064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 1 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang KEGIATAN BELAJAR 1 MENERAPKAN RANGKAIAN CATU DAYA(POWER SUPPLY) STANDAR KOMPETENSI064.DKK.5. Menguasai Elektronika Terapan KOMPETENSI DASARMenerapkan rangkaian catu daya (power supply)TUJUAN PEMBELAJARANSetelah 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 rangkaianpower 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 digunakanuntukmemberikanteganganataudayakepadaberbagairangkaianelektronikayang membutuhkanteganganDCagardapatberoperasi.Rangkaianpokokdaricatudayatidaklain adalahsuatupenyearahyaknisuaturangkaianyangmengubahsinyalbolak-balik(AC)menjadi sinyal searah (DC). Sumber daya diperoleh dari baterai, solar sel, generator AC/DC, dan jala-jala listrik PLN.Dariberbagaisumberdayatersebutyangpalingbanyakdigunakanpadarangkaian elektronikaadalahdenganmengubahteganganACjala-jalalistrikPLNmenjadiDC.Proses pengubahan dimulai dari penyearahan oleh diode,penghalusan tegangan kerut(Ripple Voltage Filter)denganmenggunakancondensatordanpengaturan(regulasi)olehrangkaianregulator. Pengaturanmeliputipengubahantingkatteganganatauarus.Padateknikregulasipada pembuatan catu daya, kita mengenal teknik regulasi daya linier dan teknik regulasi switching. Powersupplydcyangteregulasidibutuhkanuntuksebagianbesarsistemelektronika analogdandigital.Hampirsemuapowersupplydidesainuntukmemenuhikebutuhan-kebutuhan sebagai berikut: -Keluaranyangteregulasi.Tegangankeluaranharusdibuatkonstandenganuntuk mengantisipasi perubahan dari tegangan masukan ataupun beban keluaran. -Isolasi. Keluaran membutuhkan isolasi secara elektrik dari pengaruh masukan. -Keluaranmultipel.Banyakpowersupplyyangmempunyaikeluaranyangberagam(positif dan negatif) yang mempunyai rate tegangan dan arus yang berbeda. Tiap keluaran diisolasi dari pengaruh masing-masing. 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 2 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang PadateknikelektronikaPowersupplydcada2macam,yaitu:powersupplylineardan switchingpowersupply.Gambaranikhtisartentangkeduapowersupplydijelaskansebagai berikut. 1.Power Supply LinearGambar1a.memperlihatkanskematikdarisebuahpowersupplylinier.Agarmemberikan isolasi listrik antara masukan dan keluaran dan untuk menghasilkan keluaran teganganpada rangeyangdiinginkan,makadibutuhkansebuahtransformator60Hz.Sebuahtransistor 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 Vref, rangkaian pengendali pada gambar 6.1a mengatur arus basis transistor. Transistor pada power supply linier berfungsi sebagai resistor yang bisa diatur dimana perbedaan tegangan vd Vo antara inputdan tegangan keluaran yang diinginkan melewati transistordan menyebabkan daya hilang pada power supply tersebut. Untuk memberikan range tegangan masukan ac 60 Hz, dibutuhkan penyearah dan filter keluaran vd(t) seperti yang diperlihatkan pada gambar 6.1b. Untuk meminimalisasi kehilangan daya pada transistor, rasio pada transformator harus dipilih dengan hati-hatiseperti Vd,min pada gambar 6.1b lebih besar dibanding Vo 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.Transistorberoperasipadapadadaerahaktifnya.Padadaerahtersebutterjadi kehilangandayayangsignifikan.Olehkarenaituefisiensidaripowersupplylinier 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 ( 100 mA. C.CATU DAYA SWITCHING (SWITCHING POWER SUPPLY) 1.Blok Diagram Catu Daya Switching Gambar 25. Diagram Blok Switching Power Supply 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 23 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang Penjelasan tiap-tiap blok rangkaian switching power supply, sebagai berikut: a.EMI FilterEMIFilterberfungsiuntukmencegahpengaruhdariinterferensielektromagnetikdan frekuensitinggi.EMIFilterTersusunatasLdanCkarenaLmempunyaiimpedansiyang tinggiuntukfrekuensitinggisedangkanCmempunyaiimpedansiyangrendahuntuk 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 MenggunakanMOSFETDevicedibandingdeviceyanglain(BJTTransistor)karena MOSFETmemilikifastresponseyanglebihtinggisehinggalebihsesuaiuntukproses switching.SudahbanyakICSwitchingyangterintegrasidenganFBcircuit,overcurrent protection,shutdownmode,shortcircuitprotectiondanautostartup.Rangkaian Switching device ditunjukkan oleh gambar 27 berikut. Gambar 27. Switching Device Prinsip Kerja: 1)Pada saat MOSFET Switch ON : ArusmengalirmelaluiKumparanprimertrafo,terjadimagnetisingpadaintitrafodanmenginduksisisisekunderyangmengakibatkantimbulnyateganganpadasisi sekunder. 2)Pada saat MOSFET Switch OFF : Masih ada sisa arus pada kumparan sisi primer yang bisa menginduksi sisi sekunder trafo.Sisaaruskarenamagnetisingmengalirkemana?untukituharusadaLoop tertutup untuk mengalirkan sisa arus akibat magnetising pada sisi primer. Prinsip ini diterapkandalamSnubbercircuit,selainituSnubbercircuitberfungsiuntuk mencegah spark akibat switching. Snubber circuit ditunjukkan oleh Gambar 28.

Gambar 28. Switching Deviceyang dilengkapi Snubber Circuit 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 24 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang c.Isolated feedback Control IsolatedfeedbackcontrolberfungsiuntukmengaturteganganoutputdariSMPS sehingga output konstan ada 2 macam sistem kontrol yaitu primary side isolated control dansecondarysideisolatedcontrol,sepertiditunjukkanolehgambar29.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). Gambar 30.Blok Regulator Output 2.Contoh Rangkaian Catu Daya Switching a.Switching Power Supply pada LG DVD Receiver model DA3520 IC REG Vin Vout Power CTL H dari U-com Timer H dari U-com HSR H dari U-com 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 25 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang b.Switching Power Supply 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 26 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang c.Switching Power Supply 200 W PC ATX DTK PTP-2038 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 27 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang 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 powersupplydilengkapidengansebuahtransformatorisolasifrekuensitinggi. Gambar 6.4a memperlihatkan karakteristikintitransformator khusus yang merupakan loop B-H (hysteresis).Pada kurva ini Bm merupakan batas rapat fluks maksimum yang mana pada batas itu terjadi saturasi dan Br merupakan rapat fluks sisa.Macam-macamtipekonverterdc-dc(denganisolasi)dapatdibagikedalamdua karakteristik dasar,yang berdasar pada penggunaan inti transformator: 1)Eksitasiintiunidirectionaldimanahanyabagianpositif(quadrantI)dariloopB-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) Tegangankeluarandarikonverter-konverterinidiregulasidenganmenggunakan switching PWM. 2)EksitasiintibidirectionaldimanaantarabagianpositifdannegatifdariloopB-H digunakan sebagai alternatif. Untuk membuat eksitasi inti bidireksional, inverter mode switch fasa tunggal dapat digunakanuntukmenghasilkansebuahgelombangkotakacpadamasukan transformatorisolasifrekuensitinggi,yangterlihatpadagambar35.Inverter-inverter itu adalah sebagai berikut: Push-pull Half-bridge Full-bridge Untuk menganalisa rangkaian-rangkaian ini, saklar-saklar tersebut dibuat ideal dan kehilangan daya pada induktif, kapasitif, dan elemen-elemen transformator yang diabaikan. Kehilanagan daya ini membatasi kemampuan operasional dari rangkaian ini. Gambar35.Representasi transformator(a) Tipe loop B H inti transformator (b) dua lilitan transformator (c) rangkaian setara 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 28 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang Semuarangkaianinidianalisapadakondisioperasisteady-state,dankapasitor filterpadakeluarandiasumsikansangatbesar.Analisadipresentasikanhanya 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 N1 : N2 merupakan perbandingan kumparan transformator, Lm 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 induktansi harus disangga dengan elemen switching dan rangkaian snubbernya, dengan demikian jelas dibutuhkan untuk meminimalisasi kebocoran induktansi. Dengan cara yang sama, pada konverter dc-dc mode switch, dibutuhkan untuk membuat induktansi magnetik Lm seperti yang terlihat pada gambar6.4c setinggi mungkin untuk meminimalisasi arus magnetik Im 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 oleh 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 Lm 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 Padakonverterdengansaklartunggalsepertipadakonverterflybackdanforward, tegangankeluaranVo untukmemberikan masukanVdyangdikendalikandenganPWM. Padakonverterdc-dcpush-pull,halfbridge,fullbridge,dimanakeluarankonverter disearahkanuntukmenghasilkansebuahkeluarandc,tegangankeluarandcVo dikendalikandenganmenggunakanskemaPWMyangdiperlihatkanpadagambar36, yang mengendalikan interval A selama semua saklar off secara simultan.064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 29 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang Gambar 36.Skematik PWM yang digunakan dalam konverter dc dc d.Konverter Flyback Konverterflybackdiperolehdarikonverterbuck-boost,yangbisadilihatpadagambar37. Denganmenempatkansebuahlilitankeduapadainduktor,halinimemungkinkanuntuk 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 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 30 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang e.Konverter Forward Konverterforwarddiperolehdarikonverterstep-down,yangbisadilihatpadagambar39. Padasebuahkonverterpraktis,arusmagnetisasitransformatorharusdiperhitungkanagar pengoprasiannyatepat.Sebaliknya,energiyangtersimpanpadaintitransformatorakan menghasilkan kegagalan/kesalahan konverter. Sebuah pendekatan yang mengijinkan energi magnetiktransformerdirekoverdanfeedbackpadasupplymasukanyangdiperlihatkan pada gambar 40.a.hal ini membutuhkan sebuah demagnetisasi lilitan ketiga. Dalam gambar 40.b. memperlihatkan transformatordengan rangkaian ekivalennya. Gambar 39. Konverter forward ideal Gambar 40. Konverter forward praktis 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 31 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang 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 switchingPWM 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 konduksinya 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 karenakebocoran fluks dari transformator. Gambar 41.Konverter Push-pull Dalam rangkaian push-pull, karenaperbedaan yang tidak dapat dihindarkan pada waktu pensaklaran dari dua saklar T1 dan T2, selalu ada ketidakseimbangan antara nilai puncak dari dua arus pensaklaran. Ketidakseimbangan ini dapat dikurangi dengan pengatur mode arus yang akan dibahas berikutnya. 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 32 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang g.Konverter Sumber Arus DC-DC Konverter dc dc yang telah dijelaskan sebelumnya merupakan konverter sumber tegangan. Denganmemasukansebuahinduktorpadainputdarirangkaianpush-pull,sepertiyang terlihatpadagambar42.danpengoperasiansaklarpadasebuahdutyrasioDyanglebih besardari0.5,konvertermemberikansebuahsumberarus.DisiniDlebihbesardari0.5secara tidak langsung menyerempakan konduksi saklar-saklar atas. Ketikakeduasaklaron,teganganyangmelewatitiapsetengahlilitanprimerakanmenjadi nol. Arus masukan Id dibuat linier dan energi disimpan pada induktor masukan. Ketika salah satudarisaklarberkonduksi,teganganinputdanenergiyangtersimpanpadainduktor masukanmenyuplaistagekeluaran.Olehkarenaitu,rangkaianiniberoperasisamahalnya dengan konverter step up. Dalam mode konduksi arus kontinu,rasio transfer tegangannya dapat diperoleh menjadi ( )5 . 01 2112>= DD NNVVdo 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 sekaliuntuk 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 BH untuk sebuah material. Gambar 43.Kurva karakteristik ferrit 3C8 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 33 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang Padakonverterdengantopologieksitasiintibidireksional,adanyagapudaramencegah saturasiintidibawahstar-updankondisitransientetapitidakmencegahsaturasiintijika ada sebuah tegangan kedua yang tidak seimbang selama dua setengahsiklus 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 intidengan memonitor arus saklar (switch). Dengan menggunakan IC juga akan mengeliminasi saturasi di bawah start up dankondisitransien.Caralainuntukmencegahsaturasiintikarenaketidakseimbangan teganganyaitudenganmenggunakansebuahkapasitorblokyangdibuatseridenganlilitan primerdariinverterhalf-bridgedanfull-bridge.Kapasitorblokharusdipilihdengantepat sehinggatidakterlalubesaryangakanmengakibatkanketidakefektifandibawahkondisi transiendantidakterlalukecilyangmengakibatkandropteganganacyangbesar,halini mengakibatkankondisioperasidibawahsteady-state.Padakonverterpush-pull,kontrol modearusdigunakanuntukmencegaharusswitchdariyangakanmembuatmanjadi berbeda. Pada inti dua lilitan induktor dari konverter flyback, harus ada gap udara untuk menyediakan kemampuanmenyimpanenergi.Adanyagapudaraini,yanglebihbesardibandingdengan topologi sebelumnya, sisa rapat fluks Brharus nol dan karakteristik BH 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 Tegangankeluaranpowersupplydcdiaturagarmempunyaispesifikasitoleransitertentu (e.g.1%)dalammeresponperubahanteganganbebankeluarandanmasukan.Dalam pengaturaninidigunakansistemkontrolbalikannegatif,yangdiperlihatkanpadagambar 44.a.,dimanakeluarankonvertervodibandingkandengannilaireferensiVo,ref.Penguatan kesalahanmenghasilkantegangankontrolvc,yangdigunakanuntukmengaturduty-ratiod saklar-saklar dalam konverter. Gambar 44. Regulasi tegangan (a) sistem kendali feedback (b) liniearisasi sistem kendali feedback 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 34 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang j.Kontrol PWM Tegangan Feed-Forward Pada pembahasan sebelumnya duty-ratio kontrol PWM, jika perubahan tegangan masukan, sebuaherordihasilkanpadategangankeluaran,yangpadaakhirnyadikoreksidengan kontrol feedback.Jikaduty-ratiodapatdiatursecaralangsunguntukmengakomodasiperubahanpada teganganmasukan,makakeluarankonvertertidakberubah.Semuainibisadilakukan denganmemberikanlevelteganganmasukanpadaICPWM.StrategipensaklaranPWMdi sinisamadenganyangtelahdibahassebelumnyayangberhubunganlangsungdengan kontrol PWM duty-ratio kecuali untuk perbedaan yang satu: jalur dari bentuk gelombang gigi gergajitidakkonstantetapibervariasi,sepertiyangterlihatpadagambar45.Gambarini memperlihatkanbagaimanapenambahan(Vr)teganganmasukanmenghasilkan penguranganduty-ratio.Tipekontrolinipada konverterstep-dpwn(e.gkonverterforward) menghasilkan) ( / ) ( s v s vd osamadengannoldanolehsebabitusebuahregulasiinheren 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 vc 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.064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 35 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang 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.AIL merupakan parameter desain. Pensaklaran frekuensi tergantung pada AIL, parameter konverter, dan kondisi operasi.Pada constant-off-time control, tegangan kontrol mendikte IL, sebagaimana yang terlihat pada gambar 47.b. Pensaklaranfrekuensi 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 IL dan sesaat kemudian saklar mati, sebagaimana yang terlihat pada gambar 6.16c. Saklar mati sampai permulaan siklus pensaklaran selanjutnya. 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 36 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang 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 kontrol-keluaran ( ) ( / ) ( s v s vc o 3.Mengujinkandesainmodulardaripowersupplydenganpembagianarusyangsama 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 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 37 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang i.Proteksi Power Supply Untukmembuatkontrolyangstabilyangmemberikansteady-stateyangtepatdan performantransien,sangatpentingdalampengaturanpowersupplyjugamemberikan proteksi jika beroperasi pada kondisi yang abnormal.ModulatorUC1524Amerupakanversiterbarudarimodulatororiginal.Modulatorinidapat 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. Penguatankesalahanmembolehkanpengukurantegangankeluarandaripowersupply untuk dibandingkan dengan referensi atau tegangan keluaran yang diinginkan dari amplifier.ParameterRT danCTmenentukanfrekuensi osilator, yangmenghasilkansebuahgelombang gigi gergaji. Frekuensi osilatorditentukan dengan) ( C ) ( R1.15(KHz) OsilatorFrekuensiT TF x k O=Gelombanggigigergajidibandingkandengankeluaranpenguatankesalahandalam komparatoruntukmenentukandutyratiodarisaklar.Keluaranosilatormerupakanpulsa clock yang sempit (3.5 V) dengan lebar pulsa 0.5S, yang ditentukan dengan menggunakan persamaan di atas. Gambar 49.PWM UC1524A (a) Diagram blok (b) fungsi transfer 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 38 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang j.Permulaan yang Halus Permulaanyanghaluspadapowersupplydcmodepensaklarandiberikandengan penambahanduty-ratio dan sebab itu tegangan keluaran lambat, akibattegangan masukan on. Hal ini bisa diberikan dengan menghubungkan rangkaian sederhana pada kaki 9. k.Proteksi Tegangan Proteksikelebihantegangandankekurangantegangandapattergabungdengan menambahkan sedikit komponen eksternal pada kaki shut-down (10). l.Pembatasan Arus Untukproteksikelebihanaruspadakeluaran,aruskeluaranrangkaiandapatdiketahui denganmengukurteganganyangmelewatisebuahresistorperaba.Teganganinidapat 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 Padaswitchingpowersupplyyangsudahdiisolasisecaralistrik,memungkinkanuntuk memberikanisolasipadabagianbalikandimanategangankeluaranpadabagiansekunder 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. Padakontrolbagiansekunderyangterlihatpadagamabr6.19a,kontrolerPWM,seperti UC1524A,adapadabagiansekundertransformatordaya.Tegangansupplyinidiberikan dengansebuahbiassupplylangsungkesebuahtransformatorisolasidaribagianprimer. 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 penguatankesalahantegangankeluarandankontrolerPWM.Keuntungandengan mempunyaikontrolerPWMpadabagianyangsamadarisaklar-saklar,menyederhanakan interfacedenganrangkaiandriversaklardanhalinimemungkinkanuntuk mengimplementasikan tegangan masukan kontrol feed-forward. Untukmengimplementasikanisolasidalamkontrolgambar6.19badalahmenggunakan sebuah optocoupler antara keluaran dc dari penguat error dan kontroler PWM. 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 39 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang Gambar 50.Isolasi listrik pada loop feedback (a) kontrol bagian skunder (b) kontrol bagian primer Alternatiflaindalamkontrolbagianprimeradalahdenganmenggunakanosilatormodulasi amplitudo seperti UC1901 yang terlihatpada gambar51.Keluaran osilator frekuensi tinggi dikopelmelewatitransformatorsinyalfrekuensitinggikesebuahdemodulatoryang menyuplai tegangan eror dc ke kontroler PWM. Gambar 51.Isolasi feedback Generator UC1901 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 40 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang 4.Desain untuk Menemukan Spesifikasi Power Supply a.Filter Masukan Sebuahfilterlolosrendahyangsederhana,sepertiyangterlihatpadagambar52,boleh digunakanpadamasukankesupplymodepensaklaranuntukmemperbaikifaktordayanya darioperasidanuntukmereduksikonduksiEMI.Darisudutefisiensienergi,filterini mengalami kehilangan energi sekecil mungkin. Sebuahpowersupplymodepensaklaranyangteregulasinampaksepertiresistansinegatif yangmelewatifiltermasukankapasitor.Haliniterjadikarenapadakenyataannyapada penambahanteganganmasukan,arusmasukanberkurang,selamategangankeluaran 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 hold-up time selama suplai regulasi tetap memberikan keluaran tegangan yang teregulasi pada waktu tidak ada tegangan ac masukan disebabkan oleh kehilangan daya. Kapasitor bulk Cd, dapat dihitung sebagai fungsi dari hold-up timeyang dibutuhkan: q x V Vx Cd dd) ( time up - hold xdaya keluaranrate22min2nomunal=dimana Vd,min dipilih pada range 60 75 % dari tegangan masukan nominal Vd,nominal dan q adalah efesiensi daya pada power supply. 064.DKK.5 Menguasai Elektronika Terapan / KD1. Menerapkan Rangkaian Catu Daya (Power Supply) Agus Saefudin, S.Pd / NIP. 19751018 200903 1 002 / NUPTK. 2350 7536 5520 0013 41 Teknik Elektronika Teknik Audio Video SMK Negeri 2 Bawang d.Membatasi Arus Surge pada saat Turn-On Ketikadayamulaimensuplai,kapasitorbulkCdmula-mulanampakefektifsebagaishort circuityangmelewatisumberac,yanghasilnyamengeluarkanarussurgeyangtidakbisa dihitungbesarnya.Untukmembatasiarussurgeini,elemenseriantarabagiandcdari jembatan penyearah dan Cd dapat digunakan. Elemen seri ini dapat berupa termistor, yang mempunyai resistansi yang tinggi pada saat dingin, sehingga bisa membatasi arus pada saat ON. Pilihanlainadalahdenganmenggunakansebuahresistorpembatasarus,dansebuah thyristordihubungparalleluntukmembuatelemenseri.Mula-mulathyristorpadakondisi OFFdanresistorpembatasarusmembatasiarussurgepadasaatON.Ketikategangan kapasitor bulk terisi, thyristor ON, yang kemudian mem-bypass resistor pembatas arus. Hal inimemungkinkanuntukmendesainelemenseridenganmenggunakandevaisseperti MOSFET atau sebuah IGBT.e.Persamaan Resistansi Seri dari Kapasitor Filter Keluaran ESR(EquivalentSeriesResistance)darikapasitorfilterkeluaransepertiyangterlihatpada gambar 54dibutuhkanmenjadiserendah mungkin.Padapenerapanfrekuensipensaklaran yangtinggi,ESRsecarasignifikanberkontribusipadapuncakkepuncakdannilairmsdari riakpadategangankeluaran.Deviasipuncakpadategangankeluarandarinilaikondisi tetapnya,mengikutiperubahanstepdalampembebanan,jugatergantungpadakapasitor ESR. Untuk perubahan step dari beban ini, inductor filter keluaran seperti yang terlihat pada gambar 54 bekerja sebagai sebuah sumber arus konstan selama transien pembebanan dan perubahan dalam arus beban sebagai sebuah transien disuplai dengan kapasior filter. Sebab itu sebuah transien beban dapat dituliskan sebagai berikut: AVo = ESR x AIo Gambar 54.ESR pada kapasitor keluaran f.Penyearah Sinkron untuk Menghasilkan Efisiensi Energi Untukmenghasilkanpenyearahsinkronmembutuhkanperangkattambahan,seperti komputeruntukpowersupplydenganteganganlebihrendahdari5V,contohtegangan dengan range 2 3 V, sebagai konsekuensi dari penambahan integarasi dari gerbang logika padasebuahsubstratmonolitiktunggal.Padaswitchingpowersupplydengantegangan keluaran rendah, dioda pada penyearah keluaran menjadi sumber terbesar dari kehilangan daya.Walaupunsecaraumumpenggunaandiodaschootkymempunyaidroptegangan relatiftinggi,danolehsebabitu,sebuahkehilangandayabesarsepertipadapenerapan tegangankeluaranrendah.Untukmemperbaikihalitu,MOSFETteganganrendahdengan resistansi on-state yang sangat rendah rDS(ON) dan BJT tegangan rendah dengan tegangan VCE on-stateyangsangatrendahdapatdigunakanuntukmenggantidiodapadakeluaran. Devais-devaisinipadaaplikasitersebutsangatdianjurkanuntukmembuatpenyearah sinkron.