Laporan Pratikum Buck Converter

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

Laporan Pratikum Unit VIII

Buck Converter

1. Tujuan

Setelah melakukan praktikum ini mahasiswa diharapkan mampu:  Memahami prinsip kerja dari Buck Converter.

 Merancang dan membuat rangkaian Buck Converter.

2. Dasar Teori

Buck Converter merupakan penurun tegangan yang mengkonversikan tegangan masukan DC menjadi tegangan DC lainnya yang lebih rendah. Seperti terlihat pada gambar 2, rangkaian ini terdiri terdiri atas satu saklar aktif (MOSFET), satu saklar pasif (diode), kapasitor dan induktor sebagai tapis keluarannya.

Gambar 1. Rangkaian Buck Converter

Untuk tegangan kerja yang rendah, saklar pasif (dioda) sering diganti dengan saklar aktif (MOSFET) sehingga susut daya pada saklar bisa dikurangi. Apabila menggunakan 2 saklar aktif, kedua saklar ini akan bekerja secara bergantian, dan hanya ada satu saklar yang menutup setiap saat. Nilai rata-rata tegangan keluaran konverter sebanding dengan rasio antara waktu penutupan saklar (saklar konduksi/ON) terhadap periode

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

penyaklarannya. Biasanya nilai faktor daya ini tidak lebih kecil dari 0.2, karena jika dioperasikan pada rasio tegangan yang lebih tinggi, saklar akan bekerja dibawah keandalannya dan menyebabkan efisiensi konverter turun. Untuk rasio (Vd/Ed) yang sangat tinggi, biasanya digunakan konverter DC-DC yang terisolasi atau topologi yang dilengkapi dengan trafo.

Analisis riak arus keluaran diperlukan untuk bisa mendesain tapis atau filter keluaran konverter DC-DC. Dari persamaan di bawah ini, terlihat bahwa untuk mendapatkan riak arus keluran konverter buck yang kecil, diperlukan tapis induktor (L) yang nilainya akan semakin kecil dengan meningkatkan frekuensi penyaklaran. Riak arus keluaran konverter DC-DC akan bernilai maksimum apabila konverter bekerja pada duty cycle (d) = 0,5.

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

3. Alat dan Bahan

Pada pratikum ini menggunakan alat dan bahan sebagai berikut

 Mosfet IRF540n  IC IRS2186  Dioda 1N4002  Kapasitor 2,2 uF  Kapasitor 100 nF  Kapasitor 470 uF  Induktor

 Resistor 68 ohm  Obeng + -  Kabel Jumper  Multimeter  Osciloscope  Power Supply  Function Generator

4. Langkah Percobaan

1. Buatlah rangkaian seperti pada Gambar 2 ( Rangkaian Buck Converter). 2. Aktifkan power supply kemudian atur tegangan Vcc = 10Vdc dan Vs = 6Vdc 3. Aktifkan function generator, kemudian atur function generator dengan amplitudo =

2,5; frekuensi (2 kHz, 10 kHz dan 50kHz); offset = 1,5 Volt ; impedansi = High Z dan Duty cycle berdasarkan pada tabel 1

4. Amati bentuk gelombang yang dihasilkan oleh Buck Converter

5. Ukur nilai tegangan luaran, arus masukkan dan arus setelah terpasang dengan beban.

6. Ulangi langkah-langkah diatas berdasarkan duty cycle pada tabel 1. 7. Catat hasil pengamatan pada tabel dibawah ini.

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

Gambar 2. Rangkaian Percobaan

5. Hasil Pengukuran

No Duty

Cycle Frekuensi Vin Vout I-in I-out P-in P-out Efisiensi

(%) (kHz) (Volt) (Volt) (mA) (mA) (Watt) (Watt) (%)

1 20% 2 kHz 12.2 2.44 2.37 157.1 1.91 0.05 3.10

2 30% 2 kHz 12.2 3.66 48.9 171.3 2.08 0.13 6.40

3 40% 2 kHz 12.2 4.88 79.2 185.3 2.26 0.23 10.53

4 50% 2 kHz 12.2 6.1 112.2 199.8 2.43 0.37 15.26

5 60% 2 kHz 12.2 7.32 145.8 211.1 2.57 0.53 20.80

6 70% 2 kHz 12.2 8.54 178.6 223.1 2.72 0.72 26.79

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

No Duty

Cycle Frekuensi Vin Vout I-in I-out P-in P-out Efisiensi

(%) (kHz) (Volt) (Volt) (mA) (mA) (Watt) (Watt) (%)

1 20% 10 kHz 7.35 1.47 2.49 157.4 1.15 0.02 1.86

2 30% 10 kHz 7.86 2.358 45 170.8 1.34 0.05 4.14

3 40% 10 kHz 8.43 3.372 69.7 184.8 1.55 0.11 7.29

4 50% 10 kHz 9.01 4.505 98.2 198.3 1.78 0.20 11.35

5 60% 10 kHz 9.6 5.76 129.7 210.8 2.02 0.33 16.39

6 70% 10 kHz 10.2 7.14 163.5 221.7 2.26 0.50 22.54

7 80% 10 kHz 10.9 8.72 199.6 230.9 2.51 0.76 30.21

No

Duty Cycle

Frekuens

i Vin Vout I-in I-out P-in P-out Efisiensi

(%) (kHz) (Volt) (Volt) (mA) (mA) (Watt) (Watt) (%) 1 20% 50 kHz 7.46 1.492 135.4 152.2 1.13 0.02 1.96 2 30% 50 kHz 7.99 2.397 144.6 165.7 1.32 0.05 4.33

3 40% 50 kHz 8.54 3.416 154 178.3 1.52 0.11 7.66

4 50% 50 kHz 9.13 4.565 167.3 188.2 1.71 0.20 12.12

5 60% 50 kHz 9.71 5.826 176 198.1 1.92 0.33 17.64

6 70% 50 kHz 10.3 7.21 186 203.6 2.09 0.51 24.78

7 80% 50 kHz 9.94 7.952 192.2 148.5 1.47 0.63 42.83

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

6. Wiring Gambar

Gambar 3. Wiring rangkaian Buck Konverter

7. Gambar Gelombang

Frekuensi 2 khz

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

Gambar 6. Duty Cycle 40% Gambar 7. Duty Cycle 50%

Gambar 8. Duty Cycle 60% Gambar 9. Duty Cycle 70%

Gambar 10. Duty Cycle 80% Frekuensi 10 khz

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

Gambar 11. Duty Cycle 20% Gambar 12. Duty Cycle 30%

Gambar 13. Duty Cycle 40% Gambar 14. Duty Cycle 50%

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

Gambar 17. Duty Cycle 80% Frekuensi 50 khz

Gambar 18. Duty Cycle 20% Gambar 19. Duty Cycle 30%

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

Gambar 22. Duty Cycle 60% Gambar 23. Duty Cycle 70%

Gambar 24. Duty Cycle 80%

8. Analisa

1. Perhitungan dengan menggunakan data teori: a. Hitunglah Vo

VS

Duty

cycle Vin

Vo 2Khz=Vs x D

Vo 10Khz=Vs x D

Vo 50Khz=Vs x D

12 20% 12 2.4 2.4 2.4

12 30% 12 3.6 3.6 3.6

12 40% 12 4.8 4.8 4.8

12 50% 12 6 6 6

12 60% 12 7.2 7.2 7.2

12 70% 12 8.4 8.4 8.4

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

b. Hitunglah P dan S!

Vs Duty cycle I = Vo / 100

P 2Khz = Vo2 /

RL S = Vs x IL

12 20% 0.024 0.0576 0.288

12 30% 0.036 0.1296 0.432

12 40% 0.048 0.2304 0.576

12 50% 0.06 0.36 0.72

12 60% 0.072 0.5184 0.864

12 70% 0.084 0.7056 1.008

12 80% 0.096 0.9216 1.152

c. Hitunglah effisiensi !

Vs Duty cycle P = Vo2 _{/ RL S = Vs x IL N (%) = P / S}

12 20% 0.0576 0.288 20

12 30% 0.1296 0.432

30

12 40% 0.2304 0.576

40

12 50% 0.36 0.72

50

12 60% 0.5184 0.864

60

12 70% 0.7056 1.008

70

12 80% 0.9216 1.152

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

2. Perbandingan hasil teori dan praktek a. Hitunglah persentase error dari Vo!

Vo

Teori _Praktek Vo 2Khz Vo Praktek 10Khz Vo Praktek 50Khz

% error Vo 2 Khz

% error Vo 10 Khz

% error Vo 50 Khz

2.4 2.34 2.67 3.23 2.5

11.25 34.58

3.6 3.54 3.93 4.61

1.66 9.16 28.05

4.8 4.73 5.07 5.69

1.45 5.62 18.54

6 5.91 6.25 4.28

1.5 4.16 28.66

7.2 7.09 7.44 6.32

1.52 3.33 12.22

8.4 8.27 8.62 5.16

1.54 2.61 38.57

9.6 9.44 9.81 7.35

1.66 2.18 23.43

b. Hitunglah persentase error dari P dan S!

P Teori S Teori

P 2Khz Pratikum

S

Pratikum % error _P %error _S

P 10Khz Pratikum

S

Pratikum _{% error P %error S}

0.0576 0.288 0.05 0.38 _4.93 33.04 0.07 0.418 23.76 45.33

0.1296 0.432 0.12 0.52 3.30 21.99 0.15 0.57 19.17 32.30

0.2304 0.576 0.22 0.66 2.89 15.17 0.25 0.71 11.56 23.29

0.36 0.72 0.34 0.79 2.97 9.87 0.39 0.84 8.50 17.51

0.5184 0.864 0.50 0.91 3.03 5.48 0.55 0.98 6.77 13.66

0.7056 1.008 0.68 1.03 3.07 2.71 0.74 1.09 5.30 9.08

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

Pertanyaan

1. Jelaskan prinsip kerja Buck Converter ?

Buck converter adalah salah satu rangkaian DC-DC Converter yang digunakan untuk menurunkan tegangan DC. Prinsip kerja rangkaian buck converter adalah dengan kendali pensakelaran dimana ketika sakelar tertutup: dioda bekerja reversed/block sehingga suplai input mengalir ke induktor juga ke beban, sedangkan ketika sakelar terbuka: dioda bekerja forward/unblock sehingga energi yang disimpan di induktor dapat mengalir ke beban.

Mosfet yang digunakan pada rangkaian buck converter berfungsi sebagai saklara yang dapat membuka dan menutup rangkaian sehingga arus dapat dikendalikan sesuai dengan duty cycle yang diinginkan.

Ketika mosfet on (tertutup) dan dioda off, arus mengalir dari sumber menuju ke induktor(pengisian induktor), disaring dengan kapasitor lalu ke beban dan kesumber lagi. Sedangkan ketika mosfet off (terbuka) dan dioda on, arus yang disimpan induktor dikeluarkan menuju ke beban lalu ke dioda freewheling dan kembali lagi ke induktor.

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

2. Jelaskan pengaruh dari frekuensi switching ?

Menambahkan banyaknya pulsa dari penyearah atau meninggikan frekuensi switching biasanya dilakukan untuk mengurangi besarnya nilai pasif filter yang dibutuhkan. Menambah/meninggikan frekuensi swiching saklar maka riak arus yang dihasilkan pada sisi keluaran akan semakin kecil. Hal ini berarti dengan menaikan frekuensi swiching sistem filter yang dibutuhkan untuk meminimisasi riak semakin kecil pula.

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

Kesimpulan

Konverter jenis buck merupakan konverter penurun tegangan yang mengkonversikan tegangan masukan DC menjadi tegangan DC lainnya yang lebih rendah. Rangkaian buck

konverter terdiri terdiri atas satu saklar aktif (MOSFET), satu saklar pasif (diode), kapasitor dan induktor sebagai tapis keluarannya.

Untuk tegangan kerja yang rendah, saklar pasif (dioda) sering diganti dengan saklar aktif (MOSFET) sehingga susut daya pada saklar bisa dikurangi. Apabila menggunakan 2 saklar aktif, kedua saklar ini akan bekerja secara bergantian, dan hanya ada satu saklar yang menutup setiap saat. Nilai rata-rata tegangan keluaran konverter sebanding dengan rasio antara waktu penutupan saklar (saklar konduksi/ON) terhadap periode penyaklarannya. Biasanya nilai faktor daya ini tidak lebih kecil dari 0.2, karena jika dioperasikan pada rasio tegangan yang lebih tinggi, saklar akan bekerja dibawah keandalannya dan menyebabkan efisiensi konverter turun. Untuk rasio (Vd/Ed) yang sangat tinggi, biasanya digunakan konverter DC-DC yang terisolasi atau topologi yang dilengkapi dengan trafo.

Analisis riak arus keluaran diperlukan untuk bisa mendesain tapis atau filter keluaran konverter DC-DC. Untuk mendapatkan riak arus keluran konverter buck yang kecil,

diperlukan tapis induktor (L) yang nilainya akan semakin kecil dengan meningkatkan frekuensi penyaklaran. Riak arus keluaran konverter DC-DC akan bernilai maksimum apabila konverter bekerja pada duty cycle (d) = 0,5.

kondisi kritis disini adalah kondisi dimana arus di induktor mengalir ke beban sampai tepat bernilai nol pada saat saklar OFF, atau induktor bekerja sebagai sumber arus. Dari gambar terlihat bahwa arus yang mengalir di induktor sebanding dengan nilai dari riak arus keluaran. Pada kondisi ini, dari gambar terlihat bahwa nilai riak arus keluran rata-rata sebanding dengan 1/2 riak arus puncak ke puncak

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

Gambar 22. Duty Cycle 60% Gambar 23. Duty Cycle 70%

Gambar 24. Duty Cycle 80%

8. Analisa

1. Perhitungan dengan menggunakan data teori: a. Hitunglah Vo

VS

Duty

cycle Vin

Vo 2Khz=Vs x D

Vo 10Khz=Vs x D

Vo 50Khz=Vs x D

12 20% 12 2.4 2.4 2.4

12 30% 12 3.6 3.6 3.6

12 40% 12 4.8 4.8 4.8

12 50% 12 6 6 6

12 60% 12 7.2 7.2 7.2

12 70% 12 8.4 8.4 8.4

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

b. Hitunglah P dan S!

Vs Duty cycle I = Vo / 100

P 2Khz = Vo2 /

RL S = Vs x IL

12 20% 0.024 0.0576 0.288

12 30% 0.036 0.1296 0.432

12 40% 0.048 0.2304 0.576

12 50% 0.06 0.36 0.72

12 60% 0.072 0.5184 0.864

12 70% 0.084 0.7056 1.008

12 80% 0.096 0.9216 1.152

c. Hitunglah effisiensi !

Vs Duty cycle P = Vo2 _{/ RL S = Vs x IL N (%) = P / S}

12 20% 0.0576 0.288 20

12 30% 0.1296 0.432

30

12 40% 0.2304 0.576

40

12 50% 0.36 0.72

50

12 60% 0.5184 0.864

60

12 70% 0.7056 1.008

70

12 80% 0.9216 1.152

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

2. Perbandingan hasil teori dan praktek a. Hitunglah persentase error dari Vo!

Vo

Teori _Praktek Vo 2Khz Vo Praktek 10Khz Vo Praktek 50Khz

% error Vo 2 Khz

% error Vo 10 Khz

% error Vo 50 Khz

2.4 2.34 2.67 3.23 2.5

11.25 34.58

3.6 3.54 3.93 4.61

1.66 9.16 28.05

4.8 4.73 5.07 5.69

1.45 5.62 18.54

6 5.91 6.25 4.28

1.5 4.16 28.66

7.2 7.09 7.44 6.32

1.52 3.33 12.22

8.4 8.27 8.62 5.16

1.54 2.61 38.57

9.6 9.44 9.81 7.35

1.66 2.18 23.43

b. Hitunglah persentase error dari P dan S!

P Teori S Teori

P 2Khz Pratikum

S

Pratikum % error _P %error _S

P 10Khz Pratikum

S

Pratikum _{% error P %error S}

0.0576 0.288 0.05 0.38 _4.93 33.04 0.07 0.418 23.76 45.33

0.1296 0.432 0.12 0.52 3.30 21.99 0.15 0.57 19.17 32.30

0.2304 0.576 0.22 0.66 2.89 15.17 0.25 0.71 11.56 23.29

0.36 0.72 0.34 0.79 2.97 9.87 0.39 0.84 8.50 17.51

0.5184 0.864 0.50 0.91 3.03 5.48 0.55 0.98 6.77 13.66

0.7056 1.008 0.68 1.03 3.07 2.71 0.74 1.09 5.30 9.08

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

Pertanyaan

1. Jelaskan prinsip kerja Buck Converter ?

Buck converter adalah salah satu rangkaian DC-DC Converter yang digunakan untuk menurunkan tegangan DC. Prinsip kerja rangkaian buck converter adalah dengan kendali pensakelaran dimana ketika sakelar tertutup: dioda bekerja reversed/block sehingga suplai input mengalir ke induktor juga ke beban, sedangkan ketika sakelar terbuka: dioda bekerja forward/unblock sehingga energi yang disimpan di induktor dapat mengalir ke beban.

Mosfet yang digunakan pada rangkaian buck converter berfungsi sebagai saklara yang dapat membuka dan menutup rangkaian sehingga arus dapat dikendalikan sesuai dengan duty cycle yang diinginkan.

Ketika mosfet on (tertutup) dan dioda off, arus mengalir dari sumber menuju ke induktor(pengisian induktor), disaring dengan kapasitor lalu ke beban dan kesumber lagi. Sedangkan ketika mosfet off (terbuka) dan dioda on, arus yang disimpan induktor dikeluarkan menuju ke beban lalu ke dioda freewheling dan kembali lagi ke induktor.

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

2. Jelaskan pengaruh dari frekuensi switching ?

Menambahkan banyaknya pulsa dari penyearah atau meninggikan frekuensi switching biasanya dilakukan untuk mengurangi besarnya nilai pasif filter yang dibutuhkan. Menambah/meninggikan frekuensi swiching saklar maka riak arus yang dihasilkan pada sisi keluaran akan semakin kecil. Hal ini berarti dengan menaikan frekuensi swiching sistem filter yang dibutuhkan untuk meminimisasi riak semakin kecil pula.

ELEKTRONIKA DAYA / MK- 4307

Tugas 8 / 11-12-2014 Puji Iswandi 4211301025 Mekatronika 3A

Kesimpulan

Konverter jenis buck merupakan konverter penurun tegangan yang mengkonversikan tegangan masukan DC menjadi tegangan DC lainnya yang lebih rendah. Rangkaian buck

konverter terdiri terdiri atas satu saklar aktif (MOSFET), satu saklar pasif (diode), kapasitor dan induktor sebagai tapis keluarannya.

Untuk tegangan kerja yang rendah, saklar pasif (dioda) sering diganti dengan saklar aktif (MOSFET) sehingga susut daya pada saklar bisa dikurangi. Apabila menggunakan 2 saklar aktif, kedua saklar ini akan bekerja secara bergantian, dan hanya ada satu saklar yang menutup setiap saat. Nilai rata-rata tegangan keluaran konverter sebanding dengan rasio antara waktu penutupan saklar (saklar konduksi/ON) terhadap periode penyaklarannya. Biasanya nilai faktor daya ini tidak lebih kecil dari 0.2, karena jika dioperasikan pada rasio tegangan yang lebih tinggi, saklar akan bekerja dibawah keandalannya dan menyebabkan efisiensi konverter turun. Untuk rasio (Vd/Ed) yang sangat tinggi, biasanya digunakan konverter DC-DC yang terisolasi atau topologi yang dilengkapi dengan trafo.

Analisis riak arus keluaran diperlukan untuk bisa mendesain tapis atau filter keluaran konverter DC-DC. Untuk mendapatkan riak arus keluran konverter buck yang kecil,

diperlukan tapis induktor (L) yang nilainya akan semakin kecil dengan meningkatkan frekuensi penyaklaran. Riak arus keluaran konverter DC-DC akan bernilai maksimum apabila konverter bekerja pada duty cycle (d) = 0,5.

kondisi kritis disini adalah kondisi dimana arus di induktor mengalir ke beban sampai tepat bernilai nol pada saat saklar OFF, atau induktor bekerja sebagai sumber arus. Dari gambar terlihat bahwa arus yang mengalir di induktor sebanding dengan nilai dari riak arus keluaran. Pada kondisi ini, dari gambar terlihat bahwa nilai riak arus keluran rata-rata sebanding dengan 1/2 riak arus puncak ke puncak