Makalah Catu Daya Power Supply dengan Sistem Switching

Makalah Catu Daya

Power Supply dengan Sistem Switching

Saat ini peralatan Elektronika yang menggunakan adaptor semakin banyak dan semakin beraneka ragam. Mulai dari peralatan elektronik yang murah seperti radio sampai dengan handphone. Kebutuhan adaptor sebagai sebuah alternatif sebagai pengganti baterai lebih disukai karena baterai tidak dapat tahan lama dan secara otomatis membuat biaya operasional sebuah alat elektronik tersebut menjadi lebih besar. Dengan sebuah adaptor tidak lagi dibutuhkan baterai tetapi kelemahannya tidak dapat dibawa-bawa dengan mudah karena adapator harus selalu tersambung ke jaringan listrik PLN.

Tetapi walaupun demikian adaptor tetap digunakan. Dari berbagai macam adaptor yang terdapat dipasaran, adaptor konvensional dengan transformator penurun tegangan serta regulator tegangan sederhana lebih banyak ditemukan daripada adaptor dengan teknologi Switching.

Adaptor juga dikenal dengan nama Power Supply. Power Supply yang baik harus mampu memberikan tegangan regulasi yang baik serta mampu memberikan arus yang cukup kepada beban. Tegangan yang tidak terregulasi pada output power supply dapat menyebabkan perlatan elektronika yang menggunakan power supply tersebut akan rusak terutama bagian regulasi tegangan (jika ada) tetapi jika peralatan tersebut tidak membunyai rangkaian regulasi tegangan internal maka dapat dipastikan perlatan elektronik tersebut akan rusak.

Rangkaian regulasi tegangan yang baik tidaklah sederhana dan pada kesempatan kali ini akan dibahas mengenai power supply dengan rangkaian regulasi switching. Power supply dengan regulasi switching ini lebih dikenal sebagai power supply switching. Kelebihan power supply switching adalah efisiensi daya yang besar sampai sekitar 83% jika dibandingkan dengan power supply dengan regulasi biasa yang menggunakan LM78xx.

Efisiensi yang rendah pada IC Regulator LM78xx dikarenakan kelebihan tegangan input regulator akan dirubah menjadi panas sehingga sebagian besar daya input akan hilang karena dirubah menjadi panas tersebut. Bagaimanapun juga semua regulator harus mendapatkan tegangan input yang lebih tinggi daripada tegangan regulasi output untu mendapatkan tegangan yang teregulasi.

Gambar 1
Blok Diagram Switching Regulator

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

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

Untuk regulator switching dengan transistor seri dapat digunakan frekuensi switching (unibase frequncy) pada 200KHz. Pada frekuensi ini masih dapat digunakan transistor darlington biasa dengan bandwidth minimum pada 1MHz seperti 2N6836 dengan maksimum frekunsi switching pada 10MHz atau BDW42 dengan maksimum frekuensi 4MHz. Besarnya bandwidth ini sangat berpengaruh pada efisiensi kerja switching regulator tersebut.

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

Rangkaian Regulator Switching

Terdapat berbagai 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 adalah pada posisi transistor switchingnya. Variasi regulator switching tersebut dapat dilihat pada gambar.

Transistor seri merupakan transistor yang diseri antara tegangan sumber (+DC Unregulated) dan tegangan output regulasi (+Vo). Untuk rangkaian pada gambar 2c dan 2d cocok untuk rangkaian kontrol tegangan teregulasi pada industri karena rangkaian kontrolnya terpisah/terisolasi dengan transistor serinya. Biasanya antara rangkaian kontrol dengan transistor serinya dipisahkan dengan menggunakan optoisolator (MOCxx atau 4N3x).

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

Gambar 2
Variasi Switching Regulator

Filter Input dan Penyearah Input

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 memilih dioda bridge yang digunakan karena terdapat arus ‘surge’ yang besarnya sampai kira-kira 12A. Arus ‘surge’ merupakan arus pengisian kapasitor pada saat rangkaian regulator ini dihidupkan pertama kali. Arus ‘surge’ ini menjadi besar karena tidak terdapat resistor seri. Rangkaian penyearah dan filter input ini akan menghasilkan tegangan DC yang tidak teregulasi.

Output Filter

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

Dimana v_o = tegangan ripple yang diinginkan.

V_o = tegangan regulasi output.

V_in = 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 digunakan biasanya menggunakan 2 kali nilai yang didapatkan dari persamaan di atas karena Faktor disipasi dari kapasitor elektrolit untuk frekuensi tinggi tidak terlalu baik Dapat juga digunakan 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) agar tidak sampai ke perlatan elektronik (beban).

Sehingga di dalam mendisain sebuah regulator switching diperlukan 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 (V_CE) juga perlu diperhatikan dalam proses disain regulator switching ini. Arus kolektor (Ic) akan mempengaruhi besarnya arus output yang dapat disupply oleh regulator switching dalam kondisi normal. Sedangkan tegangan kolektor-emitor (V_CE) akan mempengarui tegangan input (tegangan DC tak teregulasi) yang dapat diterima oleh transistor switching tersebut.

Ide Dasar Operasi Kerja Switching Regulator

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

Sehingga dengan duty cycle 50% maka transistor switching akan ‘ON’ atau ‘OFF’ dalam sela waktu yang sama dan tegangan rata-rata yang dihasilkan dari kondisi ini dapat 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 dapat 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.

Gambar 3
Operasi Dasar Switching Regulator

Pada saat switch tertutup maka I_L akan mengalir dari V_in ke beban. Karena terdapat perbedaan tegangan antara tegangan output dan tegangan input maka I_L akan naik. Pada saat switch terbuka maka energi yang tersimpan di dalam induktor akan memaksa agar I_L tetap mengalir ke beban, I_L akan turun.

Arus rata-rata yang melewati induktor sama dengan arus beban. Karena tegangan Vo dijaga konstan oleh kapasitor maka Io akan konstant. Ketika I_L naik di atas Io maka kapasitor akan diisi dan pada saat I_L 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 :

1. Tegangan rata-rata pada induktor akan = 0 sampai Vo.

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

3. 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. Jadi perubahan pada arus beban akan menyebabkan perubahan duty cycle sementara. Ada beberapa kasus yang terjadi jika arus beban berubah :

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

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

3. Duty Cycle akan kembali pada nilai semula.