DESAIN DASAR ANALOG POWER SUPPLY

Ada pepatah lama: "Anda bisa memberi seseorang ikan dan dia akan makan selama sehari atau Anda bisa mengajari seseorang memancing dan dia akan makan selamanya." Ada banyak artikel yang memberi pembaca desain khusus untuk membangun catu daya, dan tidak ada yang salah dengan desain buku masak ini. Mereka sering memiliki kinerja yang sangat baik. Namun, mereka tidak mengajari pembaca bagaimana merancang catu daya sendiri. Artikel dua bagian ini akan dimulai dari awal dan menjelaskan setiap langkah yang diperlukan untuk membangun catu daya analog dasar. Desain akan fokus pada regulator tiga terminal yang ada di mana-mana dan mencakup sejumlah peningkatan pada desain dasar.

Penting untuk selalu diingat bahwa catu daya — baik untuk produk tertentu atau sebagai alat uji umum — berpotensi menyetrum pengguna, menyalakan api, atau menghancurkan perangkat yang dihidupkannya. Jelas, ini bukan hal yang baik. Untuk alasan itu, sangat penting untuk mendekati desain ini secara konservatif. Berikan banyak margin untuk komponen. Catu daya yang dirancang dengan baik adalah yang tidak pernah diperhatikan.

KONVERSI DAYA MASUKKAN

Gambar 1 menunjukkan desain dasar untuk catu daya analog tipikal. Ini terdiri dari tiga komponen utama: konversi daya input dan pengkondisian; perbaikan dan penyaringan; dan regulasi. Konversi daya input biasanya merupakan transformator daya dan merupakan satu-satunya metode yang dipertimbangkan di sini. Namun, ada beberapa poin yang penting untuk disebutkan.

GAMBAR 1. Catu daya analog dasar terdiri dari tiga bagian. Dua yang pertama dibahas dalam artikel ini dan yang terakhir dalam angsuran berikutnya.

---

Yang pertama adalah bahwa 117 VAC (Volts Alternating Current) benar-benar merupakan pengukuran RMS (Root Mean Square). (Perhatikan bahwa saya telah melihat daya rumah tangga biasa ditentukan di mana saja dari 110 VAC hingga 125 VAC. Saya baru saja mengukur milik saya dan ternyata tepat 120.0 VAC.) Pengukuran RMS dari gelombang sinus jauh lebih rendah daripada tegangan puncak sebenarnya dan mewakili tegangan DC (Arus Langsung) setara yang diperlukan untuk menyediakan daya yang sama.

konversi RMS bervariasi sesuai dengan bentuk gelombang; untuk gelombang sinus, nilainya adalah 1.414. Ini berarti penyimpangan sekitar nol volt sebenarnya adalah 169.7 volt (untuk daya 120 VAC saya). Daya berubah dari -169.7 volt menjadi +169.7 volt setiap siklus. Oleh karena itu, tegangan puncak ke puncak sebenarnya adalah 339.4 volt!

Tegangan ini menjadi sangat penting ketika menambahkan kapasitor bypass ke saluran listrik utama untuk menekan kebisingan masuk atau keluar dari catu daya (situasi umum). Jika menurut Anda tegangan sebenarnya adalah 120 volt, Anda dapat menggunakan kapasitor 150 volt. Seperti yang Anda lihat, ini tidak benar. Tegangan kerja minimum yang aman untuk kapasitor Anda adalah 200 volt (250 volt lebih baik). Jangan lupa bahwa jika Anda mengharapkan untuk melihat suara/lonjakan pada saluran, Anda perlu menambahkan tegangan suara/lonjakan itu ke tegangan puncak.

Frekuensi input secara universal 60 Hz di AS. Di Eropa, 50 Hz adalah umum. Trafo dengan rating 60 Hz umumnya akan bekerja dengan baik pada 50 Hz dan sebaliknya. Selain itu, stabilitas frekuensi saluran listrik biasanya sangat baik dan jarang menjadi pertimbangan. Kadang-kadang, Anda mungkin menemukan trafo 400 Hz tersedia. Ini biasanya perangkat militer atau penerbangan dan umumnya tidak cocok untuk digunakan pada daya 50/60 Hz (atau sebaliknya).

Output dari transformator juga ditentukan sebagai tegangan RMS. Selain itu, tegangan yang ditentukan adalah tegangan minimum yang diharapkan pada beban penuh. Seringkali ada peningkatan sekitar 10% pada keluaran terukur tanpa beban. (Transformator 25.2 volt/dua amp saya berukuran 28.6 volt tanpa beban.) Ini berarti bahwa tegangan keluaran tanpa beban/puncak sebenarnya untuk transformator 25.2 volt saya adalah 40.4 volt! Seperti yang Anda lihat, selalu penting untuk diingat bahwa tegangan RMS pengenal untuk daya AC jauh lebih kecil daripada tegangan puncak sebenarnya.

Gambar 2 memberikan tipikal konversi daya input dan desain pengkondisian. Saya lebih suka menggunakan sakelar kutub ganda meskipun itu tidak mutlak diperlukan. Ini melindungi dari outlet listrik yang salah kabel (yang jarang terjadi saat ini) atau kabel daya yang salah kabel di catu daya itu sendiri (jauh lebih umum). Sangat penting bahwa ketika sakelar daya dimatikan, kabel panas diputus dari catu daya.

GAMBAR 2. Pengkondisian input cukup mendasar, tetapi harus diingat bahwa tegangan RMS tidak sama dengan tegangan puncak. Tegangan puncak 120 VAC RMS adalah sekitar 170 volt.

---

Sekering (atau pemutus sirkuit) diperlukan. Tujuan utamanya adalah untuk mencegah kebakaran karena tanpa itu, trafo atau korsleting primer akan memungkinkan arus besar mengalir yang menyebabkan bagian logam menjadi merah atau bahkan putih panas. Ini biasanya tipe pukulan lambat dengan nilai 250 volt. Peringkat saat ini harus sekitar dua kali lipat dari apa yang dapat diharapkan oleh transformator.

Misalnya, transformator dua ampere 25.2 volt yang disebutkan di atas akan menarik sekitar 0.42 ampere arus primer (25.2 volt/120 volt x dua ampere). Jadi, sekering satu amp masuk akal. Sekering di sekunder akan dibahas pada artikel berikutnya.

Kapasitor bypass membantu menyaring kebisingan dan bersifat opsional. Karena tegangan puncak sekitar 170 volt, peringkat 250 volt lebih baik daripada peringkat 200 volt marjinal. Anda mungkin ingin menggunakan "filter entri daya". Ada banyak jenis unit ini. Beberapa berisi konektor daya standar, sakelar, dudukan sekering, dan filter dalam satu paket kecil. Orang lain mungkin hanya memiliki beberapa komponen ini. Biasanya, yang dengan segala sesuatunya cukup mahal, tetapi kelebihan unit biasanya dapat ditemukan dengan harga yang sangat wajar.

Mampu menentukan apakah sirkuit utama diberi daya adalah penting sehingga lampu pilot digunakan. Dua sirkuit khas ditampilkan. Lampu neon telah digunakan selama beberapa dekade. Ini sederhana dan murah. Kekurangannya adalah agak rapuh (terbuat dari kaca); dapat berkedip jika resistor terlalu besar; dan benar-benar dapat menghasilkan beberapa kebisingan listrik (karena kerusakan ionik tiba-tiba dari gas neon).

Rangkaian LED juga membutuhkan resistor pembatas arus. Pada 10,000 hms, sekitar 12 mA arus disediakan. Kebanyakan LED diberi nilai arus maksimum 20 mA, jadi 12 mA masuk akal. (LED efisiensi tinggi dapat bekerja dengan memuaskan hanya dengan 1 atau 2 mA, sehingga resistor dapat ditingkatkan sesuai kebutuhan.)

Perhatikan bahwa LED memiliki tegangan tembus terbalik yang sangat buruk (biasanya 10 hingga 20 volt). Untuk alasan itu, dioda kedua diperlukan. Ini harus dapat beroperasi dengan setidaknya 170 volt PIV (Peak Inverse Voltage). Standar 1N4003 dinilai pada 200 PIV yang tidak memberikan banyak margin. 1N4004 diberi peringkat 400 PIV dan harganya mungkin lebih mahal. Dengan menempatkannya secara seri dengan LED, PIV keseluruhan adalah 400 plus PIV LED.

PERBAIKAN DAN PENYARINGAN

Gambar 3, 4, dan 5 menunjukkan rangkaian penyearah yang paling umum dengan bentuk gelombang keluaran yang ditampilkan di atas. (Kapasitor filter tidak ditampilkan karena dengan menambahkannya, bentuk gelombang berubah menjadi seperti tegangan DC.) Sangat berguna untuk memeriksa ketiga rangkaian dasar ini untuk mengidentifikasi kekuatan dan kelemahannya.

Gambar 3 menunjukkan penyearah setengah gelombang dasar. Satu-satunya karakteristik penebusan ini adalah sangat sederhana, hanya menggunakan satu penyearah. Fitur buruknya adalah ia hanya menggunakan setengah dari siklus daya yang membuat efisiensi teoritis rangkaian kurang dari 50% hanya untuk memulai. Seringkali, catu daya penyearah setengah gelombang hanya 30% efisien. Karena transformer adalah barang mahal, inefisiensi ini sangat mahal. Kedua, bentuk gelombang sangat sulit untuk disaring. Separuh waktu tidak ada daya sama sekali yang berasal dari trafo. Menghaluskan output membutuhkan nilai kapasitansi yang sangat tinggi. Ini jarang digunakan untuk catu daya analog.

GAMBAR 3. Rangkaian penyearah setengah gelombang sederhana tetapi menghasilkan bentuk gelombang keluaran yang buruk sehingga sangat sulit untuk disaring. Selain itu, setengah dari daya transformator terbuang sia-sia. (Perhatikan bahwa kapasitor penyaringan dihilangkan untuk kejelasan karena mereka mengubah bentuk gelombang.)

---

Hal menarik dan penting terjadi ketika kapasitor filter ditambahkan ke rangkaian penyearah setengah gelombang. Diferensial tegangan tanpa beban berlipat ganda. Ini karena kapasitor menyimpan energi dari paruh pertama (bagian positif) siklus. Ketika paruh kedua terjadi, kapasitor menahan tegangan puncak positif dan tegangan puncak negatif diterapkan ke terminal lain yang menyebabkan tegangan puncak-ke-puncak penuh dapat dilihat oleh kapasitor dan melalui itu, dioda. Jadi, untuk trafo 25.2 volt di atas, tegangan puncak sebenarnya yang terlihat oleh komponen ini bisa lebih dari 80 volt!

Gambar 4 (rangkaian atas) adalah contoh rangkaian penyearah gelombang penuh/ketuk pusat. Ketika ini digunakan, dalam banyak kasus, mungkin tidak seharusnya demikian. Ini memberikan output yang bagus yang sepenuhnya diperbaiki. Ini membuat penyaringan relatif mudah. Ini hanya menggunakan dua penyearah, jadi cukup murah. Namun, itu tidak lebih efisien daripada rangkaian setengah gelombang yang disajikan di atas.

GAMBAR 4. Desain gelombang penuh (atas) menghasilkan output yang bagus. Dengan menggambar ulang rangkaian (bawah), dapat dilihat bahwa sebenarnya hanya dua penyearah setengah gelombang yang dihubungkan bersama. Sekali lagi, setengah daya transformator terbuang sia-sia.

---

Hal ini dapat dilihat dengan menggambar ulang rangkaian dengan dua trafo (Gambar 4 bawah). Ketika ini dilakukan, menjadi jelas bahwa gelombang penuh sebenarnya hanya dua sirkuit setengah gelombang yang terhubung bersama. Setengah dari setiap siklus daya transformator tidak digunakan. Dengan demikian, efisiensi teoritis maksimum adalah 50% dengan efisiensi nyata sekitar 30%.

PIV rangkaian adalah setengah dari rangkaian setengah gelombang karena tegangan input ke dioda adalah setengah dari output transformator. Keran tengah memberikan setengah tegangan ke kedua ujung belitan transformator. Jadi, untuk contoh trafo 25.2 volt, PIV adalah 35.6 volt ditambah kenaikan tanpa beban yaitu sekitar 10% lebih.

Gambar 5 menyajikan rangkaian penyearah jembatan yang umumnya harus menjadi pilihan pertama. Output sepenuhnya diperbaiki sehingga penyaringan cukup mudah. Yang paling penting, bagaimanapun, ia menggunakan kedua bagian dari siklus daya. Ini adalah desain yang paling efisien dan mendapatkan hasil maksimal dari trafo yang mahal. Menambahkan dua dioda jauh lebih murah daripada menggandakan peringkat daya transformator (diukur dalam "Volt-Amp" atau VA).

GAMBAR 5. Pendekatan penyearah jembatan (atas) menyediakan penggunaan penuh daya transformator dan dengan penyearah gelombang penuh. Selain itu, dengan mengubah referensi ground (bawah), catu daya tegangan ganda dapat diperoleh.

---

Satu-satunya kelemahan desain ini adalah bahwa daya harus melewati dua dioda dengan penurunan tegangan yang dihasilkan sebesar 1.4 volt, bukan 0.7 volt untuk desain lainnya. Umumnya, ini hanya untuk catu daya tegangan rendah di mana tambahan 0.7 volt mewakili sebagian kecil dari output. (Dalam kasus seperti itu, catu daya switching biasanya digunakan daripada salah satu dari sirkuit di atas.)

Karena ada dua dioda yang digunakan untuk setiap setengah siklus, hanya setengah dari tegangan transformator yang terlihat oleh masing-masing. Ini membuat PIV sama dengan tegangan input puncak atau 1.414 kali tegangan transformator, yang sama dengan rangkaian gelombang penuh di atas.

Fitur yang sangat bagus dari penyearah jembatan adalah bahwa referensi tanah dapat diubah untuk membuat tegangan keluaran positif dan negatif. Ini ditunjukkan di bagian bawah Gambar 5.

PENYARINGAN

Hampir semua penyaringan untuk catu daya analog berasal dari kapasitor filter. Dimungkinkan untuk menggunakan induktor secara seri dengan output, tetapi pada 60 Hz, induktor ini harus cukup besar dan mahal. Kadang-kadang, mereka digunakan untuk catu daya tegangan tinggi di mana kapasitor yang sesuai harganya mahal.

Rumus untuk menghitung kapasitor filter (C) cukup sederhana, tetapi Anda perlu mengetahui tegangan riak puncak-ke-puncak yang dapat diterima (V), waktu setengah siklus (T), dan arus yang ditarik (I). Rumusnya adalah C=I*T/V, di mana C dalam mikrofarad, I dalam miliampere, T dalam milidetik, dan V dalam volt. Waktu setengah siklus untuk 60 Hz adalah 8.3 milidetik (referensi: 1997 Radio Amateur's Handbook).

Jelas dari rumus bahwa persyaratan penyaringan ditingkatkan untuk catu daya arus tinggi dan/atau riak rendah, tetapi ini hanya akal sehat. Contoh yang mudah diingat adalah 3,000 mikrofarad per ampere arus akan memberikan sekitar tiga volt riak. Anda dapat mengerjakan berbagai rasio dari contoh ini untuk memberikan perkiraan yang masuk akal tentang apa yang Anda butuhkan dengan cukup cepat.

Salah satu pertimbangan penting adalah lonjakan arus saat dihidupkan. Kapasitor filter bertindak sebagai korslet mati sampai terisi daya. Semakin besar kapasitor, semakin besar lonjakan ini. Semakin besar transformator, semakin besar lonjakannya. Untuk sebagian besar catu daya analog tegangan rendah (<50 volt), resistansi belitan transformator agak membantu. Trafo 25.2 volt/dua amp memiliki resistansi sekunder terukur 0.6 ohm. Ini membatasi lonjakan maksimum hingga 42 amp. Selain itu, induktansi transformator agak mengurangi ini. Namun, masih ada potensi lonjakan arus yang besar saat dihidupkan.

Kabar baiknya adalah bahwa penyearah silikon modern sering kali memiliki kemampuan arus lonjakan yang besar. Keluarga dioda 1N400x standar biasanya ditentukan dengan arus lonjakan 30 amp. Dengan rangkaian jembatan, ada dua dioda yang membawa ini, jadi kasus terburuk adalah masing-masing 21 amp yang berada di bawah spesifikasi 30 amp (dengan asumsi pembagian arus yang sama, yang tidak selalu demikian). Ini adalah contoh ekstrim. Umumnya, faktor sekitar 10 digunakan, bukan 21.

Meski demikian, lonjakan arus ini bukanlah sesuatu yang bisa diabaikan. Menghabiskan beberapa sen lebih banyak untuk menggunakan jembatan tiga amp alih-alih jembatan satu amp mungkin menghabiskan uang dengan baik.

DESAIN PRAKTIS

Kita sekarang dapat menerapkan aturan dan prinsip ini untuk digunakan dan mulai merancang catu daya dasar. Kami akan menggunakan transformator 25.2 volt sebagai inti dari desain. Gambar 6 dapat dilihat sebagai gabungan dari gambar sebelumnya tetapi dengan nilai bagian praktis yang ditambahkan. Lampu pilot kedua di sekunder menunjukkan statusnya. Ini juga menunjukkan jika ada muatan pada kapasitor. Dengan nilai yang begitu besar, ini merupakan pertimbangan keamanan yang penting. (Perhatikan bahwa karena ini adalah sinyal DC, dioda tegangan balik 1N4004 tidak diperlukan.)

GAMBAR 6. Desain akhir catu daya dengan spesifikasi suku cadang praktis. Mengatur daya dibahas dalam artikel berikutnya.

---

Mungkin lebih murah menggunakan dua kapasitor yang lebih kecil secara paralel daripada satu kapasitor besar. Tegangan kerja untuk kapasitor harus minimal 63 volt; 50 volt tidak cukup margin untuk puncak 40 volt. Unit 50 volt hanya memberikan margin 25%. Ini mungkin baik untuk aplikasi non-kritis, tetapi jika kapasitor gagal di sini, hasilnya bisa menjadi bencana besar. Sebuah kapasitor 63 volt memberikan margin sekitar 60% sedangkan perangkat 100 volt memberikan margin 150%. Untuk catu daya, aturan umum adalah antara 50% dan 100% margin untuk penyearah dan kapasitor. (Riaknya harus sekitar dua volt, seperti yang ditunjukkan.)

Penyearah jembatan harus mampu menangani lonjakan arus awal yang tinggi, jadi menghabiskan satu atau dua sen tambahan untuk keandalan yang ditingkatkan bermanfaat. Perhatikan bahwa jembatan ditentukan oleh apa yang dapat disuplai oleh transformator daripada untuk apa catu daya akhirnya ditentukan. Ini dilakukan jika ada output pendek. Dalam kasus seperti itu, arus penuh transformator akan dilewatkan melalui dioda. Ingat, kegagalan catu daya adalah hal yang buruk. Jadi, desainlah agar kuat.

KESIMPULAN

Detail merupakan pertimbangan penting dalam merancang catu daya. Memperhatikan perbedaan antara tegangan RMS dan tegangan puncak sangat penting dalam menentukan tegangan kerja yang tepat untuk suplai. Selain itu, arus lonjakan awal adalah sesuatu yang tidak dapat diabaikan.

Di Bagian 2, kami akan menyelesaikan proyek ini dengan menambahkan regulator tiga terminal. Kami akan merancang catu daya tegangan yang dapat disesuaikan untuk keperluan umum, terbatas saat ini, dengan pemutusan jarak jauh. Selain itu, prinsip yang digunakan untuk desain ini dapat diterapkan pada desain catu daya apa pun. 

Tinggalkan pesan 

Daftar pesan