DESAIN DAN IMPLEMENTASI BUCK CONVERTER DENGAN MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING PADA RUMAH DC
DESAIN DAN IMPLEMENTASI BUCK CONVERTER DENGAN
MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING PADA RUMAH DC
SKRIPSI
Disusun Oleh :
ENDIK PRASETYA
(201210130311117)
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2016
DESAIN DAN IMPLEMENTASI BUCK CONVERTER DENGAN
MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING PADA RUMAH DC
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi
Persyaratan Guna Meraih Gelar Sarjana Strata 1
Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang
Oleh :
Endik Prasetya
201210130311117
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2016
LEMBAR PERSETUJUAN
DESAIN DAN IMPLEMENTASI BUCK CONVERTER DENGAN
MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING PADA RUMAH DC
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana (S1)
Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang
Disusun Oleh :
Endik Prasetya
201210130311117
Diperiksa dan disetujui oleh :
Pembimbing I
Pembimbing II
Ir. Nurhadi, MT
NIDN : 0731126202
Ir. Diding Suhardi, MT
NIDN : 0706066501
LEMBAR PENGESAHAN
DESAIN DAN IMPLEMENTASI BUCK CONVERTER DENGAN
MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING PADA RUMAH DC
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana
(S1) Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang
Disusun Oleh :
Endik Prasetya
201210130311117
Tanggal Ujian
: 1 Agustus 2016
Periode Wisuda
:
Agustus 2016
Disetujui Oleh:
1. Ir. Nurhadi, MT
(Pembimbing I)
NIDN : 0731126202
2. Ir. Diding Suhardi, MT
(Pembimbing II)
NIDN : 0706066501
3. Ir. Nur Alif Mardiyah, MT
(Penguji I)
NIDN : 0718036502
4.
Ilham Pakaya, ST
(Penguji II)
NIDN : 0717018801
Mengetahui,
Ketua Jurusan Teknik Elektro
Ir. Nur Alif Mardiyah, MT
NIDN : 0718036502
LEMBAR PERNYATAAN
Yang bertanda tangan dibawah ini :
Nama
: Endik Prasetya
Tempat/Tgl Lahir
: Blitar, 13 Juli 1993
NIM
: 201210130311117
Fak/Jur.
: TEKNIK/ELEKTRO
Dengan ini saya menyatakan bahwa Tugas Akhir saya dengan judul :
“DESAIN
DAN
IMPLEMENTASI
BUCK
CONVERTER
DENGAN
MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING PADA RUMAH DC” beserta seluruh
isinya adalah karya saya sendiri dan bukan merupakan karya tulis orang lain, baik
sebagian maupun seluruhnya, kecuali dalam bentuk kutipan yang telah disebutkan
sumbernya.
Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya. Apabila
kemudian ditemukan adanya pelanggaran terhadap etika keilmuan dalam karya
saya ini, atau ada klaim dari pihak lain terhadap keaslian karya saya ini maka saya
siap menanggung segala bentuk resiko/sanksi yang berlaku.
Malang, 24 Juli 2016
Yang Membuat
Pernyataan
Endik Prasetya
Mengetahui,
Pembimbing I
Pembimbing II
Ir. Nurhadi, MT
Ir. Diding Suhardi, MT
NIDN : 0731126202
NIDN : 0706066501
KATA PENGANTAR
Dengan mengucap puji syukur kehadirat Allah SWT, atas limpahan rahmat
dan hidayah-NYA sehingga penulis mampu menyelesaikan tugas akhir ini.
Shalawat serta salam tak lupa penulis panjatkan kepada junjungan kita Nabi
Muhammad SAW yang telah membimbing kita menuju jalan kebaikan. Tugas akhir
ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan studi S1 Jurusan Teknik
Elektro Universitas Muhammadiyah Malang. Tugas akhir yang disusun oleh
penulis berjudul “DESAIN DAN IMPLEMENTASI BUCK CONVERTER
DENGAN MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING PADA RUMAH DC” .
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam penulisan tugas akhir ini masih
banyak kekurangan dan keterbatasan. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran
yang membangun agar tulisan ini bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan
kedepan.
Malang, Juli 2016
Penulis
Endik Prasetya
DAFTAR ISI
LEMBAR JUDUL .................................................................................................. i
LEMBAR PERSETUJUAN ................................................................................. ii
LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................. iii
LEMBAR PERNYATAAN ................................................................................. iv
ABSTRAK ..............................................................................................................v
ABSTRACT ........................................................................................................... vi
LEMBAR PERSEMBAHAN ............................................................................. vii
KATA PENGANTAR ........................................................................................ viii
DAFTAR ISI ......................................................................................................... ix
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ xi
DAFTAR TABEL .............................................................................................. xiv
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ..................................................................................................1
1.2 Perumusan Masalah ..........................................................................................2
1.3 Tujuan ...............................................................................................................3
1.4 Batasan Masalah ...............................................................................................3
1.5 Sistematika Penulisan Tugas Akhir ..................................................................3
BAB II DASAR TEORI
2.1 Pengenalan Rumah DC .....................................................................................5
2.1.1 Alasan Menggunakan DC........................................................................5
2.1.2 Pandangan Proyek Rumah DC ................................................................6
2.2 Aki (Accumulator) ............................................................................................8
2.2.1 Jenis-jenis Aki .........................................................................................9
2.3 DC-DC Konverter ...........................................................................................10
2.3.1 DC-DC Buck Converter ........................................................................13
2.4 Soft-Switching .................................................................................................15
2.5 MOSFET .........................................................................................................18
2.5.1 Kurva Karakteristik MOSFET...............................................................18
2.6 Pulse Width Modulation (PWM) ....................................................................20
2.6.1 Prinsip Dasar PWM ...............................................................................21
2.7 Mikrokontroler ................................................................................................23
2.7.1 Definisi Mikrokontroler.........................................................................23
2.7.2 ATMEGA 16 .........................................................................................24
BAB III ANALISA DAN PERANCANGAN
3.1 Diagram Blok dan Prinsip Kerja Sistem .........................................................26
3.2 Perancangan Simulasi .....................................................................................27
3.3 Perancangan Hardware ...................................................................................28
3.4 Mikrokontroler ................................................................................................35
BAB IV HASIL PENGUJIAN ALAT
4.1 Pengujian Software Buck Converter Tanpa Menggunakan Soft-Switching ....37
4.1.1 Hasil Pengujian Software Buck Converter Tanpa Menggunakan SoftSwitching Dengan Simulasi Orcad Capture Lite Edition......................38
4.2 Pengujian Software Buck Converter Dengan Menggunakan Soft-Switching..39
4.2.1 Hasil Pengujian Software Buck Converter Dengan Menggunakan SoftSwitching Dengan Simulasi Orcad Capture Lite Edition......................40
4.3 Pengujian Hardware Buck Converter .............................................................41
4.3.1 Hasil Pengujian Hardware Buck Converter Tanpa Beban ....................42
4.3.2 Hasil Pengujian Hardware Buck Converter Dengan Beban .................51
4.4 Data Hasil Pengujian Kontrol PWM...............................................................59
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan .....................................................................................................61
5.2 Saran ...............................................................................................................61
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Diagram Blok Rumah DC...................................................................6
Gambar 2.2 DC House sistem 1 .............................................................................7
Gambar 2.3 DC House Sistem 2 .............................................................................7
Gambar 2.4 DC House Sistem 3 .............................................................................8
Gambar 2.5 DC Chopper Dengan Beban Resistif : (a) diagram alir dan (b)
gelombang tegangan keluaran ..........................................................11
Gambar 2.6 DC Chopper dengan beban RLE a. Diagram alir, b. Gelombang .....12
Gambar 2.7 DC Chopper Step Up ........................................................................12
Gambar 2.8 Buck Converter a. Diagram Alir dan b. Gelombang.........................14
Gambar 2.9 Sinyal Tegangan dan Arus Pada Hard-Switching.............................16
Gambar 2.10 Sinyal Tegangan dan Arus Pada Soft-Switching ...............................17
Gambar 2.11 Resonant Circuit Seri LC ..................................................................17
Gambar 2.12 Resonant Circuit Paralel LC .............................................................18
Gambar 2.13 Kurva Karakteristik MOSFET ..........................................................18
Gambar 2.14 Gambar Rangkaian MOSFET Pada Saat Kondisi Cut-Off ...............19
Gambar 2.15 Gambar Rangkaian MOSFET Pada Saat Kondisi Saturasi ..............20
Gambar 2.16 Sinyal Pulse Width Modulation (PWM) ...........................................21
Gambar 2.17 Tegangan Rata-rata Sinyal Pulse Width Modulation (PWM) ..........22
Gambar 2.18 Dutty Cycle Dari Output PWM .........................................................23
Gambar 2.19 ATMEGA16A ..................................................................................25
Gambar 3.1 (a) Diagram Blok Rangkaian Buck Converter (b) Diagram Blok
Rangkaian Buck Converter Menggunakan Soft-Switching ...............26
Gambar 3.2 (a) Desain Rangkaian Buck Converter (b) Desain Rangkaian Buck
Converter Menggunakan Soft-Switching ..........................................27
Gambar 3.3 Rangkaian Buck Converter ...............................................................28
Gambar 3.4 Contoh Gambar Duty Cycle ..............................................................29
Gambar 3.5 Induktor .............................................................................................29
Gambar 3.6 Kapasitor ...........................................................................................31
Gambar 3.7 MOSFET ...........................................................................................33
Gambar 3.8 Dioda .................................................................................................33
Gambar 4.1 (a) Pengujian Keseluruhan Buck Converter Tanpa Menggunakan SoftSwitching dan (b) Pengujian Keseluruhan Buck Converter Dengan
Menggunakan Soft-Switching ...........................................................37
Gambar 4.2 Rangkaian Buck Converter Tanpa Menggunakan Soft-Switching ....37
Gambar 4.3 Hasil Output Buck Converter Tanpa Menggunakan Soft-Switching 38
Gambar 4.4 Hasil Output Ids Vds Buck Converter Tanpa Menggunakan SoftSwitching ...........................................................................................39
Gambar 4.5 Rangkaian Buck Converter Dengan Menggunakan Soft-Switching .39
Gambar 4.6 Hasil
Output
Buck
Converter
Dengan
Menggunakan
Soft-
Switching ...........................................................................................40
Gambar 4.7 Hasil Output Ids Vds Buck Converter Dengan Menggunakan SoftSwitching ...........................................................................................41
Gambar 4.8 (a) Rangkaian Buck Converter Tanpa Soft-Switching (b) Rangkaian
Buck Converter Dengan Soft-Switching ...........................................41
Gambar 4.9 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 50 KHz .................................43
Gambar 4.10 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 75 KHz .................................44
Gambar 4.11 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 100 KHz ...............................46
Gambar 4.12 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 115 KHz ...............................47
Gambar 4.13 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 125 KHz ...............................49
Gambar 4.14 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 135 KHz ...............................50
Gambar 4.15 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 50 KHz .................................52
Gambar 4.16 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 75 KHz .................................53
Gambar 4.17 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 100 KHz ...............................55
Gambar 4.18 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 115 KHz ...............................56
Gambar 4.19 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 125 KHz ...............................58
Gambar 4.20 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 135 KHz ...............................59
Gambar 4.21 Gelombang PWM dengan frekuensi 100 KHz duty cycle 50% ........60
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1
Data Hasil Simulasi Orcad Capture Lite Edition .............................38
Tabel 4.2
Data Hasil Simulasi Orcad Capture Lite Edition .............................40
Tabel 4.3
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 50 KHz .........42
Tabel 4.4
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 50 KHz .......42
Tabel 4.5
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 75 KHz .........43
Tabel 4.6
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 75 KHz .......44
Tabel 4.7
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 100 KHz .......45
Tabel 4.8
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 100 KHz .....45
Tabel 4.9
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 115 KHz .......46
Tabel 4.10
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 115 KHz .....47
Tabel 4.11
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 125 KHz .......48
Tabel 4.12
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 125 KHz .....48
Tabel 4.13
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 135 KHz .......49
Tabel 4.14
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 135 KHz .....50
Tabel 4.15
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 50 KHz .........51
Tabel 4.16
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 50 KHz .......51
Tabel 4.17
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 75 KHz .........52
Tabel 4.18
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 75 KHz .......53
Tabel 4.19
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 100 KHz .......54
Tabel 4.20
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 100 KHz .....54
Tabel 4.21
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 115 KHz .......55
Tabel 4.22
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 115 KHz .....56
Tabel 4.23
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 125 KHz .......57
Tabel 4.24
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 125 KHz .....57
Tabel 4.25
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 135 KHz .......58
Tabel 4.26
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 135 KHz .....59
DAFTAR PUSTAKA
[1]
Rahmawati, Rosmala. 2015. Perencanaan Dan Pembuatan DC-DC Konverter
Untuk Panel Surya Pada DC House. Teknik Elektro : Universitas
Muhammadiyah Malang.
[2]
Mursyida, Dina. 2010. Rancang Bangun Modul DC-DC Converter Dengan
Pengendali PI. Teknik Elektro Industri : Politeknik Elektronika Negeri
Surabaya – ITS.
[3]
Muhammad, Athian Ali. 2015. Design And Implementasion Of DC To DC
Converter For Mobile Phone Charging Based Microcontroller. Teknik
Elektro : Universitas Telkom.
[4]
Rashid, Muhammad. 2011. Power Electronics Handbook. USA :
Butterworth-Heinemann.
[5]
W. Hart, D. 2011. Power Electronics. Singapore: Mc Graw Hill.
[6]
Diktat Elektronika Daya. Bab IV DC Chopper : Universitas Muhammadiyah
Malang
[7]
Bachok, Nurul Atika Binti. 2014. Car Charging Adapter By Using Buck
Converter. Electrical Engineering : University Technology Malaysia.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Pada saat ini kebutuhan akan energi listrik terus bertambah dengan seiring
bertambahnya pertumbuhan penduduk, dalam hal ini baik sektor Industri maupun
rumah tangga. Negara Indonesia merupakan negara yang memiliki potensi energi
yang sangat luas. Tetapi, sampai saat ini masih banyak wilayah terpencil yang
belum tersentuh jaringan listrik dari PLN yang merupakan satu-satunya
perusahaan yang menyediakan listrik di Indonesia.
Di luar negeri sudah terdapat beberapa penelitian yang memungkinkan
untuk menyediakan akses listrik di daerah terpencil yang tidak terjangkau oleh
PLN. Penelitian ini memanfaatkan sumber energi terbaharukan, salah satunya
adalah dari photovoltaic (PV). PV sendiri memanfaatkan sumber energi dari sinar
matahari menggunakan panel surya yang kemudian dikonversi menjadi tegangan
listrik.
Rumah DC merupakan sebuah rumah yang tenaga listriknya menggunakan
direct current power. Rumah DC menyediakan metode menggunakan sumber
energi terbaharui. Dengan menggunakan sumber energi terbaharui, yang
digunakan adalah dengan memanfaatkan cahaya matahari menggunakan panel
surya sebagai pengubah energi listrik. Tegangan masukan dan keluaran dari panel
surya berubah-ubah sesuai dengan intensitas cahaya, agar keluaran dari panel
surya stabil maka dirancang pembuatan DC-DC converter untuk rumah DC
menggunakan topologi buck. Step down DC-DC converter, umumnya dikenal
sebagai buck converter.
DC-DC converter atau dikenal juga dengan DC chopper dimanfaatkan
terutama untuk penyediaan tegangan keluaran DC yang besarnya bervariasi sesuai
dengan kebutuhan beban. Pada dasarnya hasil tegangan keluaran DC yang ingin
dicapai dilakukan dengan cara pengaturan lamanya waktu penghubungan antara
keluaran dan masukan pada rangkaian yang sama. Komponen yang digunakan
untuk menjalankan penghubung tersebut tidak lain adalah solid state electronic
1
switch (switch) seperti misalnya thyristor, MOSFET, IGBT, GTO, dan komponen
lain seperti induktor, kapasitor, dioda dan resistor.
Pada tugas akhir ini, akan dibuat DC-DC converter tipe buck menggunakan
sumber dari accumulator yang nilai tegangan masukan dan keluaran tidak dapat
berubah-ubah, dengan tegangan masukan dari accumulator sebesar 24 V.
Sehingga keluaran pada rangkaian buck converter sebesar 12 V. Dalam sistem ini
terdapat tipe linier dan switching, masing-masing memiliki kelebihan dan
kekurangannya. Untuk tipe linier mudah didapatkan variasi tegangan outputnya,
namun rendah efisiensinya, sedangkan tipe switching memungkinkan tidak
adanya losses dalam proses peralihannya, namun dalam kenyataannya masih
terdapat losses. Efisiensi yang diberikan tipe switching ini berkisar antara 70% 80%.
Dengan metode switching ini losses atau hilangnya daya berupa tegangan
dan arus masih relatif besar. Hal ini disebabkan tumpang tindihnya tegangan dan
arus ketika switch beralih dari kedaan ON dan OFF maupun sebaliknya. Untuk
mengatasi hal ini maka ditambahkan soft-switching yang befungsi menaikkan
efisiensi dari switching tersebut hingga 85%.
Jika pada penelitian sebelumnya terdapat perancangan yang sama yaitu
dengan metode buck converter yang tidak menggunakan soft-switching, sehingga
pada penelitian ini akan mengembangkan penelitian tersebut yaitu dengan metode
buck converter menggunakan soft-switching, diharapkan dapat meningkatkan nilai
efisiensi dan mengurangi losses pada switching. (Rosmala Rahmawati, 2015)
1.2
Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan, maka penulis merumuskan
permasalahan dalam penelitian ini yaitu :
1. Bagaimana merancang dan membuat rangkaian buck converter dengan
menggunakan soft-switching pada rumah DC.
2. Bagaimana menguji soft-switching menggunakan rangkaian buck
converter pada rumah DC.
3. Bagaimana
mengimplementasikan
soft-switching
menggunakan
rangkaian buck converter pada rumah DC.
2
1.3
Tujuan
1. Menghasilkan rangkaian buck converter yang dilengkapi dengan softswitching pada rumah DC.
2. Membandingkan nilai efisiensi keluaran pada buck converter tanpa
menggunakan soft-swicthing dan dengan menggunakan soft-switching.
1.4
Batasan Masalah
Agar tujuan dari tugas akhir ini tidak menyimpang dari tujuan semula,
dibutuhkan suatu batasan-batasan yang jelas guna mengarahkan pembahasan.
Batasan-batasan masalah tersebut adalah sebagai berikut :
1. Tegangan masukan menggunakan accumulator dengan sumber sebesar
24VDC.
2. Tegangan keluaran pada rangkaian buck converter sebesar 12 VDC.
3. Menggunakan beban berupa lampu LED.
4. Membahas rangkaian buck converter dengan menggunakan softswitching pada rumah DC.
5. Simulasi dan analisis menggunakan Orcad Capture Lite Edition.
1.5
Sistematika Penulisan Tugas Akhir
Sistematika penulisan pada tugas akhir ini adalah sebagai berikut :
BAB I PENDAHULUAN
Merupakan bagian yang menjelaskan tentang latar belakang,
rumusan masalah, tujuan, batasan masalah, dan sistematika.
BAB II DASAR TEORI
Menjelaskan tentang tinjauan pustaka yang memberikan teori
sebagai acuan atau referensi peneliti untuk melakukan penelitian.
Tinjauan pustaka membahas beberapa teori penting dalam tugas
akhir ini yaitu rumah DC, accumulator, buck converter, softswitching, MOSFET, mikrokontroler.
BAB III ANALISA DAN PERANCANGAN
Menjelaskan tentang tahap perancangan dan proses pembuatan
hardware pada tugas akhir ini.
3
BAB IV HASIL PENGUJIAN ALAT
Pada bagian ini akan dilakukan pengujian pada simulasi dan analisa
hasil pada hardware.
BAB V PENUTUP
Pada bagian ini berisi tentang kesimpulan dari pengerjaan tugas
akhir dan saran untuk memperbaiki kekurangan dari perancangan
sistem yang sudah dibuat untuk hasil yang lebih baik.
4
MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING PADA RUMAH DC
SKRIPSI
Disusun Oleh :
ENDIK PRASETYA
(201210130311117)
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2016
DESAIN DAN IMPLEMENTASI BUCK CONVERTER DENGAN
MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING PADA RUMAH DC
SKRIPSI
Diajukan Untuk Memenuhi
Persyaratan Guna Meraih Gelar Sarjana Strata 1
Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang
Oleh :
Endik Prasetya
201210130311117
JURUSAN TEKNIK ELEKTRO
FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
2016
LEMBAR PERSETUJUAN
DESAIN DAN IMPLEMENTASI BUCK CONVERTER DENGAN
MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING PADA RUMAH DC
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana (S1)
Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang
Disusun Oleh :
Endik Prasetya
201210130311117
Diperiksa dan disetujui oleh :
Pembimbing I
Pembimbing II
Ir. Nurhadi, MT
NIDN : 0731126202
Ir. Diding Suhardi, MT
NIDN : 0706066501
LEMBAR PENGESAHAN
DESAIN DAN IMPLEMENTASI BUCK CONVERTER DENGAN
MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING PADA RUMAH DC
Diajukan Untuk Memenuhi Salah Satu Syarat Memperoleh Gelar Sarjana
(S1) Teknik Elektro Universitas Muhammadiyah Malang
Disusun Oleh :
Endik Prasetya
201210130311117
Tanggal Ujian
: 1 Agustus 2016
Periode Wisuda
:
Agustus 2016
Disetujui Oleh:
1. Ir. Nurhadi, MT
(Pembimbing I)
NIDN : 0731126202
2. Ir. Diding Suhardi, MT
(Pembimbing II)
NIDN : 0706066501
3. Ir. Nur Alif Mardiyah, MT
(Penguji I)
NIDN : 0718036502
4.
Ilham Pakaya, ST
(Penguji II)
NIDN : 0717018801
Mengetahui,
Ketua Jurusan Teknik Elektro
Ir. Nur Alif Mardiyah, MT
NIDN : 0718036502
LEMBAR PERNYATAAN
Yang bertanda tangan dibawah ini :
Nama
: Endik Prasetya
Tempat/Tgl Lahir
: Blitar, 13 Juli 1993
NIM
: 201210130311117
Fak/Jur.
: TEKNIK/ELEKTRO
Dengan ini saya menyatakan bahwa Tugas Akhir saya dengan judul :
“DESAIN
DAN
IMPLEMENTASI
BUCK
CONVERTER
DENGAN
MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING PADA RUMAH DC” beserta seluruh
isinya adalah karya saya sendiri dan bukan merupakan karya tulis orang lain, baik
sebagian maupun seluruhnya, kecuali dalam bentuk kutipan yang telah disebutkan
sumbernya.
Demikian surat pernyataan ini saya buat dengan sebenar-benarnya. Apabila
kemudian ditemukan adanya pelanggaran terhadap etika keilmuan dalam karya
saya ini, atau ada klaim dari pihak lain terhadap keaslian karya saya ini maka saya
siap menanggung segala bentuk resiko/sanksi yang berlaku.
Malang, 24 Juli 2016
Yang Membuat
Pernyataan
Endik Prasetya
Mengetahui,
Pembimbing I
Pembimbing II
Ir. Nurhadi, MT
Ir. Diding Suhardi, MT
NIDN : 0731126202
NIDN : 0706066501
KATA PENGANTAR
Dengan mengucap puji syukur kehadirat Allah SWT, atas limpahan rahmat
dan hidayah-NYA sehingga penulis mampu menyelesaikan tugas akhir ini.
Shalawat serta salam tak lupa penulis panjatkan kepada junjungan kita Nabi
Muhammad SAW yang telah membimbing kita menuju jalan kebaikan. Tugas akhir
ini merupakan salah satu syarat untuk menyelesaikan studi S1 Jurusan Teknik
Elektro Universitas Muhammadiyah Malang. Tugas akhir yang disusun oleh
penulis berjudul “DESAIN DAN IMPLEMENTASI BUCK CONVERTER
DENGAN MENGGUNAKAN SOFT-SWITCHING PADA RUMAH DC” .
Penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam penulisan tugas akhir ini masih
banyak kekurangan dan keterbatasan. Oleh karena itu penulis mengharapkan saran
yang membangun agar tulisan ini bermanfaat bagi perkembangan ilmu pengetahuan
kedepan.
Malang, Juli 2016
Penulis
Endik Prasetya
DAFTAR ISI
LEMBAR JUDUL .................................................................................................. i
LEMBAR PERSETUJUAN ................................................................................. ii
LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................. iii
LEMBAR PERNYATAAN ................................................................................. iv
ABSTRAK ..............................................................................................................v
ABSTRACT ........................................................................................................... vi
LEMBAR PERSEMBAHAN ............................................................................. vii
KATA PENGANTAR ........................................................................................ viii
DAFTAR ISI ......................................................................................................... ix
DAFTAR GAMBAR ............................................................................................ xi
DAFTAR TABEL .............................................................................................. xiv
BAB I PENDAHULUAN
1.1 Latar Belakang ..................................................................................................1
1.2 Perumusan Masalah ..........................................................................................2
1.3 Tujuan ...............................................................................................................3
1.4 Batasan Masalah ...............................................................................................3
1.5 Sistematika Penulisan Tugas Akhir ..................................................................3
BAB II DASAR TEORI
2.1 Pengenalan Rumah DC .....................................................................................5
2.1.1 Alasan Menggunakan DC........................................................................5
2.1.2 Pandangan Proyek Rumah DC ................................................................6
2.2 Aki (Accumulator) ............................................................................................8
2.2.1 Jenis-jenis Aki .........................................................................................9
2.3 DC-DC Konverter ...........................................................................................10
2.3.1 DC-DC Buck Converter ........................................................................13
2.4 Soft-Switching .................................................................................................15
2.5 MOSFET .........................................................................................................18
2.5.1 Kurva Karakteristik MOSFET...............................................................18
2.6 Pulse Width Modulation (PWM) ....................................................................20
2.6.1 Prinsip Dasar PWM ...............................................................................21
2.7 Mikrokontroler ................................................................................................23
2.7.1 Definisi Mikrokontroler.........................................................................23
2.7.2 ATMEGA 16 .........................................................................................24
BAB III ANALISA DAN PERANCANGAN
3.1 Diagram Blok dan Prinsip Kerja Sistem .........................................................26
3.2 Perancangan Simulasi .....................................................................................27
3.3 Perancangan Hardware ...................................................................................28
3.4 Mikrokontroler ................................................................................................35
BAB IV HASIL PENGUJIAN ALAT
4.1 Pengujian Software Buck Converter Tanpa Menggunakan Soft-Switching ....37
4.1.1 Hasil Pengujian Software Buck Converter Tanpa Menggunakan SoftSwitching Dengan Simulasi Orcad Capture Lite Edition......................38
4.2 Pengujian Software Buck Converter Dengan Menggunakan Soft-Switching..39
4.2.1 Hasil Pengujian Software Buck Converter Dengan Menggunakan SoftSwitching Dengan Simulasi Orcad Capture Lite Edition......................40
4.3 Pengujian Hardware Buck Converter .............................................................41
4.3.1 Hasil Pengujian Hardware Buck Converter Tanpa Beban ....................42
4.3.2 Hasil Pengujian Hardware Buck Converter Dengan Beban .................51
4.4 Data Hasil Pengujian Kontrol PWM...............................................................59
BAB V PENUTUP
5.1 Kesimpulan .....................................................................................................61
5.2 Saran ...............................................................................................................61
DAFTAR PUSTAKA
LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Diagram Blok Rumah DC...................................................................6
Gambar 2.2 DC House sistem 1 .............................................................................7
Gambar 2.3 DC House Sistem 2 .............................................................................7
Gambar 2.4 DC House Sistem 3 .............................................................................8
Gambar 2.5 DC Chopper Dengan Beban Resistif : (a) diagram alir dan (b)
gelombang tegangan keluaran ..........................................................11
Gambar 2.6 DC Chopper dengan beban RLE a. Diagram alir, b. Gelombang .....12
Gambar 2.7 DC Chopper Step Up ........................................................................12
Gambar 2.8 Buck Converter a. Diagram Alir dan b. Gelombang.........................14
Gambar 2.9 Sinyal Tegangan dan Arus Pada Hard-Switching.............................16
Gambar 2.10 Sinyal Tegangan dan Arus Pada Soft-Switching ...............................17
Gambar 2.11 Resonant Circuit Seri LC ..................................................................17
Gambar 2.12 Resonant Circuit Paralel LC .............................................................18
Gambar 2.13 Kurva Karakteristik MOSFET ..........................................................18
Gambar 2.14 Gambar Rangkaian MOSFET Pada Saat Kondisi Cut-Off ...............19
Gambar 2.15 Gambar Rangkaian MOSFET Pada Saat Kondisi Saturasi ..............20
Gambar 2.16 Sinyal Pulse Width Modulation (PWM) ...........................................21
Gambar 2.17 Tegangan Rata-rata Sinyal Pulse Width Modulation (PWM) ..........22
Gambar 2.18 Dutty Cycle Dari Output PWM .........................................................23
Gambar 2.19 ATMEGA16A ..................................................................................25
Gambar 3.1 (a) Diagram Blok Rangkaian Buck Converter (b) Diagram Blok
Rangkaian Buck Converter Menggunakan Soft-Switching ...............26
Gambar 3.2 (a) Desain Rangkaian Buck Converter (b) Desain Rangkaian Buck
Converter Menggunakan Soft-Switching ..........................................27
Gambar 3.3 Rangkaian Buck Converter ...............................................................28
Gambar 3.4 Contoh Gambar Duty Cycle ..............................................................29
Gambar 3.5 Induktor .............................................................................................29
Gambar 3.6 Kapasitor ...........................................................................................31
Gambar 3.7 MOSFET ...........................................................................................33
Gambar 3.8 Dioda .................................................................................................33
Gambar 4.1 (a) Pengujian Keseluruhan Buck Converter Tanpa Menggunakan SoftSwitching dan (b) Pengujian Keseluruhan Buck Converter Dengan
Menggunakan Soft-Switching ...........................................................37
Gambar 4.2 Rangkaian Buck Converter Tanpa Menggunakan Soft-Switching ....37
Gambar 4.3 Hasil Output Buck Converter Tanpa Menggunakan Soft-Switching 38
Gambar 4.4 Hasil Output Ids Vds Buck Converter Tanpa Menggunakan SoftSwitching ...........................................................................................39
Gambar 4.5 Rangkaian Buck Converter Dengan Menggunakan Soft-Switching .39
Gambar 4.6 Hasil
Output
Buck
Converter
Dengan
Menggunakan
Soft-
Switching ...........................................................................................40
Gambar 4.7 Hasil Output Ids Vds Buck Converter Dengan Menggunakan SoftSwitching ...........................................................................................41
Gambar 4.8 (a) Rangkaian Buck Converter Tanpa Soft-Switching (b) Rangkaian
Buck Converter Dengan Soft-Switching ...........................................41
Gambar 4.9 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 50 KHz .................................43
Gambar 4.10 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 75 KHz .................................44
Gambar 4.11 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 100 KHz ...............................46
Gambar 4.12 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 115 KHz ...............................47
Gambar 4.13 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 125 KHz ...............................49
Gambar 4.14 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 135 KHz ...............................50
Gambar 4.15 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 50 KHz .................................52
Gambar 4.16 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 75 KHz .................................53
Gambar 4.17 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 100 KHz ...............................55
Gambar 4.18 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 115 KHz ...............................56
Gambar 4.19 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 125 KHz ...............................58
Gambar 4.20 Perbandingan Efisiensi Soft-Switching dan Dengan Soft-Switching
Tanpa Menggunakan Beban Pada f = 135 KHz ...............................59
Gambar 4.21 Gelombang PWM dengan frekuensi 100 KHz duty cycle 50% ........60
DAFTAR TABEL
Tabel 4.1
Data Hasil Simulasi Orcad Capture Lite Edition .............................38
Tabel 4.2
Data Hasil Simulasi Orcad Capture Lite Edition .............................40
Tabel 4.3
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 50 KHz .........42
Tabel 4.4
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 50 KHz .......42
Tabel 4.5
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 75 KHz .........43
Tabel 4.6
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 75 KHz .......44
Tabel 4.7
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 100 KHz .......45
Tabel 4.8
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 100 KHz .....45
Tabel 4.9
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 115 KHz .......46
Tabel 4.10
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 115 KHz .....47
Tabel 4.11
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 125 KHz .......48
Tabel 4.12
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 125 KHz .....48
Tabel 4.13
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 135 KHz .......49
Tabel 4.14
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 135 KHz .....50
Tabel 4.15
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 50 KHz .........51
Tabel 4.16
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 50 KHz .......51
Tabel 4.17
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 75 KHz .........52
Tabel 4.18
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 75 KHz .......53
Tabel 4.19
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 100 KHz .......54
Tabel 4.20
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 100 KHz .....54
Tabel 4.21
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 115 KHz .......55
Tabel 4.22
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 115 KHz .....56
Tabel 4.23
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 125 KHz .......57
Tabel 4.24
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 125 KHz .....57
Tabel 4.25
Data Hasil Pengujian Tanpa Soft-Switching Pada f = 135 KHz .......58
Tabel 4.26
Data Hasil Pengujian Dengan Soft-Switching Pada f = 135 KHz .....59
DAFTAR PUSTAKA
[1]
Rahmawati, Rosmala. 2015. Perencanaan Dan Pembuatan DC-DC Konverter
Untuk Panel Surya Pada DC House. Teknik Elektro : Universitas
Muhammadiyah Malang.
[2]
Mursyida, Dina. 2010. Rancang Bangun Modul DC-DC Converter Dengan
Pengendali PI. Teknik Elektro Industri : Politeknik Elektronika Negeri
Surabaya – ITS.
[3]
Muhammad, Athian Ali. 2015. Design And Implementasion Of DC To DC
Converter For Mobile Phone Charging Based Microcontroller. Teknik
Elektro : Universitas Telkom.
[4]
Rashid, Muhammad. 2011. Power Electronics Handbook. USA :
Butterworth-Heinemann.
[5]
W. Hart, D. 2011. Power Electronics. Singapore: Mc Graw Hill.
[6]
Diktat Elektronika Daya. Bab IV DC Chopper : Universitas Muhammadiyah
Malang
[7]
Bachok, Nurul Atika Binti. 2014. Car Charging Adapter By Using Buck
Converter. Electrical Engineering : University Technology Malaysia.
BAB I
PENDAHULUAN
1.1
Latar Belakang
Pada saat ini kebutuhan akan energi listrik terus bertambah dengan seiring
bertambahnya pertumbuhan penduduk, dalam hal ini baik sektor Industri maupun
rumah tangga. Negara Indonesia merupakan negara yang memiliki potensi energi
yang sangat luas. Tetapi, sampai saat ini masih banyak wilayah terpencil yang
belum tersentuh jaringan listrik dari PLN yang merupakan satu-satunya
perusahaan yang menyediakan listrik di Indonesia.
Di luar negeri sudah terdapat beberapa penelitian yang memungkinkan
untuk menyediakan akses listrik di daerah terpencil yang tidak terjangkau oleh
PLN. Penelitian ini memanfaatkan sumber energi terbaharukan, salah satunya
adalah dari photovoltaic (PV). PV sendiri memanfaatkan sumber energi dari sinar
matahari menggunakan panel surya yang kemudian dikonversi menjadi tegangan
listrik.
Rumah DC merupakan sebuah rumah yang tenaga listriknya menggunakan
direct current power. Rumah DC menyediakan metode menggunakan sumber
energi terbaharui. Dengan menggunakan sumber energi terbaharui, yang
digunakan adalah dengan memanfaatkan cahaya matahari menggunakan panel
surya sebagai pengubah energi listrik. Tegangan masukan dan keluaran dari panel
surya berubah-ubah sesuai dengan intensitas cahaya, agar keluaran dari panel
surya stabil maka dirancang pembuatan DC-DC converter untuk rumah DC
menggunakan topologi buck. Step down DC-DC converter, umumnya dikenal
sebagai buck converter.
DC-DC converter atau dikenal juga dengan DC chopper dimanfaatkan
terutama untuk penyediaan tegangan keluaran DC yang besarnya bervariasi sesuai
dengan kebutuhan beban. Pada dasarnya hasil tegangan keluaran DC yang ingin
dicapai dilakukan dengan cara pengaturan lamanya waktu penghubungan antara
keluaran dan masukan pada rangkaian yang sama. Komponen yang digunakan
untuk menjalankan penghubung tersebut tidak lain adalah solid state electronic
1
switch (switch) seperti misalnya thyristor, MOSFET, IGBT, GTO, dan komponen
lain seperti induktor, kapasitor, dioda dan resistor.
Pada tugas akhir ini, akan dibuat DC-DC converter tipe buck menggunakan
sumber dari accumulator yang nilai tegangan masukan dan keluaran tidak dapat
berubah-ubah, dengan tegangan masukan dari accumulator sebesar 24 V.
Sehingga keluaran pada rangkaian buck converter sebesar 12 V. Dalam sistem ini
terdapat tipe linier dan switching, masing-masing memiliki kelebihan dan
kekurangannya. Untuk tipe linier mudah didapatkan variasi tegangan outputnya,
namun rendah efisiensinya, sedangkan tipe switching memungkinkan tidak
adanya losses dalam proses peralihannya, namun dalam kenyataannya masih
terdapat losses. Efisiensi yang diberikan tipe switching ini berkisar antara 70% 80%.
Dengan metode switching ini losses atau hilangnya daya berupa tegangan
dan arus masih relatif besar. Hal ini disebabkan tumpang tindihnya tegangan dan
arus ketika switch beralih dari kedaan ON dan OFF maupun sebaliknya. Untuk
mengatasi hal ini maka ditambahkan soft-switching yang befungsi menaikkan
efisiensi dari switching tersebut hingga 85%.
Jika pada penelitian sebelumnya terdapat perancangan yang sama yaitu
dengan metode buck converter yang tidak menggunakan soft-switching, sehingga
pada penelitian ini akan mengembangkan penelitian tersebut yaitu dengan metode
buck converter menggunakan soft-switching, diharapkan dapat meningkatkan nilai
efisiensi dan mengurangi losses pada switching. (Rosmala Rahmawati, 2015)
1.2
Perumusan Masalah
Berdasarkan latar belakang yang telah diuraikan, maka penulis merumuskan
permasalahan dalam penelitian ini yaitu :
1. Bagaimana merancang dan membuat rangkaian buck converter dengan
menggunakan soft-switching pada rumah DC.
2. Bagaimana menguji soft-switching menggunakan rangkaian buck
converter pada rumah DC.
3. Bagaimana
mengimplementasikan
soft-switching
menggunakan
rangkaian buck converter pada rumah DC.
2
1.3
Tujuan
1. Menghasilkan rangkaian buck converter yang dilengkapi dengan softswitching pada rumah DC.
2. Membandingkan nilai efisiensi keluaran pada buck converter tanpa
menggunakan soft-swicthing dan dengan menggunakan soft-switching.
1.4
Batasan Masalah
Agar tujuan dari tugas akhir ini tidak menyimpang dari tujuan semula,
dibutuhkan suatu batasan-batasan yang jelas guna mengarahkan pembahasan.
Batasan-batasan masalah tersebut adalah sebagai berikut :
1. Tegangan masukan menggunakan accumulator dengan sumber sebesar
24VDC.
2. Tegangan keluaran pada rangkaian buck converter sebesar 12 VDC.
3. Menggunakan beban berupa lampu LED.
4. Membahas rangkaian buck converter dengan menggunakan softswitching pada rumah DC.
5. Simulasi dan analisis menggunakan Orcad Capture Lite Edition.
1.5
Sistematika Penulisan Tugas Akhir
Sistematika penulisan pada tugas akhir ini adalah sebagai berikut :
BAB I PENDAHULUAN
Merupakan bagian yang menjelaskan tentang latar belakang,
rumusan masalah, tujuan, batasan masalah, dan sistematika.
BAB II DASAR TEORI
Menjelaskan tentang tinjauan pustaka yang memberikan teori
sebagai acuan atau referensi peneliti untuk melakukan penelitian.
Tinjauan pustaka membahas beberapa teori penting dalam tugas
akhir ini yaitu rumah DC, accumulator, buck converter, softswitching, MOSFET, mikrokontroler.
BAB III ANALISA DAN PERANCANGAN
Menjelaskan tentang tahap perancangan dan proses pembuatan
hardware pada tugas akhir ini.
3
BAB IV HASIL PENGUJIAN ALAT
Pada bagian ini akan dilakukan pengujian pada simulasi dan analisa
hasil pada hardware.
BAB V PENUTUP
Pada bagian ini berisi tentang kesimpulan dari pengerjaan tugas
akhir dan saran untuk memperbaiki kekurangan dari perancangan
sistem yang sudah dibuat untuk hasil yang lebih baik.
4