Cara Kerja Buck Converter, Bagaimana DC DC Converter Step Down bisa menurunkan tegangan?

How Buck Converter Work??

Dalam kehidupan sehari-hari, kita sering menemukan komponen elektrnika yang membutuhkan catu daya dengan tegangan yang berbeda-beda. ada yang butuh 12 VDC, ada yang butuh 5 VDC dan banyak lagi yang lainnya. untuk bisa memenuhi kebutuhan tersebut, maka diperluka ada suatu perangkat tambahan yang bisa menyuplai tegangan sebesar itu, salah satunya adalah Buck Converter. 

Bunck converter merupakan salah satu rangkaian konversi listrik dari listrik DC ke DC. yaitu dengan mengubah nilai output dc menjadi lebih kecil dari tegangan input atau bisa juga disebut sebut sebagai penurun tegangan DC (DC Step Down). Rangkaia buck converter bisa dilihat pada gambar berikut

Gambar 1. Rangkaian Buck Converter Sederhana 

Jadi didalam rangkaian buck converter terdapat beberapa komponen yaitu :

1.    1.  Supply (Battetery)

2.    2.  Komponen switch. Disini saya menggunakan mosfet

3.    3.  Induktor

4.    4. Dioda

5.    5. Kapasitor

6.    6. Pengatur pwm (pengendali switch)  

Dalam gambar tersebut, buck converter merubah tegangan input sebesar 12VDC menjadi 5VDC pada tegangan output. Bagaimana converter ini bekerja sehingga bisa menyebabkan tegangannya menjadi lebih kecil? Mari kita simak penjelasan berikut

       Jika kita memiliki sumber tegangan DC, Katakanlah kita punya baterai dan sebuah saklar yang dirangkai secara seri, kemudian saklar itu dinyalakan dan dimatikan secara berkala, akan didapatkan sinyal PWM (Pulse Width Modulation). Perbandingan Jumlah waktu aktif saklar dalam posisi dinyalakan terhadap periode sinyal disebut sebagai duty cycle. 

(gambar 2a gambaran rangkaian batteray denngan sebuah saklar, sedangkan gambar 2b adalah ilustrasi output ketika sklar pada gambar 2a kita On dan Off kan secara berkala) 

Duty cycle dinyatakan dalam satuan presentase (%).  Jika saklar on dalam waktu yang lama maka duty cycle akan meningkat. Sebaliknya jika saklar on dalam waktu yang singkat, duty cycle akan menurun. Output dari buck converter ini nanti ditentukan oleh nilai duty cycle yang digunakan.

Jika kita mengatur duty cycle sebesar 50%, maka output dari buck converter adalah setengan dari input tegangan. Ini terjadi berdasarkan persamaan berikut.

Vout (V) = Vin (V) * Duty Cycle (%)

Dimana

Vout (V)  : Tegangan output (Volt)

Vin  (V)    : Tegangan input (Volt)

Duty cycle : Jumlah waktu On selama satu periode

Untuk mencari nilai duty cycle bisa didapatkan dari persamaan berikut. 

Duty Cycle (%) = (Ton / (Ton + Toff)) * 100

Dimana 

Ton  = waktu saklar on dalam satu periode 

Toff  = Waktu saklar off dalam satu periode 

Untuk alasan efisiensi, kita akan mengganti saklar dengan sebuah electrical switch salah satunya adalah MOSFET. MOSFET ini nantinya akan dikontrol oleh signal PWM. Untuk menghasilkan sinyal PWM kita bisa menggunakan rangkaian analog maupun rangkaian digital.  

Jika hanya menggunakan Mosfet kita hanya akan mendapatkan hasil tegangan puncak dan tegangan 0V, outputnya masih belum stabil seperti pada gambar 2b. Padahal tujuan dari rangkaian ini adalah untuk mendapatkan hasil tegangan yang stabil.

Untuk mengurangi ketidakstabilan maka ditambahkan induktor yang dipasang secara seri terhadap beban. Induktor akan menjaga arus konstan yang melaluinya.

Saat Swich dalam keadaan Closes, arus akan mulai mengalir melalui rangkaian. untuk menahan aliran ini, induktor menurunkan tegangan di ujung lain ke nol untuk menciptakan tegangan yang sama dan berlawanan dengan baterai. ini dimungkinkan karena medan magnet yang dihasilkan dalam induktor. tetapi induktor tidak dapat menahannya untuk waktu yang lama, sehingga arus mulai mengalir dan tegangan di ujung yang lain mulai naik juga, induktor mulai menyimpan energi dalam medan magnetnya. setelah beberapa waktu medan magnet stabil dan induktor akan bertindak sebagai saklar tertutup yang memungkinkan arus maksimum mengalir. Sekarang jika switch terbuka dan tidak ada sumber untuk supplay arus maka arus akan mulai turun. Kita tahu bahwa arus yang melalui induktor tidak bisa berubah secara instan. karenanya, sekarang induktor bertindak sebagai pemasok arus baterai,ini juga tidak bertahan lama dan perlahan-lahan kehabisan energi. Ketika bagian induktor yang terhubung dengan kaki MOSFET terbuka, elektron akan menumpuk dibagian ini menciptakan tegangan negative yang tinggi (gambar 3b yang ditunjuk anak panah), kondisi ini bisa merusak komponen. jadi disini ditambahkan drop tegangan rendah, dioda schottky untuk membuat jalur elektronik.

Mesti demikian, tegangan pada beban masih memiliki lonjakan tegangan tinggi. karenanya, perlu meningkatkan frekuensi sinyal pwm, sehingga tegangan dan arus pada induktor menjadi lebih stabil. Inilah alasan mengapa mode switch pada power supply menggunakan frequensi tinggi.  

Untuk lebih menghaluskannya, kami menambahkan kapacitor dan dirangkai secara paralel terhadap output. Kapasitor menjaga beda potensial yang melewatinya agar tetap konstan, untuk itu ia mengubah arus yang melaluinya. 

Ketika switch tertutup, tegangan akan meningkat menjadi 5 volts. untuk menahan keadaan ini, kapasitor mengalirkan arus melalui dirinya sendiri dengan menaikkan terminal lain menjadi 5 volt. ini dimungkinkan karena adanya medan listrik yang dihasilkan dalam kapasitor. tetapi tidak dapat mengalirkan arus untuk waktu yang lama. karena pelat mendapat muatan, sehingga arus berkurang, dan tegangan di ujung yang lain mulai turun ke ground. Saat itu kapasitor mulai menyimpan energi pada plat-plat kapasitor. setelah beberapa waktu pelat terisi penuh, sehingga tidak ada arus yang dapat mengalir, dan kapasitor bertindak sebagai sakelar terbuka.

Sekarang jika kita membuka switch, tidak ada sumber tegangan dan tegangan mulai turun. Tetapi kita tahu bahwa tegangan yang melewati kapasitor tidak bisa beruba secara instan. karenanya, sekarang kapasitor bertindak sebagai baterai yang memasok arus. tetapi perlahan-lahan kehabisan energi, dengan demikian aliran arus berkurang dan setelah beberapa waktu berhenti, tegangan akan turun.

Ini adalah cara kerja rangkaian buck converter yang paling sederhana. Sekarang kita sudah mengerti bagaimana raangkaian dc dc converter menurunkan tegangan pada bagian outputnya.

Tapi ada suatu masalah, jika beban berubah maka tegangan yang melewati beban juga berubah. Jadi kita perlu untuk menambahkan rangkaian feedback untuk mengubah duty cycle dari sinyal PWM yang dihubungkan dengan beban. Untuk penjelasan tentang feed back dan cara menggenerate PWM akan dijelaskan pada artikel selanjutnya.