View of REDUKSI RUGI-RUGI PENSAKLARAN PADA DC CHOPPER DENGAN PENSAKLARAN TEGANGAN NOL UNTUK PEMBANGKIT GELOMBANG ULTRASONIK

  

REDUKSI RUGI-RUGI PENSAKLARAN PADA DC CHOPPER DENGAN

PENSAKLARAN TEGANGAN NOL UNTUK PEMBANGKIT GELOMBANG

ULTRASONIK

_{1 2} ANUNG ASEP HENDRA KURNIAWAN

  Program Studi Teknik Elektro, Sekolah Tinggi Teknologi Mandala Bandung JL. Soekarno-Hatta No. 597, Bandung 40284

  Telp. (022) 7301738, 70791003 Fax. (022) 7304854

  

Abstract

Ultrasonic waves are acoustic waves with frequencies above 20 kHz that can propagate in solid,

liquid and gas medium. The ultrasonic waves used consist of TTL-level pulses generated from

an astable multivibrator (NE555) with variable variable pulse interval settings up to one

microsecond. Furthermore,the positive edge of the pulse triggers a Schmitt trigger circuit

(SN74121) arranged in a one-shot multivibrator mode. A second trigger Schmitt (MC33151)

acting on a +18 V power supply voltage changes the TTL voltage level to +18 V in order to

activate a high voltage switch on the MOSFET. Test results show generator can generate

repetitive pulses +18 V voltage with variable pulse width up to 75 nanoseconds. The

switching process in DC chopper of the hard switching method is carried out in the current

condition to flow into the load causing switching losses. The soft switching method was

developed to minimize the switching losses, one of them is the zero voltage switching

technique. Switching at zero current and / or zero voltage is expected to be achieved by zero

voltage switching technique. The test results show that the generator is capable of producing

negative spike pulses up to -760 V voltage with the shortest time of 107.1 nanoseconds.

  

These results conclude that high voltage switches can be used to stimulate transducers to

produce high frequency ultrasonic waves.

  Keywords: Ultrasonic Wave, DC Chopper, switching, Zero voltage switching

Abstrak

  Gelombang ultrasonik merupakan gelombang akustik dengan frekuensi di atas 20 kHz yang dapat merambat dalam medium padat, cair dan gas. Gelombang ultrasonik yang digunakan terdiri dari pulsa level TTL dibangkitkan dari sebuah astable multivibrator (NE555) dengan pengaturan interval antar-pulsa variabel hingga satu mikrodetik. Selanjutnya, tepi positif pulsa tersebut memicu rangkaian Schmitt trigger (SN74121) yang diatur pada mode kerja one-shot

  

multivibrator. Sebuah Schmitt trigger kedua (MC33151) yang bekerja pada tegangan catu daya

• 18 V mengubah level tegangan TTL menjadi +18 V guna mengaktifkan saklar tegangan tinggi pada MOSFET. Hasil pengujian menunjukkan generator dapat membangkitkan pulsa repetitif tegangan +18 V dengan lebar pulsa variabel hingga 75 nanodetik. Proses pensaklaran pada

  

DC chopper metode hard switching dilakukan pada kondisi arus mengalir ke beban sehingga

  menimbulkan rugi-rugi pensaklaran. Metode soft switching dikembangkan untuk meminimalkan rugi-rugi pensaklaran tersebut, salah satunya adalah dengan teknik zero voltage switching. Pensaklaran saat arus nol dan/atau tegangan nol diharapkan dapat dicapai dengan teknik zero

  

voltage switching. Hasil pengujian menunjukkan generator mampu menghasilkan pulsa spike

  negatif hingga tegangan 760 V dengan waktu terpendek 107,1 nanodetik. Hasil ini menyimpulkan bahwa pensaklaran tegangan tinggi dapat digunakan untuk merangsang transduser untuk menghasilkan gelombang ultrasonik frekuensi tinggi.

  Kata Kunci: Gelombang Ultrasonik, DC Chopper, pensaklaran, Zero voltage switching.

1. Pendahuluan

  switching sehingga masih terjadi rugi-rugi

  Pulsa, Buffer, Driver, High Voltage DC

  4. Pengambilan data adalah melakukan pengukuran beberapa tahap dengan menggunakan Osiloskop untuk mengetahui bentuk sinyal dan berbagai macam pengukuran yang di inginkan.

  3. Perakitan adalah memasang komponen yang telah dipilih dan disiapkan untuk di pasang pada PCB yang sudah di desain dengan sebuah software elektronika.

  2. Desain rangkaian adalah membuat rangkaian di sebuah software berupa sechematik yang akan di jadikan PCB yang sudah siap pakai dengan terlebih dahulu mencoba rangkaian tersebut pada PCB berlubang.

  1. Perencanaan yaitu Merencanakan rangkaian yang telah di siapkan dengan hasil perpaduan dari beberapa rangkaian di buat menjadi satu rangkaian yang di anggap akan mampu untuk menghasilkan pensaklaran untuk pembangkit gelombang ultrasonik yang sesuai dengan tranduser akan di gunakan.

  tahap diantaranya:

  DC Chopper dengan Teknik zero voltage switching (ZVS) dibagi menjadi beberapa

  Saklar. Gambar 1 memperlihatkan diagram perancangan perangkat keras sistem pensaklaran pada DC chopper dengan pensaklaran tegangan nol. Dalam penelitian Reduksi rugi pensaklaran pada

  Power Supplay, dan MOSFET sebagai

  chopper ini terdiri dari blok Pembangkit

  periodik saat on/off. Untuk menaikan efisiensi boost konverter konvensional maka teknik switching konverter tersebut harus dari hard switching menjadi soft

  Rugi-rugi energi pada saklar semikonduktor terdiri dari rugi-rugi dalam keadaan statis yaitu dalam keadaan konduksi dan tidak konduksi dengan rugi- rugi pada waktu komutasi atau transisi dari keadaan konduksi ke keadaan tidak konduksi dan sebaliknya rugi-rugi pensaklaran pada suatu saklar terjadi baik pada saat penyalaan maupun pada saat mematikan. Rugi-rugi yang terjadi pada saklar sangat bergantung dengan arus yang mengalir pada saklar. Sehingga sebelum mencari rugi-rugi pada saklar, besarnya arus rata-rata dan efektif yang mengalir pada tiap-tiap saklar harus ditentukan terlebih dahulu. Power suplay mode switching sekarang ini dibuat semakin kecil dan semakin ringan karena frekuensi pensaklarannya dinaikan, akibatnya rugi- rugi periodik saat on/off juga meningkat. Untuk mengurangi rugi- rugi pensaklaran tersebut digunakan teknik soft switching. Saklar semikonduktor boost converter konvensional bekerja pada kondisi hard

  2. Metode Penelitian

  membandingkan efisiensinya dengan boost konverter konvensional, sehingga akan diketahui topologi konverter manakah yang memilki efisiensi lebih baik.

  switching dengan SARC kemudian

  semikonduktor tidak bekerja secara hard switching lagi. Didalam penelitian ini akan diimplementasikan boost konverter soft

  voltage switch (ZVS) dan zero current switch (ZCS) sehingga saklar

  dengan memberi rangkaian tambahan simple auxiliary resonant switch (SARC) agar switching bekerja dikondisi zero

  switching. Upaya tersebut dapat dilakukan

  Modul Penelitian Pensaklaran pada DC Gambar 1. Perancangan Sistem Pensaklaran DC Cdhopper dengan Pensaklaran Tegangan Nol

2.1 Perancangan Spesifikasi

  t3 paling kecil adalah 75

  2.2 Perancangan Perangkat Keras Gambar 3. Rancangan PCB dengan Altium

  Gambar 2. Rangkaian Pensaklaran Zero Voltage Switching dengan Rangkaian Schmitt Trigger untuk pemicu MOSFET

  V diperlukan untuk menggerakan gerbang masukan MOSFET tegangan tinggi di tahap pensaklaran (switching) tegangan tinggi.

  Pulsa keluaran monostabil multivibrator selanjutnya dimasukkan ke rangkaian pemicu Schmitt membalik yang di bangun dari MC33151. Dengan catu daya +18 V, MC33151 menghasilkan keluaran non-TTL 0 dan +18 V membalik terhadap pulsa input seperti diperlihatkan Gambar 1. Batas tegangan +18

  V diperlukan untuk menggerakan gerbang masukan MOSFET tegangan tinggi di tahap pensaklaran (switching) tegangan tinggi.

  = 0,33 × × (5) Pulsa keluaran monostabil multivibrator selanjutnya dimasukkan ke rangkaian pemicu Schmitt membalik yang di bangun dari MC33151. Dengan catu daya +18 V, MC33151 menghasilkan keluaran non-TTL 0 dan +18 V membalik terhadap pulsa input seperti diperlihatkan Gambar 1. Batas tegangan +18

  dipasang potensiometer untuk pengaturan lebar pulsa hingga 75 nanodetik.

  R3

  nanodetik. Resistor

  Rangkaian Pensaklaran DC Chopper Dengan Zero Voltage Switching

  Garis putus-putus adalah rangkaian pembangkit pulsa yang dikaji pada penelitian ini untuk menggerakan MOSFET tegangan tinggi. Pertama-tama, rangkaian

  multivibrator astabil. Lebar pulsa, t3,

  Dengan begitu, rangkaian ini akan menghasilkan pulsa TTL ketika masukannya menerima tepi positif pulsa dari rangkaian

  monostabil (SN74121) mode one-shot dengan input Schmitt trigger tepi positif.

  Dengan pemilihan nilai R1, R2 dan C2 masing-masing adalah 500 ohm dan 100 ohm, dan 0,1 µF, maka besar t1 dan t2 adalah 4,16×10-5 dan 6,93×10-6 detik atau frekuensi pulsa adalah 20164,31 Hz. Resistor R2 dipasang sebagai potensiometer untuk variasi interval repetisi pulsa. Pulsa keluaran ini kemudian dimasukkan ke rangkaian multivibrator

  = + = 0,693 + 2 (3) = 1/ = 1.44/(( + 2 ) ) (4)

  = 0,693 + (1) = 0,693 × × (2)

  (Gambar 1) masing-masing dihitung dengan Persamaan 1 dan 2. Perioda dan frekuensi sinyal pulsa keluaran dihitung melalui Persamaan 4 dan 5 [5].

  C1

  Lebar pulsa, t1 dan interval repetisi, t2 ditentukan oleh nilai R1, R2 dan

  multivibrator astabil yang dibangun dari IC NE555 membangkitkan pulsa kotak TTL.

  keluaran SN74121 ini ditentukan dari nilai R3 dan C3 (Gambar 1) sesuai Persamaan 3. Dengan nilai R3 dan C3 masing-masing adalah 4,7 ohm dan 4,7×10-12 F maka lebar pulsa,

  Gambar 4. Alat Pengujian

  rendah. Ini memiliki 28 A pembuangan dan 112 A pengisapan berdenyut, dan 0,350   resistansi on- state RDS. Arus ini cukup untuk menjalankan hingga frekuensi 11 MHz dengan beban 3000 pf [27]. Pengujian yang dilakukan yaitu pengujian gelombang keluaran sinyal dari proses pensaklaran Mosfet di kaki drain, pada hard switching dan soft switching. Pengujian dilakukan dengan menggunakan peralatan yang tersedia di laboratorium. Peralatan yang digunakan adalah sumber DC variable tegangan tinggi, yang menghasilkan tegangan sampai 1000 VDC. Untuk mengamati bentuk gelombang tegangan dan arus pada rangkaian Zero

  yang mengalami pensaklaran secara periodik.

  source dan arus drain-souce pada MOSET

  pulsa yang diamati melalui osiloskop sehingga dapat di ketahui karakteristik generator pulsa.Pengujian pensaklaran bertujuan mengetahui bentuk gelombang sinyal untuk memverifikasi keadaan pensaklaran pada topologi konverter ini pada saat. mode operasi hard switching. Pengujian dilakukan dengan mengamati bentuk gelombang pada MOSFET yaitu tegangan gate-source, tegangan drain-

  zero voltage switching dengan mode Hard Switching yang berupa sinyal generator

  Pengujian pertama dilakukan dengan melihat sinyal keluaran dari rangkaian

  3.1. Pengujian Pensaklaran Tanpa Zero Voltage Switching dengan Mode Hard Switching

  3. Hasil dan Analisa

  voltage switching, digunakan osiloskop Gw- instek GOS2104A beserta probe.

  MOSFET digunakan sebagai saklar sisi

  Gambar 2 menunjukkan rangkaian pensaklaran dengan teknik zero voltage

  18 V dengan lebar ekuivalen. Tegangan ini menggerakkan gerbang MOSFET kanal-N untuk mengganti suplai tegangan tinggi, menghasilkan pulsa pendek tegangan tinggi positif pada pin. Jaringan rangkaian C4, D1, D2, D3 dan RL menukar pulsa ke ujung pulsa tegangan tinggi negatif, dan menghilangkan tegangan off-set DC. Rangkaian pulser MC34151 adalah schmitt trigger MOSFET memicu kecepatan tinggi. Ini memiliki waktu naik dan turun yang sangat singkat 15 ns dengan beban 1000 pF. Ini bisa memasok arus sumber hingga 1,5 A dengan voltase suplai +20 V. Ini biasanya menarik arus masukan serendah 200  A pada kondisi tinggi 2.6 V. Satu APT10035LLL N-channel 1000 V power

  ̅ (pin 1). Oleh karena itu, output adalah negatif pada sisi positif sinyal masukan V1. Kedua pulsa input dan output adalah tegangan level TTL. Selanjutnya, pemicu pembalik schmitt mengubah dan membalikkan output multivibrator monostabil menjadi pulsa

  multivibrator monostabil adalah pelengkap (inverting) output, �

  Clamper (Cr, D1, D2, D3), (iv) Rangkaian Resonansi (LC). Rangkaian ini menerapkan satu saklar MOSFET untuk menghasilkan edge terdepan, dan resistor Rd (pull-up) menghasilkan trailing edge. Output

  switching MOSFET, dan (iv) negatif

  (ii) catu daya tegangan tinggi DC, (iii)

  monostabil, dan pemicu schmitt pembalik),

  empat rangkaian, yaitu (i) pulser (multivibrator astabil, multivibrator

  switching. Secara umum, sistem terdiri dari

  Gambar 5. Rangkaian Zero Voltage Switching dengan mode Hard Switching Disipasi daya akan terjadi pad off atau konduksi on. Arus pada mos sebelum tegangan turun dikarenakan adanya phase untuk menjamin bahwa M satu lengan tidak hidup bersa Gambar

  6. Bentuk gelo tegangan dan arus pada MO mode hard switching pada teg

  keruksakan pada dijalankan terus mene Gambar 8. Suhu yang dalam kurun waktu ku menit dengan arus se 130 V.

  sistem zero voltage mode soft switching n tegangan dengan duktor di seri dengan ara drain dan source, an yang di harapkan n source tercapai. klaran Soft Switching

  nsaklaran Tanpa Zero hing dengan Mode Soft

  terjadi peningktan menambahkan indu capasitor di antara sehingga tegangan pada kaki drain dan s Gambar 9. Pensaklar dengan teknik zero vo as yang berlebihan pada ng mengakibatkan a komponen apabila nerus. ang tinggi pada MOSFET kurang lebih sekitar 3 sekitar 7,6 A dan VDS

  switching dengan

  Pada pengujian si

  3.2. Pengujian Pens Voltage Switchi Switching

  MOSFET yang

  Gambar 7. Bentuk gelomban tegangan dan arus pada M dengan mode hard switchin tegangan 130 VDC

  ,6 A sehingga menimbulkan panas

  MOSFET hing pada C tidak terjadi tetapi secara tegangan naik

  MOSFET dengan tegangan 30 VDC bang sinyal

  rsamaan. elombang sinyal

  ase shift delay MOSFET pada

  Pada rangkaian ini t penurunan tegangan, te bersamaan arus dan te dimana arus sampai 7,6 ada saat transisi osfet telah naik run. Hal ini

  voltage switching Rangkaian yang terhubung d dengan output dari rangkaian rugi pensakl saklaran adalah sebuah LC resonansi DC/D C/DC converter. Suatu metode yang sangat at mudah dalam menciptakan zero voltag tage switching menggunakan converter DC/DC tipe resonansi LC. Resonansi LC C seperti terlihat pada gambar 9 terdiri dari d kapasitor resonan yang (Cr) diser serikan dengan inductor resonan (Lr) dan se sebuah resistor yang diparalelkan dengan n beban (RL).

  Gambar 11. Perwujudan dan Zero Voltage

  Ketika frekuensi operasi leb lebih besar dari

  Switching pada MOSFE FET dengan

  frekuensi dari penguatan te tegangan pada

  penambahan LC resona onan

  rangkaian resonansi LC de dengan beban yang berbeda, maka MO MOSFET akan Gambar 11, Menunjukkan hasil mendapatkan zero voltage sw switching pada pengukuran LC Resonan DC/DC saat konduksi. converter. Dapat t dilihat pada tabel

  Bentuk gelombang arus dan pengukuran tegang ngan drain terhadap tegangan setelah penambahan han LC source MOSFET ET pada Zero resonan dapat dilihat pada gam gambar

  VoltageSwitching

  10 Tabel 1 Tegangan an Terhadap waktu (ton) pada tega gangan 86 Volt

• Width Vds (Volt)

  (mikrosecond) 100 0.364 110

  1 120

  1.5 Gambar 10. Bentuk gelombang s g sinyal tegangan 130

  2.1

  dan arus pada Mosfet Pada mod ode soft switching

  140

  2.5

  ini sebelum terjadi turn off arus rus sudah mulai

  150

  3 naik sehingga pada sistem ini ini tercapai zero

  voltage switching dimana te tegangan hasil

  pengukuran antara VDS ter terjadi kenaikan Dari hasil pengujian n terlihat bahwa dengan hingga 172 VDC dengan VD

  VDD 130 VDC. teknik zero voltage e switching tidak terjadi

  Untuk arus yang dihasilkan pa pada mode soft reduksi rugi pensak aklaran pada tegangan

  switching ini hanya mencapia pia sekitar 1,7A

  drain terhadap source rce bahkan terlihat telah sehingga tidak terjadi panas p s pada MOSFET terjadi peningkatan te tegangan. maka memungkinkan mode i e ini di jalankan terus menerus untuk bisa m membangkitkan gelombang pulsa ultrasonik. k. Grafik 1 Grafik hasil pengujian pe drain terhadap source Mosfet pad

  86 Volt DC dengan merubah +Wi pulsa)

  4. Perancangan Dc-Dc Quasi Resonant Dengan ran Zero Current Switching o Voltage Switching (Zvs), .3, NO.3, 27, 295 Jurusan Teknik

  H.. Petersen, Superjunction MOS PFC Applications, Ninth Annual Electronics Confe Denmark (2014) 1 

  5. L.Svilainis, A.Chaziachmetova Ultrasonics 59 (20

  6. Darmawan Hidaya Suhendi Syafei Wibawa4, 2017.

  Voltage Short Ultrasonic Tr 1,3,4Department o Faculty of Math Sciences, Uni

  2Department of Mathematics an Universitas Padjad Abraham

  I. Pre Power Supply Switchtronix P Massachusetts tar Pustaka al,Mochammad Facta,and

  Universitas Diponegoro, Saputra, Heri Suryoatmojo, thofa, 2016. Desain dan

  3. Sang-Hoon Park, Jung, and Chun Design and Applic System Using a Converter With ARC February 2010.

  Soft Switching Boost ngan Simple Auxillary witch (SARC), JURNAL l. 5, No. 2, (2016) (2301-9271 Print)B196. Elektro, Fakultas Teknologi tut Teknologi Sepuluh baya. k, Gil-Ro Cha, Yong-Chae ung-Yuen Won, 2010. “ plication for PV Generation a Soft Switching Boost

  ARC”, IEEE, Vol. 57, No 2 Carlos, Petersen, L. Press, ael A. E.; Petersen, Niels

  , Ultrafast Switching OSFETs for Single Phase ns, Proceedings of Twenty-

  IEEE Applied Power nference and Exposition, ) 143 149. vas,V.Dumbrava, (2015) 79–85. ayat1,a), Setianto2, Nendi fei3, Bambang Mukti

  7. MOSFET-Based High t Pulse Generator for Transducer Excitation t of Electrical Engineering, athematics and Natural

  Universitas Padjadjaran, of Physics, Faculty of and Natural Sciences, jadjaran. Pressman,1998. Switching ly Design President, Power, Inc. Waban,

  4. H.Botella, J. Carl Andersen, Michae

  ISSN:2337-3539 Jurusan Teknik Ele Industri, Institut Nopember, Suraba

4. Simpulan

   pengukuran pada tegangan Width (lebar

  switching tegangan tingg

  pensaklaran dengan teknik

  switching dengan tegangan

  aplikasikan pada pembangki ultrasonik dengan MOSFET sebgai saklar yan kaki gate dengan rangka konverter dengan inductor t memperoleh keadaan soft sw

  Zero Voltage Switching (ZV turn on. Hasil dari pengukur

  sesuai dengan teori yang tel ini ditunjukkan melalui penguj dilakukan dengan melakuka pengukuran dengan rata-rata menunjukan peningkatan se terjadi rugi pensaklaran pada

  Berdasarkan hasil pen disimpulkan bahwa rangkai dapat membangkitkan pulsa bagian non-TTL 0 dan +18 V pulsa paling singkat 75 nano repetisi dapat diatur hingga 1,011 mikrodetik. Pulsa ini menggerakkan MOSFET

  2. Dimas Bagus Sap dan Arif Mustho Implementasi S Konverter Deng Resonant Switc TEKNIK ITS Vol.

  V dengan lebar nodetik. Interval ga paling besar ini cukup untuk

  T rangkaian ggi sehinggan ik zero voltage n tinggi bisa di gkit gelombang menggunakan yang di picu di kaian DC DC r terkopel dapat switching yaitu

  ZVS) pada saat kuran alat telah telah dibuat. Hal ujian yang telah ukan beberapa ata pengukuran sehingga tidak da DC copper.

  Daftar 1.

  Renaldo Marsal, Karnoto, 2014.

  Converter Buck Q Mode Pensaklaran (Zcs) Dan Zero Transient, VOL.3,

  ISSN: 2302-9927 Elektro, Univ Semarang.

  engujian dapat kaian generator ulsa penggerak