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. bu ck-boost. Rangkaian lain biasanya mempunyai kinerja ki nerja mirip dengan d engan topologi dasar ini sehingga sering disebut sebagai turunannya. Contoh dari konverter dc-dc dc -dc yang dianggap d ianggap sebagai seb agai turunan rangkaian buck bu ck 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
DC CHOPPER
Vin
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 pa rameter D. Parameter D dikenal diken al sebagai Duty cycle yaitu rasio antara lamanya waktu switch ditutup (ton)dengan perioda T dari
pulsa tegangan keluaran. keluar an.
Gambar 2.3 Tegangan mode switch chopper
...................................................... (2.1) .......................................................
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 pa rameter D. Parameter D dikenal diken al sebagai Duty cycle yaitu rasio antara lamanya waktu switch ditutup (ton)dengan perioda T dari
pulsa tegangan keluaran. keluar an.
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 + +
Vs
VL
+ RL
C
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,
......................................................................................................(2.9)
t2 = L
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 t 2 = (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 = t 1 + 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 Δi L = 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 (half bridge) 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 setengah jembatan. 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 + RL
C
Vs
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
b)
iL = ∫ .................................................................. (2.19)
Saat transistor off : a) Dikarenakan induktor menyimpan energi induktif, maka iL 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)
Boost juga memiliki efisiensi tinggi, rangkaian sederhana, tanpa transformer dan
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 belitan sekunder trafo.
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 = (Vr ef x duty cycle) / per i ode
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 Down , Compare B Pwm = Clear Up 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 dinamakan gate. 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 : R DS(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 masih bisa mengalirkan arus dengan memberikan tegangan gerbang ke sumber. 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 Kemampuan arus
sedang Tinggi pada teg.
Sangat tinggi
Cukupan (sangat
pada nilai tegangan rendah; rendah
(terpengaruh oleh terpengaruh oleh
drop di ujung-
kecepatan
kecepatan
penyakelaran)
penyakelaran
pada teg. tinggi
ujung terminal piranti Rugi penyakelaran Sangat rendah
Rendah sampai
Sedang sampai
sedang
tinggi
(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 register 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 d) Real Time Counter with Separate Oscillator 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) merupak an pin I/O dua arah dan dapat diprogram
sebagai pin masukan ADC. 5)
Port B (PB0…PB7) merupa kan 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 da n 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 register bit , yaitu DDxn, PORTxn, dan PINxn. Huruf „x‟mewaki li 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 register DDRx ( Data Direction Register ) 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 register 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 register 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 (register 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 pass filter digital
j)
Tiga interrupt terdiri dari TX complete, TX data register 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 chanel dari 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. CPU dapat diakses register I/O, termasuk dalam pin-pin I/O dan bit I/O. Device khusus register I/O
dan lokasi bit terdaftar pada deskripsi timer/counter 8 bit.
Gambar 2.31 Gambar diagram blok Timer
a.
Ti min g Di agram 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 clock dan ketika telah mencapai nilai maksimal maka nilai TCNTn akan kembali
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 kenilai 0 (overflow).
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 input negatif 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. Register yang perlu diset nilainya adalah ADMUX ( ADC Multiplexer Selection Register ), ADCSRA ( ADC Control and Status Register ), dan SFIOR (Special Function IO Register ).
ADMUX merupakan register 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 Register ADMUX
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).
