Tujuan Umum
Agar dapat:
- Memahami konsep dasar catudaya switching dengan transistor
- Memahami macam dan jenis catu daya switching dengan transistor
Switched Mode Power Supply (SMPS)
Tujuan Khusus
Agar dapat:
- Mengamati konsep dasar rangkaian Switched Mode Power Supply
- Menjelaskan perubahan tegangan keluaran terhadap pengaruh perubahan perbandingan pulsa masukan waktu pensaklaran (D=t1/T).
- Menentukan waktu pensaklaran saat hidup (ON) dan saat mati (OFF).
- Mendimensikan besarnya Induktor penyimpan energi magnetis.
- Membedakan Switched Mode Power Supply dari bermacam-macam Converter sederhana.
- Menentukan type atau jenis Transistor Converter yang tepat dan sesuai untuk keperluan Swithed Mode Power Supply.
- Menjelaskan prinsip kerja dari bermacam macam rangkaian dasar Converter.
- Menjelaskan kurva arus pensaklaran dari bermacam macam rangkaian Converter sederhana.
Pokok Bahasan
- Switched Mode Power Supply (SMPS)
- Konversi Daya
- Buck Converter
- BOOST CONVERTER
- BUCK-BOOST CONVERTER
- INDUCTIVE BUCK-BOOST
- ISOLATED POWER-STAGE CIRCUIT
- FORWARD CONVERTER
- Rangkaian Push-pull Converter
- Rangkaian Half Bridge Converter
- Prinsip Dasar Full-Bridge Converter
- FLYBACK CONVERTER
- CONTOH SMPS
1. Switched Mode Power Supply (SMPS)
Pwr Supply Linier vs Pwr Supply Switching
Block diagram yang ditunjukkan pada gambar 1a menunjukkan adanya perbedaan kecil antara power supply linier dengan Switched Mode Power Supply. Pada Switched Mode Power Supply komponen semikonduktor bekerja pada daerah tidak linier. Sebaliknya power supply linier ,komponen semikonduktor bekerja pada daerah linier yaitu daerah variabel menghantar atau menghambat.
Power supply linier terdiri dari rangkaian yang mengolah output dc dari input dc dengan mengkondisikan junction atau tingkat konduktansi dari kolektor emitor dengan cara mengatur tegangan dc pada basis transistor.
Pada Switched Mode Power Supply tegangan input dc (UIN) dirubah menjadi tegangan kotak melalui rangkaian chopper pertama (gb. 1b). yang kemudian dilewatkan melalui sebual LPF (Low Pass Filter).
Pada Switched Mode Power Supply mempunyai efisiensi minimum71%, sedangkan untuk linier power supply hanya mempunyai efisiensi maksimum 50%. Pada power supply jenis linier tingkat efisiensi sangat ditentukan perubahan tegangan input dan beban serta besarnya tegangan output yang dikeluarkan. Tetapi ketergantungan itu tidak dimiliki oleh Switched Mode Power Supply (SMPS).
Switched Mode Power Supply hanya memerlukan sedikit mungkin rangkaian filter. Linier Power Pupply bekerja pada frekuensi jala-jala 50 Hz, sedangkan Switched Mode Power Supply bekerja pada sekitar frekuensi 50 kHz.
2. Konversi Daya
Konversi daya seperti pada kebanyakan catu daya, converter, inverter, dc-dc power supply, regulator dsb, membutuhkan analisa yang rumit. Converter merubah tegangan atau arus input menjadi tegangan atau arus output yang berbeda, dc-dc converter merubah level tegangan input dc menjadi level tegangan output dc yang berbeda sedangkan inverter merubah besaran tegangan dc menjadi besaran tegangan ac. Dalam kenyataan di lapangan, pengaturan tegangan yang besar seperti pada power elektronika diterapkan dc-dc converter.
3. Buck Converter
Prinsip dasar Buck Converter
Pada gb.2a, b, c diperlihatkan pembentukan buck converter melalui teknik pensaklaran, sedangkan gambar d diperlihatkan implementasi rangkaian buck converter yang bekerjanya sebagai berikut:
Pada posisi saklar pada A (S1A on, S1B off), tegangan akan menginduksikan kumparan L, lihat gambar 2b. Arus yang melalui induktor naik dan akan men-supply arus ke beban resistor RL dan kondensator filter C. Kemudian setelah saklar pada posisi B (S1B on, S1A off), akan teralirkan arus induksi (lhat gambar 2C), bersama-sama dengan arus kapasitor menuju ke beban RL. Perioda tersebut akan berulang kembali pada saat saklar kembali ke posisi A.
Buck Converter dinamakan juga sebagai Choppers, down -converter, step-down converter dan down Choppers. Converter yang dibentuk oleh Buck Converter lebih populer disebut Swithed Mode Power Supply. Bila rangkaian tersebut dikembangkan dengan trafo isolasi akan menjadi lebih mudah didisain menjadi bentuk seperti forward, push-pull, half bridge dan full-bridge converter.
Pada gambar 2d diilustrasikan pada waktu on dan off dari saklar S1A, yang diikuti dengan bentuk switch current, diode current dan arus inductor current.
Analisis Converter
BUCK OUTPUT VOLTAGE
- (UIN - UO) DT = UO (1-D)T
- UIN DT - UO DT = UO T - UO DT
- UIN DT = UO T
- UIN D = UO
- UO = D UIN
Pada sistem SMPS biasanya bekerja pada frekuensi 100 kHz, berarti periode T = 1/fs = 10 uS. Perbandingan saat ON dan satu perioda pulsa dinamakan Duty Cycle D, yang dirumuskan sebagai:
- D= t1/T
- Duty cycle sangat penting dalam penentuan/pendimensian besarnya tegangan keluaran UO = D UIN
- Tahanan beban RL adalah perbandingan antara tegangan keluaran Uo dengan arus keluaran Io:
RL = Uo / Io
Beban harus berupa Low Pass Filter dan mempunyai frekuensi cut off fc lebih rendah dari frekuensi switching fs. Beban LC sebagai Low Pass Filter mempunyai sifat lebih baik untuk menghaluskan bentuk gelombang kotak dan menghindari harmonisa yang sangat kompleks.
Bila frekuensi cut off fc lebih besar kira-kira 10 kali frekuensi switching fs, maka LPF akan meredam sebesar kira-kira 20 dB berarti akan mereduksi tegangan 1 Vp-p dengan 100 mVp-p ripple. Semakin besar perbandingan fs terhadap fc, maka analisisnya semakin lebih mudah.
Tegangan DC bisa dikalkulasi dengan teknik yang disebut Volt-second balance (gb.3b)
Uon x t1 = Uoff x t2
4. Boost Converter
Prinsip dasar Boost Converter
Pada gambar 4a sampai dengan 4c ditunjukkan topologi dari boost converter dan implementasinya ditunjukkan pada gambar 4d.
Bila posisi saklar pada A (S1A on, S1B off) maka tegangan akan menginduksi kumparan L dan arus induksi IL membesar sedang beban RL tidak tersambung, maka arus kondensator Ic akan mengalir ke beban RL.
Pada periode ini energi akan tersimpan dalam induktor L. Pada saat posisi saklar pada B (S1B on, S1A off), maka energi yang tersimpan dalam induktor akan mengalir ke beban RL dan Capasitor C. Kondisi ini akan terulang terus menerus.
BOOST OUTPUT VOLTAGE
- UIN DT = (UO - UIN ) (1-D)T
- UIN DT = UO T - UO DT - UIN T+ UIN DT
- UIN T = UO (1-D)T
- UO = UIN /(1-D)
Boost Converter sering disebut dengan Up-Converter dan jarang dipergunakan
5. Buck-Boost Converter
Prinsip dasar Buck Boost Converter
Buck-boost converter merupakan kombinasi kerja dari buck dan boost converter (gb.5a, b, c, d, e). Prinsip dasarnya ditunjukkan pada gb 5a, b, c, sedangkan implementasi rangkaiannya pada gb.5d.
UO = UIN /(1-D)
Boost Converter sering disebut dengan Up-Converter dan jarang dipergunakan
6. Inductive Buck-Boost
INDUCTIVE BUCK-BOOST
Bila posisi saklar pada A, maka rangkaian bekerja sebagai Buck - converter, sedangkan bila saklar pada posisi B, maka rangkaian bekerja sebagai Boost-converter. Pada induktif Buck-boost converter, induktor d-charge oleh tegangan input dan melepaskan charge pada rangkaian output. Hal ini berlangsung secara terusmenerus dan teratur.
Tegangan output bisa diatur lebih besar atau lebih kecil dari pada tegangan input, tetapi polaritas tegangan output selalu terbalik.
Arus input yang berbentuk pulsa dihaluskan oleh filter C (yang disebut dengan C"uk) yang terletak antara converter dan input tegangan sumber.
OUTPUT VOLTAGE
- UIN DT = UO (1-D)T
- UIN DT = UO (1- D)T
- UO = (D/(1-D)) UIN
Gambar 6a,b, c, d, e menggmabarkan prinsip kerja dari C"uk Concerter. Capasitor C1 sebagai penyimpan muatan. Pada saat posisi saklar pada A, (S1A on, S1B off), Uin menginduksi L1, sehingga arus induksi naik. C1 tersambung dengan L2 dan memberikan daya pada kapasitor C2 dan beban RL,melalui L2.
Bila saklar pada posisi B (S1A off, S1B on), maka L1 akan melepaskan arus dan C1 mengosongkan muatan melalui hubung singkat S1B (arah dioda maju). Sementara salah satu kaki L2 terhubung ke ground karena S1B terhubung forward bias. Antara tegangan input dan output sekarang tidak lagi ada pulsa, namun hasilnya adalah tegangan output yang terbalik (inverting). C"uk jarang digunakan karena kapasitor C"uk memerlukan arus RMS yang besar.
7. Isolated Power-Stage Circuit
Antara tegangan input dan output diperlukan adanya isolasi untuk menyekat tegangan jala-jala input yang besar dengan tegangan DC yang diperlukan rangkaian. Di samping itu untuk mengamankan rangkaian dari sistem grounding dari jala-jala, sehingga ground rangkaian terpisah dengan ground / masa tegangan jala-jala (kalau tidak biasanya berakibat fatal pada saat pengukuran tegangan dengan CRO dsb). Isolasi ini dibentuk oleh power transformator yang digabung dengan rangkaian dasar SMPS (Buck converter, Boost converter dan Buck-boost converter).
Melalui Buck converter bisa dirancang dengan konfigurasi forward, half bridge, fuul bridge dan push-pull. Sedangkan beberapa rangkaian yang didasari oleh Boost converter sering digunakan pada rangkaian flyback, sedangkan induktif buck-boost converter sering dinamakan converter dengan atau tanpa isolasi.
8. Forward Converter
FORWARD CONVERTER
Forward converter terbagi dari dua jenis yaitu one-switch dan two-switch. Gambar 7a dan 7b menggambarkan rangkaian One-switch forward converter.
Prinsip Kerja:
Bila posisi saklar S1 dan S2 pada A, maka transformator akan bekerja mentransfer daya ke gulungan sekunder dan akan mengalir arus ke L2 dan beban C dan RL.
Bila posisi saklar S1 dan S2 dipindah ke posisi B, maka arus akan mengalir melalui S2B ke kumparan, sementara S2A dalam posisi reverse bias. Tahanan R1 dan Dioda D1 berfungsi untuk menghilangkan loncatan pulsa akibat dari efek induktansi dari transformator.
Switch Forward Converter
Gambar 8 menggambarkan prinsip dasar dan implementasi rangkaian two-switch forward converter.
Rangkaian two-switch lebih efisien dengan dipasang dua buah dioda sebagai reset trainsistor. Rangkaian ini dibentuk oleh dua buah saklar primer.
9. Rangkaian Push-pull Converter
Gambar.9a. Rangkaian Push Pull Converter
Gambar.9b. Rangkaian Push Pull Converter
Pada prinsipnya rangkaian push-pull converter merupakan gabungan dari dua buah one-switch forward converter dengan maising-masing saklar primer S1 dan S2 yang bekerja secara bergantian dengan perbedaan fasa 180 derajat.
Pada saat Transistor S1 on, maka dioda S3A aktif dan menghantarkan arus melalui induktor L ke beban C dan RL. Pada setengan perioda berikutnya S1 off, S2 on, sehingga Dioda S3B on den menghantarkan arus ke beban C dan RL melalui induktor L.
10. Rangkaian Half Bridge Converter
Gb.10a. Half Bridge
Gb.10b. Half Bridge
Capasitor C1 dan C2 berfungsi sebagai pembagi tegangan input dan mereduksi loncatan tegangan pulsa akibat efek induktansi. D1 dan D2 sebagai komutasi yang mengamankan kerja transistor. Transistor S1 dan S2 bebekrja secara bergantian dengan beda fasa 180 derajat. Dan masing-masing transistor dikendalikan dengan bias tegangan 1/2 tegangan input.
11. Prinsip Dasar Full-Bridge Converter
Gb.11a Full-Bridge Converter
Gb.11b Full-Bridge Converter
Pada rangkaian full-bridge converter, kapasitor pembagi tegangan diganti dengan dua buah saklar S4 dan S5. Pada saat Transistor S4 on bersamaan dengan transistor S2, maka transistor S1 dan S5 off demikian pula sebaliknya. Beda fasa ke dua kondisi tersebut 180 derajat.
12. Flyback Converter
Rangkaian flyback converter dibentuk dari induktif-buck converter yang ditambah dengan trafo isolator.
Rangkaian flyback converter
Bila S1 on S2 off, gulungan primer Np menyimpan energi dalam inti transformer. Karena posisi S2 open (dioda S2 menadapat tegangan mundur dari transformator sekunder yang polaritasnya mempunyai beda fasa 180o terhadap transformator primer), maka kapasitor C men-supply arus ke beban RL. Pada saat input transistor low, maka transistor S1 open, sementara sekunder transformator memberi tegangan arah maju kepada dioda S2. Dan arus dilewatkan ke beban C dan RL.
Flyback converter sangat populer dipergunakan pada daya rendah (< 200W). dengan multiple output yang bisa dikembangkan lebih banyak dengan cara menambahkan jumlah gulungan sekunder transformator.
Tabel Karakterstik dari beberapa SMPS
13. Contoh SMPS
Rangkaian converter dengan direct duty cycle control
Saklar primer dipergunakan Mos-FET karena mempunyai respon yang cepat terhadap perubahan kondisi on-off (pen-saklaran) dan sangat cocok untuk sistem switching. Current source merupakan sumber pembentukan gelombang segitiga betuk RAMP yang kemudian dikomparasikan (dibandingkan) dengan level tegangan dc Uea pada rangkaian komparatosr. Maka akan didapatkan pulsa lebar denyut atau yang populer disebut PWM (Pulse Width Modulation) yang akan mengendalikan Gate dari Mos-FET.
Tegangan output dari converter diumpan balikkan melalui tahanan input feedback Za yang dibandingkan dengan tegangan referensi Uref yang nantinya akan menghasilkan level tegangan Uea.
Dengan demikian akan dicapai koreksi dan kestabilan tegangan output converter.
Rangkaian Forward Conveter dengan Current-Mode Control
Pada kedua rangkaian di atas, gulungan primer dan sekunder transformator terisolir. Sedang kontrol output ke input dilakukan oleh tahanan feedback Za
Sambungan materi ini >> STEP UP DC-DC CONVERTER
Referensi
- P.6-27/28 The ARRL Handbook for Radio Amateurs.
- Majalah FUNKSCHAU 1987.
- Majalah Elektor.
- Udo Leonhard Thiel: Pofesionalle Schaltnetzteil Applikationen-Franziz.
- Udo Leonhard Thiel: Schaltnetzteil-erfolgreich planen und dimentionieren-Franziz.
- Otmar Kilgenstein, Prof.: Schaltnetzteil in der Praxis-Vogel.
- John. D.Lenk: Simplified Design of Switching Power Supplies.
