MATERI TUGAS PEREKAYASAAN RANGKAIAN ELEKTRONIKA
Anggota Kelompok :
Burhanudin Fadhil Afif
Baghas Ajie P Rani Hikmawati
Bimo Setyo Yoga Prasetyo
Febi Arlita
Kelas : XI TEK 1
Modified: Silvia Fatma Noor Rohima
Pengertian SMPS
Switch-Mode Power Supply (SMPS) adalah jenis Power Supply yang langsung menyearahkan (rectify) dan menyaring (filter) tegangan Input AC untuk mendapatkan tegangan DC. Tegangan DC tersebut kemudian di-switch ON dan OFF pada frekuensi tinggi dengan sirkuit frekuensi tinggi sehingga menghasilkan arus AC yang dapat melewati Transformator Frekuensi Tinggi.
Pada SMPS ini, power factor correction diletakkan pada bagian output dari rectifier dengan menggunakan Boost converter. Boost converter bekerja pada kondisi tidak kontinyu, karena dalam kondisi tidak kontinyu tidak muncul arus balik (IRR) pada komponen diode dari boost converter, sehinga diode yang lebih murah dapat digunakan. Selain itu pada kondisi tidak kontinyu mengakibatkan rugi I2R rendah dan ripple arus yang rendah mengakibatkan rugi inti di inductor rendah.
Boost converter ini dihubungkan seri dengan buck conveter untuk supply beban 24 V/ 60 W. Boost converter sebagai power factor correction (PFC) di desain menghasilkan tegangan output sebesar 50 V dan arus 3 A. Sedangkan buck converter di desain menghasilkan tegangan keluran 24 V dengan arus 2,5 A.
Prinsip – prinsip Kerja dalam SMPS
Penyearah
Tegangan keluaran dari trafo masih berupa pulsa-pulsa frekwensi tinggi dan kemudian dirubah menjadi tegangan dc menggunakan diode penyearah dan filter elco.
Konverter
Merubah tegangan dc menjadi tegangan keluaran yang sesuai dengan kebutuhan.
Regulasi
Membuat agar besarnya tegangan keluaran stabil terhadap perubahan tegangan masukan dan perubahan beban.
Isolasi
Mengisolasi bagian sekunder dari bagian primer, dengan tujuan agar chasis bagian sekunder kalau dipegang tidak timbul bahaya kena sengatan listrik.
Proteksi
Mampu melindungi peralatan dari tegangan keluaran yang over dan melindungi power supply dari kerusakan jika terjadi suatu kesalahan.
Diagaram blok SMPS
Dari uraian prinsip – prinsip kerjadalam SMPS seperti diatas, kita dapat membuat diagram blok SMPS seperti dibawah ini:
Penjelasan Diagram Blok
Bagian Penyearah : Disini tegangan masukan dari listrik ac 220v disearahkan menjadi tegangan dc menggunakan diode bridge dan 3 buah elco filter besar yaitu sebuah elco 480V680UF dan 2 buah elco 250V2200UF.
Bagian Pencacah: Tegangan masukan dc dicacah dengan menggunakan "power switch on-off " sehingga menghasilkan tegangan pulsa-pulsa dc dengan frekwensi tinggi. SMPS mesin las Inverter umumnya bekerja pada frekwensi sekitar 50Hz hingga 60Hz. Sebagai power switch dapat menggunakan IC K2611, IRFZ24N dan IRF9Z24N.
SMPS Controller driver : sebagai pembangkit pulsa PWM (Pulse Wave Modulation). Sebagai sinyal drive untuk pencacah digunakan IC PC 817 yang berisi rangkaian osilator dan PWM sebagai pembangkit pulsa-pulsa PWM. Ada rangkaian SMPS yang tidak menggunakan SMPS controller driver, dalam hal ini transistor power switching dibuat agar dapat bekerja dengan cara "ber-osilasi sendiri"
Trafo switching : Tegangan dc yang telah dicacah mempunyai karakteristik seperti tegangan ac sehingga dapat dilewatkan sebuah trafo atau induktor untuk dinaikkan ataupun diturunkan tegangannya. Pada rangkaian ini menggunakan trafo E25 15:15
Penyearahan dan filtering tegangan keluaran : Tegangan keluaran dari trafo masih berupa pulsa-pulsa frekwensi tinggi dan kemudian dirubah menjadi tegangan dc menggunakan diode penyearah dan filter elco.
Loop umpan balik : untuk membuat tegangan keluaran agar stabil. Sirkit loop umpan balik dari tegangan keluaran B+ ke bagian primer digunakan untuk mengendalikan PWM.
Rangkaian komparator atau pembanding : sebagai "error detektor". Sebuah sirkit komparator pada bagian sekunder dipakai untuk mendeteksi jika terjadi perubahan tegangan keluaran B+. Komparator bekerja dengan cara membandingkan tegangan keluaran B+ dengan sebuah tegangan "referensi" (biasanya berupa tegangan diode zener 6.8v). Output komparator berupa arus yang kemudian diumpan balikkan ke bagian primer melalui sebuah photo coupler. Kopling menggunakan photocouler bertujuan untuk meng-isolagi ground bagian primer yang menyetrum jika dipegang (HOT chasis) dengan ground bagian sekunder (COLD chasis).
Keuntungan SMPS
Power supply yang melakukan konversi daya melalui komponen-komponen yang bersifat rendah rugi-daya-nya (low loss components) seperti kapasitor, induktor, dan transformator dan yang memakai switch-switch yang selalu dalam kondisi on atau off.
Keuntungan menggunakan power supply switching adalah konversi daya yang dapat dilakukan dengan kebocoran daya yang minimal, artinya efisiensinya tinggi. Seperti contoh di atas, efisiensinya mencapai 80%, artinya daya output adalah 80% dari daya input. Jika inputnya 100 watt, maka outputnya 80 watt. SMPS lainnya dapat mencapai efisiensi hingga 91%.
Penggunaan SMPS
Saat ini, SMPS sudah banyak digunakan dipiranti elektronik karena memiliki sistem proteksi dan efisiensi yang baik.Contoh penggunaannya adalah digunakan pada VCD Player, TV dan tape recorder bahkan pada handphone.
Kesimpulan
SMPS merupakan sebuah tipe atau jenis power supply yang sudah banyak digunakan saat ini. Power supply jenis ini memiliki efisiensi sangat besar, hingga 91%. Pada dasarnya, power supply jenis ini emnggunakan komponen utama berupa transformator switching dan rangkaian PWM serta terdapat rangkaian protektor.
Uninterruptible Power Supply (UPS)
Pengertian UPS
UPS adalah singkatan dari Uninterruptible Power Supply sebagai alat back up listrik ketika PC mati atau kehilangan energi dari sumber utamanya. Didalam sebuah UPS terdapat Rectifier yang fungsinya untuk mengecharger battery/accu UPS, besarnya tergantung dari type atau jenis UPS itu sendiri. Didalam UPS juga terdapat inverter yang berfungsi untuk merubah arus accu UPS menjadi arus listrik PLN. Didalam UPS juga terdapat battery/accu berfungsi sebagai penampung sumber tenaga sehingga pada saat Listrik PLN padam battery/accu sebagai penggantinya dengan waktu tertentu.
Fungsi UPS
Fungsi dasar UPS (Uninterruptible Power Supply) adalah menyediakan suplai listrik sementara ke beban (PC) tanpa terputus pada saat main powernya tidak bekerja agar seluruh proses dapat dihentikan dengan benar, seluruh data dapat disimpan dengan aman, dan komputer dapat dimatikan dengan benar. Jadi fungsi UPS itu bukan agar user tetap dapat bekerja.
Beberapa fungsi UPS :
Dapat memberikan energi listrik sementara ketika terjadi kegagalan daya pada listrik utama (PLN).
Memberikan kesempatan waktu yang cukup kepada kita untuk segera menghidupkan Genset sebagai pengganti PLN.
Memberikan kesempatan waktu yang cukup kepada kita untuk segera melakukan back up data dan mengamankan Operating System (OS) dengan melakukan shutdown sesuaiprosedur ketika listrik utama (PLN) padam.
Mengamankan sistem komputer dari gangguan-gangguan listrik yang dapat mengganggusistem komputer baik berupa kerusakan software,data maupun kerusakan hardware.
UPS secara otomatis dapat melakukan stabilisasi tegangan ketika terjadi perubahantegangan pada input sehingga tegangan output yang digunakan oleh sistem komputer berupategangan yg stabil.
UPS dapat melakukan diagnosa dan management terhadap dirinya sendiri sehinggamemudahkan pengguna untuk mengantisipasi jika akan terjadi gangguan terhadap sistem.
User friendly dan mudah dalam installasi.
User dapat melakukan kontrol UPS melalui Jaringan LAN dengan menambahkan beberapaaccessories yang diperlukan.
Dapat diintegrasikan dengan jaringan Internet.
Notifikasi jika terjadi kegagalan dengan melakukan setting software UPS management.
Prinsip Kerja UPS
UPS bekerja diantara komputer dan colokan listrik, dari colokan listrik yang di alirkan ke Batere yang berada pada UPS dan kemudian di simpan untuk kesetabilan tegangan energi. listrik yang di simpan pada batre akan di pakai ketika sumber energi utama listrik terputus.
Macam – Macam UPS
UPS On-line
Pada UPS jenis ini terdapat 1 rectifier dan 1 inverter yang terpisah. Dalam keadaan gangguan, suplai daya ke rectifier akan diblok sehingga akan ada arus DC dari baterai ke inverter yang kemudian diubah menjadi AC.
Prinsip Kerja UPS On-line
UPS akan bekerja selalu dari inverter baik UPS bekerja dari sumber listrik utama maupun sumber listrik utama mati (UPS bekerja dari battere).
Pada system online ini pada umumnya terdapat converter AC to DC sebagai pengganti batere pada saat UPS bekerja dari sumber listrik utama. Jadi perpindahan itu terjadi dari converter ke batere atau sebaliknya.
Inverternya tetap bekerja untuk mensupplay tegangan AC 220 pada output UPS. Sehingga tidak ada transfer time pada saat perpindahan dari sumber listik utama ke batere atau sebaliknya.
Diagram blok UPS On-line
UPS Off-line
Pada UPS Off-Line rectifier dan inverter berada dalam satu unit. Dalam keadaan gangguan, switch akan berpindah sehingga suplai daya dari suplai utama terblok. Akibatnya akan mengalir arus DC dari baterai menuju inverter.
Prinsip Kerja UPS Off-line
Pada saat UPS mendapat supply dari sumber listrik utama, output UPS langsung dari sumber listrik utama.
Pada saat sumber listrik utama mati atau diluar range yang telah ditentukan UPS bekerja dari inverter (Pengubah listrik DC dari Battere menjadi Listrik AC 220).
Perpindahan dari supply listrik ke supply batere tersebut terdapat waktu pindah (transfer time) +/- 2ms - 4ms yang dapat mengakibatkan komputer restart, hal ini jarang terjadi tetapi masih ada resiko komputer restart.
Diagram Blok UPS Off-line
Konsep Dasar Flywheels Pada Sistem UPS
Rotary Power Source
Sistem UPS ini masih menggunakan mesin diesel yang berfungsi sebagai pembangkit tenaga listriknya. Apabila terjadi gangguan listrik maka secara otomatis akan menyalakan mesin diesel tersebut kira-kira 15 detik setelah terjadi gangguang listrik pertama kali. Dengan sistem seperti ini maka penggunaan listrik hanya terganggu dalam beberapa detik saja.
Sistem ini ternyata pada waktu itu masih belum mempunyai kinerja yang baik sehingga dikembangkan lagi sehingga muncul istilah 'no-break flywheel'. Pada sistem ini, sebuah flywheel ini dihubungkan pada sebuah motor listrik dan dihubungkan secara mekanikal dengan generator beban, dalam hal ini adalah mesin diesel.
Ketika terjadi gangguan listrik maka inersia yang tersimpan pada flywheel akan menyebabkan flywheel ini tetap berputar dan otomatis menyalakan mesin diesel sampai suplai listriknya kembali normal. Dengan sistem seperti ini maka tidak perlu waktu tenggang selama 15 detik untuk menunggu suplai tenaga kembali normal karena suplai tenaga dijaga konstan oleh roda flywheel ini. Walaupun demikian sistem seperti ini masih ada kekurangannya yaitu pada sistem pelumasan pada sistem bearing roda flywheel.
Untuk mengatur agar kecepatan putar flywheel kontan pada saat terjadinya gangguan listrik maka sebuah rangkaian yang dinamakan eddy current coupling dipasangkan antara generator dan flywheel. Dengan adanya rangkaian ini maka ketika kecepatan angular flywheel menurun maka nilai kopel yang ditimbulkan oleh eddy current coupling ini akan meningkat sehingga menyebabkan keceptan putar menyebabkan keceptan putar flywheel tetap konstan. Sehingga dengan kata lain dengan adanya eddy current coupling ini menyebabkan tidak adanya pergeseran frekuensi pada saat transisi ketika terjadi gangguan listrik.
Diagram Blok Flywheels
Pengertian PWM
Pulse Width Modulation (PWM) secara umum adalah sebuah cara memanipulasi lebar sinyal yang dinyatakan dengan pulsa dalam satu periode, untuk mendapatkan tegangan rata-rata yang berbeda. Bebarapa contoh aplikasi PWM adalah pemodulasian data untuk telekomunikasi, pengontrolan daya atau tegangan yang masuk ke beban, regulator tegangan, audio effect dan penguatan, serta aplikasi-aplikasi lainnya.
Aplikasi PWM berbasis mikrokontroller biasanya berupa pengendalian kecepatan motor DC, pengendalian motor servo, dan pengaturan nyala terang LED. Oleh karena itu diperlukan pemahaman terhadap konsep PWM itu sendiri.
Gambar : Sinyal PWM
Konsep Dasar PWM
Sinyal PWM pada umumnya memiliki amplitude dan frekuensi dasar yang tetap, namun memiliki lebar pulsa yang bervariasi. Lebar pulsa PWM berbanding lurus dengan amplitude sinyal asli yang belum termodulasi. Artinya, sinyal PWM memiliki frekuensi gelombang yang tetap namun duty cycle bervariasi antara 0% hingga 100%.
Dari persamaan diatas, diketahui bahwa perubahan duty cycle akan merubah tegangan output atau tegangan rata-rata seperti gambar dibawah ini.
PWM merupakan salah satu teknik untuk mendapatkan sinyal analog dari sebuah piranti digital. Sebenarnya sinyal PWM dapat dibangkitkan dengan banyak cara, secara analog menggunakan IC op-amp atau secara digital.
Secara analog setiap perubahan PWM-nya sangat halus, sedangkan secara digital setiap perubahan PWM dipengaruhi oleh resolusi PWM itu sendiri. Resolusi adalah jumlah variasi perubahan nilai dalam PWM tersebut. Misalkan suatu PWM memiliki resolusi 8 bit, berarti PWM ini memiliki variasi perubahan nilai sebanyak 256 variasi mulai dari 0 – 225 perubahan nilai yang mewakili duty cycle 0% – 100% dari keluaran PWM tersebut.
Penggunaan PWM
Cara pengaturan kecepatan yang digunakan adalah dengan menggunakan teknik PWM (Pulse Width Modulation), salah satu teknik untuk mengatur kecepatan motor DC yang umum digunakan. Dengan menggunakan PWM kita dapat mengatur kecepatan yang diinginkan dengan mudah. Teknik PWM untuk pengaturan kecepatan motor adalah, pengaturan kecepatan motor dengan cara merubah-rubah besarnya duty cycle pulsa. Pulsa yang yang berubah ubah duty cycle-nya inilah yang menentukan kecepatan motor. Besarnya amplitudo dan frekuensi pulsa adalah tetap, sedangkan besarnya duty cycle berubah-ubah sesuai dengan kecepatan yang diinginkan, semakin besar duty cylce maka semakin cepat pula kecepatan motor, dan sebaliknya semakin kecilduty cycle maka semakin pelan pula kecepatan motor.
Membangun Rangkaian PWM
Membangun Rangkaian PWM dengan IC NE555
Dalam pengaturan kecepatan motor DC salah satunya yang populer adalah dengan teknik PWM. Dengan metode ini motor DC diberikan sumber tegangan yang stabil dengan frekuensi kerja yang sama tetapi ton duty cycle pulsa kontrol kecepatan motor DC yang bervariasi. Konsep PWM pada driver motor DC adalah mengatur lebar sisi positif dan negative pulsa kontrol pada frekuensi kerja yang tetap. Semakin lebar sisi pulsa positif maka semakin tinggi kecepatan putar motor DC dan semakin lebar sisi pulsa negatif maka semakin rendah kecepatan putar motor DC. Metode PWM pada driver motor DC secara singkat dapat dijelaskan menggunakan rangkaian driver motor DC satu arah dengan kontrol PWM menggunakan IC NE555 seperti pada rangkaian dibawah.
Rangkaian sederhana diatas dapat memberikan gambaran tentang teknik PWM pada driver motor DC. IC555 diset sebagai astabil multivibrator dengan frekuensi kerja tetap (nilai RC tetap) dengan output diberikan ke rangkaian driver motor DC sederhana dengan mosfet. Konsep dasar kontrol PWM menggunakan rangkaian diatas terletak pada penambahan dua buah diode yang mengendalikan proses charge dan discharge kapasitor 0,1uF. Posisi tuas potensiometer 100K yang terhubung dengan dua buah diode tersebut akan menentukan waktu charge atau discharge kapasitor 0,1uF. Berikut bentuk gelombang charge dan discharge terhadap output astabil multivibrator NE555 sebagai kontrol PWM driver motor DC pada rangkaian diatas.
Membangun Rangkaian PWM dengan LM741
Rangkaian kontrol motor DC ini menggunakan penguat op-amp 741 pengikut tegangan masukan non inverting yang terhubung ke kecepatan dan arah rotasi potensiometer VR1. Ketika VR1 berada pada posisi tengah, output op-amp adalah mendekati nol dan Q1-Q2 adalah off. Ketika VR1 berpaling ke arah sisi posistif, output akan on dan Q1 akan memasok arus ke motor dan Q2 akan off. Ketika VR1 berpaling kearah sisi negatif switch keluaran op-amp dengan tegangan negatif dan akan Q1 off dan Q2 on yang membalikkan arah rotasi motor.
Pengertian Buck Converter
Buck converter adalah jenis dc-dc converter yang memiliki output tegangan yang lebih kecil dari tegangan input. Buck Konverter adalah konverter yang bekerja sebagai Step-Down DC(Direct Current) kerjanya adalah menurunkan tegangan DC dengan mengatur besar Dutycycle switching
Cara Kerja Buck Converter
Ketika saklar tertutup, diode dalam keadaan reverse sehingga sinyal input menuju induktor dan terjadi penyimpanan energi.
Sedangkan saat kondisi saklar terbuka diode menjadi forward bias sehingga ada aliran tegangan yang melalui kapasitor.
Seperti halnya boost converter, sinyal duty cycle dapat dibuat dari rangkaian analog dengan memanfaatkan komponen yang sederhana, yakni kapasitor dan transistor.
Gambar: Rangkaian Buck Converter
Besarnya duty cycle agar tegangan output sesuai yang diharapkan adalah sebagai berikut:
Nilai induktansi yang dibutuhkan untuk membuat sebuah buck converter adalah berdasarkan persamaan berikut:
Contoh Penggunaan Buck Converter
Contoh aplikasi dari Buck Konverter untuk charger pada solarcell. Dengan tegangan solarcell 24Volt dan tegangan pengisian battery 12 Volt, maka dibutuhkan tegangan pengisian sebesar 10-20% lebih besar yaitu 14Volt, sedangkan disain arus pengisian 2 Ampere sehingga daya beban adalah 28W, R=Vo/Io = 7ohm, dan frekuensi switching adalah 40Khz, rippel arus yang diinginkan 10%, rippel tegangan yang diinginkan 4%, effesiensi yang diinginkan 85%, maka disain induktor, kapasitor dari buck konverter.
Keuntungan Buck Converter
Keuntungan pada konfigurasi Buck antara lain adalah efisiensi yang tinggi, rangkaiannya sederhana, tidak memerlukan transformer, tingkatan stress pada komponen switch yang rendah, riak (ripple) pada tegangan keluaran juga rendah sehingga penyaring atau filter yang dibutuhkan pun relatif kecil. Kekurangan yang ditemukan misalnya adalah tidak adanya isolasi antara masukan dan keluaran, hanya satu keluaran yang dihasilkan, dan tingkat ripple yang tinggi pada arus masukan. Metoda Buck sering digunakan pada aplikasi yang membutuhkan sistim yang berukuran kecil.
Kesimpulan
Converter yang dibuat dapat menghasilkan tegangan keluaran yang berkisar pada 5volt dc, dengan error 0% s/d 6% pada kondisi tanpa beban, dan 2 s/d 18% pada kondisi dengan beban.
Nilai arus keluaran berkisar dari 140mA s/d 240mA, dengan boost converter justru memiliki arus yang lebih besar, kecuali untuk masukan satu buah baterai.
Pada buck converter saat tegangan masukan turun, maka memungkinkan perubahan kinerja dari buck menjadi boost converter dan arus justru lebih besar.
Nilai efisiensi yang baik dimiliki masing-masing converter dengan masukan yang kecil (satu baterai untuk boost converter, lima baterai untuk buck converter), karena hampir seluruh daya masukan sama dengan daya keluaran.
Teori Boost Converter
DC chopper tipe boost merupakan salah satu jenis dari DC chopper. Rangkaian ini berfungsi untuk mengubah tegangan DC pada nilai tertentu menjadi tegangan DC yang lebih tinggi. Untuk mendapatkan tegangan yang lebih tinggi dari pada tegangan maasukannya, DC copper tipe boost menggunakan komponen switching untuk mengatur duty cyclenya. Komponen tersebut dapat berupa thyristor, MOSFET dll. Komponen komponen yang menyusun DC copper tipe boost adalah sunber masukan DC, MOSFET, diode freewheeling, induktor, kapasitor, serta beban. MOSFET digunakan untuk mencacah arus sesuai dengan duty cycle sehingga keluaran DC copper dapat sesuai dengan yang diinginkan.
Prinsip Kerja
MOSFET yang digunakan pada rangkaian DC tipe ini adalah bertindak sebagai saklar yang dapat membuka atau menutup rangkaian sehingga arus dapat dikendalikan sesuai dengan duty cycle yang diinginkan. Kinerja dari DC chopper tipe ini dapat dibagi menjadi 2 kerja utama yaitu :
Ketika MOSFET on dan dioda off, arus mengalir searah jarum jam dari sumber menuju ke induktor ( terjadi pengisian arus pada induktor). Polaritas induktor pada sisi kiri lebih positif dinandingkap pada posisi kananya.
Ketika MOSFET off dan dioda on, arus yang disimpan pada induktor akan berkurang karena impedansi yang lebih tinggi. Berkurangnya arus pada induktor menyebabkan induktor tersebut melawannya dengan membalik polaritasnya ( lebih negatif pada sisi kiri ). Sehingga arus arus yang mengalir pda dioda dan pada beban penjumlahan antara arus pada sumber dengan arus pada induktor (seri). Disaat yang bersamaan kapasitor kapasitor juga akan melakukan penyimpanan energi dalam bentuk tegangan. Itulah sebabnya tipe boost memiliki keluaran yang lebih tinggi dibandingkan dengan masukannya.
Kelabihan dan Kekurangan
Boost juga memiliki efisiensi tinggi, rangkaian sederhana, tanpa tranformer dan tingkat ripple yang rendah pada arus masukan. Namun juga, boost tidak memiliki isolasi antara masukan dan keluaran, hanya satu keluaran yang dihasilkan, dan tingkat ripple yang tinggi pada tegangan keluaran.
Konverter ini memiliki kelebihan antara lain polaritas masukan-keluaran yang sama, riak tegangan keluaran yang sangat renadah, regulasi yang baik, respon yang cepat, induktor yang bekerja dalam daerah linier serta strategi kontrol yang sederhana.
Gambar Rangkaian
Gelombang Keluaran
Kurva
