switching power

52
Catatan bebas mengenai : Switching Power Supply By : Budic Utom Jika anda suka dengan catatan bebas versi NISG ini jangan lupa kunjungi kami di : http://nisguru.blogspot.com

Upload: rony-suryatman

Post on 07-Dec-2014

126 views

Category:

Documents


13 download

TRANSCRIPT

Page 1: Switching Power

Catatan bebas mengenai :

Switching Power Supply

By : Budic Utom

Jika anda suka dengan catatan bebas versi NISG ini jangan lupa kunjungi kami di :

http://nisguru.blogspot.com

Page 2: Switching Power

PENDAHULUAN

Prinsip dan Definisi Suatu unit daya dari jenis tertentu adalah penting sekali untuk operasi peralatan dan

sistem elektronika. Karena itu, diagnosa kesalahan dari berbagai jenis catu daya yang lazim digunakan merupakan suatu bidang studi yang sangat penting. Daya untuk menjalankan suatu sistem atau piranti tentu saja dapat dicatu dari baterai, tetapi lebih lazim daya ini diperoleh dari jaringan AC satu fasa. Tujuan dari unit daya dalam hal ini adalah untuk dapat menggunakan catu jaringan lokal (240 Vrms pada 50 Hz dan lain sebagainya) dengan mengkonversinya ke dalam bentuk yang cocok untuk rangkaian internal sistem atau piranti yang bersangkutan. Dalam kebanyakan hal ini berarti mengkonversi jaringan AC ke dalam tegangan DC tertentu yang stabil. Keluaran DC pada dasarnya harus tetap konstan terhadap perubahan arus beban, masukan jaringan, dan suhu. Di samping itu terdapat persyaratan-persyaratan mengenai isolasi dan kemungkinan pengamanan beban lebih dan tegangan lebih yang bekerja secara otomatis. Unit daya secara efektif harus mengisolasi rangkaian internal dari jaringan utama, dan biasanya harus dilengkapi dengan pembatas arus otomatis atau pemutus bila terjadi beban lebih atau hubung singkat. Bila pada saat terjadinya kesalahan catu daya, tegangan keluaran DC meningkat di atas suatu nilai aman maksimum untuk rangkaian internal, maka daya secara otomatis harus diputuskan.

Dua metode utama digunakan untuk menyediakan tegangan DC stabil yang teregulasi. Jenis yang telah biasa digunakan adalah pengatur seri linier, dan jenis ini masih menonjol untuk kebutuhan daya sedang. Untuk kebutuhan daya yang lebih besar, makin banyak diperkenalkan catu daya mode saklar (Saklared Mode Power Unit, SMPU). Sistem SMPU lebih efisien, panas yang terbuang lebih sedikit, sehingga membutuhkan ruang lebih sedikit dibandingkan pengatur linier konvensional.

Selain rangkaian stabilisasi DC, terdapat inverter dan konverter. Piranti-piranti ini juga merupakan contoh dari sistem SMPU. INVERTER adalah sebuah unit daya yang menghasilkan keluaran daya AC dari sumber DC. Frekuensi daya AC dapat saja 50 Hz, tetapi dapat sebesar 400 Hz atau lebih. Sebagai sumber DC tipikal adalah sebuah baterai, dan salah satu contoh yang baik dari inverter adalah dalam unit daya cadangan yang pada saat terjadi kegagalan jaringan, menyediakan catu darurat jangka pendek sebesar 240 Vrms pada 50 Hz dari sebuah baterei 24 volt. Baterei ini diisi dengan aliran kecil ketika ada aliran jaringan.

Pada dasarnya KONVERTER adalah sebuah inverter yang diikuti penyearah, atau dengan perkataan lain konversi DC ke DC. Sebagai contoh dapat disebutkan kebutuhan suatu piranti potabel dalam memperoleh tegangan 1 kV pada 1 mA DC untuk memberi aliran ke tabung photo-multiplier dari sebuah baterei 9 volt.

Karena dalam praktek, catu daya DC stabil merupakan jenis paling banyak dijumpai oleh kebanyakan teknisi uji coba dan perbaikan, adalah bermanfaat untuk menguraikan parameter dan istilah penting yang dipergunakan. Beberapa istilah ini tentu saja dapat diterapkan pada jenis-jenis rangkaian catu daya lainnya:

1) Rentang, Batas-batas maksimum dan minimum dari tegangan keluaran dan arus keluaran suatu catu daya.

2) Regulasi beban, Perubahan maksimum tegangan keluaran yang di sebabkan oleh perubahan arus dari tanpa beban sampai beban penuh. Presentasi regulasi sebuah catu daya diberikan dengan rumus:

Page 3: Switching Power

% 100 beban anpategangan t

penuhbeban tegangan -beban anpaTegangan t beban regulasi % x=

ini ditunjukan dalam gambar 1.1 yang memperlihatkan grafik regulasi beban untuk satu unit catu daya 5 V.

Gambar 1.1 Contoh kurva regulasi beban untuk catu daya yang distabilkan

3) Regulasi saluran, Perubahan maksimum tegangan keluaran sebagai akibat perubahan dalam tegangan masukan AC. Sering diberikan sebagai perbandingan persentasi, misalnya ± 10 % perubahan jaringan pada ± 0,01 % tegangan keluaran.

4) Impendansi Keluaran, Perubahan tegangan keluaran dibagi dengan perubahan kecil dalam arus beban pada suatu frekuensi tertentu (100 KHz adalah tipikal).

L

oout I

VZ∂∂

=

Pada frekuensi rendah, yakni untuk arus beban yang berubah lambat, bagian resistif dari Zout lebih menonjol. Rout dapat dibaca dari grafik regulasi beban (lihat gambar 1.1) dan untuk suatu unit daya yang layak, paling besar nilainya harus beberapa ratus miliohm.

5) Riak dan desah, Nilai Puncak ke puncak atau rms dari setiap sinyal bolak-balik atau acak yang ditambahkan pada tegangan DC keluaran dengan semua parameter operasi dan lingkungan eksternal dibuat tetap. Riak dapat dicatat pada beban penuh atau pada suatu nilai tertentu dari arus beban.

6) Tanggapan Transien, Lamanya tegangan keluaran DC untuk kembali dalam rentang 10 mV dari nilai keadaan tetapnya setelah mendadak diberikan beban penuh.

7) Koefisien Suhu, Perubahan persentasi tegangan DC keluaran dengan suhu pada nilai tertentu dari masukan saluran AC dan arus beban.

Page 4: Switching Power

8) Stabilitas, Perubahan dalam tegangan keluaran keluaran dengan waktu, dengan menganggap bahwa unit yang bersangkutan telah mencpai keseimbangan thermal dan bahwa tegangan masukan AC, arus beban, serta suhu lingkungan semuanya dibuat tetap.

9) Efisiensi, Perbandingan antara daya keluaran dan daya masukan yang dinyatakan sebagai persentasi. Sebagai contoh, misalkan sebuah catu daya 24 V bila dibebani sampai 1,2 A memerlukan arus masukan 200 mA dari saluran AC 240 V, maka:

%100xIVIVEfisiensi

ACAC

Lo=

%60%1002,0240

2,124== x

xx

10) Pembatasan arus, Suatu metoda untuk mengamankan komponen catu daya dan rangkaian yang dicatunya dari kerusakan akibat arus beban lebih. Arus keluaran keadaan tetap maksimum dibatasi pada suatu nilai yang aman (lihat gambar 1.1)

11) Pembatasan arus berbalik, Suatu perbaikan dari pembatasan arus sederhana. Bila suatu nilai pemutusan arus beban yang telah ditetapkan sebelumnya dilampaui, catu daya akan berpindah keadaan untuk membatasi arus pada nilai yang jauh lebih rendah (gambar 1.2)

Gambar 1.2 Karakteristik pembatasan arus berbalik.

Dengan parameter-parameter di atas, suatu unit daya yang relatif sederhana dapat memiliki spesifikasi tipikal, misalnya seperti berikut:

Masukan 110 V atau 240 V AC pada 50 Hz atau 60 Hz.

Tegangan keluaran +24 V.

Arus keluaran 1,2 A maksimum

Rentang suhu –5oC sampai 45oC

Koefisien suhu 0,01 %/oC

Page 5: Switching Power

Regulasi saluran 10 % perubahan saluran

Menghasilkan 0,1 % perubahan keluaran

Regulasi beban 0,2 % dari nol sampai beban penuh.

Disini perubahan yang paling buruk dalam tegangan keluaran dapat dihitung. Perubahan persentasi adalah jumlah dari semua perubahan yang disebabkan oleh regulasi saluran, regulasi beban, dan suhu (perubahan 50oC). yaitu :

Perubahan paling buruk dalam keluaran DC

= 0,1 % + 0,2 % + 0,5 %

=0,8 % atau 192 mV

untuk mengukur perubahan-perubahan kecil dalam tegangan keluaran catu daya dengan sebarang ketelitian yang layak memerlukan piranti pengukuran yang peka. Sebuah voltmeter digital merupakan piranti yang dapat dipilih.

Sebelum mempelajari rangkaian-rangkaian yang sebenarnya, beberapa hal lain mengenai catu daya perlu dipertimbangkan. Untuk tujuan diagnosa kesalahan, perlu diketahui bagaimana DAYA didistribusikan ke seluruh sistem atau piranti tertentu. Dalam beberapa situasi, mungkin unit daya perlu mencatu beban melalui sambungan yang cukup panjang seperti dalam gambar 1.3a. karena arus beban mengalir melalui catuan dan kawat-kawat saluran, suatu kerugian tegangan akan terjadi yang menyebabkan tegangan pada beban menjadi kurang dari tegangan pada terminal-terminal catu daya sehingga regulasi menurun. Suatu teknik yang dipergunakan untuk memperbaiki hal ini disebut PENGINDERAAN JARAK JAUH yang mempergunakan dua sambungan ekstra untuk mengganti kerugian akibat efek resistansi sambungan catu (gambar 1.3b). Pada kenyataannya teknik ini membuat resistansi sambungan catu tercakup dalam loop umpan balik bagian regulator. Hal ini memberikan pengaturan optimum pada terminal-terminal beban dan bukannya pada keluaran catu daya. Arus yang dibawa oleh kedua kawat sensor adalah sangat kecil, sehingga dipergunakan kawat yang sangat halus. Tetapi karena kedua kawat sensor itu merupakan masukan dari rangkaian komparator, keduanya harus dilindungi untuk mencegah terpungutnya interferensi. Dalam praktek dipergunakan sepasang kawat yang dilindungi dan pelindungnya dihubungkan ke ground hanya pada sisi catu daya. Perhatikan bahwa teknik penginderaan jarak jauh ini hanya dapat digunakan untuk memberikan pengaturan yang optimum pada satu beban saja. Bila catu daya digunakan untuk memberikan aliran ke sejumlah besar beban secara paralel, harus digunakan teknik lain. Saat ini, karena IC regulator dapat diperoleh dengan mudah dan termasuk murah, penggunaan regulator “ titik beban” atau regulator jarak jauh makin meningkat. Satu contoh sederhana ditunjukan dalam gambar 1.4 dimana masing-masing beban dilengkapi dengan rangkaian regulator sendiri. Unit daya utama yang mencatu ketiga regulator yang terpisah sering tidak distabilkan.

Page 6: Switching Power

Gambar 1.3a Beban terletak jauh dari terminal catu daya; kawat sambungan membuat VL lebih kecil dari Vo dan

menurunkan regulasi

Gambar 1.3b. Penginderaan jarak jauh

Gambar 1.4 Pemakaian regulator “titik beban”

Page 7: Switching Power

KONVERTER SAKLAR DC – DC Pendahuluan Konverter dc – dc biasanya banyak digunakan dalam meregulasi saklar –power supply dan aplikasi penggerak motor dc. Seperti yang terlihat pada gambar 2.1, seringkali input dari pada konverter ini merupakan tegangan yang tidak teregulasi. Saklar-konverter dc-dc digunakan untuk mengkonversi input tegangan dc yang tidak teregulasi ke dalam pengendali output dc pada sebuah level tegangan yang diinginkan.

Jenis konverter terdiri dari beberapa macam, diantaranya:

• Step-down (buck) converter

• Step-up (boost) converter

• Step-down/Step-up (buck – boost) converter

• Cuk converter

• Full – bridge converter

Dari 5 jenis konverter diatas, step-down dan step-up converter merupakan jenis konverter dasar, sedangkan konverter buck – boost dan cuk merupakan kombinasi dari dua jenis konverter dasar. Konverter full - bridge digerakan dari konverter step – down.

Gambar 2.1 Sistem konverter dc-dc

Tegangan input dc pada sebuah konverter diasumsikan mempunyai impedansi internal nol. Tegangan input dc ini bisa berupa betere, walaupun biasanya tegangan input dc ini merupakan tegangan input dari penyearah tegangan ac dengan menggunakan dioda, dengan sebuah filter yang mempunyai kapasitansi yang besar, yang berguna untuk membuat impedansi internal yang rendah dan sumber tegangan dc yang mempunyai ripple yang rendah. Output sebuah konverter, sebuah filter yang rendah (kecil) dihilangkan sebagai sebuah integral dari konverter dc – dc. Output diasumsikan untuk menyuplai sebuah beban yang bisa direpresentasikan dengan sebuah ekivalensi resistansi.

Kendali Konverter dc – dc

Pada konverter dc-dc, tegangan output rata-rata harus dikendalikan ke dalam level yang diinginkan, walaupun tegangan input dan beban output berfluktuasi. Salah satu kegunaan dari saklar konverter dc-dc ini adalah untuk mentransformasi dc dari satu level ke level lainnya. Dalam sebuah konverter dc-dc dengan sebuah pemberian tegangan input, tegangan output rata-rata dikendalikan dengan mengendalikan durasi saklar on dan off (ton dan toff). Untuk mengilustrasikan konsep mode pengonversian saklar, dapat dilihat pada

konverter dc-dc dasar yang diperlihatkan pada gambar 2.2a. Nilai tegangan Vo rata-rata sebuah tegangan output vo seperti yang terlihat pada gambar 2.2b tergantung pada ton dan toff. Salah satu metode untuk mengendalikan tegangan output yaitu dengan membuat saklar

Page 8: Switching Power

pada frequensi konstan (perioda waktu saklar yang konstan yaitu Ts = ton + toff).dan mengatur on dari durasi saklar dengan mengendalikan tegangan output rata-rata. Metode ini sering disebut dengan pensaklaran Pulse – Width Modulation (PWM). Rasio duty saklar di definisikan sebagai rasio dari durasi on terhadap perioda waktu saklaring yang bervariasi.

Metode pengendalian yang lain dari konverter ini sifatnya lebih umum dan sering digunakan, yaitu dengan menggunakan thyristor. Variasi dalam frekuensi saklar akan membuat sulit dalam memfilter ripple bentuk gelombang input dan output dari konverter.

Gambar 2.2 Saklar Mode Konveter dc-dc

Gambar 2.3 Pulse-Width Modulation (a) diagram blok (b) sinyal komparator

Dalam pensaklaran PWM pada sebuah frekuensi saklar yang konstan, sinyal kontrol saklar yang mengendalikan keadaan (on atau off) dari saklar, dibangkitkan dengan membandingkan sebuah sinyal tegangan kontrol level Vcontrol dengan sebuah bentuk gelombang yang berulang-ulang seperti yang bisa dilihat pada gambar 2.3a dan 2.3b. Sinyal tegangan kontrol secara umum dihasilkan dengan memperkuat error, atau perbedaan antara

Page 9: Switching Power

tegangan output aktual dan dengan nilai yang diinginkan itu sendiri. Frekuensi dari bentuk gelombang yang diulang-ulang dengan sebuah puncak yang konstan yang digambarkan oleh sebuah sawtooth membentuk frekuensi saklaring. Frekuensi ini dibuat konstan dalam sebuah kendali PWM dan dipilih dari range kilohertz sampai ratusan kilohertz. Ketika sinyal error lebih besar dari bentuk gelombang sawtooth, sinyal pengendali saklar akan menjadi high, yang menyebabkan saklar hidup, dan sebaliknya akan mati. Dengan melihat vcontrol dan puncak dari bentuk gelombang sawtooth Vst , pada gambar 7.3, rasio saklar duty dapat diperlihatkan sebagai:

st

control

s

on

Vv

TtD == .

Konverter dc-dc dapat mempunyai dua mode operasi:

1. Konduksi arus yang terus-menerus

2. konduksi arus yang tidak terus-menerus

Pada prakteknya, sebuah konverter dapat dioperasikan pada kedua mode operasi tersebut, yang mempunyai perbedaan karaakteristik yang signifikan. Oleh karena itu, sebuah konvereter dan pengendalinya tersebut harus didesain berdasarkan kedua mode operasi tersebut.

Konverter Step-Down

Konverter Step-Down menghasilkan sebuah tegangan output rata-rata yang lebih rendah dari tegangan input dc Vd. Aplikasi dari konverter ini adalah untuk meregulasi power supply dc dan pengendali kecepatan motor dc.

Secara konsep, rangkaian dasar seperti yang terlihat pada gambar 7.2a merupakan sebuah konverter step-down untuk beban resistif yang kecil. Diasumsikan sebuah saklar ideal, sebuah tegangan input konstan Vd, dan sebuah beban resistif yang kecil, maka bentuk gelombang tegangan output dapat digambarkan seperti yang terlihat pada gambar 7.2b sebagai sebuah fungsi dari posisi saklar. Tagangan output rata-rata dapat dihitung dengan menggunakan rasio saklar duty:

controlst

do kv

VVV ==

dimana tankons

VVk

st

d ==

Dengan membuat variasi rasio duty ton/Ts dari saklar, maka Vo dapat dikendalikan. Salah satu yang penting lainnya bahwa tegangan output rata-rata Vo bervariasi secara linier dengan tegangan kendali seperti dalam penguat linier. Dalam penerapannya, rangkaian yang telah tergambar sebelumnya mempunyai dua kekurangan diantaranya:

1. Pada prakteknya beban harus induktif.

Page 10: Switching Power

Walaupun tetap menggunakan sebuah beban resistif, maka beban tersebut akan selalu diasosiasikan sebagai induktansi. Artinya bahwa saklar harus menyerap (menghilangkan) energi induktif.

2. Tegangan output berfluktuasi berkisar antara nol dan Vd.

Masalah dari penyimpanan energi induktif ini dapat diatasi dengan memasang dioda seperti yang bisa dilihat pada gambar 2.4a. Fluktuasi tegangan output akan sangat berkurang jika menggunakan sebuah Low-Pass-Filter, yang terdiri dari sebuah induktor dan kapasitor. Gambar 2.4b memperlihatkan bentuk gelombang dari input voi ke low-pass-filter (sama dengan tegangan output pada gambar 2.2b tanpa lowpass filter), yang terdiri dari komponen dc Vo dan harmonik pada switcing frequency fs dan multipelnya, sebagaimana yang tertera pada gambar 2.4b. Karakteristik low pass filters dengan damping provided menggunakan resistor R diperlihatkan pada gambar 2.4c. Frekuensi sudut fc dari low pass filter ini dipilih yang lebih rendah daripada pensaklaran frekuensi, maka dari itu esensinya adalah mengeliminasi ripel switcing frequency pada tegangan output.

Selama interval ketika saklar on, dioda seperti pada gambar 2.4 a akan mengalami bias mundur dan input memberikan energi ke beban sebaik seperti pada induktor. Selama interval ketika saklar off, aliran arus induktor menuju dioda, pentransferan arus induktor ini menyimpan energi ke beban.

Dalam analisis steady-state, kapasitor filter output diasumsikan menjadi sangat besar untuk menjamin tegangan output konstan vo(t) ≈ Vo.

Gambar 2.4 Konverter dc-dc Dtep-down

Konverter Step-Up

Gambar 2.5 memperlihatkan sebuah konverter step-up. Contoh penerapan dari konverter step-up yaitu untuk meregulasi power supply dc dan rem regeneratif pada motor dc. Tegangan keluaran selalu lebih besar dari tegangan input. Ketika saklar on, maka dioda mengalami panjar mundur, maka dari itu saklar ini mengisolasi stage output. Input menyuplai energi ke induktor. Ketika saklar off, stage output menerima energi dari induktor

Page 11: Switching Power

sebaik dari input. Dalam analisis steady-state, kapasitor filter output diasumsikan menjadi sangat besar untuk menjamin tegangan output konstan vo(t) ≈ Vo.

Gambar 2.5 Konverter step-up dc-dc

Konverter Buck–Boost Konverter ini sering digunakan dalam meregulasi power supply dc, dimana sebuah polaritas negatif output diinginkan dengan mempertimbangkan common terminal dari tegangan input, dan tegangan output bisa lebih besar atau lebih kecil dari tegangan input.

Konverter ini dapat dihasilkan dengan hubungan kaskode dari dua konverter dasar: konverter step-up dan step-down. Dalam keadaan steady state rasio konversi tegangan output ke input merupakan hasil dari rasio konversi dari dua konverter yang dikaskode (diasumsikan saklar dari dua konverter ini mempunyai rasio duty yang sama).

DD

VV

d

o

−=

11

Tegangan output menjadi lebih besar atau lebih kecil dari tegangan input, berdasarkan pada rasio duty D.

Hubungan kaskode dari konverter step-down dan step-up dapat dikombinasikan ke dalam satu konverter buck-boost seperti yang terlihat pada gambar 2.6. Ketika saklar tertutup, input memberikan energi ke induktor dan dioda dalam keadaan panjar mundur. Ketika saklar terbuka, energi yang tersimpan dalam induktor di trasnfer ke output. Tidak ada energi yang disuplai selama interval ini. Dalam analisis steady-state, kapasitor filter output diasumsikan menjadi sangat besar untuk menjamin tegangan output konstan vo(t) ≈ Vo.

Gambar 2.6 Konverter Buck-Boost

Konverter CUK

Konverter CUK dapat dilihat pada gambar 2.7. Konverter ini dihasilkan dengan mengunakan dualisme prinsip pada rangkaian konverter buck – boost. Sama dengan konverter buck-boost, konverter CUK menyediakan sebuah polaritas negatif tegangan output yang teregulasi dengan mempertimbangkan common terminal dari tegangan input. Pada rangkaian ini kapasitor C1 bekerja sebagai komponen penyimpanan utama dan mentransfer energi dari input ke output.

Page 12: Switching Power

Dalam keadaan steady-state, tegangan induktor rata-rata VL1 dan VL2 adalah nol, jadi : VC1 = Vd + Vo

VC1 lebih besar dibanding dengan Vd dan Vo. Dengan mengasumsikan C1 cukup besar nilai kapasitansinya, dalam keadaan steady-state variasi vC1 dari nilai rata-rata VC1 dapat diasumsikan menjadi kecil, walaupun vC1 tersebut menyimpan dan mentransfer energi dari input ke output.

Ketika saklar off, arus induktor iL1 dan iL2 mengalir ke dioda. Rangkaian diperlihatkan pada gambar 1.12b. Kapasitor C1 diisi melalui dioda dengan energi dari kedua input dan L1. Arus iL1 berkurang, karena VC1 lebih besar daripada Vd. Energi disimpan dalam L2 menuju output. Untuk itu, iL2 juga berkurang.

Ketika saklar on, VC1 membuat dioda panjar mundur, arus induktor iL1 dan iL2 mengalir menuju saklar, seperti yang tergambar pada gambar 2.8b. Sejak VC1 > Vo, C1 mengalami pengosongan melalui saklar, dan mentransfer energi ke output dan L2. Untuk itu, iL2 bertambah. Input memberi energi ke L1 yang menyebabkan iL1 bertambah.

Gambar 2.7 Konverter CUK

Gambar 2.8 Bentuk gelombang konverter CUK (a) Saklar off; (b) Saklar on

Konverter Full-Bridge dc – dc

Ada 3 aplikasi/penerapan dari konverter full bridge mode pensaklaran, yang tergambar pada gambar 2.9:

• Penggerak motor DC

• Konversi dc-to-ac (gelombang sinus) dalam satu fasa UPS (Uninterruptable ac Power Supply).

Page 13: Switching Power

• Konversi dc-to-ac (frekuensi tinggi) dalam saklar mode transformer-isolated dc power supply.

Walaupun topologi full-bridge sama dalam tiap 3 aplikasi tersebut, tipe pengendali tergantung dari penerapannya.

Pada konverter full-bridge seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.9, input merupakan tegangan dc Vd yang mempunyai besar tertentu. Output dalam konverter ini merupakan sebuah tegangan dc Vo, yang besarnya dapat dikendalikan sebagus polaritas. Hal yang sama, besar dan arah output arus Io dapat dikendalikan juga. Maka dari itu sebuah konverter full-bridge seperti yang diperlihatkan pada gambar 2.9 dapat beroperasi dalam semua 4 kuadran Io – vo, dan daya mengalir through converter can be in either direction.

Dalam sebuah topologi konverter, seperti pada konverter full-bridge yang dapat dilihat pada gambar2.9, dimana dioda dihubungkan pada antiparalel dengan saklar-saklar, sebuah perbedaan harus dibuat antara keadaan on versus keadaan konduksi dari sebuah saklar. Karena dioda-dioda dalam anti paralel dengan saklar-saklar, ketika sebuah saklar di-on-kan, hal akan membuat sebuah arus akan mengalir atau tidak, hal ini tergantung dari arah arus output Io. Jika saklar mengalirkan sebuah arus, kemudian saklar ini dalam keadaan konduksi. Tidak ada perbedaan yang berarti jika saklar berada dalam keadaan off.

Konverter full-bridge terdiri dari 2 kaki, A dan B. tiap kaki terdiri dari 2 saklar dan keduanya saling berhubungan antiparalel dengan dioda-dioda. Dua saklar tersebut pada tiap kaki di-switch-kan, dan salah satu dari saklar tersebut dalam keadaan off, maka saklar yang lain dalam keadaan on. Maka dari itu, dua saklar tersebut tidak pernah off secara simultan. Pada prakteknya, kedua saklar tersebut off pada interval waktu yang pendek, yang biasa disebut dengan blanking time, untuk menjaga hubung singkat pada input dc.

Jika saklar-saklar konverter pada tiap kaki di-switch-kan dan kedua saklar pada sebuah kaki tidak dalam keadaan off secara simultan, maka arus output Io pada gambar 2.9 akan mengalir secara kontinu. Maka dari itu tegangan output tergantung dari status saklar-saklar.

Page 14: Switching Power

Gambar 2.9 Konverter dc – dc Full-Bridge

Pada konverter single-switch, polaritas dari tegangan output unidirectional, dan oleh karena itu saklar konverter merupakan PWM dengan membandingkan sebuah bentuk gelombang sawtooth switching-frequency dengan tegangan kontrol vcontrol. Secara jelas tegangan output dari konverter full-bridge dapat berbalik arah dalam polaritas dan oleh karena itu, sebuah bentuk gelombang triangular switching-frequency digunakan untuk PWM dari saklar-saklar konverter. Dua strategi pensaklaran PWM dijelaskan dibawah ini:

1. PWM dengan pensaklaran tegangan bipolar, ketika (TA+,TB-) dan (TA-,TB+) dibuat sebagai dua saklar yang berpadangan; saklar-saklar pada tiap padang hidup dan mati secara simultan.

2. PWM dengan pensaklaran tegangan unipolar, merupakan pensaklaran double-switching. Disini saklar-saklar pada tiap kaki inverter dikendalikan secara independen dari kaki yang lain.

Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, arus output yang masuk pada konverter full-bridge PWM, ketika mensuplai beban dc seperti yang bisa dilihat pada gambar 2.9, tidak akan menjadi diskontinu pada nilai Io yang rendah, tidak seperti konverter single-switch yang telah dijelaskan sebelumnya.

Konverter full-bridge pada gambar 2.9, arus input Id merubah arah secara instan. Maka dari itu, hal ini penting bahwa input dari konverter ini yang akan dirubah menjadi sumber tegangan dc mempunyai sebuah impendansi internal yang rendah. Pada prakteknya, kapasitor filter yang besar yang digambarkan pada blok diagram gambar 2.1 menyediakan impedansi yang rendah.

PERBANDINGAN KONVERTER DC – DC Konverter step-down, step-up, buck-boost, dan Cuk dalam bentuk dasarnya dapat mentransfer energi hanya pada satu arah. Hal ini merupakan konsekuensi dari kemampuannya untuk menghasilkan hanya tegangan dan arus unidirectional. Konverter full-bridge merupakan jenis konverter yang mampu mengalirkan daya secara bidirectional (dua arah), dimana kedua Vo dan Io dapat berbalik (dibalik) secara independen dengan yang lain. Kemampuan untuk mengoperasikan ini dalam 4 kuadran dari bingkai Vo – Io membuat konverter full-bridge dapat digunakan sebagai inverter dc-to-ac. Pada inverter dc-to-ac, yang akan dijelaskan pada topik selanjutnya, konverter full-bridge beroperasi dalam 4 kuadran selama tiap siklus dari output ac.

Untuk mengevaluasi seberapa bagus kegunaan saklar pada rangkaian konverter, kita buat asumsi-asumsi:

Page 15: Switching Power

1. Rata-rata arus adalah pada rate nilai Io. Ripel pada arus induktor dapat diabaikan; oleh karena itu iL(t) = IL keadaan ini secara tidak langsung merupakan sebuah mode kontinu-konduksi untuk semua konverter.

2. Tegangan output vo adalah pada rate nilai Vo. Ripel pada tegangan vo diasumsikan dapat diabaikan; oleh karena vo(t) = Vo.

3. Tegangan input Vd diizinkan bervariasi. Oleh karena itu rasio duty saklar harus dikendalikan untuk menahan Vo konstan.

Dengan kondisi operasi steady-state yang dahulu, saklar rate tegangan puncak VT dan rate arus puncak IT di kalkulasikan. Saklar rate daya dikalkulasikan sebagai PT = VTIT. kegunaan saklar diekspresikan sebagai Po/PT, dimana Po = VoIo merupakan daya output.

Pada gambar 2.10 merupakan faktor penggunaan saklar Po/PT diplot untuk konverter-konverter yang telah dijelaskan dahulu. Gambar ini menjelaskan bahwa konverter step-up dan step-down , jika tegangan input dan tegangan outout mempunyai besar yang sama, kemudian penggunaan saklar sangat bagus. Pada konverter buck-boost dan Cuk, saklar sangat sedikit sekali digunakan. Maksimum penggunaan saklar dari 0,25 terealisasi pada D = 0,5, yang berhubungan langsung dengan Vo= Vd.

Pada konverter full-bridge yang non-isolated, faktor penggunaan saklar diplot sebagai sebuah fungsi dari rasio duty dari satu saklar (contoh, saklar TA+ pada 7.27). Secara keseluruhan penggunaan saklar juga minim. Maksimum pada Vo = -Vd dan Vo = Vd.

Gambar 2.10 Penggunaan saklar dalam konverter dc – dc

Page 16: Switching Power

INVERTER DC-AC

Pendahuluan Inverter dc – to – ac biasanya digunakan untuk penggerak motor ac dan UPS

(Uninterruptible ac Power Supply, dimana inverter tersebut berfungsi untuk menghasilkan sebuah output ac sinusoidal, yang besar dan frekuensinya dapat dikendalikan. Sebagai contoh, sebuah penggerak motor ac yang diperlihatkan pada gambar 3.1 dalam sebuah blok diagram. Tegangan dc dihasilkan dengan menyearahkan dan memfilter jaringan tegangan. Jadi inverter ini, seperti yang terlihat pada gambar 3.1 digunakan untuk merubah tegangan dc menjadi tegangan ac yang diinginkan.

Gambar 3.1 Inverter mode saklar dalam penggerak motor ac

Untuk membuat inverter ini presisi, jadi inverter tersebut adalah sebuah konverter yang aliran dayanya dapat dibalik. Oleh karena itu konverter saklar-mode ini sering direfer sebagai inverter saklar-mode.

Inverter ini sering direfer sebagai Voltage Source Inverter (VSIs). VSIs ini dapat dibagai menjadi tiga katagori umum:

1. Pulse-Width-Modulated Inverter. Pada inverter ini, tegangan input dc merupakan tegangan yang mempunyai besar yang konstan, seperti tergambar pada gambar 8.1, dimana sebuah dioda penyearah digunakan untuk menyearahkan tegangan jala-jala. Oleh karena itu inverter harus mengendalikan besar dan frekuensi tegangan output ac. Ini merupakan keuntungan inverter saklar menggunakan PWM dan oleh karena itu inverter biasanya disebut dengan inverter PWM.

2. Square-Wave-Inverter. Pada inverter ini, tegangan input dc dikendalikan agar bisa mengendalikan besar tegangan output ac, dan oleh karena itu inverter harus mengendalikan hanya frekuensi dari tegangan output. Tegangan output ac mempunyai bentuk gelombang yang sama dengan gelombang kotak, dan karena itu inverter ini sering disebut dengan inverter gelombang kotak (Square Wave Inverter).

3. Single-Phase Inverters With Voltage Cancellation. Inverter dengan output singel fasa memungkinkan mengendalikan besar dan frekuensi tegangan output inverter, walaupun input inverter merupakan sebuah tegangan dc konstan dan saklar inverter ini bukan merupakan inverter PWM. Oleh karena itu inverter ini menggabungngkan karakteristik dari kedua inverter sebelumnya.

Page 17: Switching Power

Konsep Dasar Inverter Mode Pensaklaran Kita akan melihat kebutuhan-kebutuhan dari inverter saklar-mode. Untuk lebih sederhananya, marilah kita melihat inverter single-phase (fasa tunggal), yang diperlihatkan dalam blok diagram pada gambar 3.2a, dimana tegangan output dari inverter difilter, maka dari itu bahwa vo dapat diasumsikan merupakan gelombang sinusoidal. Pada waktu inverter menyuplai sebuah beban induktif seperti pada sebuah motor ac, io akan terlambat dari vo, seperti yang terlihat pada gambar 3.2. bentuk gelombang output pada gambar 3.2b memperlihatkan bahwa selama interval 1, vo dan io kedua-duanya positif, sebaliknya selama interval 3, kedua-duanya negatif. oleh karena itu, selama interval 1 dan 3, seketika itu daya mengalir (po=voio) dari sisi dc ke sisi ac, Ini berhubungan dengan mode operasi sebuah inverter. Secara jelas vo dan io berlawanan selama interval 2 dan 4, dan oleh karena itu po mengalir dari sisi ac ke sisi dc dari konverter, ini berhubungan dengan mode operasi sebuah rectifier. Oleh karena itu, inverter saklar-mode yang terlihat pada gambar 3.2a harus dapat beroperasi dalam semua 4 kuadran dari bidang io - vo, yang bisa dilihat pada gambar 3.2c selama tiap siklus dari output ac. Inverter 4 kuadran ini telah dijelaskan sebelumnya pada materi full-bridge converter, yang bisa dilihat pada gambar 2.9, dimana io dapat dibalik dan vo juga dapat menjadi polaritas yang independen dari arah io. Oleh karena itu, konverter full-bridge yang terlihat pada gambar 2.9 membutuhkan sebuah inverter saklar-mode.

Gambar 3.2Inverter mode saklar fasa tunggal

Untuk memahami karakteristik inverter dc – dc dari inverter satu kaki yang dapat dilihat pada gambar 3.3, pertama kita asumsikan bahwa tegangan input dc Vd adalah konstan dan saklar inverter merupakan Pulse-Width Modulated (PWM) untuk membentuk dan mengendalikan tegangan output.

Page 18: Switching Power

Gambar 3.3 Inverter mode saklar satu kaki

Skema Saklar PWM Kita telah mempelajari PWM konverter dc - dc Full-Bridge pada pembahasan tentang konverter. Pada konverter tersebut terdapat sebuah sinyal kendali vcontrol yang dibandingkan dengan sebuah bentuk gelombang switching-frequency yang berulang-ulang agar membangkitkan sinyal switching. Pengaturan saklar rasio duty pada cara ini mengizinkan rata-rata tegangan output dikendalikan/diatur.

Pada rangkaian inverter, PWM merupakan sebuah bit yang lebih komplek, seperti yang telah disebutkan sebelumnya, kita ingin output inverter menjadi sinusoidal dengan besar dan frekuensi yang dapat dikendalikan. Agar menghasilkan sebuah bentuk gelombang tegangan output sinusoidal pada frekuensi yang diinginkan, sebuah pengendali sinyal sinusoidal pada frekuensi yang diinginkan dibandingkan dengan dengan sebuah bentuk gelombang triangular, seperti yang digambarkan pada gambar 3.4a. Frekuensi gelombang triangular membuat frekuensi switcing inverter dan secara umum menjaga konstan selama amplitudonya Vtri.

gambar 3.4 PWM

Page 19: Switching Power

Skema Pensaklaran Gelombang Square Pada skema pensaklaran gelombang square, tiap saklar dari kaki inverter pada gambar 8.4 untuk setengah siklus (180o) dari frekuensi output yang diinginkan.

Salah satu kelebihan dari operasi gelombang square adalah tiap saklar inverter merubah keadaannya hanya dua kali persiklus, yang penting pada saat level daya yang sangat tinggi dimana saklar solid-state secara umum mempunyai kecepatan on dan off lebih rendah. Salah satu kekurangan dari pensaklaran gelombang square bahwa inverter tidak mampu meregulasi besar tegangan output. Oleh karena itu, tegangan input dc Vd yang masuk ke sebuah inverter harus di atur agar mengendalikan besar tegangan output inverter

INVERTER FASA TUNGGAL INVERTER HALF-BRIDGE (FASA TUNGGAL) Gambar 3.5 memperlihatkan inverter half-bridge. Dua kapasitor yang sama dihubungkan seri melewati input dc dan hubungannya berada pada potensial sedang, dengan tegangan ½ Vd yang melewati tiap kapasitor. Kapasitor yang cukup besar harus digunakan untuk mengasumsikan bahwa potensial pada poin o konstan terhadap tegangan dc negatif pada jalur N. oleh karena itu, konfigurasi rangkaian ini identik dengan inverter dasar satu kaki (one-leg) yang telah dijelaskan sebelumnya, dan vo = vAo.

Mengsumsikan saklar PWM, kita memperoleh bahwa bentuk gelombang tegangan output akan seperti yang terlihat dalam gambar 3.4b. Tanpa memperhatikan kondisi saklar, arus antara dua kapasitor C+ dan C- (yang mempunyai kapasitasitansi yang sama dan sangat besar) terbagi sama besar. Ketika T+ on, salah satu T+ dan D+ berkelakuan tergantung dari arah dari arus keluaran, dan io terbagi sama antara dua kapasitor. Hal sama jika T- on.

Pada saat Io mengalir ke kombinasi paralel dari C+ dan C- , Io pada keadaan steady state tidak bisa mempunyai sebuah komponen dc. Oleh karena itu, kapasitor-kapasitor ini betindak sebagai kapasitor blocking dc, dan mengurangi permasalahan saturasi transformer dari lilitan primer, jika transformer digunakan pada output untuk memberikan isolasi listrik. Pada waktu arus di lilitan primer sebuah transformer tidak nol pada tiap pensaklaran, kebocoran energi induktansi transformer tidak masalah pada saklar-saklar tersebut.

Gambar 3.5 Inverter Half-Bridge

Page 20: Switching Power

INVERTER FULL-BRIDGE (FASA TUNGGAL) Inverter full-bridge dapat dilihat pada gambar 3.6. Inverter ini terdiri dari dua inverter satu kaki yang telah dijelaskan pada sesi terdahulu. Dengan tegangan input dc yang sama, maksimum tegangan output dari inverter full-bridge adalah dua kali dari inverter hal-bridge. Secara tidak langsung bahwa untuk daya yang sama, arus keluaran dan arus saklar adalah one-half dari sebuah inverter half-bridge. Pada level daya yang tinggi, mempunyai keuntungan yang berbeda, sejak inverter tersebut membutuhkan komponen paralel yang sedikit.

Gambar 3.6 Inverter Full-Bridge

INVERTER PUSH-PULL Gambar 3.7 memperlihatkan sebuah rangkaian inverter push-pull. Rangkaian ini membutuhkan sebuah transformator dengan sebuah center tap pada bagian primernya. Kita mengasumsikan bahwa arus keluaran Io mengalir secara kontinu. Dengan asumsi ini, ketika saklar T1 dalam keadaan on (dan T2 off), T1 mengarahkan/menjalankan nilai posiitif dari arus Io, dan D1 akan megarahkan sebuah nilai negatif dari arus Io. Oleh karena itu, tanpa memperhatikan arah dari arus io, vo = Vd/n, dimana n adalah rasio antara lilitan setengah primer dan sekunder, seperti yang terlihat pada gambar 3.7. Hal yang sama, ketika T2 on (dan T1 off), vo = -Vd/n. Sebuah inverter push-pull dapat dioperasikan pada sebuah mode PWM atau sebuah gelombang square dan bentuk gelombangnya identik (sama) seperti yang terlihat pada gambar 3.4 untuk inverter half-bridge dan full-bridge.

Kelebihan utama dari rangkaian push-pull adalah tidak lebih dari satu saklar dalam satu seri pengarahan pada tiap saat. Hal ini bisa menjadi penting jika masukan dc ke konverter berasal dari sebuah sumber tegangan rendah, seperti sebagai sebuah batere, dimana tegangan turun lebih dari satu saklar dalam satu seri akan menghasilkan sebuah pengurangan yang signifikan dalam efisiensi energi. Juga devais-devais pengendali (pengontrol) untuk dua saklar mempunyai sebuah common ground. Hal ini bagaimanapun sulit untuk menghindari saturasi dc dari transformator dalam sebuah inverter push-pull.

Page 21: Switching Power

Gambar 3.7 Inverter Push-pull (fasa tunggal)

Arus keluaran, yang merupakan arus sekunder dari transformator, adalah sebuah arus yang lambat pada frekuensi keluaran dasar. Hal ini dapat diasumsikan dapat menjadi konstan selama interfal pensaklaran. Ketika pensaklaran terjadi, pergeseran arus dari setengah ke setengah yang lain dari lilitan primer. Hal ini memerlukan coupling magnetik yang sangat bagus antara dua lilitan setengah ini agar mengurangi energi yang berhubungan dengan kekurangan induktansi dari dua lilitan primer. Energi ini akan mengalami disipasi pada saklar-saklar atau dalam rangkaian snubber yang digunakan untuk memproteksi saklar-saklar. Ini merupakan fenomena umum yang berhubungan dengan semua konverter (atau inverter) dengan isolasi dimana arus dalam satu lilitan dipaksa untuk menjadi nol pada tiap pensaklaran. Penomena ini sangat penting dalam mendesign konverter/inverter.

Dalam sebuah inverter push-pull PWM untuk menghasilkan keluaran sinusoidal, transformator harus desain untuk frekuensi keluaran dasar. Hasilnya dalam sebuah transformator yang kekurangan induktansi tinggi, yang proprorsinya ke bilangan kotak, menyediakan semua dimensi lain yang membuat tetap konstan. Hal ini membuat sulit untuk mengoperasikan sebuah modulasi gelombang sinus inverter push-pull PWM pada pensaklaran frekuensi lebih tinggi dari kira-kira 1 KHz.

INVERTER TIGA FASA Dalam aplikasi seperti pada UPS ac dan penggerak motor ac, inverter tiga fasa sering digunakan untuk mensuplai beban tiga fasa. Hal ini memungkinkan untuk mensuplai beban tiga fasa.

Inverter tiga fasa yang sering digunakan terdiri dari tiga kaki, satu kaki untuk tiap fasa, seperti yang terlihat pada gambar 3.8. Tiap kaki inverter sama, penggunaannya telah dijelaskan pada dasar inverter satu kaki. Oleh karena itu keluaran tiap kaki, seperti vAN hanya tergantung pada Vd dan status saklar; tegangan keluaran adalah independen dari arus beban keluaran sejak satu dari dua saklar pada satu kaki selalu on pada tiap saat.

Page 22: Switching Power

Gambar 3.8 Inverter tiga fasa

INVERTER PWM PADA SUMBER TEGANGAN TIGA FASA Sama halnya pada inverter satu fasa, objektif pada inverter tiga fasa adalah untuk mempertajam dan mengendalikan besar dan frekuensi tegangan keluaran tiga fasa, dengan sebuah esensi tegangan masukan Vd yang konstan. Untuk penyeimbang tegangan keluaran tiga fasa pada inverter PWM tiga fasa, bentuk gelombang tegangan triangular yang sama dibandingkan dengan tiga tegangan kontrol sinusoidal, seperti yang terlihat pada gambar 3.9a.

Gambar 3.9 Bentuk gelombang PWM tiga fasa dan spectrum harmonik

Page 23: Switching Power

OPERASI GELOMBANG SQUARE PADA INVERTER TIGA FASA Jika tegangan masukan dc Vd dapat dikendalikan, inverter pada gambar 3.10a dapat dioperasikan pada mode gelombang square. Juga untuk nilai ma yang cukup tinggi. ma, PWM mendegenerate ke dalam operasi gelombang square dan bentuk gelombang tegangan diperlihatkan pada gambar 3.10b

Gambar 3.10 Inverter gelombang square

Pada operasi mode gelombang square, inverter sendiri tidak bisa mengendalikan besar dari tegangan keluaran ac. Oleh karena itu, tegangan dc masukan harus dikendalikan agar dapat mengendalikan besar keluaran.

Page 24: Switching Power

TRANSFORMATOR Pada dasarnya transformator merupakan suatu komponen pasif dengan empat ujung. Sepadang ujung disebut primer dan pasangan yang lain disebut sekunder. Transformator digunakan untuk mengubah tegangan bolak-balik pada primer menjadi tegangan bolak balik pada sekunder, dengan menggunakan fluks magnetik. Transformator juga digunakan untuk transformasi atau pengubah impedansi. Skema transformator dan lambangnya ditunjukan pada gambar 4.1.

gambar 4.1 (a) Trafo berteras besi (b) lambang transformator

Transformator digunakan dalam elektronika untuk menurunkan tegangan bolak-balik atau menaikan tegangan bolak balik pada listrik PLN. Transformator semacam ini disebut transformator daya.

Di dalam elektronika, transformator ada yang digunakan untuk menyampaikan isyarat dari penguat daya ke beban. Transformator semacam ini disebut transformator keluaran. Transformator keluaran digunakan untuk mengubah impedansi. Teras besi pada transformator digunakan untuk membuat agar fluks magnetik oleh arus pada kumparan primer sebanyak mungkin menembus kumparan sekunder. Dengan demikian perubahan fluks yang disebabkan oleh arus primer akan menyebabkan tegangan gerak listrik induksi (imbas) pada kumparan sekunder. Peristiwa ini ditunjukan pada gambar 4.2.

Gambar 4.2 Prinsip kerja transformator

Menurut hukum induksi faraday, nilai fluks magnetik I berubah dengan waktu, maka akan timbul tegangan gerak listrik

11

22 E

NNE =

Page 25: Switching Power

Dari gambar 4.2, misalkan arus yang ditarik dari sumber pada kumparan primer adalah I1, sedangkan arus yang ditarik dari kumparan primer pada kumparan sekunder adalah I2. Daya yang ditarik dari kumparan sekunder tidak akan lebih besar dari pada daya yang disampaikan oleh kumparan primer, oleh karena itu transformator adalah komponen pasif. Sebetulnya pada transformator banyak terjadi rugi daya. Rugi daya pada transformator disebabkan oleh daya joule yang lesap pada konduktor oleh karena arus primer, arus sekunder, atau arus pusar pada teras transformator. Untuk mengurangi arus pusar, teras dibuat dari lempeng-lempeng besi yang diisolasi satu dari yang lain. Rugi daya yang lain bersumber dari histeresis yang terjadi pada pemagnetan teras oleh karena arus bolak-balik yang mengalir pada kumparan primer maupun sekunder.

Jika rugi daya diabaikan, daya pada kumparan primer P1 = E1 I1 haruslah sama

dengan daya pada kumparan sekunder P2 = E2 I2, sehingga 12

12 I

EEI = ;(E1/E2 = n),

persamaan ini diartikan jika tegangan sekunder menjadi n kali lebih kecil, arus yang dapat ditarik dari kumparan sekunder mempunyai n kali lebih besar daripada arus primer.

Impedansi dilihat dari kumparan primer ke arah sumber adalah 1

11 I

EZ = sedangkan

impedansi dilihat dari keluaran kumparan sekunder adalah 21

2 nZZ = , persamaan ini dapat

diarikan impedansi Z1 yang tampak dari kumparan primer jika melihat ke arah sumber, akan

tampak mempunyai nilai sebesar 21

nZ

jika dilihat dari keluaran sekunder, untuk transformator

penurun tegangan. Sebaliknya persamaan tersebut dapat ditulis Z1 = n2 Z2. hubungan terakhir ini dapat diartikan adalah impedansi Z2 yang dilihat dari keluaran kumparan sekunder ke arah beban bila dilihat dari masukan kumparan primer tampak mempunyai nilai n2Z2 untuk transformator penurun tegangan. Persamaan-persamaan diatas adalah dasar penggunaan transformator untuk transformator impedansi, guna memperoleh kesesuaian impedansi.

Suatu transformator daya biasanya mempunyai lebih dari dua ujung keluaran, seperti yang ditunjukan pada gambar 4.3.

Gambar 4.3 Lambang transform

Transformator daya daya biasanya dinyatakan maksimum yang dapat diamsekunder oleh arus beban.

Suatu ujung yang dihubungkan dengan tempat tertentu pada lilitan sekunder disebut sadapan (tap). Sadapan yang ada ditengah-tengah kumparan di sebut sadapan pusat (center tap), ditulis sebagai CT. Jika diukur terhadap CT maka tegangan sadapan di atas CT berlawanan fasa dengan tegangan sadapan yang ada di bawah CT. pada gambar 4.3, vcb(t) dan vcd(t) mempunyai amplitudo sama akan tetapi berlawanan fasa jika diukur dengan voltmeter ac, Vab akan menunjukan nilai 18 V. nilai tegangan yang tertulis pada trafo adalah nilai rms.

ator

dengan CT lebih luwes dari pada tanpa CT. suatu transformator dengan tegangan sekunder yang tersedia serta arus sekunder bil dari kumparan sekunder tanpa menyebabkan jatuh tegangan Suatu transformator dengan keluaran 9 V, 3 A berarti, jika ditarik

Page 26: Switching Power

arus hingga 3 A maka tegangan keluaran tetap bertahan pada 9 V. pada kenyataannya seringkali didapatkan tegangan keluarannnya telah jatuh 50 % walaupun baru ditarik arus beban setengah daripada arus yang tertulis pada transformator. Biasanya kemampuan arus yang tertulis berlaku untuk tegangan sekunder yang terendah.

Suatu transformator yang berkualitas baik mempunyai tegangan keluaran yang bertahan walaupun dibebani arus sesuai dengan spesifikasi. Ini berhubungan dengan impedansi keluaran transformator, yang selanjutnya berhubungan dengan hambatan jenis kawat lilitan dan diameter kawat kumparan yang digunakan. Dalam membuat trafo mula-mula harus kita tentukan berapa besar daya yang ditarik dari kumparan sekunder, serta berapa besar tegangan sekunder dan primernya. Dalam prakteknya orang menggunakan teras seperti pada gambar 4.4.

gambar 4.4 Bagan transformator daya yang digunakan dalam praktek (b) bentuk teras yang terbuat dari lempeng

besi berbentuk I dan E

Page 27: Switching Power

SAKLAR ELEKTRONIK PENDAHULUAN Disamping sebagai penguat, transistor juga dapat bekerja sebagai saklar dimana transistor dibuat agar hanya ada pada dua keadaan,yaitu keadaan saturasi dan keadaan terputus. Pada keadaan saturasi beda tegangan antara kolektor dan emitor sama dengan nol, dan arus yang mengalir mendekati nilai Vcc/Rc (gambar 5.1). Pada keadaan terputus tegangan antara kolektor dan emitor sama dengan Vcc dan arus kolektor sama dengan nol. Pada keadaan saturasi transistor dikatakan ON dan pada keadaan terputus transistor dikatakan padam OFF.

Gambar 5.1Kurva karakterik saklar transistor

Saklar transistor hanyalah merupakan satu macam saklar elektronik. Disatu pihak saklar transistor digunakan dalam multivibrator, yang terdiri dari dua saklar transistor yang saling berinteraksi. Saklar transistor dalam bentuk yang lebih umum membentuk pintu-pintu logika (logic gates ) yang bersama multivibrator merupakan komponen-komponen utama dari elektronika digital.

Pada arah yang lain, saklar elektronik digunakan dalam industri guna menghantarkan dan memadamkan arus listrik dalam alat-alat berdaya tinggi. Saklar elektronik ini terutama berupa suatu komponen semikonduktor yang bernama Silicon Controlled Rectifier (SCR). Komponen ini terbuat dari bahan semikonduktor p dan n, yang membentuk struktur pnpn.

Satu pemakaian lagi dari saklar elektronika adalah sebagai pemotong (cooper). Pemotong memotong-motong isyarat ac frekuensi rendah atau dc menjadi pulsa-pulsa. Pengertian pemotong ini digunakan pada bagian piranti seperti penguat dc, pengubah tegangan dc menjadi ac (inverter), integrator boxcar untuk pengolah isyarat, dan akhir-akhir ini sedang berkembang pesat yaitu regulator saklaran.

Page 28: Switching Power

SAKLAR TRANSISTOR Rangkaian dasar saklar transistor ditunjukan pada gambar 5.2a

Gambar 5.2 (a) Rangkaian saklar transistor (b) karakteristik keluaran

Gambar 5.2b menunjukan karakteristik keluaran beserta garis bebannya. Pada rangkaian ini akan tampak bahwa bila arus basis IB = IB0 maka transistor tepat akan saturasi. Pada keadaan ini beda potensial antara kolektor dan emitor sangat kecil, yaitu sama dengan VCE(SAT), arus kolektor yang mengalir hampir sama dengan Vcc/Rc, dan hambatan kolektor adalah kebalikan dari kemiringan kurva saturasi dari transistor. Bila arus basis diperbesar menjadi IB1 atau IB2 atau lebih besar lagi, tegangan kolektor (VCE) atau arus kolektor IC tak

berubah nilainya , yaitu masing-masing tetap sama dengan VCE(SAT) dan C

CC

RV

. Inilah

mengapa keadaan ini diberi nama keadaan saturasi atau keadaan jenuh, sebab nilainya tak berubah walaupun arus basis diambah terus.

Nilai arus basis bergantung kepada tegangan VS yang digunakan untuk menghantarkan transistor (membuatnya ON) dan juga kepada hambatan RB yang dipasang seri dengan basis. Arus basis I dapat dihitung

B

S

B

BESB R

VVR

VVI 6,0−=

−=

hubungan antara arus basis dan arus kolektor adalah linier, yang berarti arus kolektor berbanding lurus dengan arus basis kurang dari IB0, yaitu arus basis yang tepat mengakibatkan keadaan saturasi. Bagian dari garis beban antara q1 dan q2 pada gambar 5.2 disebut daerah linier. Dapatlah disimpulkan bahwa daerah linier, yaitu:

IC = hFEIB = βIBPada persamaan di atas tetapan hFE adalah untuk arus dc. Jadi belum tentu sama dengan parameter hfe untuk isyarat kecil (ac).

Mungkin kita berfikir bahwa transistor hanya dapat digunakan untuk menghantarkan arus yang kecil-kecil saja, akan tetapi teknologi semikonduktor terus berkembang dengan pesat. Pada saat perusahaan semikonduktor Motorola telah membuat transistor bipolar darlington, yaitu MJ10500 yang dapat menahan beda potensial 400V antara kolektor dan emitor, serta melewatkan arus hingga 200 A. Dipihak lain perkembangan FET untuk daya tinggi telah menghasilkan transistor dengan kemampuan tegangan 400 V dan mampu

mengalirkan arus 7 A secara kontinyu. Transistor ini yaitu transistor Hexfet IRF 350, dibuat oleh perusahaan semikonduktor International Rectifier.

Page 29: Switching Power

TRANSISTOR PEMOTONG

Seringkali transistor digunakan untuk menghantarkan dan mematikan arus listrik secara berulang. Dikatakan bahwa transistor bekerja sebagai pemotong.

Pemotong digunakan pada penguat isyarat dc atau penguat frekuensi sangat rendah, misalnya 1 Hz. Isyarat dc dipotong-potong dahulu kemudian dibuat searah dan dihaluskan dengan filter.

Pada masa kini pemotong digunakan pada regulator saklaran untuk regulasi catu daya. Pada regulator ini tegangan dc dipotong-potong sehingga menjadi pulsa-pulsa dengan frekuensi tinggi 1000Hz. Lebar pulsa dapat diatur sesuai dengan arus beban sehingga dihasilkan tegangan dc yang konstan dalam batas-batas arus beban tertentu. Regulator saklaran atau dikenal sebagai switcher, mempunyai efisiensi tinggi dan tidak mempunyai induktansi tinggi untuk filter. Pada masa kini telah dibuat catu daya saklaran (switch mode power supply – SMPS) dengan kemampuan arus 300 A untuk tegangan 5 V dengan ukuran kecil.

Sekarang marilah kita tinjau beberapa rangkaian pemotong transistor. Satu rangkaian pemotong sederhana dengan transistor bipolar dilukiskan pada gambar 5.3

gambar 5.3 (a)Pemotong transistor bipolar (b) Rangkaian ekivalen

Peristiwa pemotongan isyarat VI(t) oleh VS(t) dapat dipahami dari gambar 5.4

Gambar 5.4 (a) Bentuk isyarat pemotong (b) Kurva karakteristik keluaran

Antara t1 dan t2, VS mempunyai nilai VP sehingga transistor saturasi. Akibatnya pada selang waktu ini isyarat keluaran VO ∼ 0 V. selanjutnya antara t2 dan t3, VS = 0, maka transistor ada pada keadaan terputus, yaitu arus kolektor IC = 0 A. Akibatnya pada selang waktu ini tegangan kolektor sama dengan VI. Demikian seterusnya terjadi secara berulang, sehingga

Page 30: Switching Power

isyarat keluaran VO menjadi terpotong-potong seperti gambar 5.4a. Pada gambar 5.4b ditunjukan garis-garis beban untuk berbagai nilai VI. Bila isyarat VI negatif maka penguatan arus mempunyai nilai yang sangat kecil. Akibatnya untuk membuat agar transistor saturasi perlu arus basis IB yang jauh lebih besar dari pada kolektor yang mempunyai tegangan positif. Agar prilaku pemotong simetrik terhadap polaritas isyarat masukan, artinya untuk saturasi transistor diperlukan arus basis yang sama, kita dapat gunakan rangkaian seperti pada gambar 5.5.

Gambar 5.5 Pemotong simetrik

Suatu rangkaian pemotong FET sederhana dilukiskan pada gambar 5.6. Perhatikan bahwa rangkaian ini isyarat V harus mengambang (floating). Transistor FET juga dapat digunakan untuk pemotong. Karakteristik keluaran FET adalah simetris terhadap polaritas beda tegangan antara drain dan source. Dengan kata lain drain dapat berfungsi sebagai source dan sebaliknya. Hal lain yang menguntungkan bila FET digunakan untuk pemotong adalah FET diatur oleh tegangan gate, sedangkan transistor bipolar diatur oleh arus pada kolektor. Untuk pemotong arus yang besar diperlukan arus basis yang besar pada pemotong transistor bipolar.

Gambar 5.6 (a) Rangkaian FET pemotong (b) Karakteristik keluaran FET

Pada masa lalu keberatan dari FET untuk pemotong adalah beda tegangan antara drain dan source pada keadaan saturasi (VDS(SAT)) mempunyai nilai lebih besar dari pada VCE(SAT) untuk transistor bipolar. Ini berhubungan erat dengan hambatan chanel rd pada keadaan saturasi, yang biasanya dinyatakan sebagai rd(ON). Besaran ini adalah sama dengan kebalikan dari kemiringan bagian saturasi dari kurva karakteristik keluaran transistor. Suatu MOSFET yang dibentuk secara khusus dan dikenal sebagai HEXFET IRF

Page 31: Switching Power

350 telah dibuat agar mampu menahan tegangan V = 400 volt, arus ID(kontinu) = 11 A, dan mempunyai rD(ON) = 0,3 Ω. FET daya lain yang sering digunakan untuk pemotong adalah VMOS. Transistor ini mampu memotong arus dengan frekuensi tinggi untuk daya yang tinggi. Pada gambar 7.10a, perhatikan bahwa isyarat pemotong VS(t) mempunyai nilai negatif. Ingat bahwa JFET harus diberi panjar mundur pada gate, dan pada VGS = 0 mengalir arus drain IDSS. Kita harus memasang RL cukup besar agar garis beban memotong bagian saturasi dari kurva karakteristik keluaran sehingga VDS(SAT) sekecil mungkin. Ini dapat dicapai dengan membuat agar pada keadaan saturasi ID(SAT) << IDSS. Dengan demikian pada waktu VGS = 0 maka transistor akan betul-betul jenuh. Bila VGS > 0 maka arus IG dibatasi oleh RS.

Page 32: Switching Power

SWITCHING dc POWER SUPPLIES Pendahuluan Power supply dc yang teregulasi dibutuhkan untuk sebagian besar sistem elektronika analog dan digital. Hampir semua power supply di desain untuk memenuhi kebutuhan-kebutuhan 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 dan negatif) yang mempunyai rate tegangan dan arus yang berbeda. Tiap keluaran diisolasi dari pengaruh masing-masing.

Power Supply Linier

Untuk mengapresiasikan keuntungan dari switching power supply, maka diperlukan gambaran tentang power supply linier. Gambar 6.1a 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.

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 input dan tegangan keluaran yang diinginkan melewati transistor dan 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-hati seperti Vd,min pada gambar 6.1b lebih besar dibanding Vo tetapi tidak melebihi Vo dengan margin yang lebih besar.

Gambar 6.1 Power Supply linier (a) Skematik (b) pemilihan turn ratio transformator

Page 33: Switching Power

Ada dua point penting pada power supply linier, yaitu:

1. Dibutuhkan tranformator dengan frekuensi rendah, kira-kira 60 Hz.

2. 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.

Gambaran Ikhtisar dari 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 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 6.2 memperlihatkan sebuah switching supply dengan isolasi elektrik. Tegangan ac masukan disearahkan kedalam tegangan dc yang tidak 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 Vo. Keluaran dari power supply dc yang terlihat pada gambar 6.2 diregulasi dengan menggunakan sebuah pengendali feedback yang memakai sebuah 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 6.2 Skematik power supply dc mode saklar

Dalam kebanyakan penerapan, keluaran multipel (positif dan negatif) dibutuhkan. Keluraran-keluaran ini harus terisolasi listrik antara satu dengan lainnya, tergantung dari

Page 34: Switching Power

penerapannya. Gambar 6.3 memperlihatkan diagram blok dari sebuah switcing power supply dimana hanya satu keluaran Vo1 yang diregulasi dan dua yang lainnya tidak teregulasi. Jika Vo2 dan atau Vo3 membutuhkan untuk diregulasi, maka regulator linier dapat digunakan untuk meregulasi keluaran yang lainnya.

Gambar 6.3 Keluaran multiple

Dua kelebihan utama dari switching power supply dibanding dengan power supply linier, yaitu:

• Elemen switching (transistor daya atau MOSFET) bekerja sebagai 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.

• 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 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:

1. Konverter dc – dc mode switch, dimana saklar-saklar beroperasi pada mode pensaklaran.

2. konverter resonant, yang menggunakan switching tegangan nol (zero-voltage) dan atau arus nol (zero-current).

Page 35: Switching Power

Tabel perbandingan secara umum antara Switching Power Supply dengan Linier Power Supply

Hal Switching Power Supply Linier Power Supply

Efisiensi Kenaikan Temperatur

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

Umumnya 25% sampai 50%, 500oC sampai 1000oC 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

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.

Page 36: Switching Power

KONVERTER DC – DC DENGAN ISOLASI LISTRIK

Pendahuluan

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 Br 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.

2. Eksitasi inti bidirectional dimana antara bagian positif dan negatif dari loop B-H digunakan sebagai alternatif.

Gambar 6.4 Representasi transformator (a) Tipe loop B – H inti transformator (b) dua lilitan transformator (c)

rangkaian setara

Eksitasi Inti Unidirectional

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.

Eksitasi Inti Bidirectional

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 6.2. Inverter-inverter itu adalah sebagai berikut:

• Push-pull

• Half-bridge

• Full-bridge

Page 37: Switching Power

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.

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

Representasi Transformator 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.

Pengontrolan Konverter dc-dc dengan Isolasi Pada konverter dengan saklar tunggal seperti pada konverter flyback dan forward, tegangan keluaran Vo untuk memberikan masukan Vd 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 Vo dikendalikan

dengan menggunakan skema PWM yang diperlihatkan pada gambar 6.5, yang mengendalikan interval ∆ selama semua saklar off secara simultan. Hal ini tidak seperti skema PWM yang digunakan pada Chapter 7 untuk mengendalikan konverter dc – dc full-bridge dan chapter 8 untuk mengendalikan inverter dc – to – ac fasa tunggal.

Page 38: Switching Power

Gambar 6.5 Skematik PWM yang digunakan dalam konverter dc – dc

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

Gambar 6.6 Konverter flyback

Gambar 6.7a 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 6.7b.

Gambar 6..7 Rangkaian konverter flyback (a) ON (b) OFF

Konverter Forward Konverter forward diperoleh dari konverter step-down, yang bisa dilihat pada gambar 6.8. 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

Page 39: Switching Power

energi magnetik transformer direkover dan feedback pada supply masukan yang diperlihatkan pada gambar 6.9a. hal ini membutuhkan sebuah demagnetisasi lilitan ketiga. Dalam gambar 6.9b memperlihatkan transformator dengan rangkaian ekivalennya.

Gambar 6.8 Konverter forward ideal

Gambar 6.9 Konverter forward praktis

Konverter Push-Pull Gambar 6.10a 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.

Page 40: Switching Power

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 karena kebocoran fluks dari transformator.

Gambar 6.10 Konverter Push-pull

Dalam rangkaian push-pull, karena perbedaan 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.

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 10-16, 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

Page 41: Switching Power

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

( ) 5.0 12

1

1

2 >−

= DDN

NVV

d

o

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

Gambar 6.11 Konverter sumber arus (D > 0.5)

Pemilihan Inti Transformator Pada Konverter 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 6.12 memperlihatkan hal yang sama yaitu memperlihatkan sebuah tipe loop B–H untuk sebuah material.

Page 42: Switching Power

Gambar 6.12 Kurva karakteristik ferrit 3C8

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 Br 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.

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 6.13a, dimana keluaran konverter vo dibandingkan dengan nilai referensi Vo,ref. Penguatan kesalahan menghasilkan tegangan kontrol vc, yang digunakan untuk mengatur duty-ratio d saklar-saklar dalam konverter.

Page 43: Switching Power

Gambar 6.13 Regulasi tegangan (a) sistem kendali feedback (b) liniearisasi sistem kendali feedback

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 6.14. Gambar ini memperlihatkan bagaimana penambahan (Vr) tegangan masukan menghasilkan pengurangan duty-ratio. Tipe kontrol ini pada konverter step-dpwn (e.g konverter forward) menghasilkan )(/)( svsv do 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.

Page 44: Switching Power

Gambar 6.14 Tegangan feed-forward

Kontrol Mode Arus

Kontrol duty-ratio PWM yang terlihat pada gambar 6.15a 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 6.15b, 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.

Gambar 6.15 (a) Duty-ratio PWM ver (b) Kendali mode arus

Page 45: Switching Power

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 6.16a. ∆IL merupakan parameter desain. Pensaklaran frekuensi tergantung pada ∆IL, parameter konverter, dan kondisi operasi.

Pada constant-off-time control, tegangan kontrol mendikte IL, sebagaimana yang terlihat pada gambar 6.16b. 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 IL dan sesaat kemudian saklar mati, sebagaimana yang terlihat pada gambar 6.16c. Saklar mati sampai permulaan siklus pensaklaran selanjutnya.

Gambar 6.16 Tiga tipe kendali mode arus

Page 46: Switching Power

Pada prakteknya kontrol mode arus, sebuah kompensasi kemiringan ditambahkan pada tegangan kontrol, sebagaimana terlihat pada gambar 6.17, 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 ( )(/)( svsv co

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 6.17.

Gambar 6.17 Kompensasi slope pada kontrol mode arus

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

Page 47: Switching Power

)(C )(R1.15 (KHz)Osilator Frekuensi

TT Fxk µΩ=

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 µS, yang ditentukan dengan menggunakan persamaan di atas.

Gambar 6.18 PWM UC1524A (a) Diagram blok (b) fungsi transfer

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.

PROTEKSI TEGANGAN

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

Page 48: Switching Power

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.

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.

Page 49: Switching Power

Gambar 6.19 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 6.20. Keluaran osilator frekuensi tinggi dikopel melewati transformator sinyal frekuensi tinggi ke sebuah demodulator yang menyuplai tegangan eror dc ke kontroler PWM.

Page 50: Switching Power

Gambar 6.20 Isolasi feedback Generator UC1901

DESAIN UNTUK MENEMUKAN SPESIFIKASI POWER SUPPLY

FILTER MASUKAN

Sebuah filter lolos rendah yang sederhana, seperti yang terlihat pada gambar 6.21, 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 6.21 Filter masukan

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 6.22.

Gambar 6.22 Penyearah pengali tegangan

Page 51: Switching Power

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 time yang dibutuhkan

ηxVVxC

ddd )(

timeup-hold x dayakeluaran rate2 2min

2nomunal −

=

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

MEMBATASI ARUS SURGE PADA SAAT TURN-ON

Ketika daya mulai mensuplai, kapasitor bulk Cd mula-mula nampak efektif sebagai short circuit yang melewati sumber ac, yang hasilnya mengeluarkan arus surge yang tidak bisa dihitung besarnya. Untuk membatasi arus surge ini, elemen seri antara bagian dc dari 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.

Pilihan lain adalah dengan menggunakan sebuah resistor pembatas arus, dan sebuah thyristor dihubung parallel untuk membuat elemen seri. Mula-mula thyristor pada kondisi OFF dan resistor pembatas arus membatasi arus surge pada saat ON. Ketika tegangan kapasitor bulk terisi, thyristor ON, yang kemudian mem-bypass resistor pembatas arus. Hal ini memungkinkan untuk mendesain elemen seri dengan menggunakan devais seperti MOSFET atau sebuah IGBT.

PERSAMAAN RESISTANSI SERI DARI KAPASITOR FILTER KELUARAN

ESR (Equivalent Series Resistance) dari kapasitor filter keluaran seperti yang terlihat pada gambar 6.23 dibutuhkan menjadi serendah mungkin. Pada penerapan frekuensi pensaklaran yang tinggi, ESR secara signifikan berkontribusi pada puncak ke puncak dan nilai rms dari riak pada tegangan keluaran. Deviasi puncak pada tegangan keluaran dari nilai kondisi tetapnya, mengikuti perubahan step dalam pembebanan, juga tergantung pada kapasitor ESR. Untuk perubahan step dari beban ini, inductor filter keluaran seperti yang terlihat pada gambar 6.23 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

∆Vo = – ESR x ∆Io

Gambar 6.23 ESR pada kapasitor keluaran

Page 52: Switching Power

PENYEARAH SINKRON UNTUK MENGHASILKAN EFISIENSI ENERGI

Untuk menghasilkan penyearah sinkron membutuhkan perangkat tambahan, seperti komputer untuk power supply dengan tegangan lebih rendah dari 5V, contoh tegangan dengan range 2 – 3 V, sebagai konsekuensi dari penambahan integarasi dari gerbang logika pada sebuah substrat monolitik tunggal. Pada switching power supply dengan tegangan keluaran rendah, dioda pada penyearah keluaran menjadi sumber terbesar dari kehilangan daya. Walaupun secara umum penggunaan dioda schootky mempunyai drop tegangan relatif tinggi, dan oleh sebab itu, sebuah kehilangan daya besar seperti pada penerapan tegangan keluaran rendah. Untuk memperbaiki hal itu, MOSFET tegangan rendah dengan resistansi on-state yang sangat rendah rDS(ON) dan BJT tegangan rendah dengan tegangan VCE on-state yang sangat rendah dapat digunakan untuk mengganti dioda pada keluaran. Devais-devais ini pada aplikasi tersebut sangat dianjurkan untuk membuat penyearah sinkron.