. 2. Sebaliknya, pada saat keadaan menghantar (on), saklar mempunyai tahanan menghantar (Ron) yang sekecil mungkin. Ini akan membuat nilai tegangan jatuh (voltage drop) keadaan menghantar juga sekecil mungkin, demikian pula dengan besarnya daya lesapan (power dissipation) yang terjadi, dan (kecepatan pensaklaran (switching speed) yang tinggi.

 

 

29    

               

Gambar 2.29 Idealisasi Dari Proses Turn-on dan Turn-off MOSFET



Sifat nomor (1) umumnya dapat dipenuhi dengan baik oleh semua jenis peralatan semikonduktor yang disebutkan di atas, karena peralatan semikonduktor komersial pada umumnya mempunyai nilai arus bocor yang sangat kecil.



Untuk sifat nomor (2), BJT lebih unggul dari MOSFET, karena tegangan jatuh pada terminal kolektor-emitter, VCE pada keadaan menghantar (on) dapat dibuat sekecil mungkin dengan membuat transitor BJT berada dalam keadaan jenuh (saturasi).



Sebaliknya, untuk unsur kinerja nomor (3) yaitu kecepatan switching, MOSFET lebih unggul dari BJT, karena sebagai komponen yang bekerja berdasarkan aliran pembawa muatan mayoritas (majority carrier), pada MOSFET tidak dijumpai aruh penyimpanan pembawa muatan minoritas pada saat proses pensaklaran, yang cenderung memperlambat proses pensaklaran tersebut.

 

 

30     Tabel 2.1 Tabel Perbandingan Sifat IGBT, MOSFET dan BJT

   Karakteristik

MOSFET

IGBT

Bipolar

 

Tipe pengemudi

Tegangan

Tegangan

Arus

Daya pengemudi

minimum

Minimum

Besar

 Tingkat kerumitan Sederhana

Sederhana

Cukupan atau

   

pengemudi

sedang

   

Kemampuan arus

Tinggi pada teg.

Sangat tinggi

Cukupan (sangat

pada nilai tegangan rendah; rendah

(terpengaruh oleh terpengaruh oleh

drop di ujung-

kecepatan

kecepatan

penyakelaran)

penyakelaran

Rendah sampai

Sedang sampai

sedang

tinggi

pada teg. tinggi

ujung terminal piranti Rugi penyakelaran Sangat rendah

(dipengaruhi oleh (dipengaruhi oleh rugi konduksi)

rugi konduksi)

2.4.5 Mengetes Kondisi MOSFET Penentuan jenis MOSFET dilakukan dengan jangkah pada x100 ohm, kabel hitam pada source dan kabel merah pada gate.Apabila terjadi penyimpangan ke kanan pada jarum, maka jenis MOSFET ini memiliki kanal p. Tapi, apabila tidak terjadi penyimpangan pada jarum, itu berarti bahwa MOSFET ini memiliki kanal- n. Kerusakan pada MOSFET dapat dideteksi dengan cara menggunakan AVO atau ohmmeter dan menambah PTC 1K ohm dan kutub negatifnya dipasang ke source sedangkan kutub positifnya ke gate. Jangkah diletakkan pada posisi x1K atau x10K, kabel merah ke kaki drain, sedangkan kabel hitam ke kaki source. Potensio

 

 

31    

 

atau PTC harus pada posisi minimum dengan resistansi harus kecil, Apabila potensio diputar ke kanan atau ditambah menuju posisi maksimum, maka yang  

akan terlihat pada jarum harus mencapai tak terhingga, sehingga kondisi   MOSFET baik.  

2.5 Mikrokontroler Atmega 16

 

AVR merupakan seri mikrokontroler CMOS 8-bit buatan Atmel, berbasis  

arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer).Hampir semua instruksi   dieksekusi dalam satu siklus clock. AVR mempunyai 32 general-purpose,  

timer/counter fleksibel dengan mode compare, interrupt internal dan eksternal, serial UART, programmableWatchdog Timer, dan mode power saving, ADC dan PWM internal. AVR juga mempunyai In-System Programmable Flash on-chip yang mengijinkan memori program untuk diprogram ulang dalam sistem menggunakan hubungan serial SPI ATMega16. ATMega16 mempunyai throughput mendekati 1 MIPS per MHz membuat disainer sistem untuk mengoptimasi konsumsi daya versus kecepatan proses. Beberapa keistimewaan dari AVR ATMega16 antara lain: 1.Advanced RISC Architecture a) 130 Powerful Instructions – Most Single Clock Cycle Execution b) 32 x 8 General Purpose Fully Static Operation c) Up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz d) On-chip 2-cycle Multiplier 2. Nonvolatile Program and Data Memories a) 8K Bytes of In-System Self-Programmable Flash b) Optional Boot Code Section with Independent Lock Bits c) 512 Bytes EEPROM d) 512 Bytes Internal SRAM e) Programming Lock for Software Security 3. Peripheral Features a) Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and CompareMode

 

 

32    

 

b) Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and CompareModes c) One 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler, CompareMode, and  

Capture Mode

  Real Time Counter with Separate Oscillator d)    

e) Four PWM Channels f) 8-channel, 10-bit ADC g) Byte-oriented Two-wire Serial Interface  

h) Programmable Serial USART   4. Special Microcontroller Features  

a) Power-on Reset and Programmable Brown-out Detection b) Internal Calibrated RC Oscillator c) External and Internal Interrupt Sources d) Six Sleep Modes: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Powerdown, Standby and Extended Standby 5. I/O and Package a) 32 Programmable I/O Lines b) 40-pin PDIP, 44-lead TQFP, 44-lead PLCC, and 44-pad MLF 6. Operating Voltages a) 2.7 - 5.5V for Atmega16L b) 4.5 - 5.5V for Atmega16

Gambar 2.30 Lay out Atmega 16

 

 

33    

 

Pin-pin pada ATMega16 dengan kemasan 40-pin DIP (dual inline package) ditunjukkan oleh gambar 2.30. Guna memaksimalkan performa, AVR  

menggunakan arsitektur Harvard (dengan memori danbus terpisah untuk program dan  data). Bagian – bagian dari pin sebagai berikut :  

1) VCC merupakan pinmasukan positif catu daya. Setiap peralatan elektronika digital tentunya butuh sumber catudaya yang umumnya sebesar 5 V, itulah

 

sebabnya di PCB kit  

2) mikrokontroler selalu ada IC regulator 7805. 3)   GND sebagai pin Ground  

4) Port A (PA0…PA7) merupakan pin I/O dua arah dan dapat diprogram sebagai pin masukan ADC. 5) Port B (PB0…PB7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu timer/counter, komparator analog, dan SPI. 6) Port C (PC0…PC7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu TWI, komparator analog, dan timer Osilator. 7) Port D (PD0…PD7) merupakan pin I/O dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu komparator analog, interupsi eksternal, dan komunikasi serial. 8) Reset merupakan pin yang digunakan untuk mereset mikrokontroler. 9) XTAL 1 dan XTAL 2 sebagai pin masukan clock eksternal. Suatu mikrokontroler membutuhkan sumber clock agar dapat mengeksekusi intruksi yang ada di memori. Semakin tinggi nilai kristalnya, maka semakin cepat mikrokontroler tersebut. 10) AVCC sebagai pin masukan tegangan untuk ADC. 11) AREF sebagai masukan tegangan referensi. 2.5.1 Port sebagai input/output digital ATMega16 mempunyai empat buah port yang bernama PortA, PortB PortC, dan PortD. Keempat port tersebut merupakan jalur bidirectional dengan pilihan internal pull-up. Tiap port mempunyai tiga buah bit, yaitu DDxn, PORTxn, dan PINxn. Huruf „x‟mewakili nama huruf dari port sedangkan huruf

 

 

34    

 

„n‟ mewakili nomor bit. Bit DDxn terdapat pada I/O address DDRx, bit PORTxn terdapat pada I/O address PORTx, dan bit PINxn terdapat pada I/O address PINx.  

Bit DDxn dalam DDRx (Data Direction ) menentukan arah pin.  

Bila DDxn diset 1 maka Px berfungsi sebagai pin output. Bila DDxn diset 0 maka    

Px berfungsi sebagai pin input.Bila PORTxn diset 1 pada saat pin terkonfigurasi sebagai pin input, maka resistor pull-up akan diaktifkan. Untuk mematikan resistor pull-up, PORTxn harus diset 0 atau pin dikonfigurasi sebagai pin output.   Pin port adalah tri-state setelah kondisi reset. Bila PORTxn diset 1 pada saat pin  

terkonfigurasi sebagai pin output maka pin port akan berlogika 1. Dan bila  

PORTxn diset 0 pada saat pin terkonfigurasi sebagai pin output maka pin port akan berlogika 0. Saat mengubah kondisi port dari kondisi tri-state (DDxn=0, PORTxn=0) ke kondisi output high (DDxn=1, PORTxn=1) maka harus ada kondisi peralihan apakah itu kondisi pull-up enabled (DDxn=0, PORTxn=1) atau kondisi output low (DDxn=1, PORTxn=0). Biasanya, kondisi pull-up enabled dapat diterima sepenuhnya, selama lingkungan impedansi tinggi tidak memperhatikan perbedaan antara sebuah strong high driver dengan sebuah pull-up. Jika ini bukan suatu masalah, maka bit PUD pada SFIOR dapat diset 1 untuk mematikan semua pull-up dalam semua port. Peralihan dari kondisi input dengan pull-up ke kondisi output low juga menimbulkan masalah yang sama. Kita harus menggunakan kondisi tri-state (DDxn=0, PORTxn=0) atau kondisi output high (DDxn=1, PORTxn=0) sebagai kondisi transisi. Tabel 2.2 Konfigurasi pin port

 

 

35    

 

Bit 2 – PUD :Pull-up Disable Bila bit diset bernilai 1 maka pull-up pada port I/O akan dimatikan walaupun  

DDxn dan PORTxn dikonfigurasikan untuk menyalakan pull-up   (DDxn=0, PORTxn=1).    

2.5.2 Serial pada ATMega16 Universal synchronous dan asynchronous pemancar dan penerima serial adalah   suatu alat komunikasi serial sangat fleksibel. Jenis yang utama adalah : a)

 

 

Operasi full duplex ( penerima dan pengirim serial dapat berdiri sendiri)

b) Operasi Asychronous atau synchronous c)

Master atau slave mendapat clock dengan operasi synchronous

d) Pembangkit baud rate dengan resolusi tinggi e)

Dukung frames serial dengan 5, 6, 7, 8 atau 9 Data bit dan 1 atau 2 Stop bit

f)

Tahap odd atau even parity dan parity check didukung oleh hardware

g) Pendeteksian data overrun h) Pendeteksi framing error i)

Pemfilteran gangguan (noise) meliputi pendeteksian bit false start dan pendeteksian low filter digital

j)

Tiga interrupt terdiri dari TX complete, TX data empty dan RX complete.

k) Mode komunikasi multi-processor l)

Mode komunikasi double speed asynchronous

2.5.3 Timer Timer/counter adalah fasilitas dari ATMega16 yang digunakan untuk perhitungan pewaktuan. Beberapa fasilitas chaneldari timer counter antara lain: counter channel tunggal, pengosongan data timer sesuai dengan data pembanding, bebas glitch, tahap yang tepat Pulse Width Modulation (PWM), pembangkit frekuensi, event counter external.

 

 

36    

 

Gambar diagram block timer/counter 8 bit ditunjukan pada gambar 2.31. Untuk penempatan pin I/O telah di jelaskan pada bagian I/O di atas. U dapat diakses  

I/O, termasuk dalam pin-pin I/O dan bit I/O. Device khusus I/O dan  lokasi bit terdaftar pada deskripsi timer/counter 8 bit.          

Gambar 2.31 Gambar diagram blok Timer

a.

Timing Diagram Timer/Counter

Timer/counter didesain sinkron clock timer (clkT0) oleh karena itu ditunjukkan sebagai sinyal enable clock pada gambar 2.32. Gambar ini termasuk informasi ketika flag interrupt dalam kondisi set. Data timing digunakan sebagai dasar dari operasi timer/counter.

Gambar 2.32 Timing diagram Timer/Counter prescaling

 

 

37    

 

Sesuai dengan gambar 2.33 timing diagram timer/counter dengan prescaling maksudnya adalah counter akan menambahkan data counter (TCNTn) ketika  

terjadi pulsa clock telah mencapai 8 kali pulsa dan sinyal clock pembagi aktif   dan ketika telah mencapai nilai maksimal maka nilai TCNTn akan kembali clock  

ke nol. Dan kondisi flag timer akan aktif ketika TCNTn maksimal.

       

Gambar 2.33 Timing diagram Timer/Counter

OCFO timer mode ini memasukan data ORCn sebagai data input timer. Ketika nilai ORCn sama dengan nilai TCNTn maka pulsa flag timer akan aktif. TCNTn akan bertambah nilainya ketika pulsa clock telah mencapai 8 pulsa. Dan kondisi flag akan berbalik (komplemen) kondisi ketika nilai TCNTn kembali kenilai 0 (overflow).

Gambar 2.34 Timing diagram Timer/Counter

 

 

38    

 

Ketika nilai ORCn sama dengan nilai TCNTn maka pulsa flag timer akan aktif. TCNTn akan bertambah nilainya ketika pulsa clock telah mencapai 8 pulsa. Dan  

kondisi flag akan berbalik (komplemen) kondisi ketika nilai TCNTn kembali   0 (overflow). kenilai          

Gambar 2.35 Timing diagram Timer/Counter

2.5.4 ADC (Analog to digital Conversion) Keunggulan mikrokontroler AVR ATmega16 dibandingkan pendahulunya ialah: 1) Sudah terintegrasinya ADC 10 bit sebanyak 8 saluran. 2) 13-260 uS conversion time 3) Mencapai 15kSPs pada resolusi maksimum 4) Optional left adjustment untuk ADC result readout 5) Interupsi pada ADC Conversion Complete 6) Sleep mode noise canceler Input ADC pada mikrokontroler dihubungkan ke sebuah 8 channel Analog multiplexer yang digunakan untuk single ended input channels. Jika sinyal input dihubungkan ke masukan ADC dan 1 jalur lagi terhubung ke ground, disebut single ended input. Jika input ADC terhubung ke 2 buah input ADC disebut sebaga idifferential input, yang dapat dikombinasikan sebanyak 16 kombinasi. 4 kombinasi terpenting antara lain kombinasi input diferensial (ADC0 dengan ADC1 dan ADC2 dengan ADC3) dengan penguatan yang dapa tdiatur. ADC0

 

 

39    

 

dan ADC2 sebagai tegangan inputnegatif sedangkan ADC1 dan ADC3 sebagai tegangan input positif. Besar penguatan yang dapat dibuat yaitu 20dB (10x) atau  

46dB (200x) pada tegangan input diferensial sebelum proses konversi ADC.  

Secara umum, proses inisialisasi ADC meliputi proses penentuan clock, tegangan    

referensi, format output data, dan mode pembacaan. yang perlu diset nilainya adalah UX (ADC Multiplexer Selection ), ADCSRA (ADC Control and Status ), dan SFIOR (Special Function IO ).   UX merupakan 8 bit yang berfungsi menentukan tegangan referensi  

ADC, format data output, dansaluran ADC yang digunakan. (Artikel pada  

http://www.toko-elektronika.com/tutorial/serialC.html ).

Gambar 2.36 UX

Adapun resolusi ADC untuk 8 bit dengan tegangan referensinya 5V adalah sekitar 19 mV, sedangkan resolusi ADC untuk 10 bit dengan tegangan referensinya 5V adalah sekitar 5 mV. 2.6 BASCOM AVR BASCOM-AVR atau yang biasa disebut basic compiler adalah suatu pirantilunak yang termasuk bahasa tingkat tinggi yang sangat mudah untuk dipelajari. Sebagai compiler, yaitu perubah instruksi dari bahasa basic ke file yang berbentuk hexa dengan

tujuan

dimengerti

oleh

mesin

atau

mikrokontroler,

sehingga

mikrokontroler mampu menerjemahkan instruksi-instruksi yang kita buat dengan benar dan tepat. fitur lain yang berguna sekali, contoh : 

Terminal (monitoring komunikasi serial)



Programmer (untuk menanamkan program yang sudah di-compile ke microcontroller).

 

 

40    

 

Bascom Avr juga bisa disebut piranti lunak yang termasuk bahasa tingkat tinggi yang sangat mudah untuk dipelajari.Sebagai compiler, yaitu perubah instruksi dari  

bahasa basic ke file yang berbentuk hexa dengan tujuan dimengerti oleh mesin atau  mikrokontroler, sehinggamikrokontroler mampu menerjemahkan instruksi   

instruksi yang kita buat denganbenar dan tepat Dan perlu diketahui, sesuai dengan namanya BASCOM bahasa yang digunakan   bahasa BASIC. Jadi, jika anda sudah pernah menggunakan bahasa BASIC adalah

(Visual Basic, Turbo Basic, dll), akan menjadi modal penting untuk mempelajari    

tool ini karena secara struktur pemrograman dasar tidak ada perbedaan.

Gambar 2.37 Tampilan BASCOM AVR