DC Choppers

5/21/2018 DC Choppers

1/24

DC Choppers

Pendahuluan

DC Choppers umumnya banyak digunakan pada aplikasi aplikasi industri,

ini dikarenakan DC Choppers dapat mengubah sumber tegangan DC yang tetap

menjadi tegangan DC yang variabel. Karena DC Choppers mengubah secara

langsung dari tegangan DC ke DC dan biasa disebut DC DC Converter.

Penggunaan chopper sangat luas mulai dari pengontrolan putaran motor,

kereta troli, pengangkat sauh kapal, truk pengangkat barang, dll. Alat alat yang

digunakan ini umumnya harus memiliki pengontolan akselarasi yang bagus,

efisiensi yang tinggi dan respon yang cepat.

Klasifikasi Chopper

Step down chopper hanya diperbolehkan mengalirkan arus dari sumber ke

beban, hal ini disebut chopper tipe A.

Berdasarkan arah arus dan tegangan, chopper dapat diklasifikasikan atas 5

jenis yaitu:

a. Chopper Tipe Ab. Chopper Tipe B

c. Chopper Tipe C

d. Chopper Tipe D

e. Chopper Tipe E


2/24

Gambar a. Klasifikasi Chopper

A. Chopper Tipe A

Chopper Tipe A merupakan untai yang terdiri dari rangkaian beban dan

free wheeling dioda.

Saat chopper ON, tegangan masukan V menuju beban vo = V dan arus io

mengalir seperti pada gambar. Arus beban akan mengalir masuk menuju beban.

Kedua tegangan beban dan arus beban adalah positif.

Saat chopper OFF, vo = 0 dan arus beban mengalir menuju free wheeling

dioda dengan arah yang sama. Dengan begitu tegangan keluaran (vo) dan arus

keluaran (io) selalu positif.

Ini adalah kuadran pertama dari chopper dan biasa disebut juga

sebagai operasi penyearah. Chopper tipe ini merupakan jenis step down

chopper yang daya nya selalu mengalir dari sumber ke beban. Ini digunakan

untuk mengatur kecepatan dc motor.


3/24

Gambar b.1 Chopper Tipe A dan Karakteristik vo - io

Gambar b.2 Chopper Kuadaran Pertama Sinyal Tegangan dan Arus Keluaran

B. Chopper Tipe B

Gambar c.1 Untai Chopper Tipe B


4/24

Saat chopper ON vo= 0 dan E mengalirkan arus io menuju L dan R dalam

arah yang berbeda seperti gambar diatas. Selama periode ON induktansi L

menyimpan energi.Saat chopper OFF dioda D aktif, vo= V dan energi yang tersimpan pada

induktor L kembali ke sumber. Arus iomengalir dari beban ke sumber maka

tegangan keluaran itu positif dan arus keluaran negatif.

Chopper tipe B bekerja pada kuadran kedua. Dimana energi mengalir dari

beban ke sumber. Chopper tipe B digunakan sebagai pengereman motor DC

secara regeneratif. Gambar c.3 menunjukan gelombang dari tegangan dan arus

keluaran dari Chopper tipe B.

Selama dioda D menghantarkan tegangan (Chopper dalam keadaan OFF)

persamaannnya adalah

Gambar c.2 Chopper tipe B saat OFF

Sehingga (t) = pada t = 0Persamaan diatas sebanding dengan copper step down dengan beban RL

Maka (t) = ( ) + 0< t <

Pada t = (t) =

= ( ) + +


5/24

Sehingga t = 0; io (t) = ImaxPersamaan untuk kondisi ini adalah

(t) = ( ) t

Pada (t) Maka (

)

Gambar c.3 Chopper tipe Bgelombang tegangan dan arus keluaran

Saat Chopper dalam kondisi ON persamaan tegangan menjadi :


6/24

C. Chopper Tipe C

Chopper tipe C adalah gabungan dari chopper tipe A dan B. Gambar

dibawah menunjukan untai Chopper tipe C kuadran dua. Pada kuadaran

pertama, CH1 dalam kondisi ON, D2 menghantar (aktif). Pada kuadran dua CH2

dalam kondisi ON, D1 aktif. Saat CH1 dalam kondisi ON, arus ioadalah positif

dan mengalir dalam arah seperti pada Gambar d.1 . Tegangan keluaran sama

dengan V (vo= V) dan beban menerima daya dari sumber.

Gambar d.1 Chopper tipe C

Saat CH1 dalam kondisi OFF, energi yang tersimpan di induktan L

mengalirkan arus menuju dioda D2 dan tegangan keluaran vo = 0, tetapi io

mengalir menuju arah positif. Saat CH2 terpicu (ter-trigger), tegangan sumber E

mengalirkan arus iomenuju arah yang berlawanan menuju L dan CH2 , tegangan

keluaran vo=0.

Saat CH2 menjadi OFF, energi yang tersimpan pada induktan mengalirkan

arus menuju dioda D1 dan supply, tegangan keluaran sama dengan vo= V dan

arus input menjadi negatif serta daya mengalir dari beban ke sumber.

Sehingga tegangan keluaran vo adalah positif tetapi arus keluaran iobisa

bernilai positif ataupun negatif. Chopper CH1 dan CH2 tidak bisa ON

bersamaan. Karena dapat mengakibatkan supply konslet. Chopper tipe C dapat

digunakan sebagai kontrol motor DC dan sebagai pengereman motor DC secara

regeneratif.


7/24

D. Chopper Tipe D

Gambar e.1 Chopper tipe D

Gambar diatas menunjukan untai chopper kelas D kuadran 1 dan 4. Saat

CH1 dan CH2 terpicu bersamaan, tegangan keluaran vo= V dan arus keluaran io

mengalir menuju beban dengan arah seperti pada gambar.

Saat CH1 dan CH2 OFF, arus io mengalir menuju beban, D1 dan D2,

energi tersimpan pada induktor L, tetapi tegangan keluaran vo= -V. Tegangan

vo positif jika periode saat chopper pada kondisi ON (tON) lebih besar saat

Gambar d.2 Chopper tipe Cgelombang tegangan dan arus keluaran


8/24

kondisi OFF (tOFF). Begitu juga sebaliknya. Oleh karena itu arus beban selalu

menuju positif tapi tegangan bisa positif atau negatif.

Gambar e.2 Gelombang tegangan dan arus keluaran saat tON> tOFF


9/24

E. Chopper Tipe E

Gambar e.3 Gelombang tegangan dan arus keluaran saat tON


10/24

Gambar f.2 Operasi Kuadran Empat

Gambar f.1 diatas menunjukan untai chopper tipe E empat kuadran. SaatCH1 dan CH4 terpicu arus keluaran io mengalir menuju positif seperti pada

gambar menuju CH1 dan CH4, dengan tegangan keluaran vo = V. Itu

merupakan operasi kuadran pertama.

Saat CH1 dan CH4 dalam kondisi OFF energi yang tersimpan pada

induktor L mengalirkan arus io menuju D3 dan D2 dalam arah yang sama

(positif), tetapi tegangan keluaran vo = -V. Itu chopper bekerja pada kuadran

keempat. Agar kuadran keempat berfungsi maka sumber (baterai) harus reverse.

Saat CH2 dan CH3 terpicu arus beban iomengalir dalam arah sebaliknya

dan tegangan keluaran vo = -V. Saat io dan vo negatif, chopper bekerja pada

kuadran ketiga.

Saat CH2 dan CH3 dalam kondisi OFF, arus beban iomengalir dalam arah

yang sama menuju D1 dan D4 serta tegangan keluaran vo=V. Maka chopper

bekerja pada kuadran kedua saat vopositif tetapi ionegatif.

Regulator Mode Pensaklaran

Chopper dc dapat digunakan sebagai regulator mode pensaklaran

untuk mengubah tegangan dc yang tidak teregulasi menjadi tegangan dc

yang teregulasi. Regulasi tidak biasa dicapai melalui pulse width modulation

pada frekuensi tetap dan devais pensaklaran biasanya menggunakan BJT,


11/24

MOSFET, atau IGBT. Elemen regulator mode pensaklaran ditunjukkan

gambar 2-a. Kita dapat melihat dari gambar 1-b bahwa tegangan keluaran

chopper dc dengan beban resistif tidak kontinu dan mengandung harmonisa.

Adanya ripple biasanya dapat dikurangi dengan filter LC.

Gambar 1

Regulator pensaklaran dapat ditemukan dalam bentuk rangkaian

terintegrasi. Perancangan dapat memilih nilai R atau C oscillator frekuensi.

Untuk memaksimalkan frekuensi, periode oscillator minimum kira kira100

kali lebih lama bila dibandingkan dengan waktu pensaklaran transistor,

misalnya : bila transistor memiliki waktu pensaklaran 0,5 s, periode

oscillatornya adalah 0,5 s yang memberikan frekuensi oscillator

maksimum 20 kHz. Batasan ini disebabkan adanya kehilangan pensaklaran

pada transistor. Rugi pensaklaran pada transistor meningkat dengan

frekuensi dan akibatnya efisiensi akan menurun.


12/24

Gambar 2

Ada empat jenis topologi dasar regulator pensaklaran :

1. Regulator Buck2. Regulator Boost3. Regulator Buck Boost4. Regulator Cuk

1. Regulator BuckPada regulator buck, tegangan keluaran rata rata Va lebih kecil

dibandingkan tegangan masukan Vs. Cara kerja rangkaian dapat dibagi menjadi

dua mode. Mode 1 dimulai saat transistor Q1on, pada t=0. Arus masukan yang

meningkat mengalir melalui filter induktor L1 dan kapasitor C1 dan beban

resistor R. Mode 2 dimulai pada saat transistor Q1 off pada t=t1. Diode

freewheeling Dm terhubung karena energi yang tersimpan pada induktor dan

arus induktor tetap mengalir melalui L1,C1, beban dan diode Dm. Arus induktor

turun sampai transistor Q1di on kan kembali pada siklus berikutnya. Rangkaian

untuk kerja mode mode tersebut ditunjukkan pada gambar 3b. Bentuk

gelombang untuk arus dan tegangan dapat dilihat pada gambar 3c untuk arus


13/24

tetap yang mengalir pada induktor L1. Bergantung pada frekuensi pensaklaran,

induktansi filter dan kapasitansi, arus induktor dapat menjadi tidak kontinu.

Gambar 3 Regulator Buck

Arus yang melalui induktor L dirumuskan dapat diasumsikanbahwa arus induktor akan naik dari I1ke I2pada saat waktu t1:

atau

Dan jika arus induktor turun secara linier dari I2ke I1pada saat t2,

Dengan adalah arus ripple puncak ke puncak induktor L.Dengan menyamakan nilai maka didapat :

Substitusi t1= kT dan t2 = (1-k)T menghasilkan tegangan keluaran rata

rata

Dengan mengasumsikan bahwa rangkaian tidak mengalami rugi rugi,

dan arus masukan ratarata Periode pensaklaran T dapat dinyatakan sebagai berikut

Yang memberikan arus ripple puncak ke puncak

Dengan hukum arus Kirchhoff, kita dapat menuliskan arus induktor

bila kita kita asumsikan bahwa arus ripple beban sangat kecil


14/24

dan bisa diabaikan, . Arus kapasitor rata rata yang mengalir selama

adalah

. Tegangan kapasitor dinyatakan dengan

Dan tegangan ripple puncak ke puncak kapasitor adalah

Gambar 3b


15/24

Gambar 3c

Regulator buck hanya memerlukan sebuah transistor, sangat

sederhana dan memiliki efisiensi yang lebih dari 90%. atau arus bebandibatasi oleh induktor L. Namun demikian, arus masukantidak kontinu dan

filter masukan biasanya dibutuhkan. Regulator buck memiliki satu polaritas

tegangan keluaran dan arus keluaran yang unidirectional dan memerlukan

rangkaian pelindung untuk kemungkinan adanya hubung singkat.

2. Regulator BoostBoost regulator memiliki tegangan output yang lebih tinggi dari

tegangan output. Rangkaian ini menggunakan power MOSFET sebagai

komponen switchingnya seperti yang ditunjukan gambar 4a. Rangkaian ini

bekerja pada 2 mode. Mode 1 dimulai jika transistor M1 di On kan pada t = 0.

Arus input akan naik ketika melewati inductor L dan transistor. Mode 2


16/24

dimulai pada saat transistor M1 Off pada saat t = t1, arus akan tetap melewati

transistor dan juga akan melewati L, C, beban, dan diodeDm.

Arus yang melewati induktor dapat diasumsikan naik dari I1 ke I2 pada

waktu t1

Dan arus induktor turun secara linier dari I2ke I1pada saat t2

Dengan

adalah arus ripple puncak ke puncak induktor L

sehingga didapat

Substitusi dan menghasilkan tegangan keluaran

ratarata

Regulator Boost dapat menaikkan tegangan keluaran tanpa memmerlukan

trafo. Karena memiliki satu buah transistor, regulator ini memiliki efisiensi

yang tinggi. Arus masukan kontinu, namun arus puncak yang tinggi mengalir

melalui transistor. Tegangan keluaran sangat sensitif terhadap perubahan duty

cycle k dan sangat sulit untuk menstabilkan regulator. Arus keluaran rata rata

lebih kecil dibandingkan dengan arus induktor rata rata oleh faktor (1 k) dan

banyak arus rms yang lebih tinggi akan mengalir melalui filter kapasitor,

menghasilkan penggunaan filter kapasitor dan induktor yang lebih besar

dibandingkan regulator buck.


17/24

Gambar 4

3. Regulator BuckBoostBuck boost regulator menghasilkan tegangan output yang lebih tinggi

atau lebih rendah dari tegangan output. Pada tegangan output polaritasnya

berbeda dengan polaritas tegangan input. Regulator seperti ini biasanya


18/24

disebut regulator inverting. Skema rangkaian buck boost regulator

dapat dilihat pada gambar 5a.

Rangkaian ini juga dapat bekerja dalam 2 mode. Selama mode 1

transistor Q1 akan On dan diode Dm akan mendapakan bias mundur

(reverse bias). Arus input akan naik, arus kan mengalir ke induktor L dan

transistor Q1 Pada waktu mode 2, transistor Q1 akan Off begitu pula

denga inductor L arus tidak akan mengalir.

Arus yang melewati induktor dapat diasumsikan naik dari I1 ke I2 pada

waktu t1

Dan arus induktor turun secara linier dari I2ke I1pada waktu t2

Dengan adalah arus ripple puncak ke puncak induktor Lsehingga didapat

Substitusi dan menghasilkan tegangan keluaran

ratarata

Gambar 5a. Skema rangkaian buck boost regulator


19/24

Gambar 5b. Skema Rangkaian Equivalent Circuit

(c).Waveforms

Gambar 5c. Gelombang

Regulator buck boost menghasilkan tegangan keluaran yang

terbalik tanpa trafo. Regulator ini memiliki efiseiansi yang tinggi. Bila kondisi

transistor rusak, arus dibatasi oleh induktor L akan menjadi .Perlindungan keluaran terhadap hubung singkat mudah diimplementasikan.


20/24

Namun arus masukannya tidak kontinu dan arus puncak yang melalui transistor

Q1juga tinggi.

4. Regulator CukUmumnya rangkaian cuk regulator mengunakan power BJT sebagai

komponen switching seperti terlihat pada gambar 6a. Seperti halnya buck

boost regulator, cuk regulator juga menghasilkan tegangan output yang

tinggi dan juga rendah dari pada input, tapi polaritas tegangan output sama

dengan polaritas tegangan input.

Rangkaian ini juga dapat bekerja dengan 2 mode. Mode 1 dimulai ketika

transistor Q1 di On kan pada saat t = 0. Arus pada induktor L1 akan naik,

pada saat yang bersamaan tegangan pada kapasitor C1 akan memberikan

bias mundur pada diode Dm. Kapasitor C1 akan mengisi kembali energi

ysng telah melewati C1, C2, beban, dan L2.

Mode 2 dimulai ketika transistor Q1 di Off kan pada saat t = t1.

Kapasitor C1 akan terisi langsung dari suplai input, dan energi akan disimpan

pada induktor L2 yang kemudian dialirkan kebeban. Arus yang melewati

induktor L1dapat diasumsikan naik dari IL11ke IL12pada waktu t1:

Karena muatan kapasitor C1, arus induktor L1turun secara linear dari IL12

ke IL11pada waktu t2:

Nilai VC1adalah tegangan rata

rata kapasitor C1dan maka :

Substitusi dan menghasilkan tegangan rata rata

kapasitor C1


21/24

Dengan mengasumsikan arus filter induktor L2meningkat secara linear

dari IL21ke IL22pada waktu t1maka :

Dan arus induktor L2turun secara linear dari IL22ke IL21pada waktu t2 :

Dengan maka didapatkan

Substitusi dan menghasilkan tegangankapasitor C1adalah

Sehingga didapatkan nilai dari tegangan keluaran ratarata adalah :


22/24

Gambar 6a dan 6c

Regulator cuk didasarkan pada pemindahan energi dari kapasitor.

Akibatnya arus masukan menjadi kontinu. Rangkaian memiliki rugi

pensaklaran yang rendah dan memiliki efisiensi yang tinggi. Pada saat

transistor Q1on, ia membawa arus induktor L1dan L2. Akibatnya arus puncak

yang tinggi mengalir melalui transistor Q1. Karena kapasitor mengakibatkan

transfer energi, arus ripple kapasitor C1juga menjadi tinggi. Rangkaian ini juga

memerlukan kapasitor dan induktor tambahan.

Gambar 6c


23/24

Kesimpulan

1. DC Chopper terbagi dalam 5 tipe.2. Chopper tipe A ini merupakan jenis step down chopper yang daya nya selalu

mengalir dari sumber ke beban. Digunakan untuk mengatur kecepatan dc

motor. Serta merupakan chopper kuadaran pertama,

3. Chopper tipe B bekerja pada kuadran kedua. Dimana energi mengalir daribeban ke sumber. Chopper tipe B digunakan sebagai pengereman motor DC

secara regeneratif.

4.

Chopper tipe C adalah gabungan dari chopper tipe A dan B.5. Chopper tipeD bekerja pada kuadran 1 dan 4.6. Chopper tipeE bekerja pada 4 kuadran.7. Regulator buck hanya memerlukan sebuah transistor, sangat sederhana dan

memiliki efisiensi yang lebih dari 90%. atau arus beban dibatasi olehinduktor L. Namun demikian, arus masukantidak kontinu dan filter masukan

biasanya dibutuhkan. Regulator buck memiliki satu polaritas tegangan

keluaran dan arus keluaran yang unidirectional dan memerlukan rangkaian

pelindung untuk kemungkinan adanya hubung singkat.

8. Regulator Boost dapat menaikkan tegangan keluaran tanpa memmerlukantrafo. Karena memiliki satu buah transistor, regulator ini memiliki efisiensi

yang tinggi. Arus masukan kontinu, namun arus puncak yang tinggi mengalir

melalui transistor. Tegangan keluaran sangat sensitif terhadap perubahan duty

cycle k dan sangat sulit untuk menstabilkan regulator. Arus keluaran rata

rata lebih kecil dibandingkan dengan arus induktor rata rata oleh faktor (1k)

dan banyak arus rms yang lebih tinggi akan mengalir melalui filter kapasitor,

menghasilkan penggunaan filter kapasitor dan induktor yang lebih besar

dibandingkan regulator buck.

9. Regulator buck boost menghasilkan tegangan keluaran yang terbalik tanpatrafo. Regulator ini memiliki efiseiansi yang tinggi. Bila kondisi transistor

rusak, arus dibatasi oleh induktor L akan menjadi . Perlindungankeluaran terhadap hubung singkat mudah diimplementasikan. Namun arus


24/24

masukannya tidak kontinu dan arus puncak yang melalui transistor Q1 juga

tinggi.

10. Regulator cuk didasarkan pada pemindahan energi dari kapasitor. Akibatnyaarus masukan menjadi kontinu. Rangkaian memiliki rugi pensaklaran yang

rendah dan memiliki efisiensi yang tinggi. Pada saat transistor Q1 on, ia

membawa arus induktor L1 dan L2. Akibatnya arus puncak yang tinggi

mengalir melalui transistor Q1. Karena kapasitor mengakibatkan transfer

energi, arus ripple kapasitor C1 juga menjadi tinggi. Rangkaian ini juga

memerlukan kapasitor dan induktor tambahan.

Documents

DC Choppers