✔ Power Supply Switching

Power Supply Switching merupakan sebuah disain power supply dengan efisiensi daya yang baik. Saat ini perlatan elektronik yang memakai adaptor semakin banyak dan semakin beraneka ragam. Mulai dari peralatan elektronik yang

murah menyerupai radio hingga dengan handphone. Kebutuhan adaptor sebagai sebuah alternatif sebagai pengganti batterai lebih disukai sebab baterai tidak sanggup tahan usang dan secara otomatis menciptakan biaya operasional sebuah alat elektronik tersebut menjadi lebih besar.   Dengan sebuah adaptor tidak lagi dibutuhkan baterai tetapi kelemahannya tidak sanggup dibawa-bawa dengan gampang sebab adapator harus selalu tersambung ke jaringan listrik PLN.

Tegangan regulasi dihasilkan dengan cara men-switching transistor seri ‘on’ atau ‘off’. Dengan demikian duty cycle-nya menentukan tegangan DC rata-rata. Duty cycle sanggup diatur melalui feedback negatif. Feedback ini dihasilkan dari suatu komparator tegangan yang membandingkan tegangan DC rata-rata dengan tegangan referensi.

Regulator switching intinya mempunyai frekuensi yang konstan untuk men-switching transistor seri. Besarnya frekuensi switching tersebut harus lebih besar dari 20KHz supaya frekuensi switching tersebut tidak sanggup didengar oleh manusia. Frekuensi switching yang terlalu tinggi menjadikan operasi switching transistor tidak efisien dan juga dibutuhkan inti ferrit yang besar atau yang mempunyai permeabilitas tinggi.

Untuk regulator switching dengan transistor seri sanggup dipakai frekuensi switching (unibase frequncy) pada 200KHz. Pada frekuensi ini masih sanggup dipakai transistor darlington biasa dengan bandwidth minimum pada 1MHz menyerupai 2N6836 dengan maksimum frekunsi switching pada 10MHz atau BDW42 dengan maksimum frekuensi 4MHz. Besarnya bandwidth ini sangat besar lengan berkuasa pada efisiensi kerja switching regulator tersebut.

Untuk dioda clamp harus dipakai dioda dengan karakteristik fast recovery rectifier atau dikenal dengan dioda schottky. Dioda ini mempunyai kegunaan untuk mempertahankan titik kerja dari switching transistor dengan melaksanakan ‘clamp’ (memotong) tegangan spike yang dihasilkan oleh transistor switching tersebut. Salah satu dioda schottky ialah 1N5819 dengan tegangan breakdown pada 40V. Kelebihan dari dioda schottky ialah kecepatan responnya terhadap penyerahkan tegangan.

Rangkaian Regulator Switching Pada Switching Power Supply

Terdapat banyak sekali macam rangkaian regulator switching tetapi semua rangkaian regulator tersebut selalu mempunyai 4 elemen dasar :

1. Switching Transistor
2. Dioda Clamp
3. LC Filter
4. Rangkaian kontrol

Ada beberapa variasi dari rangkaian regulator switching. Perbedaaanya ialah pada posisi transistor switchingnya. Variasi regulator switching tersebut sanggup dilihat pada gambar dibawah.

Transistor seri merupakan transistor yang diseri antara tegangan sumber (+DC Unregulated) dan tegangan output regulasi (+Vo). Untuk rangkaian pada gambar c dan d dibawah cocok untuk rangkaian kontrol tegangan teregulasi pada industri sebab rangkaian kontrolnya terpisah/terisolasi dengan transistor serinya. Biasanya antara rangkaian kontrol dengan transistor serinya dipisahkan dengan memakai optoisolator (MOCxx atau 4N3x).

Pada rangkaian pada gambar a dan b dibawah, rangkaian kontrolnya mendapat tegangan dari output tegangan teregulasi sehingga rangkaian tidak akan ‘start’ kalau tidak diberi tegangan awal. Sedangkan pada rangkaian 2c dan 2d rangkaian kontrolnya mendapat tegangan dari +DC Unregulated sehingga akan tetap bekerja walaupun terjadi kerusakan/kesalahan pada Remote Sense atau Induktor yang menjadikan tegangan output regulasi menjadi nol.

Variasi Switching Regulator Pada Switching Power Supply

Filter Input dan Penyearah Input Switching Power Supply

Penyearah input dan filter input terdiri dari penyearah bridge (full wave rectifier) dan sebuah filter kapasitor. Untuk meningkatkan efisiensi dari regulasi maka resistor seri tidak digunakan. Perlu diperhatikan dalam menentukan dioda bridge yang dipakai sebab terdapat arus ‘surge’ yang besarnya hingga kira-kira 12A. Arus ‘surge’ merupakan arus pengisian kapasitor pada dikala rangkaian regulator ini dihidupkan pertama kali. Arus ‘surge’ ini menjadi besar sebab tidak terdapat resistor seri.   Rangkaian penyearah dan filter input ini akan menghasilkan tegangan DC yang tidak teregulasi.

Output Filter Switching Power Supply

Rangkaian filter output tidak terlalu rumit. Rangkaian filter output hanya terdiri dari induktor (L) dan kapasitor (C). Nilai induktor dan nilai kapasitor yang dipakai sanggup ditentukan dengan memakai persamaan :

Dimana :

vo = tegangan ripple yang diinginkan.

Vo = tegangan regulasi output.

Vin = tegangan DC tak teregulasi.

f = frekuensi switching.

Sebuah rangkaian regulator yang baik harus mempunyai tegangan ripple harus sekecil mungkin. Tegangan ripple harus dalam level puluhan mV bahkan lebih kecil.

Untuk nilai kapasitor yang dipakai biasanya memakai 2 kali nilai yang didapatkan dari persamaan di atas sebab Faktor disipasi dari kapasitor elektrolit untuk frekuensi tinggi tidak terlalu baik   Dapat juga dipakai kapasitor tantalum dengan nilai sedikit di atas nilai yang dihasilkan oleh persamaan di atas. Selain itu filter output juga berfungsi sebagai filter adanya tegangan spike yang ditimbulkan oleh switching transistor (kondisi terburuk) supaya tidak hingga ke perlatan elektronik (beban).

Sehingga di dalam mendisain sebuah regulator switching dibutuhkan parameter-parameter :

1. Tegangan input tak teregulasi
2. Tegangan output teregulasi yang diinginkan
3. Frekuensi kerja dari switching transistor
4. Arus output dari regulator switching
5. Tegangan ripple output teregulasi.

Selain bandwidth dari transistor switching, arus kolektor (Ic) dan tegangan kolektor-emitor (VCE) juga perlu diperhatikan dalam proses disain regulator switching ini. Arus kolektor (Ic) akan mempengaruhi besarnya arus output yang sanggup disupplai oleh regulator switching dalam kondisi normal. Sedangkan tegangan kolektor-emitor (VCE) akan mempengarui tegangan input (tegangan DC tak teregulasi) yang sanggup diterima oleh transistor switching tersebut.

Ide Dasar Prinsip Kerja Switching Regulator

Tingginya efisiensi dari regulator switching ini dipengaruhi oleh efisiensi kerja dari switching transistor seri. Pada dikala transistor switching ‘ON’ maka semua tegangan input akan dilewatkan filter LC. Pada dikala transistor switching ‘OFF’ maka tegangan input tidak akan melewati transistor switching sehingga tegangan yang masuk ke filter LC ialah nol.

Sehingga dengan duty cycle 50% maka transistor switching akan ‘ON’ atau ‘OFF’ dalam selang waktu yang sama dan tegangan rata-rata yang dihasilkan dari kondisi ini sanggup ditentukan dengan persamaan :

Dimana D = Duty Cycle dari transistor switching.

Perubahan dari duty cycle ini akan mempengaruhi besarnya tegangan output teregulasi. Sehingga untuk mengkompensasi penurunan/ kenaikan tegangan input tidak teregulasi sanggup diatur dengan merubah duty cycle dari transistor switching ini.

Kondisi ‘ON’-‘OFF’ dari transistor switching ini terjadi berulang-ulang sehingga dengan duty cycle yang tetap akan menghasilkan gelombang kotak yang periodik.

Dasar Prinsip Kerja Switching Regulator

Pada dikala switch tertutup maka IL akan mengalir dari Vin ke beban.   Karena terdapat perbedaan tegangan antara tegangan output dan tegangan input maka IL akan naik.   Pada dikala switch terbuka maka energi yang tersimpan di dalam induktor akan memaksa supaya IL tetap mengalir ke beban, IL akan turun.

Arus rata-rata yang melewati induktor sama dengan arus beban. Karena tegangan Vo dijaga konstan oleh kapasitor maka Io akan konstant. Ketika IL naik di atas Io maka kapasitor akan diisi dan pada dikala IL turun di bawah Io maka kapasitor akan discharge.

Kondisi ini akan terus berulang sehingga akan menghasilkan suatu gelombang yang periodik dan operasi kerja regulator dalam kondisi steady state. Operasi dalam kondisi steady state ini akan menghasilkan :

Tegangan rata-rata pada induktor akan = 0 hingga Vo.

Arus DC yang mengalir dari induktor akan sama dengan arus yang mengalir ke beban. Akan muncul tegangan ripple yang kecil.

Tegangan DC pada kapasitor sama dengan tegangan beban dengan tegangan ripple yang kecil.

Perubahan pada arus beban (Io) sangat sukar dikompensasi dan respon transien dari beban pada umumnya tidak baik. Makara perubahan pada arus beban akan menjadikan perubahan duty cycle sementara. Ada beberapa kasus yang terjadi kalau arus beban berubah :

Duty cycle akan naik hingga maksimal (100%) sehingga transistor switching akan selalu ‘ON”.

Induktor memerlukan beberapa waktu untuk menaikan level tegangan DC yang baru. Kondisi ini diperngaruhi oleh permeabilitas dari inti ferrit yang digunakan.

Duty cycle kembali pada nilai semula.

Untuk pola rangkaian lengkap switching power supply akan diberikan pada artikel yang lain. Cukup sekian semoga bermanfaat.

Bagikan Artikel ini