1 | R e g u l a t o r T e g a n g a n M o d e S w i t c h i n g

PERCOBAAN 5

REGULATOR TEGANGAN MODE SWITCHING

1. Tujuan a. Mengamati dan mengenali prinsip regulasi tegangan mode switching

b. Mengindetifikasi pengaruh komponen pada regulator tegangan mode switching

c. Menggunakan rangkaian tertintegrasi untuk regulasi tegangan mode switching

2. Pengetahuan Pendukung dan Bacaan Lanjut

Regulasi Tegangan Switching

Regulator tegangan dengan mode switching semakin sering digunakan dan secara perlahan

telah menggantikan regulator kontinyu pada berbagai aplikasi. Ada dua keuntungan

penggunaan regulator mode switching, yaitu efisiensi daya yang lebih baik dan proses untuk

menaikkan atau menurunkan tegangan dapat memerlukan transformator. Dengan demikian

regulator tegangan mode switching umumnya lebih kompak.

Secara umum regulator mode switching menyimpan energi dari sumber dan

mengeluarkannya pada beban. Energi dapat disimpan pada komponen penyimpan energi

berupa induktor atau kapasitor seperti ditunjukkan pada Gambar 1. Proses penyimpanan dan

pengeluaran energi dikendalikan oleh mekanisme pengendali switching dengan umpan balik.

Gambar 1 Prinsip Umum Switched Regulator

Konverter Buck

Rangkaian dasar konverter Buck tampak pada Gambar 2. Konverter Buck ini berfungsi sebagai

regulator penurun tegangan (step down). Prinsip kerja umum konverter ini adalah sebagai

berikut. Pertama, saat saklar terhubung dari sumber melalui induktor L ke beban RL. Arus pada

Energi dari Sumber

Energi ke

Beban

Energi dari Sumber

Energi ke

Beban

2 | R e g u l a t o r T e g a n g a n M o d e S w i t c h i n g

induktor akan naik. Saat saklar tiba-tiba dibuka untuk sesaat induktor L akan mempertahankan

arus mengalir. Arus mengalir dari Gnd melalui Dioda D ke induktor L dan beban RL.

Gambar 2 Konverter Buck

Saat keadaan mapan, maka tegangan outut Vo akan mempunyai tegangan riak (ripple) yang

kecil. Pada saat saklar terhubung, bila tegangan riak output dapat dianggap kecil maka

tegangan induktor dan arus induktor dapat diperoleh sbb.:

Disini adalah tegangan sumber tak teregulasi dan adalah arus induktor sesaat

sebelum saklar terhubung.

Persamaan di atas menunjukkan arus naik secara linier terhadap waktu. Laju perubahan arus

berbanding lurus dengan selisih tegangansumber dan output dan berbanding terbalik dengan

induktansi induktor yang digunakan. Besar arus maksimum yang dicapai bergantung pada

interval waktu saklar terhubung.

Saat saklar terputus arus dari sumber terputus dan induktor akan mengalirkan arus melalui

dioda. Tegangan induktor dan arus induktor dapat diperoleh sbb.:

Persamaan di atas menunjukkan arus turun secara linier terhadap waktu. Laju perubahan arus

juga berbanding lurus dengan tegangan jumlah output dan tegangan cut-in dioda dan terbalik

dengan induktansi induktor yang digunakan. Besar arus minimum yang dicapai adalah nol.

Vur D L

C RL

VPWM

Vo

V1

3 | R e g u l a t o r T e g a n g a n M o d e S w i t c h i n g

Saat itu dioda masuk keadaan cut-off. Tegangan pada rangkaian akan mengikuti tegangan

outputnya.

Kapasitor berfungsi untuk menjagategangan output tetap dengan menekan tegangan riak.

Muatan dalam kapasitor dikeluarkan saat saklar terputus dan arus pada induktor telah

mencapai nol.

Regulator Tegangan Switching dengan IC

Pengendalian saat saklar terhubung dan terputus sangat menentukan besar tegangan output

dan riaknya. Pengendalian saklar ini dilakukan dengan menggunakan pengendali lebar pulsa

(Pulse Width Modulator). Lebar pulsa yang diberikan diatur mengikuti umpan balik tegangan

pada outputnya seperti ditunjukkan pada Gambar 3. Fungsi pengendalian lebar pulsa dengan

mekanisme umpan balik ini direalisasikan dalam rangkaian terintegrasi (IC).

Gambar 3 Prinsip pengendalian pada Konverter Buck

Rangkaian terintegrasi untuk regulator switching umumnya mempunyai fungsi dasar yang

mencakup rangkaian tegangan referensi, rangkaian osilator, dan rangkaian komparator untuk

pembentuk PWM dengan membandingkan referensi dan tegangan outputnya. Rangkaian

terintegrasi ini juga umumnya telah mempunyai transistor yang berfungsi sebagai saklar untuk

pengendalian arus kecil atau sedang. Untuk pengendalian arus besar dapat ditambahkan

transistor saklar di luar IC tersebut.

Bacaan Lanjut

Data Sheet dan applicatison note IC LM3524

3. Komponen dan Peralatan a. Breadboard

b. Induktor

c. Kapasitor

d. Resistor

e. Transistor

f. IC

g. Resistor metrik

Vo Vur D

L C RL

Pembangkit PWM

4 | R e g u l a t o r T e g a n g a n M o d e S w i t c h i n g

h. Generator Sinyal

i. Osiloskop

j. Multimeter (minimum 2 bh)

k. Catu Daya Ter-regulasi (2 bh)

l. Kabel dan asesori pengukuran

4. Persiapan Bacalah Data Sheet LM3524. Perhatikan cara perhitungan frekuensi osilatornya.

5. Percobaan

Konverter Buck

1. Susunlah rangkaian konverter buck seperti pada Gambar 4 pada breadboard namun

jangan hubungkan dulu generator sinyalnya. Komponen yang digunakan adalah sbb.:

Resistor R1 1k, R2 220, RL 47 5W, Transistor Q BD139, Dioda D 2N5822, Induktor L

220H, Kapasitor C 220F. Tegangan dari sumber tegangan diset pada 9V.

Gambar 4 Rangkaian Percobaan Konverter Buck

2. Hubungkan generator sinyal ke osiloskop, pilih bentuk gelombang persegi. Aturlah

gelombang output tersebut sehingga pulsa yang dihasilkan adalah 0 dan 9V dengan

frekuensi 1kHz. Lalu hubungkan generator sinyal ke rangkaian dengan ground generator

sinyal terpisah dari osiloskop.

3. Gunakan osiloskop untuk mengamati tegangan beban (output, kanal 1) dan tegangan

pada dioda (kanal 2). Gunakan multimeter untuk mengukur tegangan pada beban.

4. Sambil mengubah duty cycle pulsa dari 20% hingga 80% dengan langkah 5% pada

generator sinyal, amati dan catat tegangan DC output pada multimeter dan bentuk sinyal

tegangan output (kanal 1) serta pada (dioda kanal 2). Gunakan fungsi npengukuran pada

osiloskop untuk mengukur tegangan riak pada output.

5. Gantikan induktor L dengan induktansi yang lebih kecil sebesar 100H. Ulangi

pengamatan seperti pada langkah 4 di atas.

6. Kembalikan induktor pada induktansi awal 220H dan ubah kapasitor C menjadi 470F.

Ulangi pengamatan seperti pada langkah 4 di atas.

Vur Q D L

C RL R2

R1 VPWM

5 | R e g u l a t o r T e g a n g a n M o d e S w i t c h i n g

7. Kembalikan kapasitor pada induktansi awal 220F dan ubah frekuensi generator

sinyalmenjadi 5kHz. Ulangi pengamatan seperti pada langkah 4 di atas.

Regulator Tegangan Konverter Buck dengan LM3524

1. Susunlah rangkaian seperti pada pada Gambar 5 di bawah ini pada breadboard. Nilai

komponen yang digunakan sama dengan percobaan sebelumnya, Dioda D 2N5822,

induktor L 220H, Kapasitor C 220H, beban RL 47 5W, tegangan belum teregulasi Vur

9V. Untuk menentukan frekuensi osilator gunakan resistansi RT 5K dan kapasitansi

220nF.

Gambar 5 Rangkaian Percobaan Konverter Buck dengan LM3255

2. Gunakan osiloskop untuk mengamati bentuk tegangan V1 pada dioda dan tegangan riak

pada output Vo dan multimeter untuk mengukur tegangan output Vo.

3. Catat tegangan DC dan riak output, bentuk sinyal pada tegangan dioda dan bentuk sinyal

pada output.

4. Ulangi langkah 3 untuk kapasitansi CT sebesar 50 nF dan 100nF.

5. Kembalikan nilai kapasitansi CT ke 220nF, lakukan pengamatan seperti pada 3 untuk

resistansi umpan balik RF pada nilai 3k, 4k, dan 6k.

6. Kembalikan nilai RF pada nilai 5k, lakukan pengamatan seperti pada 3 tegangan Vur

untuk rentang 7-12V dengan langkah 1V.

6. Analisis dan Diskusi Dengan menggunakan hasil pengamatan dan pengukuran lakukanlah analisis dan diskusikan

hal-hal berikut:

Vur

RL

LM3524

Inv VR

Vin

EB

CB

EA

CA

SD

Comp

NI

Osc

+CL

-CL

RT

CT

Gnd

Vo C D

L

RT CT

V1

5k

5k

5k

5k

RF

VOsc

50k

1nF

6 | R e g u l a t o r T e g a n g a n M o d e S w i t c h i n g

1. Pengaruh masing-masing nilai komponen induktor L dan kapasitor C pada konverter Buck,

serta frekuensi dan lebar pulsa switching pada tegangan output dan riaknya.

2. Apa yang mempengaruhi pemilihan frekuensi dan induktansi pada konverter Buck.

3. Pada rangkaian regulator dengan IC LM3524 apa pengaruh frekuensi dan resistansi

feedback pada tegangan outputnya dan riaknya, apa pengaruh tegangan input Vur pada

duty cycle sinyal PWM.