Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology

Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology 03 (2012) 17-22

Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology e-ISSN: 2088-6985 p-ISSN: 2087-3379 Accreditation Number: 432/Akred-LIPI/P2MI-LIPI/04/2012

www.mevjournal.com

DEVELOPMENT OF DISCRETE POWER SUPPLY WITH CHARGE PUMP METHOD FOR HIGH POWERED SONAR SYSTEM RANCANG BANGUN CATU DAYA DISKRIT DENGAN METODE CHARGE PUMP UNTUK SISTEM SONAR BERDAYA TINGGI a

Kristian Ismail a,*, Syamsu Ismail b

Pusat Penelitian Tenaga Listrik dan Mekatronik - LIPI Kompleks LIPI Jl Sangkuriang, Gd 20, Lt 2, Bandung, Jawa Barat 40135, Indonesia b Pusat Penelitian Elektronika dan Telekomunikasi - LIPI Kompleks LIPI Jl Sangkuriang, Gd 20, Lt 4, Bandung, Jawa Barat 40135, Indonesia Received 30 April 2012; received in revised form 6 July 2012; accepted 9 July 2012 Published online 31 July 2012

Abstract Power supply is one of the electronic devices that can provide electric energy for electronic systems or other systems. There are several types of power supplies that can be applied depend on the requirement and functions. One example is the use of power supply for sonar systems. Sonar system is a device which can be used to detect a target under water. The sonar system is an electronic circuit that requires a power supply with specific characteristics when the sonar functions as a transmitter and a receiver in the specific span time (when on) and the specific lag time (when off). This paper discusses the design of power supply for high-powered sonar systems with discrete methods in which high power supply is only applied when the acoustic waves radiated under water. Charge pump was used to get the appropriate output voltage from lower input voltage. Charge pump utilized a combination of series and parallel connections of capacitors. The working mode of this power supply used the lag time as the calculation of time to charge charge pump capacitors in parallel while the span time was used for the calculation of discharging the charge pump capacitors in series. Key words: power supply, charge pump, discrete method.

Abstrak Catu daya adalah salah satu perangkat elektronika yang dapat menyediakan energi listrik untuk sistem elektronika atau sistem lainnya. Terdapat beberapa jenis catu daya yang dapat diaplikasikan sesuai dengan kebutuhan dan fungsinya, salah satu contohnya adalah penggunaan catu daya untuk sistem sonar. Sistem sonar adalah alat pendeteksi keberadaan target di bawah air, sistem tersebut berupa rangkaian elektronika yang memerlukan catu daya dengan karakteristik yang spesifik. Catu daya dibutuhkan pada saat sonar sebagai pemancar dan sebagai penerima dalam rentang waktu (saat on) dan jeda waktu (saat off) yang spesifik. Untuk memenuhi karakteristik dan spesifikasi tersebut, maka digunakan catu daya diskrit yang menggunakan metode charge pump untuk mengumpulkan energi listriknya. Dalam tulisan ini dibahas tentang rancang bangun catu daya yang digunakan untuk menyediakan energi listrik bagi sistem sonar berdaya tinggi dengan metoda diskrit yaitu pengaktifan catu daya tinggi tidak kontinyu melainkan hanya pada saat gelombang akustik diradiasikan di bawah air. Metoda pengumpulan energi ke komponen pengubah tegangan menggunakan charge pump. Charge pump pada catu daya yang dikembangkan ini memanfaatkan kombinasi hubungan seri dan paralel kapasitor. Cara kerja catu daya ini menggunakan jeda waktu sebagai perhitungan waktu untuk pengisisan kapasitor charge pump secara paralel sedangkan rentang waktu digunakan untuk perhitungan pengosongan kapasitor charge pump secara seri. Kata kunci: catu daya, charge pump, metode diskrit.

I. PENDAHULUAN Negara Kesatuan Republik Indonesia terdiri dari sekitar 17 ribu pulau dengan dua per tiga luas wilayahnya berupa lautan. Sistem * Corresponding Author. Tel: +62-22-2503055 E-mail: [email protected]

© 2012 RCEPM - LIPI All rights reserved

komunikasi saat ini umumnya menggunakan media fisik seperti kabel tembaga, serat optik, dan gelombang radio. Populasi pengguna gelombang radio sudah demikian padat sehingga pemanfaatan medium lain seperti air akan mengurangi kepadatan pengguna frekuensi radio. Oleh karena itu, teknologi elektronika bawah air

18

K. Ismail et al. / Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology 03 (2012) 17-22

untuk beberapa kepentingan seperti sistem komunikasi, sistem sonar, sistem pengamanan, eksplorasi kekayaan bawah air, dan kepentingan lainnya merupakan suatu kebutuhan yang tidak dapat diabaikan [1]. Sonar adalah sebuah piranti untuk mengamati (mendeteksi dan menyidik) keberadaan dan lokasi benda di bawah permukaan air dengan menggunakan gelombang suara yang dikirim dari peranti dan dipantulkan kembali oleh benda (objek) yang diamati [4]. Sinyal akustik untuk sistem sonar berpropagasi di dalam suatu medium (air) dengan cara menekan dan menarik partikel air [2]. Sumber energi listrik untuk sonar tersebut berasal dari sebuah catu daya. Catu daya sonar pada saat ini menggunakan catu daya kontinyu [3], artinya ketika catu daya tidak melayani beban, tegangan tetap tersedia walaupun arus tidak mengalir. Kondisi tersebut tidak menambah akumulasi daya keluaran tetapi menambah berat dan fisik catu daya. Ketika sistem sonar diperlukan untuk kebutuhan militer, sistem catu daya sonar kontinyu sulit untuk diterapkan karena sistem tersebut tidak menyediakan sistem yang kompak dan mudah dibawa. Perancangan catu daya diskrit menjadi lebih ringan karena menggunakan kapasitor sebagai pengonversi tegangan (pada catu daya kontinyu menggunakan trafo). Namun pada perancangan catu daya diskrit terdapat kerumitan dalam menentukan waktu (timing) kapan melayani beban dan berapa lama waktu untuk pengisian ulang. Tujuan dari tulisan ini adalah membuat catu daya untuk sistem sonar yang bekerja secara diskrit (dalam interval waktu tertentu) dimana akan dilakukan proses perhitungan daya untuk waktu pengosongan dan waktu pengisian pada catu daya sesuai dengan spesifikasi yang dibutuhkan.

lainnya. Gambar 1 merupakan contoh dari catu daya sonar. Catu daya jenis diskrit ditandai dengan penggunaan piranti semikonduktor yang berfungsi sebakai saklar. Catu daya sonar membutuhkan daya yang besar untuk mengirimkan gelombang suara di bawah air [3]. Dalam perancangan catu daya diskrit beberapa hal perlu diperhatikan yaitu besar beban daya yang dilayani, frekuensi kerja dan rentang tegangan yang dibutuhkan. Untuk daya dan tegangan catu daya sonar dapat dilihat pada spesifikasi transducer sedangkan untuk frekuensi kerja catu daya didapat dari waktu on dan waktu off sistem sonar.

III. METODOLOGI Pada perencanaan ini, metodologi dibagi menjadi beberapa tahap yaitu; pertama adalah identifikasi permintaan sistem, dimana pada tahap ini diidentifikasi karakteristik beban, media komunikasi, dan jarak komunikasi. Selanjutnya adalah tahap perhitungan sumber daya dimana pada tahap ini dilakukan perhitungan sumber daya asal dan sumber daya yang akan diinputkan ke sistem. Setelah itu dilanjutkan dengan tahap perhitungan kapasitor, dimana dilakukan perhitungan pengisian kapasitor yang dihubung secara parallel dan perhitungan pengosongan kapasitor yang dihubung secara seri. Tahap yang paling akhir adalah perencanaan charge pump, pada tahap ini penentuan hubungan dan jumlah kapasitor untuk charge pump. Perencanaan rangkaian pembangkit pulsa, pada tahap ini dilakukan perencanaan untuk mendapatkan pulsa sebagai penyulut hubungan kapasitor. Pulsa yang dihasilkan akan dijadikan sebagai timing untuk hubungan seri dan parallel pada kapasitor charge pump.

Catu daya adalah salah satu perangkat elektronika yang dapat menyediakan energi listrik untuk sistem elektronika atau sistem

A. Permintaan Sistem Pada catu daya untuk sistem sonar perlu diperhatikan kebutuhan sistem seperti karakteristik pembebanan atau media dan jarak komunikasi. Transducer sebagai komponen

Gambar 1. Catu daya sonar.

Gambar 2. Konstruksi sebuah transduser [6].

II. CATU DAYA UNTUK SONAR

19


Kapasitor Charge pump

Beban

∞ Sumber PLN

Penyearah

Kontrol Pembangkit Lebar Pulsa

Gambar 3. Grafik kecepatan transmisi pada air laut.

Gambar 4 Blok diagram sistem.

pemancar (Gambar 2) mempunyai karakteristik pembebanan sebagai berikut: • Resistansi tranduser 100 Ohm • Tegangan kerja transducer tersebut berkisar antara 1.000 V sampai dengan 1.500 V • Pembebanan transducer terhadap catu daya sebesar 10 kW selama 10 ms. Catu daya yang direncanakan adalah untuk sistem sonar dengan kedalaman antara 100 meter sampai dengan 500 meter, kadar garam 10 %, dan jarak komunikasi pada perencanaan catu daya adalah 10 km. Dari beberapa permintaan sistem di atas dapat dirancang waktu pengisian dan pengosongan kapasitor charge pump pada catu daya. Dimana waktu minimal pengosongan kapasitor adalah 10 milidetik, didapat dari waktu pembebanan transducer. Sedangkan waktu pengisian kapasitor didapat dengan melihat grafik kecepatan transmisi pada air laut di kedalaman 100 m sampai dengan 500 m (Gambar 3). Dari grafik didapat bahwa kecepatan transmisi adalah 1500 meter/detik [5]. Waktu pengisian kapasitor dapat dihitung dengan persamaan berikut ini

listrik PLN yang disearahkan. Penyearahan dilakukan menggunakan dioda jembatan gelombang penuh. Tegangan keluaran rata-rata adalah tegangan rata-rata yang keluar dari penyearah yang besarnya sama dengan dua kali tegangan maksimum dibagi dengan π seperti pada persamaan (1) [7]:

Ton = 10 km / 1.500 m = 6,7 detik Dimana Ton adalah waktu pengisian, 10 km merupakan jarak komunikasi, dan 1500 m adalah kecepatan transmisi perdetik. B.

Blok Diagram Sistem Gambar 4 menunjukan blok diagram dari sistem yang dirancang. Pada blok diagram tersebut terlihat sumber daya utama adalah dari jala-jala listrik PLN. Sumber utama tersebut disearahkan dengan menggunakan penyearah satu fasa gelombang penuh. Setelah didapat tegangan DC maka tegangan tersebut akan diregulasi oleh kapasitor charge pump. Kapasitor tersebut dikontrol untuk menentukan kapan kapasitor diisi dan kapan kapasitor tersebut melayani beban. C. Perhitungan Sumber Daya Pada prinsipnya, sumber daya utama untuk alat yang direncanakan berasal dari jala-jala

Vrms = Vm/√2

(1)

Vm = √2 Vrms Dari Gambar 5 dan persamaan (1) didapat bahwa tegangan sumber yang diterima oleh catu daya adalah = √2 x 220 = 311,12 volt DC. Tegangan sumber akan dikalikan empat menjadi 1.244,48 Volt DC sesuai dengan spesifikasi tegangan beban yaitu 1.000 V sampai dengan 1.500 V. Untuk mengalikan tegangan sumber menjadi empat maka dibutuhkan empat buah kapasitor. D. Kapasitor Charge Pump Kapasitor dapat dirangkai dengan beberapa kombinasi hubungan diantaranya hubungan seri, hubungan parallel, dan seri parallel. Setiap kombinasi akan mendapatkan perbedaan nilai kapasitansinya [8]. Untuk menghitung kapasitansi yang digunakan perlu dihitung terlebih dahulu energi yang diperlukan dalam pembebanan. Energi didapat dari hasil perkalian daya beban dan waktu pembebanan. Energi = W x T

(2)

Dengan W adalah daya beban dan T adalah waktu pembebanan, dapat disimpulkan bahwa energi yang diperlukan untuk mensuplai transducer selama transmisi 10 ms adalah = 10.000 x 10-2 = 100 watt det. Harga kapasitansi minimum didapat dengan persamaan (3) dan (4): E=½ QV

(3)

Q = C V

(4)

Dimana E adalah energi, Q adalah muatan, C adalah kapasitansi pengosongan, dan V adalah tegangan kerja minimum. Ketika persamaan (3) dan persamaan (4) digabungkan maka harga

20


Gambar 5. Rangkaian penyearah.

kapasitansi minimum untuk komunikasi bawah air adalah:

catu

Gambar 6. Pengosongan kapasitor pada saat pembebanan.

daya

Cp = F Cp =

F = 0,0002 F = 200 µF

Pada tulisan ini direncanakan menggunakan empat kapasitor dikarenakan teganan sumber dari PLN akan dinaikkan empat kali lipat, namun pada saat proses pengosongan kapasitor harus tetap berkapasitansi 200 µF (kapasitor dihubung seri). Kapasitor dihubung seri pada saat pengosongan/pembebanan sehingga kapasitansi setiap kapasitor dapat dihitung dengan persamaan (5) dan (6) [9]. (5) C1 = C2 = C3 = C3 = C4 = C Ketika persamaan digabungkan maka: 1

1

1

1

1

4

1 1

(5) 1

1

dan

Ketika persamaan (7) dan persamaan (6) digabungkan, dimana Cs adalah kapasitor total pengisian, maka Cs = 4C = 4 x 800 µF = 3.200µF. Ilustrasi pengisian kapasitor diperlihatkan pada Gambar 7. Pada gambar tersebut terlihat dimana pada saat pengisian kapasitor hanya terhubung ke catu daya utama, sedangkan ke bebannya diputus. Dengan nilai kapasitansi 800 μF, maka ketika dihubung parallel, akan memiliki nilai kapasitansi sebesar 3.200 μF. Sedangkan ketika dihubung seri akan memiliki nilai kapasitansi 200 μF. Terlihat bahwa nilai kapasitansi ketika dihubung parallel berkisar enam belas kali lipat dibanding dengan nilai kapasitansi ketika kapasitor dihubung seri. namun ketika dihubung seri tegangan kerja dari kapasitor akan lebih tinggi empat kali lipat dibanding dengan tegangan kerja kapasitor ketika dihubung parallel.

(6) persamaan

(6)

1 1

E.

Perhitungan Kapasitor Setelah diperoleh harga kapasitansi pada saat dihubung paralel dan pada saat dihubung seri, maka selanjutnya perlu dihitung tegangan akhir pada proses pengosongan dan tegangan akhir pada proses pengisian di waktu jeda. Persamaan (8) menunjukkan konstanta waktu RC sedangkan persamaan (9) menunjukkan pengosongan kapasitor untuk perhitungan tegangan akhir pada proses pembebanan. τ = R ×C

C = 4CP

Vcab = Voc (

(8) /

)

(9)

sehingga: C = 4 x 200 µF = 800 µF dimana Cp adalah kapasitor total pengosongan, dan C = C1 = C2 = C3 = C4 adalah kapasitor charge pump. Ilustrasi pengosongan kapasitor dapat dilihat pada Gambar 6 dimana terlihat bahwa pada saat pembebanan, kapasitor charge pump hanya terhubung ke beban sedangkan catu daya utama dilepaskan dari kapasitor charge pump. Pada saat pengisian, kapasitor dihubungkan parallel sehingga perhitungan kapasitansi total pada saat pengisian didapat dilakukan dengan persamaan (7) dan (6) :

dimana : Vcab = nilai akhir setelah pembebanan Voc = nilai awal tegangan pada kapasitor e = nilai euler (2,7182818) t = waktu dalam satuan detik τ = konstanta waktu persamaan (11) merupakan persamaan pengisian kapasitor untuk perhitugan tegangan akhir selama proses delay.

(7)

dimana Vcap adalah nilai akhir setelah pengisian dan Vos adalah nilai awal tegangan dari sumber.

Cs = C1 +C2+C3+C4

Vcap = Vos ( 1

/

)

(10)


21

Gambar 7. Pengisian kapasitor charge pump.

Dari persamaan (9), pada saat pengosongan kapasitor terjadi penurunan tegangan secara eksponensial. Penurunan tegangan selama pembebanan tidak boleh kurang dari spesifikasi beban. Dari persamaan (8) dengan C = 200 µF dan Resistansi tranduser R = 100 Ohm, didapat τ = 0,0199. Penurunan tegangan selama 10 ms pembebanan dapat dihitung dengan persamaan (9). Dari hasil perhitungan menggunakan persamaan (9), di atas dimana ketika catu daya mengirimkan tegangan sebesar 1.244,48 V (311.12 V x 4) sesuai dengan permintaan beban selama 10 ms, akan terjadi penurunan tegangan , / , menjadi = 1.244,48 = 1.184.05 V, namun penurunan ini masih di dalam area tegangan kerja tranduser. Dari persamaan (10) pada saat pengisian kapasitor terjadi penaikan tegangan secara eksponensial. Penaikan tersebut harus diperhitungkan lama waktunya sehingga tegangan kapasitor tidak boleh kurang dari tegangan sumber. Dari persamaan (8) dengan C = 3.200 µF dan Resistansi tranduser R = 100 Ohm, didapat τ = 0,32. Penaikan tegangan selama 6,7 detik pengisian dapat dihitung menggunakan , / , persamaan (10) Vcap = 311,12 ( 1 )= 311,12 (0,999)= 311,1199 V. Dari hasil perhitungan di atas dapat disimpulkan bahwa tegangan pengisian mendekati tegangan sumber, dengan demikian pengisian kapasitor selama 6,7 detik cukup untuk mengisi kapasitor secara penuh. F.

Rangkaian Kontrol Pembangkit Lebar Pulsa Rangkaian pembangkit pulsa untuk charge pump menggunakan rangkaian analog maupun

Gambar 8. rangkaian pembangkit pulsa.

Gambar 9. Diagram blok Mikrokontroler.

digital (mikrokontroler). Rangkaian pembangkit pulsa analog dapat menggunakan IC PWM SG3524. Keluaran gelombang tegangan PWM SG3524 memiliki kemampuan untuk mengatur lebar pulsa serta mengatur frekuensi keluaran. Lebar pulsa diatur melalui tegangan masukan kaki terminal In+, In- dan comp (Gambar 8), tegangan masukan ini dapat diatur secara manual dengan variable resistor melalui terminal comp. Frekuensi keluaran dapat diatur melalui Rt dan Ct. Dari datasheet, diperoleh persamaan (11) untuk menentukan frekuensi yaitu [10] :

/

f = 1.3 (Rt∙Ct)

(11)

dimana f adalah frekuensi kerja, Rt adalah tahanan osilasi, dan Ct adalah kapasitor osilasi Selain menggunakan IC SG3524, pembangkitan pulsa juga dapat menggunakan rangkaian mikrokontroler. Mikrokontroler dilengkapi dengan arithmetic and logic unit (ALU) sehingga dapat digunakan untuk menangani perhitungan osilasi. Oleh karena itu, pada rangkaian mikrokontroler tidak lagi perlu membuat rangkaian osilasi dikarenakan osilasi dapat dibangun secara perangkat lunak. Seperti pada Gambar 9, pembangkitan pulsa dapat dikeluarkan melalui port 0 sampai dengan port 3. Sedangkan perhitungan waktu pada mikrokontroler dapat dibantu oleh register timer.

Gambar 10. Rangkaian rancangan.

22

K. Ism mail et al. / Mechaatronics, Electricaal Power, and Veehicular Technoloogy 03 (2012) 17--22

1

1

1

6

Gam mbar 11. Bentukk gelombang keeluaran.

IV. HASSIL DAN PEMBAHAS E AN Rangkaian lengkap dari d perancanngan ini dapat dilihat padaa Gambar 10. 1 Pada gam mbar tersebuut komponen untuk menggubah hubunngan kapasitoor paralel dan seri direpresentasikan dengan d kontaak sakelar singgle pole dooble trow. Ketika K kontaak sakelar paada posisi ‘atas’ makka hubungaan kapasitor addalah seri, ketika k kontakk sakelar padda posisi ‘baw wah’ maka huubungan kappasitor adalaah paralel. Gaambar 11 menunjukkan m n gelombanng keluaran pada p rangkaaian penyullutan sebagai trigger untuuk kapasitor hubungan seeri dan paralel. Timing tersebut sesuai dengan d kebuutuhan sistem m. Gambar 122 merupakaan foto daari rangkaiaan kontrol catuu daya diskrrit dengan metode m chargge pump untukk sistem sonaar berdaya tiinggi. Dengaan kapasitor 8000 µF (hasill perhitungann), maka padda saat kapasittor dihubungg paralel denngan 6,7 detiik pengisian, kapasitor k dappat terisi pennuh. Pada saat kapasitor dihubung d serri dengan 10 1 mili detiik pembebanann, tidak terjjadi drop teegangan yanng melebihi daari spesifikasi beban.

V. KESIM MPULAN Dari bebberapa pemaaparan diatass dapat ditariik beberapa keesimpulan: ‐ Catu daya sonar dapat d mengggunakan cattu daya disskrit dengan charge pump mp ‐ Penaikaan tegangan dapat dilakkukan dengaan kombinnasi hubungaan kapasitorr dari parallel ke seri. ‐ Kecepaatan rambat gelombang akustik yanng rendah mengakibaatkan kualittas informaasi penerim ma ditentukaan juga oleh waktu tundda dan kuaat sinyal. ‐ Dengann sistem yangg direncanakkan, diperoleeh daya seesuai dengann kebutuhan sistem namuun dengan dimensi dann berat yang minimum. m

UCAPAN TERIMA KASIH Terima kasih kami sampaikan pada p penerbbit atas keseempatan m mempublika asikan hassil penelitian ini. i Ucapan yang samaa ingin kam mi sampaikan pada rekan-rekan yang telaah memberikann bantuan daalam penelitiaan ini.

Gam mbar 12. Foto rrangkaian.

REFFERENSI [1] Ismail Syyamsu, Penngembangan Sistem Komunikassi Strategis M Menggunakaan Sinyal Akustik, Laporan L Peenelitian PP PET-LIPI Bandung : 2008. 2 der water [2] Urick J. Roobert, Princiiples of Und Sound, 3D D Edition McGraw-Hiill Book Company, New N York : 1983. electronic e [3] ____________,Professioonal systems annd product [Online]. Available: A http://www.dflsystems.cco.uk/sonar_ _power_s upply.htm, diakses tangggal 4 juni 20 012 [4] B. siciliano, O. Khaatib, Sonar Sensing, Springer Haandbook of Robotics. IS SBN 9783-540-239557-4, 2008 [5] Fischer, F.. A, Fundaamental Of ElectroPublisher, Inc, acoustics, Interscience I I New York, Londdon : 1955. [6] Ismail Syaamsu, Denii P., “Karaakterisasi Elemen Transduser P Piezoelektrik k Untuk Bawah Air,”” Jurnal Sistem Koomunikasi B Elektronikaa dan Telekomunikasi, Vol. V 7 No. 2, Juli 20077. O., “Principples of ellectronics [7] Kasap, S.O material annd devices,” McGraw-H Hill Book Company, Toronto: T 20002. C. Wu, “E Efficiency [8] C-C. Wanng and J-C improvemennt in charrge pump circuits,” IEEE Journnal of Solid S State Circuitss, vol. 32, no. 6 , pp.8552-860 June 1997 k [9] Yuda, Mengghitung dan mengukur kapasitor, [Online]. Available: A http://www.linksukses.ccom/2011/06 6/menghi tung-dan-m 2011. mengukur-kappasitor.html, Diakses tannggal 5 juni 22012 G 3524 Regulating [10] _________,,SG2524 SG Pulse Widthh Modulatorrs, Texas Insstrument, Dallas, 2011

Mechatronics, Electrical Power, and Vehicular Technology

Recommend Documents