Cara Atau Prinsip Kerja Rangkaian SMPS Sederhana

Bismillah… ini post pertama dari blog wordpress saya, yang bertemakan elektronika sesuai dengan hobi saya selama ini. Harapan kedepan, semoga blog wordpress ini bermanfaat bagi pecinta elektronika sebangsa dan setanah air.

Oke… untuk post kali pertama ini kita coba belajar mengenal apa itu SMPS. Istilah paling gampang dalam menggambarkan SMPS yaitu sebuah alat yang didesain untuk Power Supply alternatif. Yang selama ini kita sering melihat trafo besi sebagai komponen utama sebuah power supply konvesional.

Ilustrasi Gambar : SMPS (Switch Mode Power Supply)

Pengertian SMPS
Untuk pengertian smps sendiri, memiliki 2 pengertian yaitu:

1. Power Supply, adalah suatu peralatan yang digunakan untuk menghasilkan atau menyediakan sumber daya listrik yang cocok dan stabil pada suatu peralatan tertentu. Dan biasanya tegangan yang tersedia adalah tegangan bolak-balik 220v  atau bisa disebut dengan Ac, namun suatu peralatan elektronika membutuhkan tegangan DC atau searah.
2. Regulator Switching, yang merupakan suatu sirkuit elektronik yang digunakan untuk menstabilkan tegangan yang keluar, seperti tegangan yang keluar tidak optimal, arus beban yang kurang optimal dan lain-lain.

Prinsip Kerja SMPS

SMPS secara garis besar meliputi kerja :

Gambar Rangkaian SMPS

• Penyerahan – merubah tegangan masukan AC menjadi tegangan keluaran DC.
• Konverter – merubah tegangan dc menjadi tegangan keluaran yang sesuai dengan kebutuhan
• Filtering – menghilangkan denyut (ripple) pada tegangan keluaran
• 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.

Bagian-bagian pokok dasar kerja sebuah SMPS adalah sebagai berikut :

• 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 atau power-switching. 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).

Dapat juga di ilustrasikan seperti gambar dibawah ini.

Berikut sedikit gambaran, perbedaan catu daya / power supply Konvensional dengan SMPS.

Catu Daya Konvensional

Sebuah catu daya DC sederhana dirangkai dengan menurunkan tegangan AC, 50-60 Hz melalui transformator, disearahkan (rectifiying) oleh dioda menjadi denyut/pulsa tegangan. Dan ditapis oleh kapasitor hingga didapat gelombang yang halus minim riak gelombang.

Untuk beban arus kecil catu daya dapat bekerja dengan baik dan efisien, tapi ketika mencatu beban berat, tegangan keluaran akan naik turun bergelombang. Agar halus kembali tegangan perlu distabilkan dengan rangkaian linear.

Proses ini menimbulkan panas pada transistor regulator (ini berarti sebuah kerugian daya). Bersama rugi-rugi pada kawat tembaga dan inti kern trafo, total rugi daya catu daya linear ini menyebabkan hanya mempunyai daya berguna dalam kisaran 30%-40% saja, selebihnya 60%-70% dibuang dalam bentuk panas.

Pada catu daya DC rating besar, membutuhkan trafo dengan ukuran besar dan bobot yang berat. Karena bekerja pada frekuensi rendah diperlukan kapasitor perata dengan kapasitas besar juga, agar tegangan keluaran tetap halus dan mengurangi drop tegangan pada beban berat. Semakin besar kebutuhan amper, makin besar diameter kawat tembaga, ukuran kern trafo, serta kapasitors yang harus dipasang, dan makin mahal harganya.

Masalahnya tinggi-rendahnya harga tidak selalu menjamin kualitas. Kinerja catu daya konvesnaional hanya baik bila beban sesuai dengan kapasitasnya dan sifatnya tetap (beban statis). Untuk mencatu beban dinamis (power amplifier misalnya), padanya masih ada drop tegangan, yang makin besar seiring dengan beratnya beban.

Catu Daya SMPS/PWM

Catu daya lebih modern, SMPS (Switch Mode Power Supply) atau sering disebut sistem PWM (Pulse Width Modulator), mengolah tegangan DC dengan penyearahkan AC pada tegangan jala 220 Volt. Tegangan DC volt tinggi ini kemudian disambungkan (switch) ke trafo lewat Transistor Mosfet. Di sisi sekunder tegangan diturunkan lalu disearahkan lagi, dan sebelum diberikan sebagai keluaran, dilewatkan tapis frekuensi tinggi dan kapasitor perata.

Mosfet dipekerjakan dengan teknik pensaklaran on / off (switching). Outputnya berupa deretan pulsa hidup-mati secara periodik pada frekuensi yang umumnya antara 50 khz-500 khz. Meskipun frekuensi tetap tetap, lebar pulsa (durasi) dimodulasi sedemikian rupa, hingga didapat tegangan sesuai yang dikehendaki. Durasi ini selain sebagai penentu besarnya tegangan keluaran,  juga digunakan sebagai sirkit penstabil tegangan, melalui rangkaian umpan baliknya.

Dimensi dan bobot.

Catu daya kuno terutama yang berdaya besar selalu mempunyai dimensi besar dan bobot yang berat (kapasitas menentukan dimensi dan beratnya), frekuensi kerjanya sama dengan jala-jala listrik 50-60 Hz. Sedangkan SMPS menggunakan frekuensi kerja jauh lebih tinggi pada 50 kHz- 500 kHz. Makin tinggi frekuensi berarti makin efisien kerjanya, sehingga membutuhkan trafo daya yang berukuran lebih kecil, ringan bobotnya. Dengan demikian ukuran peralatan yang menggunakan SMPS sebagai sumber dayanya pasti ukurannya lebih kompak.

Efisiensi, Tegangan dan Arus keluaran.

Tegangan keluaran catu konvensional tergantung pada tap pada trafo daya. Untuk tipe yang tak ter-regulasi, tegangan keluaran bervariasi tergantung pada beban arusnya. Sedangkan yang tergulasi, prosesnya menyebabkan disipasi daya transistor (berupa panas) hingga menurunkan daya guna, demikian juga rugi-rugi inti konduktor dan inti besi kern sangat besar, yang akhirnya semua itu bisa menghasilkan efisiensi hanya 30-40% saja.

Pada SMPS tegangan dengan mudah diset pada voltase berapapun dan pada arus berapapun sesuai dengan kapasitas terpasang tanpa banyak berpengaruh pada dimensi dan beratnya. Pada teknik pensaklaran SMPS, regulasi didapat hanya dengan mengatur lebar pulsa, dan karena transistor bekerja secara mati sepenuhnya atau hidup sepenuhnya, panas (dan rugi daya) yang timbul sangat minim. Kerugian yang ditimbulkan oleh kapasitor hanya tergantung pada esr (equivalen series resistans), sehingga nilainya relatif kecil. Rugi dari inti ferrit, inti konduktor dan drop tegangan dioda perata. Semua yang disebut itu adalah kontributor kerugian utama, namun dengan semua kerugian itu bisa menghasilkan efisiensi tipikal 60-80%. Dengan memperbaiki disain sirkit, kerugian masih dapat diminimalkan, hingga efisiensi 95% bukan hal yang mustahil tercapai.

Kompleksitas.

Hanya dengan trafo, dioda penyearah serta kapasitor perata, sudah bisa membangun catu DC tak teregulasi. Dan hanya dengan menambahkan satu IC + transistor dan kapasitor filter sudah terangkai catu stabil. Namun kesederhanaannya juga sebanding dengan performanya.   Sedangkan pada SMPS selain komponen tadi, diperlukan lebih banyak komponen, dan bertipe khusus. Induktor filter, NTC dan sebagainya yang semuanya dirangkai lebih komplek.  Namun bagusnya, kompleksitas juga sebanding dengan performanya, tapi belum tentu harganya, (Rating catu daya SMSP kapasitas besar bisa lebih murah dibanding catu konvensional dengan daya setara, namun performanya bisa jauh diatasnya).

Interferensi radio.

Frekuensi radio liar bisa muncul pada akibat penyearahan dioda pada beban berat. Rentang frekuensinya dari 50-60 Hz beserta harmoniknya bisa mencapai kanal tengah frekuensi audio, bisa dihilangkan dengan filter dengan LC/RC sederhana pada jalur keluaran. Sedangkan teknik pensaklaran SMPS menimbulkan frekuensi radio diatas bentang pendengaran yang bisa diatasi dengan filter radio pada jalur masuk dan keluaran unit, dan masih bisa dikurangi bila tata letak komponen tersusun baik.

Sekian dulu artikel Prinsip Kerja Rangkaian SMPS, masih banyak sekali kekurangan yang perlu disempurnakan. Semoga bermanfaat.