PERANCANGAN RANGKAIAN H-BRIDGE CHOPPER UNTUK SIMULASI
KENDARAAN LISTRIK DENGAN PEMICUAN PWM ANALOG DAN
DIGITAL
Meicky Ari Wibowo*).
Agung Warsito, and Tejo Sukmadi Jurusan Teknik Elektro.
Fakultas Teknik.
Universitas Diponegoro Jl.
Prof.
Sudharto.
Tembalang.
Semarang.
Indonesia Email :meickyariwibowo@gmail.
Abstrak Konverter DC-DC atau DC Chopper adalah aplikasi dari rangkaian elektronika daya.
Salah satu tipe dari DC Chopper yaitu H-Bridge Chopper.
H-Bridge Chopper dapat di aplikasikan pada kendaraan listrik karena dapat bekerja secara bidirectional pada arus maupun tegangan kerjanya.
Kendaraan listrik membutuhkan rangkaian kendali .
yang digunakan untuk mengontrol kecepatan kendaraan listrik.
Pada penelitian tugas akhir ini telah dirancang konverter DCDC untuk simulasi kendaraan listrik bertopologi H-Bridge Chopper menggunakan controller pembangkitan PWM analog dan digital.
Penelitian ini membahas mengenai kuadran kerja dari H-Bridge Chopper dan membahas metode pembangkitan sinyal pemicuan PWM menggunakan controller analog dengan berbasis IC TL 494 dan controller digital dengan berbasis mikrokontroler ATmega8535.
Berdasarkan hasil pengujian menggunakan kontrol PWM digital dengan duty cycle maksimal 80% di dapatkan efisiensi sebesar 89,67% pada mode forward motoring dan saat mode reverse motoring dengan hasil 79,41% serta dapat menghasilkan tegangan charging sebesar 9,12 V.
Pada pengujian menggunakan kontrol PWM analog dengan duty cycle maksimal 80% didapatkan efisiensi sebesar 87,49% pada mode forward motoring, 80,5% pada mode reverse motoring serta dapat menghasilkan tegangan charging sebesar 9,07 V.
Kata kunci: Kendaraan listrik.
H-Bridge Chopper.
Rangkaian Kontrol PWM Abstract DC-DC Converter or DC Chopper is one of application from power electronic circuit.
H-Bridge Chopper is a variant of DC chopper.
H-Bridge Chopper can be applied to electric vehicle because it can work bidirectional in current and H-Bridge Chopper need PWM generation controller to control the magnitude output voltage.
The final project has been designed a simulation module of electric vehicles used H-Bridge Chopper topology with analog and digital PWM generation controller.
This research was discussed the work quadrant of the H-Bridge Chopper and the comparison beetwen the generation of PWM signals used analog controller with IC TL 494 and digital controller with microcontroller ATmega8535.
Based on the experimental result, a digital PWM control with maximum duty cycle 80% got the efficiency of 89.
67% in the forward motoring mode, 79.
41% in reverse motoring mode and produced charging voltage of 9,12V.
When used an analog PWM control with maximum duty cycle 80% got the maximum efficiency of 87,49% in the forward motoring mode, 80,5% in reverse motoring mode and produced charging voltage of 9,07A.
Keywords: Electric vehicle, the H-Bridge Chopper.
PWM generation controller Pendahuluan Konverter DC-DC atau DC Chopper adalah aplikasi dari rangkaian elektronika daya.
DC Chopper sering digunakan sebagai regulator tegangan.
Untuk menurunkan nilai tegangan DC maupun menaikkan nilai tegangan DC, sesuai dengan tipenya.
Salah satu tipe dari DC Chopper yaitu H-Bridge Chopper.
H-Bridge Chopper merupakan DC Chopper yang dapat bekerja secara bidirectional pada arus maupun tegangan kerjanya atau memiliki 4 kuadran kerja, sehingga dapat di aplikasikan pada kendaraan Kendaraan listrik .
lectric vehicl.
adalah kendaraan yang menggunakan satu atau lebih motor listrik sebagai tenaga penggeraknya.
Secara umum kendaraan listrik .
lectric vehicl.
terdapat beberapa komponen utama yaitu baterai .
, motor listrik, rangkaian kendali .
dan rangkaian elektronika daya .
onverter/inverte.
Kendaraan listrik .
lectric vehicl.
membutuhkan rangkaian kendali .
yang digunakan untuk mengatur kecepatan dari kendaraan TRANSIENT.
VOL.
NO.
DESEMBER 2015.
ISSN: 2302-9927, 1047
Pada tugas akhir ini telah dirancang konverter DCDC berbasis rangkaian H-Bridge Chopper dengan menggunakan controller pemicuan PWM analog dan digital untuk simulasi kendaraan listrik.
Penelitian membahas mengenai kinerja dari rangkaian H-Bridge Chopper dengan beban motor listrik DC magnet permanen dan membahas pemicuan PWM menggunakan controller analog dengan IC TL 494 dan controller digital dengan mikrokontroler ATmega8535.
Rangkaian ini menghasilkan sumber tegangan DC 9V,12V dan 15V.
Tegangan 9V berfungsi sebagai suplai untuk rangkaian mikrokontroller , 12V untuk suplai rangkaian pemicuan PWM analog IC TL 494 dan rangkaian driver totem-pole transistor sedangkan tegangan 15V berfungsi sebagai supply rangkaian driver TLP250 .
Rangkaian adjustable voltage power supply merupakan rangkaian power supply dengan tegangan keluaran searah/DC (Direct Curren.
yang dapat diatur besarnya melalui nilai potensiometer yang terletak di antara kaki adjust IC LM317 dengan ground.
Metode Perancangan tugas akhir ini terdiri dari rangkaian penyearah .
trafo CT.
Adjustable voltage power supply , rangkaian H-Bridge Chopper, rangkaian kontrol PWM (Mikrokontroller ATMega8535 dan IC TL .
, rangkaian driver dan isolator pulsa (TLP 250 dan Rangkaian Totempol.
Akumulator dan motor DC.
TRAFO CT
IN5392
OUT
LM317
10 kE/0,5W 500E
IN5392
Suplai AC 1
Akumulator Adjustable Voltage Power Supply LED
GND
Motoring Generating Penyearah H-Bridge Chopper Generating Gambar 3.
Penyearah adjustable voltage power supply.
Trafo CT Rangkaian ini digunakan untuk menyuplai salah satu motor DC sebagai penggerak beban motor DC yang terhubung pada rangkaian H-Bridge Chopper yang bertujuan untuk simulasi saat kendaraan berada pada jalan yang menurun atau pada saat mode generating.
Nilai tegangan keluaran dapat dihitung menggunakan Persamaan .
Rangkaian Pemicuan Motoring PWM
Motor DC
R E
Vout A Vref EE1 A 2 EE
R1 E
Rangkaian Driver Adjustable Voltage Power Supply Dengan Vreff adalah 1,25V didapat.
Gambar 1.
Blok diagram perancangan alat Vout .
A 1,25 C E1 A E
E 220 E
A 1,25V
Perancangan Rangkaian Kontrol
Perancangan Penyearah Gelombang Penuh
Satu Fasa dengan Center Tap
E 5000 E
Vout .
A 1,25 C E1 A E
A 13,75V
Pada rangkaian ini terdapat 2 penyearah satu fasa dengan CT, dioda, regulator tegangan, kapasitor, resistor dan LED seperti yang tertera pada Gambar 2.
9v,12v,15v .
Mikrokontroller ATmega8535
IN 4002
LM78XX
220 AC
1000uF/35V 470uF/50V LED
IN 4002
Gambar 2.
Penyearah gelombang penuh satu fasa CT.
Output Sistem minimum mikrokontroller adalah sebuah rangkaian elektronika sederhana yang terdiri dari komponen-komponen dasar yang dibutuhkan oleh sebuah mikrokontroler agar IC mikrokontroler ATMega8535 dapat berfungsi dengan baik.
Komponen dasar yang dibutuhkan antara lain adalah rangkaian pewer supply, rangkaian sumber clock, dan rangkaian RESET.
TRANSIENT.
VOL.
NO.
DESEMBER 2015.
ISSN: 2302-9927, 1048
12VDC
C 2655
12VDC
10kE / 2 watt
Ke Gate
Mosfet
IC TL494
A 1020
150E /
2 watt 10 nF / 1kE / 2 watt 1,2kE / 2 watt 10kE / 2 watt Gambar 6.
Rangkaian Pemicuan PWM Analog (IC TL.
Gambar 4.
Sistem minimum mikrokontroller ATmega8535 Nilai frekuensi sinyal pemicuan PWM secara digital yang dapat dibangkitkan Timer1 pada mikrokontroller ATmega8535 dapat dihitung menggunakan persamaan .
Keluaran IC TL494 dihubungkan dengan rangkaian totempole untuk memperkuat sinyal PWM yang dihasilkan lalu dihubungkan ke gate MOSFET Rangkaian Driver Rangkaian TLP250 f clk f PWM A 2 C N C TOP Dengan menggunakan nilai Xtal 4059200Hz dan N .
aktor prescalle.
1 didapat f PWM A A 7928Hz
2 C 1 C 256
Rangkaian TLP 250 digunakan untuk mengisolasi dan menguatkan sinyal PWM (Pulse Width Modulatio.
level tegangan 5volt yang dibangkitkan mikrokontroller menjadi level tegangan yang lebih tinggi dengan sistem ground terpisah .
evel tegangan 15.
dan cukup untuk memicu MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transisto.
Liquid Cristal Display dan Keypad 1Kohm Liquid Crystal Display/LCD merupakan suatu media untuk menampilkan informasi dalam bentuk tulisan atau grafik secara visual.
LCD 16x2 ini hanya dapat menampilkan karakter sebanyak 16 karakter pada baris 1
Keypad yang digunakan yaitu keypad 4x4 sebagai input nilai PWM
Tampilan LCD akn menampilkan PWM dan timer
Nilai Duty Cycle Nilai Timer
580ohm / 2watt
0,1uF INPUT
PWM
OUT
GND1
GND2
Gambar 7.
Rangkaian TLP250 Perancangan Rangkaian Daya Perancangan Supply Daya H-Bridge Chopper Dalam perancangan rangkaian supply utama saat mode motoring dibutuhkan sumber tegangan DC yang berasal dari akumulator 12V serta battery 9V pada saat mode H-Bridge Chopper Gambar 5.
Tampilan PWM dan Timer pada pemicuan PWM digital Pemicuan PWM Analog (ICTL.
Rangkaian PWM H-Bridge Chopper menggunakan IC TL494.
DC Chopper yang digunakan pada tugas akhir ini adalah H-Bridge Chopper.
Chopper tipe H-Bridge yang mempunyai karakteristik tegangan keluaran lebih kecil dari tegangan masukan dan mempunyai 4 kuadran kerja.
Spesifikasi H-Bridge Chopper adalah sebagai berikut :
C Tegangan masukan : 12 Vdc C Tegangan keluaran : 12 Vdc C Frekuensi Switchin : 7,9-9,2 kHz C Beban : Motor DC TRANSIENT.
VOL.
NO.
DESEMBER 2015.
ISSN: 2302-9927, 1049
Akumulator Mosfet 1
IRF 9630
MUR
MUR
Mosfet 2
IRF 9630
Port B
Pemicuan PWM
Motor DC
Port A Pemicuan PWM
MUR
MUR
Mosfet 3
IRFZ 44N
Mosfet 4
IRFZ 44N
Gambar 11.
Sinyal PWM IC TL494 probe x1 Gambar 8.
Rangkaian H-Bridge Chopper Pada gambar 8 terlihat GATE MOSFET 1 dan MOSFET 3 terhubung menjadi satu begitu pula GATE MOSFET 2 dan MOSFET 4.
Hal ini bertujuan menyederhanakan port pemicuan menjadi 2 port saja yang bekerja bergantian yang diatur oleh switch .
karena kedua MOSFET mempunyai karakteristik tegangan gate yang sama .
Serta dapat menghindari MOSFET 1 dan 3 tidak bekerja secara bersama karena dapat menyebabkan hubung singkat .
hort circui.
, hal yang sama juga di lakukan pada MOSFET 2 dan 4.
Generating Forward
Motoring Dioda 1
Dioda 4
MOSFET 1
MOSFET 4
MOSFET 2
MOSFET 3
Reverse Motoring Dioda 2 Dioda 3 Generating Gambar 10 dan 11 menunjukkan gelombang keluaran PWM digital dan analog dapat diketahui tegangan maksimal sudah di atas tegangan kerja MOSFET .
ate source voltage /VGS) yaitu 4 Volt.
Ini sudah cukup untuk memicu MOSFET bekerja.
Pengujian H-Bridge Chopper Pemicuan PWM Digital (Mode Motorin.
Pengujian yang dilakukan pada mode ini yaitu mengukur tegangan keluaran, arus keluaran, tegangan masukan, arus masukan dan kecepatan putar menggunakan tachometer dengan variasi duty H-Bridge Chopper saat bekerja pada mode motoring baik saat putaran maju .
dan mundur .
Hasil pengujian H-Bridge Chopper pada mode motoring forward dapat disajikan dalam bentuk tabel seperti terlihat pada Tabel 1 dan Tabel 2 di bawah ini.
Tabel 1.
Pengujian H-Bridge Chopper mode motoring maju .
pemicuan PWM Digital Gambar 9.
Kuadran kerja Rangkaian H-Bridge Chopper Hasil dan Analisa Pengujian Rangkaian Kontrol Pengujian rangkaian kontrol meliputi pengujian keluaran gelombang PWM ATMega8535 .
dan IC TL494(Analo.
Tegangan Keluaran Duty Cycle Ground Gambar 10.
Sinyal PWM ATMega8535 probe x10
Vin
(V)
10,49
10,37
10,25
10,16
10,12
10,03
10,05
10,07
Iin
(A)
0,15
0,18
0,23
0,28
0,31
0,32
0,36
(V)
0,77
1,85
2,94
5,01
6,06
7,05
8,16
8,81
(A)
0,23
0,24
0,25
0,28
0,32
0,36
0,39
0,41
(Rp.
Tabel 2.
Pengujian H-Bridge Chopper mode motoring maju .
pemicuan PWM Analog
Frekuensi
Duty Cycle (%) Duty Cycle (%) 10,91 29,75 41,63 Vin
(V)
9,92
9,08
7,71
7,53
6,98
6,67
Iin
(A)
0,08
0,14
0,17
0,19
0,22
0,26
0,26
(V)
0,59
1,09
1,93
2,54
3,08
3,57
4,68
5,13
(A)
0,06
0,17
0,24
0,26
0,27
0,28
0,29
0,29
(Rp.
TRANSIENT.
VOL.
NO.
DESEMBER 2015.
ISSN: 2302-9927, 1050
Berdasarkan Tabel 1dan 2 terlihat bahwa pada kenaikan duty cycle mempengaruhi nilai dari tegangan dan arus keluaran konverter H-Bridge Chopper serta putaran motor DC.
Hal tersebut juga berlaku pada data pengujian mode motoring mundur .
yang akan di tampilkan pada Tabel 3 dan 4 sebagai berikut :
Tabel 3.
Pengujian H-Bridge Chopper mode motoring mundur .
pemicuan PWM Digital Hasil perhitungan efisiensi pada percobaan mode motoring maju .
pada pemicuan PWM Digital untuk percobaan dengan variasi duty cycle yang lain dapat dilihat pada Tabel 3 di bawah ini:
Tabel 5.
Perhitungan efisiensi H-bridge chopper
motoring forward pemicuan digital Duty Cycle (%) Vin
(V)
10,75
10,43
10,33
10,12
9,95
9,78
9,52
8,79
Iin
(A)
0,14
0,24
0,26
0,27
0,28
0,35
0,36
(V)
-0,063
-1,33
-2,64
-3,68
-4,54
-5,6
-6,1
-6,98
-7,26
(A)
-0,05
-0,23
-0,25
-0,27
-0,29
-0,32
-0,33
-0,35
-0,36
(Rp.
Tabel 4.
Pengujian H-Bridge Chopper mode motoring mundur .
pemicuan PWM Analog
Duty Cycle (%) 9,73 29,87 41,63 61,91 Vin
(V)
9,76
9,05
7,99
7,84
7,35
6,99
6,67
Iin
(A)
0,09
0,16
0,17
0,19
0,21
0,25
0,26
(V)
-0,42
-1,02
-1,39
-2,5
-2,98
-3,74
-4,61
-5,68
(A)
-0,07
-0,21
-0,23
-0,24
-0,25
-0,27
-0,26
-0,26
(Rp.
Berdasarkan hasil pengujian di atas terlihat bahwa pada kenaikan duty cycle mempengaruhi nilai dari tegangan dan arus keluaran konverter H-Bridge Chopper.
Hal ini sesuai dengan teori pada persamaan .
Vo A Vi .
Vo = tegangan output
= tegangan input
= duty cycle Duty Cycle (%) Pin
(W)
1,07
1,5735
1,8666
2,3575
2,8448
3,1372
3,2096
3,618
4,028
Pout
(W)
0,077
0,4255
0,7056
1,4028
1,9392
2,538
3,1824
3,6121
Efisiensi
(%)
7,20
27,04
37,80
42,42
49,31
61,81
79,08
87,96
89,67
Begitu juga hasil perhitungan efisiensi pada percobaan mode motoring mundur .
pada pemicuan PWM Digital untuk percobaan dengan variasi duty cycle yang lain dapat dilihat pada Tabel 4 di bawah ini:
Tabel 6.
Perhitungan efisiensi H-bridge chopper
motoring reverse pemicuan digital Duty Cycle (%) Pin
(W)
1,505
2,086
2,4792
2,6312
2,6865
2,7384
2,856
3,0765
3,06
Pout
(W)
0,00315
0,3059
0,66
0,9936
1,3166
1,792
2,013
2,443
2,6136
Efisiensi
(%)
0,21
14,66
26,62
37,76
49,01
65,44
70,48
79,41
85,41
Artinya apabila tegangan input mendekati konstan, maka tegangan output akan meningkat proporsional terhadap kenaikan duty cycle Perhitungan Efisiensi H-Bridge Chopper PWM Digital Berdasarkan hasil pengujian pada mode motoring dapat dilakukan perhitungan efisiensi H-Bridge Chopper , dengan menggunakan Persamaan .
Dimana:
Pin = Vin x Iin Pout = Vout x Iout Pout Pin Gambar 12.
Grafik perbandingan efisiensi PWM Analog dan Digital mode Forward Motoring Berdasarkan Gambar 12 terlihat bahwa kurva efisiensi HBridge Chopper pada mode motoring yaitu proporsional terhadap duty cycle efisiensi terbaik didapat dari pengujian duty cycle 0,9 yaitu sebesar 89,67 % pada mode forward motoring dan sebesar 85,41 % pada mode reverse TRANSIENT.
VOL.
NO.
DESEMBER 2015.
ISSN: 2302-9927, 1051
Perhitungan Efisiensi Pemicuan PWM Analog H-Bridge Chopper Hasil perhitungan efisiensi pada percobaan mode motoring maju .
pada pemicuan PWM Analog untuk percobaan dengan variasi duty cycle yang lain dapat dilihat pada Tabel 7 di bawah ini:
Tabel 7.
Perhitungan efisiensi mode motoring forward
pemicuan PWM analog
Duty Cycle (%) 10,91 29,75 41,63 Pin
(W)
0,7936
0,908
1,204
1,3107
1,4307
1,5356
1,7342
1,7004
Pout
(W)
0,0354
0,1853
0,4632
0,6604
0,8316
0,9996
1,3572
1,4877
Efisiensi
(%)
4,46
20,40
38,47
50,38
58,12
65,09
78,26
87,49
Begitu juga hasil perhitungan efisiensi pada percobaan mode motoring mundur .
pada pemicuan PWM Digital untuk percobaan dengan variasi duty cycle yang lain dapat dilihat pada Tabel 8 di bawah ini:
Tabel 8.
Perhitungan efisiensi mode motoring pemicuan PWM analog
Duty Cycle (%) 9,73 29,87 41,63 61,91 Pin
(W)
0,8784
0,905
1,2784
1,3328
1,3965
1,4679
1,6675
1,56
Pout
(W)
0,0294
0,2142
0,3197
0,745
1,0098
1,1986
1,3468
Pengujian Mode Generating Penyearah Adjustable Voltage Power Supply.
juga menggunakan variasi duty cycle.
digunakan untuk membuktikan kinerja rangkaian H-Bridge Chopper dapat mengalirkan arus charging saat simulasi kendaraan berjalan pada jalan turunan.
Hasil pengujian generating H-Bridge ditampilkan pada tabel di bawah ini :
Tabel 9.
Berdasarkan Gambar 13 terlihat bahwa kurva efisiensi HBridge Chopper pada mode motoring yaitu proporsional terhadap duty cycle yang digunakan.
Semakin besar duty cycle semakin tinggi efisiensi H-Bridge Chopper, oleh karena itu efisiensi terbaik didapat dari pengujian duty cycle 0,80 yaitu sebesar 87,49% pada mode forward motoring dan 80,5 % pada mode reverse motoring.
Vin LM 317
(V)
8,63
9,41
10,57
11,04
11,59
12,15
12,83
VCharging (V) 7,82 8,25 8,41 9,12 Duty cycle (%) VLM317
(V)
9,18
9,68
10,59
10,83
11,75
12,29
12,54
11,75
mode generating ICharging (V) -0,03 -0,03 -0,04 -0,04 -0,05 -0,08 -0,11 -0,13 (Rp.
mode generating VCharging (V) 8,04 8,29 8,61 8,85 9,07 8,61 ICharging (A) -0,01 -0,03 -0,03 -0,04 -0,08 -0,1 -0,12 -0,08 Efisiensi terbaik pada pemicuan PWM digital didapat dari pengujian duty cycle 0,8 yaitu sebesar 14,43% pada pemicuan PWM analog didapat dari pengujian duty cycle 0,8 diperoleh nilai efisiensi yaitu sebesar 12,76 %.
Gambar 13.
Grafik perbandingan efisiensi PWM analog dan digital mode reverse motoring Duty Cycle (%) Tabel 10.
Pengujian H-Bridge Chopper
pemicuan PWM Analog
Efisiensi
(%)
3,34
23,66
25,00
45,01
53,34
68,79
71,88
Pengujian H-Bridge Chopper pemicuan PWM Digital Chopper Kesimpulan Perancangan, pengujian dan analisa Modul Praktikum HBridge Chopper Dengan Pemicuan PWM Analog dan Digital Untuk Simulasi Kendaraan Listrik (Electric Vehicl.
, maka dapat diperoleh beberapa kesimpulan sebagai berikut:
Rangkaian H-Bridge Chopper dapat melakukan kuadran kerja motoring yaitu mode maju .
dan mundur .
serta dapat melakukan kuadran kerja generating saat simulasi kendaraan pada jalan Efisiensi dari Rangkaian H-Bridge Chopper berbanding lurus terhadap duty cycle.
Semakin besar nilai duty cycle maka akan semakin besar pula tegangan keluaran dan arus keluaran rangkaian HBridge Chopper serta putaran motor DC.
TRANSIENT.
VOL.
NO.
DESEMBER 2015.
ISSN: 2302-9927, 1052
Pembangkitan PWM Digital pada mikrokontroller ATMega8535 dilakukan dengan mode yang dapat diatur seperti fast PWM dan fast correct PWM sedangkan pembangkitan PWM analog pada IC TL494 dilakukan dilakukan dengan membandingkan gelombang gigi gergaji sebagai tegangan carrier dengan gelombang DC sebagai tegangan referensi .
Pada pengujian menggunakan kontrol PWM digital dengan range duty cycle 10-80% di dapatkan efisiensi maksimal yaitu sebesar 89,67% pada mode forward motoring pada tegangan 8,16 V dan arus 0,39 A dan sebesar 79,41 % pada tegangan -7,26 V dan arus -0,36 A saat mode reverse motoring.
Serta dapat menghasilkan tegangan charging maksimal sebesar 9,12 V dan arus charging sebesar -0,13 A.
Pada pengujian menggunakan kontrol PWM Analog dengan range duty cycle 10-80% di dapatkan efisiensi maksimal yaitu sebesar 87,49% pada mode forward motoring pada tegangan 5,13 V dan arus 0,29 A dan 80,5% tegangan -5,68 V dan arus -0,26 A pada mode reverse motoring serta dapat menghasilkan tegangan charging maksimal sebesar 9,07 V arus charging sebesar -0,12 A.
Referensi