KB1 Power Suplly

064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply)

KEGIATAN BELAJAR 1

MENERAPKAN RANGKAIAN CATU DAYA (POWER SUPPLY) STANDAR KOMPETENSI KOMPETENSI DASAR TUJUAN PEMBELAJARAN

064.DKK.5. Menguasai Elektronika Terapan Menerapkan rangkaian catu daya (power supply) Setelah selesai pembelajaran diharapkan siswa dapat: 1. Menjelaskan konsep dasar power supply; 2. Membedakan power supply linear dan switching power supply; 3. Memahami blok diagram power supply linear; 4. Menerapkan rangkaian power supply linear pada sistem elektronika; 5. Menjelaskan prinsip kerja masing-masing bagian rangkaian power supply linear; 6. Memahami blok diagram switching power supply; 7. Menerapkan rangkaian switching power supply pada sistem elektronika; 8. Menjelaskan prinsip kerja masing-masing bagian rangkaian power supply.

A. PENDAHULUAN Catu daya (power supply) disebut juga sebagai adaptor adalah sumber tegangan DC yang digunakan untuk memberikan tegangan atau daya kepada berbagai rangkaian elektronika yang membutuhkan tegangan DC agar dapat beroperasi. Rangkaian pokok dari catu daya tidak lain adalah suatu penyearah yakni suatu rangkaian yang mengubah sinyal bolak-balik (AC) menjadi sinyal searah (DC). Sumber daya diperoleh dari baterai, solar sel, generator AC/DC, AC/DC, dan jala-jala listrik PLN. Dari berbagai sumber daya tersebut yang paling banyak digunakan pada rangkaian elektronika adalah dengan mengubah tegangan AC jala-jala listrik PLN menjadi DC. Proses pengubahan dimulai dari penyearahan oleh diode, penghalusan tegangan kerut ( Ripple Voltage Filter ) dengan menggunakan condensator dan pengaturan (regulasi) oleh rangkaian regulator. Pengaturan meliputi pengubahan tingkat tegangan atau arus. Pada teknik regulasi pada pembuatan catu daya, kita mengenal teknik r egulasi daya linier dan teknik regulasi switching. Power supply dc yang teregulasi dibutuhkan untuk sebagian besar sistem elektronika analog dan digital. Hampir semua power supply di desain untuk memenuhi kebutuhankebutuhan sebagai berikut:



Keluaran yang teregulasi. Tegangan keluaran harus dibuat konstan dengan untuk mengantisipasi perubahan dari tegangan masukan ataupun beban keluaran.

 

Isolasi. Keluaran membutuhkan isolasi secara elektrik dari pengaruh masukan. Keluaran multipel. Banyak power supply yang mempunyai keluaran yang beragam (positif (positif dan negatif) yang mempunyai rate tegangan dan arus yang berbeda. Tiap keluaran diisolasi dari pengaruh masing-masing.

Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 Teknik Elektronika – Teknik Audio Video – SMK Negeri 2 Bawang

1


Pada teknik elektronika Power supply dc ada 2 macam, yaitu: power supply linear dan switching power supply. Gambaran ikhtisar tentang kedua power supply dijelaskan sebagai berikut. 1. Power Supply Linear Gambar 1a. memperlihatkan skematik dari sebuah power supply linier. Agar memberikan isolasi listrik antara masukan dan keluaran dan untuk menghasilkan keluaran tegangan pada range yang diinginkan, maka dibutuhkan sebuah transformator 60 Hz. Sebuah transistor dihubungkan secara seri yang beroperasi pada daerah aktifnya.

Gambar 1. Power Supply linier (a) Skematik (b) pemilihan turn ratio transformator

Dengan membandingkan Vo dengan sebuah tegangan referensi V ref , rangkaian pengendali pada gambar 6.1a mengatur arus basis transistor. Transistor pada power supply linier berfungsi sebagai resistor yang bisa diatur dimana perbedaan tegangan v d – Vo antara input dan tegangan keluaran yang diinginkan melewati melewati transistor dan menyebabkan daya hilang pada power supply tersebut. Untuk memberikan range tegangan masukan ac 60 Hz, dibutuhkan penyearah dan filter keluaran v d(t) seperti yang diperlihatkan pada gambar 6.1b. Untuk meminimalisasi kehilangan daya pada transistor, rasio pada transformator harus dipilih dengan hati-hati seperti Vd,min pada gambar 6.1b lebih besar dibanding V o tetapi tidak melebihi Vo dengan margin yang lebih besar. Ada dua point penting pada power supply linier, yaitu: a. Dibutuhkan tranformator dengan frekuensi rendah, kira-kira 60 Hz. b. Transistor beroperasi pada pada daerah aktifnya. Pada daerah tersebut terjadi kehilangan daya yang signifikan. Oleh karena itu efisiensi dari power supply linier biasanya berkisar pada range 30 – 60%. Sisi positif dari power supply ini adalah rangkaiannya yang sederhana dan oleh karena itu biayanya lebih kecil rating daya (<25 W). juga, power supply ini tidak menghasilkan EMI yang lebih besar dengan peralatan lain. 2. Switching Power Supply Kebalikan dari power supply linier, pada switching power supply, transformasi tegangan dc dari satu level ke level lainnya menggunakan rangkaian konverter dc –to – dc, yang telah dijelaskan pada materi sebelumnya. Rangkaian ini menggunakan devais solide-state (Transistor, Mosfet, dan lain sebagainya), yang berfungsi sebagai saklar on – off. ketika komponen daya tidak dibutuhkan untuk beroperasi pada daerah aktifnya, mode operasi ini Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 Teknik Elektronika – Teknik Audio Video – SMK Negeri 2 Bawang

2


menghasilkan disipasi daya yang lebih rendah. Dengan menggunakan devais ini maka kecepatan switching yang meningkat, rate arus dan tegangan yang lebih tinggi, biayanya relatif lebih rendah. Gambar 2. memperlihatkan sebuah switching supply dengan isolasi elektrik. Tegangan ac masukan disearahkan kedalam tegangan dc yang ti dak teregulasi dengan menggunakan dioda penyearah. Blok konverter dc-dc pada gambar 6.2 merubah tegangan masukan dc dari satu level dc yang lainnya. Hal ini dilakukan dengan menggunakan swithing frekuensi tinggi , yang menghasilkan ac frekuensi tinggi melewati transformer isolasi. Keluaran sekunder dari transformator disearahkan dan difilter untuk menghasilkan V o. Keluaran dari power supply dc yang terlihat pada pada gambar 6.2 diregulasi dengan menggunakan sebuah pengendali pengendali feedback yang memakai sebuah pengendali pengendali PWM, dimana tegangan pengendai (kontrol) dibandingkan dengan sebuah gelombang sawtooth pada frekuensi switching. Isolasi listrik pada loop balikan dilengkapi salah satu dari transformator isolasi seperti yang tergambar atau sebuah optocoupler.

Gambar 2. Skematik power supply supply dc mode saklar

Dalam kebanyakan penerapan, keluaran multipel (positif dan negatif) dibutuhkan. Kelurarankeluaran ini harus terisolasi listrik antara satu dengan lainnya, tergantung dari penerapannya. Gambar 6.3 memperlihatkan diagram blok dari sebuah switcing power supply dimana hanya satu keluaran V o1 yang diregulasi dan dua yang lainnya l ainnya tidak teregulasi. Jika Vo2 dan atau Vo3 membutuhkan untuk diregulasi, maka regulator linier dapat digunakan untuk meregulasi keluaran yang lainnya.

Gambar 3. Keluaran multiple


3


Dua kelebihan utama dari switching power supply dibanding dengan power supply linier, yaitu: a. Elemen switching (transistor daya atau MOSFET) MOSFET) bekerja bekerja sebagai sebagai saklar. saklar. Dengan menghindari beroperasi pada daerah aktif, maka kehilangan daya akan berkurang secara signifikan. Hasilnya mempunyai efisiensi yang lebih tinggi dengan range 70% - 90%. Selain dari itu, transistor yang bekerja dalam mode on/off mempunyai kapabilitas penanganan daya lebih besar dibanding dengan mode linier. b. Pada waktu transformator isolasi frekuensi tinggi digunakan, ukuran dan berat switching power supply dapat dikurangi dengan secara signifikan. Pada sisi negatif, switching power supply lebih rumit, dan pengukuran yang tepat harus dilakukan untuk menghindari EMI EMI karena pensaklaran frekuensi tinggi. Kelebihan-kelebihan dari switching power supply yang telah disebutkan diatas (dibanding dengan power supply linier) diluar pertimbangan kekurangan/kelemahan rate daya tertentu. Switching power supply dc, secara umum menggunakan modifikasi 2 jenis konverter, yaitu: a. Konverter dc pensaklaran.

–

dc mode switch, dimana saklar-saklar beroperasi pada mode

b. konverter resonant, yang menggunakan switching tegangan nol (zero-voltage) dan atau arus nol (zero-current). Perbandingan antara switching power supply dengan linear power suplly ditunjukkan oleh Tabel 1 berikut.

Tabel 1. Perbandingan secara umum antara Switching Power Supply dengan Linier Power Supply Hal

Switching Power Supply

Linier Power Supply o

Efisiensi Kenaikan Temperatur

Umumnya antara 65% sampai 85%, o o suhu 200 C sampai 400 C masih diterima

Umumnya 25% sampai 50%, 500 C o sampai 1000 C tidak umum, tergantung pada teknik pembuangannya.

Tegangan Kerut

Umumnya diperolehantara 20 – 50 mVpp. untuk memperoleh tegangan kerut yang lebih kecil sulit dilakukan

tidak sulit mendapatkan tegangan kerut sebesar 5 mV, yang lebih kecil bisa dibuat tapi harganya mahal.

Regulasi keseluruhan

Spesifikasi umum adalah 0,3%. Sulit untuk memperoleh regulasi yang lebih baik.

Umumnya 0,1%, dan untuk regulasi yang lebih baik masih dapat diperoleh dengan harga yang lebih tinggi

Berat

60 watt per kilogram

20 – 30 watt per kilogram

Volume

1 inchi kubik per watt

2 – 3 inchi kubik per watt, tergantung dari metoda pembuangan panasnya

Isolasi dari transien jala jala

Sangat baik, seringkali lebih besar dari 60dB.

Sangat kurang dibanding dengan jenis switching. Jala-jala yang bersifat noise dapat mengganggu beban.

RFI dan EMI

Dapat mengganggu, memerlukan perhitungan, penekanan dan penapisan

Sedikitnya dapat merupakan faktor yang merugikan


4


Hal

Switching Power Supply

Linier Power Supply

Magnetis

Beberapa rancangan dapat menyalurkan magnetis 60 Hz yang besar.

Perlu magnetis 60 Hz yang mahal dan besar dalam tingkat daya yang lebih tinggi.

Keandalan

Rancangan dipusatkan agar lebih handal dengan temperatur kerja yang lebih dingin.

Semakin tinggi temperatur kerja semakin berkurang kehandalan.

Harga

Melihat pesatnya teknologi semikonduktor ada kemungkinan pembuatannya bisa lebih murah dibanding dengan linier

Umumnya lebih murah, tapi dengan faktor-faktor yang ada dalam sistem, faktor harga dapat menjadi lebih tinggi.

B. CATU DAYA LINEAR (POWER SUPPLY LINEAR) 1. Blok diagram catu daya linear ditunjukkan oleh gambar 4 berikut.

Sumber

Trafo

Tegangan AC

Stepdown

(Jala-jala

(CT atau

Listrik PLN

En kel

Filter (elco Penyearah (Rectifier)

dengan kapasitansi besar

Penstabil Tegangan Keluaran (Regulator)

Vout (DCV)

Gambar 4. Blok Diagram Catu Daya Linear

Dari blok diagram sebagai gambar 1 bapat diketahui bahwa rangkaian catu daya linear terdiri dari: a. Sumber tegangan bolak balik (AC) dari jala-jala PLN yang akan disearahkan; b. Trafo stepdown sebagai penurun tegangan AC jala-jala PLN sesuai dengan tegangan DC yang dibutuhkan; c. Penyearah (rectifier) dari dioda yang berfungsi untuk menyearahkan tegangan bolakbalik yang telah diturunkan oleh trafo stepdown. Berdasarkan jenis penyearahnya maka catu daya terdiri dari 4 macam, yaitu: (a) penyearah setengah gelombang, (b) penyearah gelombang penuh polaritas tunggal dengan trafo CT dan 2 buah dioda, (c) penyearah gelombang penuh polaritas tunggal dengan sistem jembatan (bridge system), dan (d) penyearah polaritas ganda (catu daya simetris) dengan menggunakan trafo CT dan dioda sistem jembatan (bridge system). Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 Teknik Elektronika – Teknik Audio Video – SMK Negeri 2 Bawang

5


d. Filter yang berfungsi untuk menghaluskan keluaran DC dengan cara memperkecil/menghilangkan tegangan ripple hasil dari penyearahan dioda. Filter pada catu daya biasanya menggunakan elco dengan kapasitansi yang besar, karena semakin besar nilai kapsitansi maka tegangan DC yang dihasilkan akan semakin halus. e. Penstabil Tegangan (regulator). Penstabil tegangan keluaran berfungsi agar tegangan keluaran DC konstan meskpun terjadfi perubahan dari tegangan masukan ataupun beban keluaranyang berubah-ubah. Penstabil tegangan yang umum digunakan pada catu daya linear adalah dengan menggunakan dioda zener, transistor, IC pnstabil tegangan 78XX dan 79XX ataupun op amp.

2. Contoh rangkaian catu daya linear ditunjukkan oleh gambar 5 berikut: a. Power Supply Sederhana dengan Filter C tanpa penstabil tegangan

b. Power Supply 13.8 V 10 A

c.

Power Supply Simetris +5 V, 0, –5 V


6


3. Penjelasan masing-masing bagian catu daya linear: a. Penyearah 1) Penyearah Setengah Gelombang Contoh sederhana rangkaian penyearah setengah gelombang diperlihatkan seperti gambar 6.

Gambar 6. Rangkaian Penyearah setengah gelombang

Prinsip Kerja: Jika dioda dalam kondisi menghantar (conduct) pada setengah perioda positif, dioda tersebut pada keadaaan forward biased sehingga arus mengalir dan melewati tahanan beban R L. Pada saat setengah perioda negatif, dioda bersifat menghambat (reverse biased) nilai tahanan dioda sangat tinggi dan dioda tidak menghantar. Secara praktis, tegangan keluaran (UL) hampir sama dengan sumber Us dan drop tegangan pada dioda lebih kurang 700mV. Gambar 7. memperlihatkan bentuk gelombang proses penyearahan setengah gelombang.

Gambar 7. Bentuk Gelombang Output Penyearah Setengah Gelombang

Untuk menghitung besarnya harga rata-rata dari signal yang disearahkan, kita dapat menghitung dari luas kurva seperti pada gambar 1.8

Gambar 8. kurva harga rata-rata


7


Tegangan AC selalu diasumsikan harga RMS (Urms) harga efektif RMS = 0,5 x harga puncak (U m) (Udc) harga rata-rata = 1/  x Um = 0,318 x Um tegangan maximum Um = 1,414 x Ueff disipasi daya pada beban dapat dihitung dari harga RMS tegangan dan arus pada beban.

Daya = Um x Im Um Im = -----RL Udc Idc = -----RL Arus yang melalui rangkaian seri adalah sama Hal yang perlu diperhatikan dalam penyearahan ini adalah besarnya tegangan balik maksimum (PIV) dari dioda yang digunakan minimal harus sama besarnya dengan tegangan maksimum AC yang akan disearahkan. Contoh soal 1. Tentukan tegangan rata-rata (U dc ) yang melalui beban pada gambar 1.9 dibawah ini, bila: Ueff = 20 volt Drop tegangan dioda 0,8 volt.

U

Us

U dioda = 0,8 V

Us 0

Time

Gambar 9. Contoh Soal Penyearah Setengah Gelombang

Penyelesaian: Um = 1,414 x Ueff = 1,414 x 20 volt = 28,28 V Um (beban) = (Um – 0,8) volt = 28,28 – 0,8 = 27,48 V Udc = 0, 318 x Um = 0, 318 x 27,48 = 8,74 V


8


2) Penyearah Gelombang Penuh dengan Trafo CT Penyearah gelombang penuh dengan menggunakan transformator sadapan pusat (Center Tap) diperlihatkan seperti gambar 10. A

B

Gambar 10. Penyearah dengan Trafo CT

Prinsip Kerja: Bila U1 dan U2 mempunyai polaritas, ujung A berpolaritas positif dan ujung B berpolaritas negatif. Pada saat ini D 1 menghantar (conduct) sedangkan D 2 tidak menghantar (reverse biased). Pada saat A berpolaritas negatif , sedang B berpolaritas positif, pada saat ini D 2 menghantar sedangkan D1 tidak menghantar. Bentuk gelombang input dan output ditunjukkan seperti terlihat pada gambar 11.

Gambar 11. Bentuk gelombang Penyearah gelombang penuh

Harga tegangan dapat dihitung: Ueff = 0,707 x Um Udc = 0,636 x Um Harga arus dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut: Um Im = --------RL Udc Idc = ---------RL


9


3) Penyearah Gelombang Penuh dengan Sistem Jembatan Rangkaian penyearah ini memerlukan empat buah dioda yang dipasang dengan konfigurasi jembatan seperti terlihat pada gambar 13. a) A

b) D1

D2

B

+ D3

D4

RL

Bridge rectifier

+ -

120 Ώ

Gambar 13. Rangkaian penyearah sistem jembatan

Prinsip Kerja: Pada saat terminal A positif dan terminal B negatif , dioda-dioda D 2 dan D3 berada dalam kondisi menghantar seadangkan D4 dan D1 tidak menghantar. Pada saat terminal A negatif dan B positip , dioda yang menghantar adalah D4 dan D1, sedang D2 dan D3 tidak menghantar. Dengan demikian setiap setengah perioda tegangan bolak balik ada dua dioda yang menghantar (conduct) secara bersamaan dan dua buah dioda lainnya tidak menghantar sehingga menghasilkan bentuk gelombang penuh. Tegangan rata-rata (Udc) sama dengan sistem penyearah dengan menggunakan trafo CT. Bentuk gelombang keluaran (output) terlihat seperti gambar 14.

Gambar 14. Bentuk Gelombang Tegangan Output Kelebihan sistem jembatan terhadap sistem trafo CT adalah adanya dioda yang tersambung seri sehingga masing-masing dioda dapat menahan tegangan balik maksimumnya.


10


Contoh soal Dari gambar 1.15 tentukan: a. Um tegangan sekunder trafo b. Um pada beban jika drop tegangan dioda 0,7 volt c. Udc pada beban d. Im dan Idc

Us 15 V

RL 200Ω

Gambar 15. Hububungan Beban Pada Penyearah Gelombang Penuh

Penyelesaian: a. Um pada sekunder Um = 1,414 x Us = 1.414 x 15 = 21,211 volt b. Um pada beban RL Um (beban) = 21,21 – (2 x x0,7) = 19,81 volt c. Tegangan rata-rata: Udc = 0,637 x U m (beban) = 0,637 x 19,81 = 12,64 volt

d.Im

Um = -------RL 19,81 = ----------200

Udc Idc = ------RL 12,56 = -----------200

= 99,1 mA

= 63,2 mA


11


4) Penyearah Gelombang Penuh Polaritas Ganda Gambar rangkaian penyearah gelombang penuh polaritas ganda.

Tegangan Positif:

Tegangan Negatif:

b. Filter Penyearah tanpa filter menghasilkan keluaran sinyal output yang berupa pulsa. Walaupun nilai rata-rata dari sinyal ini tidak nol, akan tetapi sinyal ini masih belum dapat dipakai sebagai sumber daya atau catu daya untuk peralatan elektronika seperti pesawat radio, tape, komputer dan lain-lain. Oleh karena itu diperlukan rangkaian tambahan untuk lebih menghaluskan atau meratakan sinyal keluaran tersebut. Rangkaian ini disebut dengan filter. Setiap gelombang keluaran hasil penyearahan baik yang tanpa filter maupun yang dengan filter terdiri atas komponen DC dan komponen AC (ripel). Akan tetapi sumber tegangan baterai/accu tidak mempunyai komponen AC. Semakin baik kualitas suatu catu daya berarti semakin kecil perbandingan antara nilai komponen AC (ripel) terhadap komponen DC. Ukuran ini disebut dengan istilah faktor ripel (r). tegangan ripel (rms) r = -----------------------------------tegangan dc Ur (rms) r = ----------------------- x 100 % U dc Faktor lain yang juga penting dalam menentukan kualitas suatu catu daya adalah regulasi tegangan (V.R.). Tegangan keluaran suatu catu daya dalam keadaan ada beban cenderung lebih kecil dibanding dengan tegangan keluaran dalam keadaan tanpa beban. Semakin kecil Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 Teknik Elektronika – Teknik Audio Video – SMK Negeri 2 Bawang

12


perbedaan tersebut, semakin baik kualitas suatu catu daya. Demikian pula sebaliknya, semakin besar perbedaan tersebut, semakin jelek kualitas suatu catu daya. Regulasi tegangan bisa didefinisikan sebagai berikut. Udc tanpa beban – Udc beban penuh U.R. = ------------------------------------------------Udc beban penuh UNL – VFL % U.R. = ----------------- x 100 % VFL Suatu penyearah tanpa filter akan menghasilkan tegangan keluaran yang juga terdiri atas komponen DC dan komponen AC (ripel). Penyearah setengah gelombang menghasilkan tegangan DC dan AC sebesar: Udc = 0,318 Vm Ur(rms) = 0,385 Vm Oleh karena itu faktor ripel (r) dari penyearah setengah gelombang adalah: r =121 % Sedangkan Penyearah gelombang penuh menghasilkan tegangan DC dan AC sebesar: Udc = 0,636 Vm Ur(rms) = 0,308 Vm Oleh karena itu faktor ripel (r) dari penyearah gelombang penuh adalah: r =48 % Filter yang banyak digunakan dalam rangkaian catu daya adalah filter kapasitor (C). Filter C ini sangat sederhana yaitu dengan cara menambahkan secara parallel komponen C pada penyearah. Semakin besar nilai C yang digunakan, semakin baik factor ripelnya atau semakin halus/kecil komponen AC (ripel)nya. Pada penyearah gelombang penuh dengan filter C, nilai tegangan ripel dapat ditentukan sebagai berikut. Vdc Vr(rms) = --------------43.f.R.C Sehingga faktor ripelnya dapat diperoleh: 1 r = --------------- x 100 % 43.f.R.C Untuk memperoleh keluaran catu daya yang lebih halus dapat digunakan filter RC, yakni gabungan antara komponen C dan R. Rangkaian dasar filter RC dapat dilihat pada gambar 18.

Gambar 18. Rangkaian dasar filter RC


13


c.

Regulator 1) Dioda Zener Struktur Dioda zener tidaklah jauh berbeda dengan dioda biasa, hanya tingkat dopingnya saja yang sangat berbeda. Kurva karakteristik dioda zener juga sama seperti dioda biasa, namun perlu dipertegas adanya daerah breakdown dimana pada saat bias mundur mencapai tegangan breakdown maka arus dioda naik dengan cepat (gambar 1.19). Daerah breakdown inilah titik fokus penerapan dari dioda zener. Sedangkan pada dioda biasa tidak diperbolehkan pemberian tegangan mundur sampai pada daerah breakdown, karena bisa merusak dioda. ID (mA)

daerah bias maju

daerah bias mundur Vz

VD (Volt)

daerah

I Zmin

V=0,7

breakdown A

K

I Zmax

simbol dioda zener

Gambar 19. Kurva Karakteristik Dioda Zener

Titik breakdown dari suatu dioda zener dapat dikontrol dengan memvariasi tingkat dopingnya. Tingkat doping yang tinggi, akan meningkatkan jumlah pengotoran sehingga tegangan zenernya (Vz) akan kecil. Demikian juga sebaliknya, dengan tingkat doping yang rendah diperoleh Vz yang tinggi. Pada umumnya dioda zener dipasaran tersedia mulai dari Vz 1,8 V sampai 200 V, dengan kemampuan daya dari ¼ hingga 50 W. Karena temperatur dan kemapuan arusnya yang tinggi, maka jenis silikon sering dipakai pada dioda zener. Penerapan dioda zener yang paling penting adalah sebagai penyetabil tegangan (voltage regulator). Rangkaian dasar penyetabil tegangan adalah pada gambar 1.20. Agar rangkaian ini dapat berfungsi sebagai penyetabil tegangan, maka dioda zener harus bekerja pada daerah breakdown. Dengan kata lain, apabila dilihat pada gambar 1.20, maka tegangan sumber (Vi) yang diberikan pada rangkaian harus lebih besar dari Vz atau arus pada dioda zener harus lebih besar dari Iz minimum.

IRS IZ

IRL

R1 = RS R2 = RL D1 = DZ

Gambar 20. Rangkaian Dasar Penyetabil Tegangan dengan Dioda Zener


14


Oleh karena itu persyaratan yang harus dipenuhi agar rangkaian berfungsi sebagai penyetabil tegangan adalah berkenaan dengan nilai RL dan Vi. Pertama, RL harus lebih besar dari RL minimum. RL ini berhubungan dengan Iz, karena bila RL minimum, maka IL menjadi maksimum, sehingga Iz menjadi minimum. Kedua, Vi harus lebih besar dari Vi minimum. Vi minimum ini akan menjamin bahwa dioda mendapatkan tegangan breakdown. Kasus pertama: Resistansi beban RL harus lebih besar dari RL minmum. Apabila RL kecil sekali sehingga kurang dari RLmin, maka turun tegangan pada RL (juga pada zener) akan kecil sehingga kurang dari Vz. Oleh karena itu zener tidak berfungsi, karena tidak bekerja pada daerah breakdown. Untuk menghitung harga RLmin dari gambar 2.10 adalah menghitung harga RL saat diperoleh VL = Uz, yaitu: RL.Vi UL = Vz =  RL + Rs sehingga diperoleh:

Rs.Vz RLmin =  Vi - Vz Harga RLmin ini akan menjamin bahwa dioda zener bekerja. Dengan RLmin maka diperoleh ILmax, yaitu:

VL

Vz

ILmax =  =  RL RLmin

Bila zener sudah bekerja, berarti VL = Vz = konstan, dan dengan menganggap Vi tetap maka turun tegangan pada RS (VR) juga tetap, yaitu: VR = Vi – Vz dan arus yang mengalir pada Rs juga tetap, yaitu sebesar (IR):

VR IR =  Rs Arus zener dapat dihitung dengan,

Iz = IR - IL Karena IR tetap, maka Iz akan maksimum bila IL minimum dan sebaliknya. Agar Iz tidak melebihi harga Izm yang sudah titentukan oleh pabrik, maka IL harus tidak boleh kurang dari IL minimum. Jika Izm terlampaui, zener akan panas dan bisa rusak. ILmin ini adalah:

ILmin = IR - Izm Dengan diperoleh IL minimum, maka RL akan maksimum, yaitu:

Vz RLmax =  ILmin Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 Teknik Elektronika – Teknik Audio Video – SMK Negeri 2 Bawang

15


Contoh Soal 1: Rangkaian penyetabil tegangan seperti gambar 1.20 mempunyai data sbb: Vi = 50 Volt, Rs = 1 K  , Vz = 10 Volt, dan Izm = 32 mA. Tentukan variasi harga RL (min dan max) agar tegangan output masih stabil 10 Volt. Dan hitung daya pada zener maksimum. Penyelesaian:

Rs.Uz

(1K).(10)

10K RLmin =  =  =  = 250 Ui - Uz 50 - 10 40 UR = Vi - Vz = 50 -10 = 40 Volt IR = VR / Rs = 40 / 1K = 40 mA ILmin = IR - Izm = 40mA - 32mA = 8 mA RLmax = Vz / ILmin = 10 / 8mA = 1,25 K Daya maksimum pada dioda zener: Pzmax = Vz. Izm = 10 . 32mA = 320mW

Kasus kedua: Agar dioda zener dapat berfungsi sebagai penyetabil tegangan, maka turun tegangan pada RL harus lebih besar dari Vz. Dengan kata lain Vi harus lebih besar dari Vimin. Namun bila Vi terlalu besar sehingga arus pada zener melebihi Izm, maka zener bisa rusak. Oleh karena itu Vi harus lebih kecil dari Vimax. Dengan menganggap harga RL tetap, maka tegangan sumber minimum (Vimin) adalah:

(RL+Rs).Vz Vi min =  RL Sedangkan harga maksimum tegangan sumber (Vimax) adalah:

Vimax = IRmax.Rs + Vz dimana harga IRmax adalah arus maksimum yang mengalir melalui Rs, yaitu IRmax = Izm + IL. Contoh soal 2: Rangkaian penyetabil tegangan seperti gambar 1.20 mempunyai data sbb: RL = 1,2 K  , Rs = 220  , Vz = 20 Volt, dan Izm = 60 mA. Tentukan variasi harga Vi (min dan max) agar tegangan output masih stabil sebesar 20 Volt. Dan hitung daya pada zener maksimum. Penyelesaian: (RL+Rs).Vz (1200+220).(20) Vimin =  =  = 23,67 Volt RL 1200 IL = UL / RL = 20V / 1,2K  = 16,67 mA

IRmax = Izm + IL = 60mA + 16,67mA = 76,67 mA Uimax = IRmax.Rs + Vz = (76,67mA)(0,22K) + 20V = 36,87 Volt


16


Perencanaan suatu rangkaian penyetabil tegangan dimulai dari spesifikasi yang diharapkan dari rangkaian terbut, kemudian dihitung harga-harga komponen yang diperlukan. Dalam praktek spesifikasi yang diinginkan adalah arus beban (IL) dan tegangan sumber (Vi) serta tegangan keluaran (Vz). Sedangkan komponen yang harus direncanakan adalah Rs dan Dioda zener. Dari persamaan 2.3; 2.4 dan 2.5 diperoleh harga Rs:

Vi - Vz Rs =  Iz + IL Karena dalam perencanaan harga IL, Vi dan Vz sudah diketahui (sesuai dengan permintaan perencana), agar rangkaian bisa berfungsi dengan benar, maka pada dua kondisi ekstrem dapat diperoleh Rs: Vimin – Vz Rs =  Izmin + ILmax

Vi max - Vz RS = --------------------Iz max + IL min

Dari dua persamaan tersebut yang belum diketahui adalah harga Izmin dan Izmax (dan tentu saja Rs). Dalam praktek berlaku Izmin = 0,1 Izmax. Sehingga dengan menggabungkan persamaan 2.11 dan 2.12, diperoleh: ILmin(Vz - Vimin) + ILmax(Vimax - Vz) Izmax =  Vimin - 0,9Vz - 0,1Vimax

Contoh soal 3: Rencanakan suatu rangkaian penyetabil tegangan sebesar 10 Volt apabila arus beban bervariasi dari 100mA hingga 200mA dan tegangan sumber bervariasi dari 14 Volt sampai 20 Volt. Penyelesaian:

Arus pada dioda zener maksimum adalah: ILmin(Vz - Vimin) + ILmax(Vimax - Vz) Izmax =  Vimin - 0,9Vz - 0,1Vimax 0,1(10 - 14) + 0,2(20 - 10)

1,6

=  = -------- = 0,533 A 14 - 0,9(10) - 0,1(20) 3 Disipasi daya maksimum pada dioda zener adalah: Pz = Vz.Izmax = (10).(0.533) = 5,3 Watt Rs dihitung dengan persamaan 2.12 (atau 2.11 dengan hasil yang sama): Vimax – Vz 20 - 10 Rs =  = ----------------- = 15,8 Ohm Izmax + ILmin 0,533 + 0,1


17


Disipasi daya maksimum pada resistor ini adalah: PR = IRmax(Vimax - Vz) = (Izmax + ILmin)(Vimax - Vz) = (0,633 A)(10 V) = 6,33 Watt

2) Transistor Rangkaian regulator seri menggunakan transistor bipolar seperti pada gambar 4.1 arus beban lewat melalui transistor dari kolektor ke emitor. Rangkaian ini memberikan kerja yang lebih efisien dan arus beban yang lebih besar. UCE C R S

US

E

IL

B

IZ

UR L

Gambar 21. Rangkaian regulator seri

Rs dan zener dalam rangkaian ini adalah bentuk yang sederhana dari regulator zener yang mempertahankan tegangan konstan pada basis transsistor Q 1. Resistor Rs memberikan arus basis (I B) Q 1 dan arus ke dioda zener (! Z). Transistor tersebut akan berpungsi sebagai pengatur tegangan ( voltage regulator). Besarnya tegangan output didapat dari persamaan: UCE = Uin - Uo U0 = UZ + UBE Karena besarnya UBE relatif kecil, maka U0 = UZ dan selalu konstan. Perinsip kerja rangkaian adalah sebagai berikut: Jika tahanan beban dari rangkaian turun , tegangan output akan jatuh , menjadi kurang positip. Ini artinya tegangan Emitor ( VE) dari transistor dikurangi, kemudian U Be naik . Arus beban melalui R CE , kemudian akan terjadi drop tegangan pada transistor , dan tegangan output kembali keharga semula . Bila arus beban naik ,tegangan output akan naik terhadap tegangan awal. Hal ini akan mengurangi U BE dan UCE akan naik sehingga tegangan output kembali normal. Jadi jika tegangan input naik , tegangan output akan naikn juga., dengan adanya zener dioda maka tegangan out put dapat dipr\ertahankan stabil. Rangkaian lainnya adalah transistor sebagai regulator arus seperti pada gambar rangkaian 22.


18


Gambar 22. Regulator Arus

Rangkaian ini dirancang untuk mempertahankan harga arus yang melewati beban ketika terjadi perubahan beban pada tegangan tetap. Dari rangkaian didapat persamaan: Uz IE = --------R1 IL = I C = I E - I B IE = IC + IB Keterangan: IE = arus emitor IC= arus kolektor IB = arus basis IL = arus beban Penurunan arus beban I L = IC akan mengakibatkan penurunan arus emitor dan akan mengurangi drop tegangan pada R1 (UR1 = IE x R1). Efek terhadap bias Q 1 adalah : UBE = UZ – UR1 Karena harga UZ selalu konstan, maka penurunan pada UR 1 akan mengakibatkan kenaikan pada UBE transistor dan sekaligus menaikkan konduktifitas dari transsistor sehingga arus beban I L dapat dipertahankan pada harga yang tetap. Regulasi arus dapat dihitung dengan rumus sebagai berikut:

INL - IFL Regulasi arus = ------------- x 100% IFL Dimana: INL = arus tanpa beban. IFL = arus beban penuh.


19


3) IC Regulator Regulator tegangan dengan menggunakan komponen utama IC (integrated circuit) mempunyai keuntungan karena lebih kompak (praktis) dan umumnya menghasilkan penyetabilan tegangan yang lebih baik. Fungsi-fungsi seperti pengontrol, sampling, komparator, referensi, dan proteksi yang tadinya dikerjakan oleh komponen diskrit, sekarang semuanya dirangkai dan dikemas dalam IC. Ada beberapa jenis IC yang menghasilkan tegangan keluaran tetap baik positip maupun negatip, ada pula yang menghasilkan tegangan keluaran yang bisa diatur. IC regulator tegangan tipe LM78xx (series) menghasilkan tegangan tetap positip, sedangkan tipe LM79xx (series) menghasilkan tegangan tetap negatip.

Gambar 23. bentuk IC regulator dan simbol rangakain

Pada gambar 23. terlihat bahwa IC regulator tipe LM7812 akan menghasilkan tegangan keluaran tetap sebesar positip 8 Volt. IC jenis ini mempunyai 3 buah terminal, yakni masukan (input), keluaran (output), dan ground (GND). Spesifikasi tegangan pada beberapa IC regulator seri LM78xx dan 79xx series terlihat pada tabel berikut.

Tabel 2. Spesifikasi Tegangan IC Regulator Lm78xx dan Lm79xx LM 78xx/79xx (series)

Tegangan Output (Volt) +5 -5

Tegangan Input Minimal (Volt) + 7.3 - 7.3

LM7805

LM7905

LM7806

LM7906

+6

-6

+ 8.3

- 8.3

LM7808

LM7908

+8

-8

+ 10.5

- 10.5

LM7810

LM7910

+ 10

- 10

+ 12.5

- 12.5

LM7812

LM7912

+ 12

- 12

+ 14.6

- 14.6

LM7815

LM7915

+ 15

- 15

+ 17.7

- 17.7

LM7818

LM7918

+ 18

- 18

+ 21

- 21

LM7824

LM7924

+ 24

- 24

+ 27.1

- 27.1

(Sumber: Boylestad, 1992)


20


Regulator tiga terminal adalah Integrated Voltage Regulator Circuit yang dirancang untuk mempertahankan tegangan outputnya tetap dan mudah untuk dirangkai. Keuntungannya adalah: a) Membutuhkan penambahan komponen luar yang sangat sedikit, ukuran kecil b) Mempunyai proteksi terhadap arus hubung singkat. c) Mempunyai automatic thermal shutdown. d) Mempunyai tegangan output yang sangat konstan e) Mempunyai arus rendah f) Mempunyai ripple output yang sangat kecil. g) Pembiyaan rendah Seri LM 78XX adalah regulator dengan tiga terminal, dapat diperoleh dengan berbagai tegangan tetap Beberapa IC regulator mempunyai kode yang dibuat oleh pabrik pembuat komponen, sebagai contoh: IC LM.7805 AC Z yang artinya sebagai berikut: LM Linear Monolithic 78L Bagian nomor dasar yang menyatakan tegangan positip 05 Tegangan output AC Standart ketepatan Z Tipe pembungkus , ZTO-92 Plastic Seri LM 78XXC dapat diperoleh dalam kemasan TO-3 alamunium, arus keluaran (output) 1A ,boleh lebih asalkan IC regulator dilengkapi dengan pendingin (heat- sink). Regulator LM 78XXC mudah dipakai dan tambahan komponen-komponen ektern tidak banyak. Sifat-sifat IC regulator LM 78XX adalah sebagai berikut: 1. Arus keluaran melebihi 1A 2. Pengamanan pembebanan lebih termik 3. Tidak diperlukan komponen tambahan 4. Ada pengamanan untuk transistor keluaran ( output ) 5. Dapat diperoleh dalam kemasan TO-3 aluminium Contoh rangkaian lengkap catu daya menggunakan regulator tiga terminal IC 7805 untuk tegangan output 5 volt konstan ditunjukkan pada gambar 24.

Gambar 24. rangkaian catu daya dengan IC regulator


21


Arus maksimum regulator IC yang dikirim ke beban tergantung pada tiga faktor, yaitu: 1. Temperatur. 2. Perbedaan antara tegangan input dan output atau disebut diferensial input output. 3. Arus beban. Uraian lengkap mengenai parameter IC regulator dapat dilihat dari data sheet yang dibuat oleh pabrikpembuat komponen. Contoh IC 7805 C mempunyai output nominal 5 0 0 volt. Dari data sheet Motorolla didapat temperatur juntion 25 C (Tj + 25 C) ,tegangan output antara low 4,8 volt atau high 5,2 volt; arus output > 100 mA.

C. CATU DAYA SWITCHING (SWITCHING POWER SUPPLY) 1. Blok Diagram Catu Daya Switching

Gambar 25. Diagram Blok Switching Power Supply


22


Penjelasan tiap-tiap blok rangkaian switching power supply, sebagai berikut: a. EMI Filter EMI Filter berfungsi untuk mencegah pengaruh dari interferensi elektromagnetik dan frekuensi tinggi. EMI Filter Tersusun atas L dan C karena L mempunyai impedansi yang tinggi untuk frekuensi tinggi sedangkan C mempunyai impedansi yang rendah untuk frekuensi tinggi. Dengan konfigurasi L dan C seperti gambar diatas maka sinyal frekuensi tinggi akan diblock dan di bypass ke ground. Gambar EMI Filter ditunjukkan oleh Gambar 26 berikut.

Gambar 26. EMI Filter

b. Switching Device Menggunakan MOSFET Device dibanding device yang lain ( BJT Transistor) karena MOSFET memiliki fast response yang lebih tinggi sehingga lebih sesuai untuk proses switching. Sudah banyak IC Switching yang terintegrasi dengan FB circuit, overcurrent protection, shutdown mode, short circuit protection dan auto start up. Rangkaian Switching device ditunjukkan oleh gambar 27 berikut.

Gambar 27. Switching Device

Prinsip Kerja: 1) Pada saat MOSFET Switch ON : Arus mengalir melalui Kumparan primer trafo,terjadi magnetising pada inti trafo dan menginduksi sisi sekunder yang mengakibatkan timbulnya tegangan pada sisi sekunder. 2) Pada saat MOSFET Switch OFF : Masih ada sisa arus pada kumparan sisi primer yang bisa menginduksi sisi sekunder trafo. Sisa arus karena magnetising mengalir kemana ? untuk itu harus ada Loop tertutup untuk mengalirkan sisa arus akibat magnetising pada sisi primer. Prinsip ini diterapkan dalam Snubber circuit, selain itu Snubber circuit berfungsi untuk mencegah spark akibat switching. Snubber circuit ditunjukkan oleh Gambar 28.

Gambar 28. Switching Deviceyang dilengkapi Snubber Circuit


23


c.

Isolated feedback Control Isolated feedback control berfungsi untuk mengatur tegangan output dari SMPS sehingga output konstan ada 2 macam sistem kontrol yaitu primary side isolated control dan secondary side isolated control, seperti ditunjukkan oleh gambar 29. Untuk mencapai sistem yang terisolated bisa digunakan optocoupler pada jalur feedback.

Gambar 29. Isolated Feedback Control

d. Regulator output Regulator output berfungsi untuk mengatur tegangan output dari SMPS sehingga output konstan dan menghilangkan riple tegangan yang ada,serta untuk mengatur tegangan output, sehingga untuk regulator output disertakan juga sinyal Power Control dan sinyal kontrol lainya ( Timer,HSR).

Vin

Vout IC REG

Power CTL ‘H’ dari U-com Timer ‘H’ dari U-com HSR ‘H’ dari U-com

Gambar 30.Blok Regulator Output

2. Contoh Rangkaian Catu Daya Switching a. Switching Power Supply pada LG DVD Receiver model DA3520


24


b. Switching Power Supply


25


c.

Switching Power Supply 200 W PC ATX DTK PTP-2038


26


3. Prinsip-prinsip dalam Catu Daya Switching a. Konverter DC-DC dengan Isolasi Listrik Seperti yang sudah terlihat pada blok diagram gambar 6.2, isolasi listrik pada switching power supply dilengkapi dengan sebuah transformator isolasi frekuensi tinggi. Gambar 6.4a memperlihatkan karakteristik inti transformator khusus yang merupakan loop B-H (hysteresis). Pada kurva ini Bm merupakan batas rapat fluks maksimum yang mana pada batas itu terjadi saturasi dan B r merupakan rapat fluks sisa. Macam-macam tipe konverter dc-dc (dengan isolasi ) dapat dibagi kedalam dua karakteristik dasar, yang berdasar pada penggunaan inti transformator: 1) Eksitasi inti unidirectional dimana hanya bagian positif (quadrant I) dari loop B-H yang digunakan. Beberapa jenis dari konverter dc – dc (tanpa isolasi) dapat dimodifikasi untuk meperlengkapi dengan isolasi listrik dengan kata lain eksitasi inti unidirectional. Ada dua cara memodifikasi konverter tersebut, diantaranya: Konverter flyback (diambil dari konverter buck -boost) Konverter forward (diambil dari konverter step-down)  

Tegangan keluaran dari konverter-konverter ini diregulasi dengan menggunakan switching PWM. 2) Eksitasi inti bidirectional dimana antara bagian positif dan negatif dari loop B-H digunakan sebagai alternatif. Untuk membuat eksitasi inti bidireksional, inverter mode switch fasa tunggal dapat digunakan untuk menghasilkan sebuah gelombang kotak ac pada masukan transformator isolasi frekuensi tinggi, yang terlihat pada gambar 35. Inverterinverter itu adalah sebagai berikut: 

Push-pull



Half-bridge



Full-bridge

Untuk menganalisa rangkaian-rangkaian ini, saklar-saklar tersebut dibuat i deal dan kehilangan daya pada induktif, kapasitif, dan elemen-elemen transformator yang diabaikan. Kehilanagan daya ini membatasi kemampuan operasional dari rangkaian ini.

Gambar 35. Representasi transformator (a) Tipe loop B – H inti transformator (b) dua lilitan transformator (c) rangkaian setara


27


Semua rangkaian ini dianalisa pada kondisi operasi steady-state, dan kapasitor filter pada keluaran diasumsikan sangat besar. Analisa dipresentasikan hanya untuk mode Continuous-Conduction.

b. Representasi Gransformator Isolasi Sebuah transformator frekuensi tinggi dibutuhkan untuk isolasi listrik. Dengan mengabaikan kehilangan daya pada transformator, gambar 6.4b, dimana N 1 : N2 merupakan perbandingan kumparan transformator, L m merupakan induktansi magnetik pada kumparan primer, dan Ll1 dan Ll2 merupakan kebocoran induktansi. Pada transformator ideal, v1/v2=N1/N2 dan N1i1 = N2i2. Pada konverter dc-dc mode switch, diperlukan sekali untuk meminimalisasi kebocoran induktansi dengan memberikan coupling magnetik yang sempit antara dua kumparan. Energi yang berhubungan langsung dengan kebocoran i nduktansi harus disangga dengan elemen switching dan rangkaian snubbernya, dengan demikian jel as dibutuhkan untuk meminimalisasi kebocoran induktansi. Dengan cara yang sama, pada konverter dc-dc mode switch, dibutuhkan untuk membuat i nduktansi magnetik L m seperti yang terlihat pada gambar6.4c setinggi mungkin untuk meminimalisasi arus magnetik I m yang mengalir langsung ke saklar-saklar dan kemudian bertambah rate arusnya. Hal ini penting untuk melihat efek dari kebocoran induktansi transformator pada pemilihan saklar dan design snubber. Walau bagaimanapun, induktansi-induktansi ini mempunyai efek kaca pada karakteristik transfer tegangan konverter dan o leh karena itu maka analisis konverter ini diabaikan. Salah satu jenis konverter yang akan diterangkan disini adalah konverter flyback, pada prakteknya transformator mempunyai dua lilitan induktor, yang mempunyai dual fungsi atau fungsi ganda, sebagai penyimpan energi (induktor) dan isolasi listrik (transformator). Oleh karena itu, pada ulasan sebelumnya untuk membuat L m tinggi, maka jangan gunakan konverter jenis ini. Bagaimanapun, rangkaian setara transformator masih dapat digunakan untuk tujuan analisis. Pertimbangan desain transformator pada power supply resonant berbeda dengan yang telah dijelaskan sebelumnya untuk power supply mode switch. Pada power supply resonant kebocoran induktansi dan atau induktansi magnetik pada kenyataannya digunakan untuk mmberikan zero-voltage dan atau zero-current switching.

c.

Pengontrolan Konverter dc-dc dengan Isolasi Pada konverter dengan saklar tunggal seperti pada konverter flyback dan forward, tegangan keluaran Vo untuk memberikan masukan V d yang dikendalikan dengan PWM. Pada konverter dc-dc push-pull, half bridge, full bridge, dimana keluaran konverter disearahkan untuk menghasilkan sebuah keluaran dc, tegangan keluaran dc V o dikendalikan dengan menggunakan skema PWM yang diperlihatkan pada gambar 36, yang mengendalikan interval  selama semua saklar off secara simultan.


28


Gambar 36. Skematik PWM yang digunakan dalam konverter dc – dc

d. Konverter Flyback Konverter flyback diperoleh dari konverter buck-boost, yang bisa dilihat pada gambar 37. Dengan menempatkan sebuah lilitan kedua pada induktor, hal ini memungkinkan untuk membuat isolasi listrik, seperti yang terlihat pada gambar 6.6b.

Gambar 37. Konverter flyback

Gambar 38.a. memperlihatkan rangkaian konverter dimana dua lilitan induktor direpresentasikan dengan rangkaian ekivalennya. Ketika saklar on, dioda pada gambar 6.7a akan mengalami bias mundur. Pada saat saklar off dan energi tersimpan pada inti menyebabkan arus megalir pada lilitan sekunder dan dioda, seperti yang terlihat pada gambar 38.b.

Gambar 38. Rangkaian konverter flyback (a) ON (b) OFF


29


e. Konverter Forward Konverter forward diperoleh dari konverter step-down, yang bisa dilihat pada gambar 39. Pada sebuah konverter praktis, arus magnetisasi transformator harus diperhitungkan agar pengoprasiannya tepat. Sebaliknya, energi yang tersimpan pada inti transformator akan menghasilkan kegagalan/kesalahan konverter. Sebuah pendekatan yang mengijinkan energi magnetik transformer direkover dan feedback pada supply masukan yang diperlihatkan pada gambar 40.a. hal ini membutuhkan sebuah demagnetisasi lilitan ketiga. Dalam gambar 40.b. memperlihatkan transformator dengan rangkaian ekivalennya.

Gambar 39. Konverter forward ideal

Gambar 40. Konverter forward praktis


30


f.

Konverter Push Pull Gambar 41.a. memperlihatkan susunan rangkaian untuk sebuah konverter push-pull dc-dc. Pada pembahasan sebelumnya telah dijelaskan inverter push-pull digunakan untuk menghasilkan sebuah gelombang kotak ac pada input dari transformator frekuensi tinggi. Skema switching PWM pada gambar 6.5 digunakan untuk meregulasi (mengatur) tegangan keluaran. Sebuah center-tap kedua digunakan, agar menghasilkan hanya satu tegangan dioda yang drop pada bagian sekundernya. Harus menjadi catatan bahwa dalam inverter push-pull pada pembahasan sebelumnya, dioda balikan dalam anti paralel mempunyai hubungan dengan saklar-saklar yang dibutuhkan untuk membawa arus reaktif dan interval ko nduksinya tergantung kebalikan dari faktor daya dari beban keluaran. Pada konverter push-pull dc-dc, dioda-dioda anti paralel ini yang terlihat pada gambar 6.10a dibutuhkan untuk memberikan sebuah saluran bagi arus yang dibutuhkan karena kebocoran fluks dari transformator.

Gambar 41. Konverter Push-pull

Dalam rangkaian push-pull, karena perbedaan yang tidak dapat dihindarkan pada waktu pensaklaran dari dua saklar T 1 dan T2, selalu ada ketidakseimbangan antara nilai puncak dari dua arus pensaklaran. Ketidakseimbangan ini dapat dikurangi dengan pengatur mode arus yang akan dibahas berikutnya.


31


g. Konverter Sumber Arus DC-DC Konverter dc – dc yang telah dijelaskan sebelumnya merupakan konverter sumber tegangan. Dengan memasukan sebuah induktor pada input dari rangkaian push-pull, seperti yang terlihat pada gambar 42. dan pengoperasian saklar pada sebuah duty rasio D yang lebih besar dari 0.5, konverter memberikan sebuah sumber arus. Disini D lebih besar dari 0.5 secara tidak langsung menyerempakan konduksi saklar-saklar atas. Ketika kedua saklar on, tegangan yang melewati tiap setengah lilitan primer akan menjadi nol. Arus masukan Id dibuat linier dan energi disimpan pada induktor masukan. Ketika salah satu dari saklar berkonduksi, tegangan input dan energi yang tersimpan pada induktor masukan menyuplai stage keluaran. Oleh karena itu, rangkaian ini beroperasi sama halnya dengan konverter step – up. Dalam mode konduksi arus kontinu, rasio transfer tegangannya dapat diperoleh menjadi V o V d



N 2

1

N 1

21  D 

D

0.5

Konverter sumber arus mempunyai kekurangan, yaitu mempunyai rasio power-weight yang rendah dibandingkan dengan konverter sumber tegangan.

Gambar 42. Konverter sumber arus (D > 0.5)

h. Pemilihan Inti Transformator Konverter Sumber Arus DC-DC dengan Isolasi Listrik Diperlukan sekali untuk mempunyai transformator daya yang mempunyai ukuran dan berat yang kecil dan kehilangan daya yang kecil. Alasan menggunakan frekuensi pensaklaran yang tinggi adalah untuk mengurangi ukuran dari transformator daya dan komponen filter. Material Ferrit seperti 3C8 sering digunakan untuk membuat inti transformator. Gambar 43 memperlihatkan hal yang sama yaitu memperlihatkan sebuah tipe loop B –H untuk sebuah material.

Gambar 43. Kurva karakteristik ferrit 3C8


32


Pada konverter dengan topologi eksitasi inti bidireksional, adanya gap udara mencegah saturasi inti di bawah star-up dan kondisi transien tetapi tidak mencegah saturasi inti jika ada sebuah tegangan kedua yang tidak seimbang selama dua setengah siklus operasi. Pada implementasi praktis, ada beberapa penyebab yang membuat ketidakseimbangan tegangan kedua, seperti drop tegangan konduksi yang berbeda dan waktu pensaklaran yang berbeda dari saklar-saklar. Cara yang terbaik untuk menghindari saturasi inti dengan memonitor arus saklar (switch). Dengan menggunakan IC juga akan mengeliminasi saturasi di bawah start up dan kondisi transien. Cara lain untuk mencegah saturasi inti karena ketidakseimbangan tegangan yaitu dengan menggunakan sebuah kapasitor blok yang dibuat seri dengan lilitan primer dari inverter half-bridge dan full-bridge. Kapasitor blok harus dipilih dengan tepat sehingga tidak terlalu besar yang akan mengakibatkan ketidakefektifan dibawah kondisi transien dan tidak terlalu kecil yang mengakibatkan drop tegangan ac yang besar, hal ini mengakibatkan kondisi operasi dibawah steady-state. Pada konverter push-pull, kontrol mode arus digunakan untuk mencegah arus switch dari yang akan membuat manjadi berbeda. Pada inti dua lilitan induktor dari konverter flyback, harus ada gap udara untuk menyediakan kemampuan menyimpan energi. Adanya gap udara ini, yang lebih besar dibanding dengan topologi sebelumnya, sisa rapat fluks B r harus nol dan karakteristik B –H akan menjadi linier. Banyaknya kebutuhan induktansi untuk mengoperasikan hanya pada mode diskontinu dapat dihitung dari tegangan konverter yang diberikan dan frekuensi pensaklaran.

i.

Pengaturan Mode Pensaklaran Power Supply DC Tegangan keluaran power supply dc diatur agar mempunyai spesifikasi toleransi tertentu (e.g.  1 %) dalam merespon perubahan tegangan beban keluaran dan masukan. Dalam pengaturan ini digunakan sistem kontrol balikan negatif, yang diperlihatkan pada gambar 44.a., dimana keluaran konverter v o dibandingkan dengan nilai referensi V o,ref . Penguatan kesalahan menghasilkan tegangan kontrol v c, yang digunakan untuk mengatur duty-ratio d saklar-saklar dalam konverter.

Gambar 44. Regulasi tegangan (a) sistem kendali feedback (b) liniearisasi sistem kendali feedback


33


j.

Kontrol PWM Tegangan Feed-Forward Pada pembahasan sebelumnya duty-ratio kontrol PWM, jika perubahan tegangan masukan, sebuah eror dihasilkan pada tegangan keluaran, yang pada akhirnya dikoreksi dengan kontrol feedback. Jika duty-ratio dapat diatur secara langsung untuk mengakomodasi perubahan pada tegangan masukan, maka keluaran konverter tidak berubah. Semua ini bisa dilakukan dengan memberikan level tegangan masukan pada IC PWM. Strategi pensaklaran PWM di sini sama dengan yang telah dibahas sebelumnya yang berhubungan langsung dengan kontrol PWM duty-ratio kecuali untuk perbedaan yang satu: jalur dari bentuk gelombang gigi gergaji tidak konstan tetapi bervariasi, seperti yang terlihat pada gambar 45. Gambar ini memperlihatkan bagaimana penambahan (V r) tegangan masukan menghasilkan pengurangan duty-ratio. Tipe kontrol ini pada konverter step-dpwn (e.g konverter forward) menghasilkan vo ( s) / vd ( s) sama dengan nol dan oleh sebab itu sebuah regulasi inheren yang baik untuk perubahan tegangan masukan. Jika tegangan feed-forward ini diimplementasikan dalam sebuah double-ended power supply (seperti push-pull, half bridge, full-bridge), maka harus ada keseimbangan volt-time dinamis sehingga waktu dari dua saklar tersebut tetap terjaga sama untuk menghindari saturasi transformator isolasi frekuensi tinggi.

Gambar 45. Tegangan feed-forward

h. Kontrol Mode Arus Kontrol duty-ratio PWM yang terlihat pada gambar 46.a. bekerja, dimana tegangan kontrol vc (memperkuat sinyal eror antara keluaran aktual dan referensi) mengontrol duty ratio dari saklar dengan membandingkan tegangan kontrol dengan frekuensi gelombang gigi gergaji. Kontrol duty-ratio saklar ini mengatur tegangan yang melewati induktor dan oleh sebab itu arus induktor (yang memberikan taraf tegangan0 dan pada akhirnya menimbulkan tegangan keluaran pada nilai referensinya. Pada sebuah kontrol mode arus, sebuah tambahan loop kontrol di dalam digunakan sebagaimana yang terlihat pada gambar 46.b, dimana tegangan kontrol v c secara langsung mengontrol arus induktor keluaran yang memberikan taraf keluaran dan tegangan keluaran. Idealnya tegangan kontrol harus bekerja mengontrol secara langsung nilai rata-rata dari arus induktor untuk respon yang tercepat.


34


Gambar 46. (a) Duty-ratio PWM ver (b) Kendali mode arus

Ada tiga tipe dasar kontrol mode arus: 1. Tolerance band control 2. Constant-“off” -time control 3. Constant frekuency control with turn on at clock time. Pada semua tipe kontrol ini, baik arus pada induktor maupun arus pada saklar, yang sebanding dengan arus induktor keluaran, diukur dan dibandingkan dengan tegangan kontrol. Pada tolerance band control , tegangan kontrol vc mendikte nilai rata-rata dari arus induktor sebagaimana yang terlihat pada gambar 47.a. IL merupakan parameter desain. Pensaklaran frekuensi tergantung pada IL, parameter konverter, dan kondisi operasi. Pada constant-off-time control , tegangan kontrol mendikte I L, sebagaimana yang terlihat pada gambar 47.b. Pensaklaran frekuensi tergantung pada parameter konverter dan kondisi operasi. Constant frequency control with a turn on at clock time , saklar hidup pada permulaan tiap perioda waktu pensaklaran pada frekuensi konstan. Tegangan kontrol mendikte I L dan sesaat kemudian saklar mati, sebagaimana yang terlihat pada gambar 6.16c. Saklar mati sampai permulaan siklus pensaklaran selanjutnya.


35


Gambar 47. Tiga tipe kendali mode arus

Pada prakteknya kontrol mode arus, sebuah kompensasi kemiringan ditambahkan pada tegangan kontrol, sebagaimana terlihat pada gambar 48, agar memberikan stabilitas, mencegah osilasi subharmonik. Kontrol mode arus mempunyai beberapa keuntungan dibanding dengan kontrol rasio PWM: 1. Membatasi switch arus puncak. 2. Menghilangkan satu kutub dari fungsi transfer ko ntrol-keluaran ( vo ( s ) / vc ( s ) 3. Mengujinkan desain modular dari power supply dengan pembagian arus yang sama dimana beberapa power supply dapat dioperasikan secara paralel dan memberikan arus yang sama, jika tegangan kontrol yang sama mengalir pada semua modul. 4. Memberikan tegangan masukan feed-forward, sebagaimana yang terlihat pada gambar 48.

Gambar 48. Kompensasi slope pada kontrol mode arus


36


i.

Proteksi Power Supply Untuk membuat kontrol yang stabil yang memberikan steady-state yang tepat dan performan transien, sangat penting dalam pengaturan power supply juga memberikan proteksi jika beroperasi pada kondisi yang abnormal. Modulator UC1524A merupakan versi terbaru dari modulator original. Modulator ini dapat digunakan untuk switching frekuensi sampai 500KHz. Blok diagram dari UC1524A ini terlihat pada gambar 6.18a. Rangkaian referensi internal memberikan keluaran regulasi 5 volt untuk input variasi tegangan mulai dai 8 – 40 V. Penguatan kesalahan membolehkan pengukuran tegangan keluaran dari power supply untuk dibandingkan dengan referensi atau tegangan keluaran yang diinginkan dari amplifier. Parameter RT dan CT menentukan frekuensi osilator, yang menghasilkan sebuah gelombang gigi gergaji. Frekuensi osilator ditentukan dengan

Frekuensi Osilator (KHz) 

1.15 R T (k ) x CT (  F )

Gelombang gigigergaji dibandingkan dengan keluaran penguatan kesalahan dalam komparator untuk menentukan duty ratio dari saklar. Keluaran osilator merupakan pulsa clock yang sempit (3.5 V) dengan lebar pulsa 0.5 S, yang ditentukan dengan menggunakan persamaan di atas.

Gambar 49. PWM UC1524A (a) Diagram blok (b) fungsi transfer


37


j.

Permulaan yang Halus Permulaan yang halus pada power supply dc mode pensaklaran diberikan dengan penambahan duty-ratio dan sebab itu tegangan keluaran lambat, akibat tegangan masukan on. Hal ini bisa diberikan dengan menghubungkan rangkaian sederhana pada kaki 9.

k. Proteksi Tegangan Proteksi kelebihan tegangan dan kekurangan tegangan dapat tergabung dengan menambahkan sedikit komponen eksternal pada kaki shut-down (10).

l.

Pembatasan Arus Untuk proteksi kelebihan arus pada keluaran, arus keluaran rangkaian dapat diketahui dengan mengukur tegangan yang melewati sebuah resistor peraba. Tegangan ini dapat diterapkan pada kaki 4 dan 5. Ketika tegangan peraba ini melebihi ambang pintu temperatur yang sudah dikompesasi (200mV), keluaran dari penguatan kesalahan ditarik ke ground dan pengurangan secara linier lebar pulsa keluaran.

m. Isolasi Listrik pada Loop Balikan Pada switching power supply yang sudah diisolasi secara listrik, memungkinkan untuk memberikan isolasi pada bagian balikan dimana tegangan keluaran pada bagian sekunder dari transformator daya frekuensi tinggi diukur untuk mengendalikan pensaklaran daya yang ada pada bagian primer dari transformator daya frekuensi tinggi. Dua option dipresentasikan pada gambar 6.19a dan 6.19b. Pada kontrol bagian sekunder yang terlihat pada gamabr 6.19a, kontroler PWM, seperti UC1524A, ada pada bagian sekunder transformator daya. Tegangan supply ini diberikan dengan sebuah bias supply langsung ke sebuah transformator isolasi dari bagian primer. Sinyal pada rangkaian driver saklar diberikan langsung transformator sinyal kecil, maka dari itu memelihara isolasi pada loop balikan. Sebagai alternatif, kontrol bagian primer yang terlihat pada gambar 6.19b, dimana kontroler PWM ada pada bagian primer dengan saklar-saklar daya. Kebutuhan isolasi listrik ini antara penguatan kesalahan tegangan keluaran dan kontroler PWM. Keuntungan dengan mempunyai kontroler PWM pada bagian yang sama dari saklar-saklar, menyederhanakan interface dengan rangkaian driver saklar dan hal ini memungkinkan untuk mengimplementasikan tegangan masukan kontrol feed-forward . Untuk mengimplementasikan isolasi dalam kontrol gambar 6.19b adalah menggunakan sebuah optocoupler antara keluaran dc dari penguat error dan kontroler PWM.


38


Gambar 50. Isolasi listrik pada loop feedback (a) kontrol bagian skunder (b) kontrol bagian primer

Alternatif lain dalam kontrol bagian primer adalah dengan menggunakan osilator modulasi amplitudo seperti UC1901 yang terlihat pada gambar 51. Keluaran osilator frekuensi tinggi dikopel melewati transformator sinyal frekuensi tinggi ke sebuah demodulator yang menyuplai tegangan eror dc ke kontroler PWM.

Gambar 51. Isolasi feedback Generator UC1901


39


4. Desain untuk Menemukan Spesifikasi Power Supply a. Filter Masukan Sebuah filter lolos rendah yang sederhana, seperti yang terlihat pada gambar 52, boleh digunakan pada masukan ke supply mode pensaklaran untuk memperbaiki faktor dayanya dari operasi dan untuk mereduksi konduksi EMI. Dari sudut efisiensi energi, filter ini mengalami kehilangan energi sekecil mungkin. Sebuah power supply mode pensaklaran yang teregulasi nampak seperti resistansi negatif yang melewati filter masukan kapasitor. Hal ini terjadi karena pada kenyataannya pada penambahan tegangan masukan, arus masukan berkurang, selama tegangan keluaran teregulasi, dan oleh sebab itu daya keluaran dan daya masukan tidak berubah. Pengurangan arus masukan dengan penambahan tegangan masukan berimplikasi pada resistansi masukan negatif.

Gambar 52. Filter masukan

b. Jembatan Penyearah Masukan Agar bisa dioperasikan pada nilai tegangan rms ac nominal 115 atau 230 V, memungkinkan menggunakan rangkaian pelipat tegangan seperti yang terlihat pada rangkaian 53.

Gambar 53. Penyearah pengali tegangan

c.

Kapasitor Bulk dan Hold Up Time Kapasitor sambungan dc, biasanya sebagai kapasitor bulk, yang berfungsi mengurangi riak tegangan pada masukan konverter dc-dc. Sebagai tambahan, kapasitor ini memberikan holdup time selama suplai regulasi tetap memberikan keluaran tegangan yang teregulasi pada waktu tidak ada tegangan ac masukan disebabkan oleh kehilangan daya. Kapasitor bulk C d, dapat dihitung sebagai fungsi dari hold-up time yang dibutuhkan: C d  2 x

rate keluaran daya x hold - up time (V d 2nomunal  V d 2min ) x

dimana Vd,min dipilih pada range 60 – 75 % dari tegangan masukan nominal V d,nominal dan  adalah efesiensi daya pada power supply.


40

KB1 Power Suplly

Recommend Documents