jiunkpe-ns-s1-2005-23499106-2986-power_supply-chapter2.pdf

2. LANDASAN TEORI

Sebuah Power Supply DC disebut catu daya jenis switching (elektronik)

ditandai dengan penggunaan peranti semikonduktor yang berfungsi untuk men-

switch (mensakelar) atau menahan aliran arus didalam catu. Metoda ini memiliki

beberapa keuntungan daripada metoda tradisional (linier). Keuntungan utama

adalah memiliki efisiensi yang lebih baik daripada metoda linier, ukuran lebih

kompak, dan kemampuannya untuk dapat beroperasi pada kisaran tegangan

masukan lebih lebar.

Pada bab ini akan dijelaskan mengenai teori-teori dasar yang dipakai

dalam perancangan Power Supply DC Mode Switching. Terlebih dahulu akan

diberikan penjelasan secara umum mengenai Power Supply DC Mode Switching.

2.1. Power Supply DC Mode Switching

Pada Switching Power Supply input tegangan AC dari jala-jala dirubah

menjadi tegangan DC melalui penyearah dan filter, tanpa melewati transformator

frekuensi rendah yang akan menghasilkan tegangan DC tinggi. Tegangan DC

tersebut kemudian dimasukkan pada switching element. Proses pensaklaran

beroperasi pada frekuensi tinggi antara 20 kHz sampai 1 MHz, tegangan DC

dipotong-potong menjadi gelombang kotak frekuensi tinggi yang kemudian di

masukkan ke penyarah dan filter lagi untuk menghasilkan tegangan DC yang

diinginkan. Sebagian dari output ini di monitor dan dibandingkan dengan

tegangan referensi dan sinyal error digunakan untuk mengkontrol waktu on-off

dari switch yang artinya meregulasi output. Karena switch hanya mengalami

posisi on atau off maka hanya mengalami disipasi daya yang kecil, yang

menghasilkan efisiensi daya yang tinggi sekitar 70 80 %. Power supply jenis ini

juga memiliki beberapa kekurangan yaitu menghasilkan noise dan ripple output

yang lebih tinggi, menghasilkan EMI / RFI dan desain yang lebih kompleks.

Tetapi dengan pendisainan yang hati-hati maka masalah ini dapat diatasi.

4 Universitas Kristen Petra

5

2.2. Penyearah dan Filter DC

Bagian ini berfungsi untuk mengubah tegangan AC menjadi menjadi

tegangan DC. Untuk lebih jelasnya maka berikut penjelasan masing-masing

rangkaian:

2.2.1. Penyearah

Penyearah adalah rangkaian yang berfungsi untuk mengubah tegangan AC

menjadi tegangan yang DC. Rangkaian penyearah secara umum dibagi menjadi 2

katagori ,yaitu:

Setengah Gelombang Rangkaian penyearah Setengah Gelombang (half wave) terdiri dari

1 buah dioda yang terpasang secara seri maju. Yang akan menghasilkan

sinyal setengah gelombang. Gambar 2.1 menunjukkan rangkaian

penyearah setengah gelombang.

Gambar 2.1. Penyearah Half Wave

Gelombang Penuh Rangkaian penyearah gelombang penuh (Full wave) ini terdiri dari

Dioda bridge yang menghasilkan penyearah gelombang penuh agar lebih

Universitas Kristen Petra

6

mudah membentuk sinyal DC yang rata. Gambar 2.2 menunjukkan

rangkaian penyearah Full wave.

Gambar 2.2. Penyearah Gelombang Penuh

2.2.2. Filter

Sinyal keluaran dari penyearah belum bapat dimasukkan langsung ke

rangkaian beban karena masih terdapat ripple tegangan. Cara menghilangkan

ripple ini dengan menggunakan kapasitor yang dipasang secara pararel dengan

beban , seperti pada gambar 2.3

Gambar 2.3. Filter DC


7

2.3. Bagian Inverter

Bagian ini dibentuk oleh dua buah bagian yaitu Transformator Pulsa dan

Pensaklar (switcher). Inverter ini merupakan inti dari sebuah switching power

supply dimana bagian ini dapat menaikkan (booster) dan menurunkan (buck)

daya. Berikut akan dijelaskan jenisjenis inverter dan bagian-bagiannya. Secara

umum inverter digambarkan seperti pada gambar 2.4.

Gambar 2.4. Rangkaian Inverter

Sumber: Pressman, Abraham.I. Switching Power Supply Design. Singapore: McGraw-Hill,Inc. 1992. p.25.

2.3.1. Jenis jenis Inverter

Ada berbagai macam jenis metode inverter yang dapat digunakan untuk

proses switching, dimana pemilihan metode yang digunakan dapat berdasarkan

pada kisaran daya output yang diinginkan , berikut merupakan tabel jenis metode

dan kisaran output yang dihasilkan .

Tabel 2.1.jenis inverter1

Rangkaian Kisaran daya

Flyback 50 100 watt

Forward 100 200 watt

Push-Pull 200 500 watt

Half Bridge 200 500 watt

Full Bridge 500 2000 watt

1 Sumber: TEXAS INSRUMENT. Linier Circuit Databook Volume 3 .1989. p.80


8

Berikut akan dijelaskan mengenai metodemetode yang terdapat dalam

tabel diatas .

Metode flyback Metode flyback memiliki cara kerja yang berbeda dari metode

yang lainnya, saat transistor pada kondisi on arus mengalir melalui

kumparan primer dan menyimpan energi pada kumparan sekunder, karena

dioda D1 pada kondisi reverse bias maka tidak terjadi transfer energi

sehingga arus pada beban di supply oleh ouput kapasitor. Pada saat

transistor pada kondisi off dioda D1 menjadi forward dan mengisi output

kapasitor dan mengalirkan arus ke beban. namun metode ini memiliki

kestabilan daya kurang baik karena terjadi penumpukan energi pada

transformator, dimana energi tersebut dapat berbalik ke transistor

switching yang akan mengakibatkan kerusakan pada transistor tersebut.

Gambar 2.5 menunjukkan rangkaian dari sebuah flyback inverter .

Gambar 2.5. metoda Flyback



9

Metode forward Pada metode forward transformator digunakan dalam kondisi aktif

atau forward dimana transfer daya ke beban dilakukan pada saat transistor

on. Pada metode ini transformator memiliki lilitan ke-3, yang dihubungkan

pada dioda D3, Yang memiliki jumlah lilitan yang sama dengan lilitan

primer dan biasanya menggunakan lilitan bifilar. Lilitan ke-3 tersebut

memiliki fungsi utama untuk mengembalikan energi yang tersimpan pada

transformator ke sumber (line) yang dengan kata lain melakukan reset

pada transformator setiap cycle . Karena pada rangkaian ini memerlukan

waktu untuk set dan reset yang sama maka duty cycle nya tidak dapat

melebihi 50 % . Pada kondisi transistor on dioda D1 forward bias dan D2

reverse maka arus dan daya mengalir melalui dioda D1 ke filter C dan

beban, sedangkan pada kondisi transsistor off diode D2 berada dalam

kondisi forward bias dan akan mempertahankan arus ke beban. Pada saat

kondisi transistor off lilitan ke-3 dan diode D1 akan membalikkan

polaritas tegangan pada transformator yang berarti mereset transformator

tersebut. Gambar 2.6 menunjukkan rangkaian dari sebuah foward inverter.

Gambar 2.6. Metoda forward



10

Metode push pull Metode ini sebenarnya adalah dua forward converters yang bekerja

secara kebalikan, dimana untuk rangkaian Model ini menggunakan 2

saklar yang disulut (trigger) secara bergantian. Adapun penggunaannya

pada kumparan primer transformator pulsa harus dalam konfigurasi centre

tap (CT). Pada kondisi Q1 on dan Q2 off maka dioda D1 menjadi forward

bias dan arus mengalir melalui D1 ke Filter LC dan beban kemudian

kembali melalui center tap pada kumparan sekunder, pada saat Q1 off dan

Q2 on arus beban akan akan mengalir melalui dioda D2. Gambar 2.7

menunjukkan rangkaian dari sebuah push pull inverter .

Gambar 2.7. Metoda push pull


Metoda half bridge Metode ini merupakan metode yang paling popular untuk High

power converter. Metode ini memiliki beberapa kelebihan dibandingkan

dengan metode push pull, dimana sangat menguntung untuk tegangan

masukan DC yang tinggi karena tegangan tinggi tersebut akan dibagi 2

oleh dua buah kapasitor yang dihubungkan secara seri (C1, C2). Dimana

pada saat Q1 on dan Q2 off maka arus akan mengalir dari kutub positif

kapasitor C1 melalui Q1 ke kumparan primer tranformator kemudian


11

kembali ke kutub negatif C1, dimana pada kondisi ini arus beban pada

kumparan sekunder mengalir melalui D1. Pada saat Q1 off dan Q2 on arus

mengalir dari kutub positif C2 ke transformator kemudian melalui Q2 dan

kembali ke kutub negatif C2, sedangkan arus beban melalui D2. Gambar

2.8 menunjukkan rangkaian dari sebuah half bridge inverter.

Gambar 2.8. metoda half bridge


Metode full bridge Metode ini memiliki perbedaan besar dengan metode half bridge

dimana pada metode ini digunakan 4 buah transistor. Karena

menggunakan 4 buah transistor maka metode ini memiliki reabilitas yang

lebih baik. dimana pada saat Q1, Q3 on dan Q2, Q4 off maka arus akan

mengalir dari supply DC positif ke Q1 melalui kumparan primer

tranformator kemudian ke Q3 kembali ke supply DC negatif , dimana pada

kondisi ini arus beban pada kumparan sekunder mengalir melalui D1. Pada

saat Q1, Q3 off dan Q2, Q4 on maka arus akan mengalir dari supply DC

positif ke Q2 melalui kumparan primer tranformator kemudian ke Q4

kembali ke supply DC negatif, sedangkan arus beban melalui D2. Gambar

Gambar 2.9 menunjukkan rangkaian dari full bridge inverter .


12

Gambar 2.9. metoda full bridge


2.3.2. Transformator Pulsa

Transformator pulsa merupakan sebuah komponen yang memiliki peranan

penting dalam mentransfer daya listrik, dari satu rangkaian (rangkaian primer) ke

rangkaian yang lain (rangkaian sekunder) dengan tidak mengubah frekuensi dan

bentuk gelombang. Transformator terdiri dari dua kumparan induktif yang

terpisah secara listrik tetapi terhubung secara magnetis.

Prinsip kerja transformator adalah induksi bersama (Mutual Induction) M

antara dua bagian primer dan sekunder yang dihubungkan oleh fluks magnet (, = B.A). Jika salah satu kumparan dihubungkan dengan suatu tegangan bolak-

balik, maka fluks bolak-balik akan timbul di dalam inti. Sehingga akan

menimbulkan gaya gerak listrik (ggl) induksi yang sesuai dengan hukum Faraday.

Jika rangkaian kedua dihubungkan dengan beban, arus akan mengalir dalam

rangkaian dan daya listrik diberikan dari kumparan primer ke kumparan sekunder.

Dengan demikian sebuah transformator adalah suatu alat yang berfungsi

untuk mentransfer energi listrik dari satu rangkaian listrik ke rangkaian listrik

yang lain, yang dalam prosesnya tidak tidak melakukan perubahan pada frekuensi

dan bentuk aslinya, bekerja dengan sistem induksi elektromagnet.


13

2.3.2.1. Inti Transformator

Pada masa-masa awal penggunaan transformator, bahan feromagnetik

terutama besi banyak digunakan sebagai inti. Sejalan dengan waktu, ditemukan

bahan magnetik yang baru seperti ferrites dengan kerapatan tinggi yang sangat

diminati untuk miniaturisasi dalam elektronik.

Inti yang digunakan untuk transformator pulsa adalah menggunakan inti

jenis ferrite, yang mempunyai nama kimia Fe2O3XO, dimana X melambangkan

satu atau lebih dari satu logam lain, misalnya : Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mg, Cd.

Ferrite dibentuk pada temperatur tinggi dari campuran oksida besi yang berbentuk

bubuk dan oksida-oksida logam lain.

Dipilihnya ferrite sebagai inti karena ferrite mempunyai keunggulan yaitu

mempunyai permeabilitas yang tinggi dan dapat dipergunakan untuk frekuensi

tinggi tanpa rugi-rugi arus Eddy menjadi besar. Ferrite sangat cocok dipakai

untuk frekuensi tinggi, dan secara khusus biasanya dipakai sebagai inti

transformator pulsa. Tetapi ferrite mempunyai bermacam-macam bentuk, antara

lain: pot cores, square cores (RM cores), E cores, H cores, U cores, dan toroids

(ring cores). Gambar 2.10 menunjukkan macam-macam inti ferrite .

Gambar 2.10. Bentuk-bentuk inti ferit

Sumber: Epcos. Ferrites Cores. Februari 2004.


14

2.3.2.2. Analisa Transformator

Untuk lebih mempermudah pemahaman maka dilakukan analisa pada

transformator ideal, Kumparan primer disebut Np, sementara kumparan sekunder

disebut Ns, induktansi primer disebut Lp, induktansi sekunder disebut Ls. M

adalah induktansi bersama (mutual inductance) yang terjadi antara kumparan

primer dan kumparan sekunder. Pada transformator terdapat koefisien K dimana

untuk transformator ideal nilai K = 1. Berikut ini adalah rumusan dasar yang yang

digunakan untuk analisa pada sebuah transformator.

LsLpMK = (2.1)

2

Nilai K < 1, untuk transformator tidak ideal

nNsNp

VpVo == (2.2)

n adalah perubahan rasio transformasi tegangan

nIsIp

VpVo == (2.3)

nNsNp

LpLs == (2.4)

Gambar 2.11. Transformator

2 Nadkarni, M.A., and S.R.Bhat. Pulse Transformers Design and Fabrication. New Delhi: Tata McGraw-Hill Publishing Company Limited. 1985.


15

Untuk sebuah transformator pulsa penentuan jumlah lilitan didapatkan dari hukum

Faraday, Dari hukum Faraday diperoleh rumusan dasar transformator yaitu:

810

=dtdBNAeE (2.5)3

E = tegangan pada tansformator (Volt)

N = jumlah lilitan

Ae = luas penampang inti (cm2)

dB = perubahan fluks (Gaus)

dt = waktu perubahan fluks (detik)

Dari rumus diatas dapat kita turunkan nilai kerapatan fluks (B) untuk memastikan

bahwa tranformator bekerja didaerah linier pada kurva magnetisasi, rumusan itu

adalah:

KfNpAeVpB

810)(= (2.6)3

Vp = tegangan puncak (Volt)

K = konstanta (4.44 untuk gelombang sinus)

= frekuensi (Hz)

Np = jumlah lilitan primer

Ae = luas penampang inti (cm2)

Untuk menghitung nilai induktansi dari kumparan digunakan rumusan :

lANoL

2 = (2.7)3 L : Induktansi (H)

: Permeabilitas inti (core) 0 : 4 .10 -7 N : Jumlah lilitan induktor

A : Luas penampang induktor (m2)

l : Panjang induktor

3 Chryssis, George. High-Frequency Switching Power Supply: Theory and Design. Singapore: McGraw-Hill,Inc. 1989.


16

2.4. Pulse Width Modulation (PWM)

Pulse width modulation adalah sebuah tipe modulasi dimana lebar pulsa

dapat diubah sesuai keinginan dan keperluan. Sebuah sinyal PWM memiliki

bentuk sinyal kotak dengan frekuensi tertentu yang perbandingan antara lebar

pulsa high dan low dapat diubah ubah, pembentukan sinyal PWM didapatkan

dengan membandingkan sebuah gelombang segitiga dengan frekuensi tertentu

dengan sebuah sinyal pembanding. Dimana pada saat sinyal pembanding lebih

tinggi daripada sinyal segitiga. Sinyal output menjadi high, dan pada saat sinyal

pembanding lebih rendah sinyal output menjadi low. dengan mengubah level

sinyal pembanding maka didapatkan lebar pulsa yang diinginkan, sedangkan

dengan merubah frekuensi dari sinyal segitiga didapatkan sinyal output dengan

frekuensi yang diinginkan.

Gambar 2.12. Pemodelan pulse width modulation

2.5. TL494

TL 494 adalah sebuah IC control pulse-width-modulation (PWM). Dengan

metode pengontrolan dengan memanfaatkan lebar pulsa untuk memberikan variasi

suplai arus.


17

Gambar 2.13. Susunan pin TL494CN

Sumber: Switchmode Pulse Width Modulation Control Circuit. Semiconductor Components Industries, LLC. April 2004.

Gambar 2.14. Timing Diagram TL494CN



18

Gambar 2.15. Blok Diagram Internal TL494CN


TL 494 adalah suatu sirkuit kontrol pulse width modulation berfrekuensi

tetap. Frekuensi pada oscilator internal ditentukan oleh komponen Ct dan Rt,

perhitungan nilai frekuensi oscilator ditentukan oleh persamaan:

CTRTf osc =

1 (2.8)

Tetapi frekuensi oscilator setara dengan frekuensi output hanya berlaku untuk

applikasi single-ended. Untuk aplikasi push-pull output frekuensi bernilai

setengah dari frekuensi oscilator.

Applikasi single-ended:

CTRTf osc =

1 (2.9)

Aplikasi push-pull:

( )CTRTf osc = 21 (2.10)


19

Untuk Mendapatkan nilai aktual dari keluaran (Vo) PWM (DC) maka berikut formulasinya; (lihat gambar 2.14)

Vo = Vi . Duty cycle

Vi = VE Q1 = VE Q2

VCEQ1 = VCEQ2 = 2 volt

Output PWM dihasilkan dengan perbandingan gelombang segitiga yang

dihasilkan dari internal oscilator dengan salah satu dari sinyal kontrol. Sinyal

kontrol dihasilkan dari dua sumber: rangkaian kontrol dead-time (off-time) dan

error amplifier. Dead-time kontrol input dibandingkan langsung dengan

komparator kontrol dead-time. Sedangkan PWM komparator membandingkan

sinyal kontrol yang dihasilkan oleh error amplifiers. Salah satu fungsi dari error

amplifier adalah untuk memonitor tegangan output dan memberikan gain yang

cukup agar kesalahan dalam millivolts pada input menghasilkan nilai yang cukup

pada sinyal kontrol untuk memberikan kontrol modulasi 100%.

TL494 dapat bekerja dengan 2 kondisi yaitu push-pull dan single-ended,

pada push-pull operation kontrol output yang dihubungkan dengan tegangan 5V

referensi, dimana kedua output transistor diaktifkan oleh pulse steering flip-flop.

Frekuensi output sama dengan setengah dari frekuensi osilator. Sedangkan pada

single-ended operation kontrol output dihubungkan ke ground untuk mematikan

pulse steering flip-flop. Ketika arus output drive lebih tinggi dibutuhkan untuk

single-ended operation, Q1 dan Q2 dapat dihubungkan secara paralel dan

frekuensi output-nya akan sama dengan frekuensi osilator.

TL 494 mempunyai tegangan referensi internal 5,0V yang mampu untuk

membangkitkan hingga 10mA dari arus beban untuk sirkuit bias eksternal. Nilai

referensi mempunyai ketelitian internal dari 5,0% dengan sebuah tipe

penyimpangan thermal kurang dari 50mV melebihi sebuah nilai operating

temperatur dengan range 00 700C.


master index: back to toc: help: ukp:

jiunkpe-ns-s1-2005-23499106-2986-power_supply-chapter2.pdf

Documents

Transcript of jiunkpe-ns-s1-2005-23499106-2986-power_supply-chapter2.pdf