Konverter AC ke DC
Rangkaian sering memerlukan sumber daya AC terintegrasi sebagai strategi optimal untuk mengurangi ukuran, biaya atau karena kebutuhan spesifik aplikasi. Memahami konsep utama yang terkait dengan konversi dan alternatif praktis yang tersedia adalah awal yang baik menuju rangkaian yang sukses.
Daya AC yang dikirim pada tegangan tinggi pada jarak jauh dan kemudian dikonversi ke tegangan yang lebih rendah adalah sumber daya yang lebih efisien dan lebih aman di rumah. Tergantung pada lokasi, tegangan tinggi dapat berkisar dari 4kV (kilo-volt) hingga 765kV. Sebagai pengingat, sumber listrik AC di rumah berkisar dari 110V hingga 250V, tergantung pada bagian dunia mana Anda menjalaninya. Di Indonesia, jalur utama AC umumnya adalah 220V.
Konverter mengarahkan arus bolak-balik, karena tegangan juga berganti, menjadi elemen impedansi reaktif, seperti Induktor (L) dan Kapasitor (C), tempat ia disimpan dan diintegrasikan. Proses ini memisahkan daya (power) yang terkait dengan potensi positif dan negatif. Filter digunakan untuk menghaluskan energi yang tersimpan, menghasilkan penciptaan sumber DC untuk rangkaian lain.
Rangkaian ini dapat mengambil banyak bentuk tetapi selalu terdiri dari elemen-elemen penting yang sama, dan mungkin memiliki satu atau lebih tahap konversi. Konverter yang digambarkan pada gambar 1 disebut 'forward converter', yang merupakan efisiensi lebih tinggi daripada arsitektur yang sedikit lebih sederhana; sebuah 'converter flyback'. Meskipun tidak membahas secara rinci, konverter flyback berbeda dari konverter maju (forward) karena operasinya tergantung pada energi yang tersimpan dalam celah udara transformator di rangkaian.
Seperti halnya bagian lain dari konverter AC ke DC, elemen reaktif seperti kapasitor dan induktor melakukan peran penting dari penekanan selektif frekuensi. Kapasitor not pass DC, dan dapat digunakan secara seri (sebagai elemen pemblokiran DC 'memblokir DC'), atau paralel (untuk men-shunt frekuensi tinggi ke pentanahan agar tidak terhubung ke konverter).
Blok pemfilteran input juga biasanya mencakup resistor yang bergantung pada tegangan, atau Varistor untuk mencegah lonjakan tegangan tinggi pada jaringan tenaga listrik dari merusak catu daya. Ini adalah kotak persegi panjang dengan garis diagonal melaluinya pada input pada Gambar 1. Jenis varistor yang paling umum adalah varistor logam-oksida (MOV). Tegangan apa pun di atas 'tegangan penjepit' perangkat menyebabkan MOV menjadi konduktif, mendorong lonjakan tegangan tinggi dan menekan lonjakan.
Penyearah diimplementasikan menggunakan perangkat semikonduktor yang secara konduktif mengalirkan arus dalam satu arah saja, seperti Dioda. Penyearah semikonduktor yang lebih canggih termasuk Thyristor. Silicon controlled rectifiers (SCR) dan Triode untuk arus bolak-balik (TRIAC) adalah analog dengan Relai karena sejumlah kecil tegangan dapat mengontrol aliran tegangan dan arus yang lebih besar.
Cara kerja ini adalah mereka hanya berjalan ketika 'gerbang' pengendali dipicu oleh sinyal input. Dengan menghidupkan atau mematikan perangkat pada waktu yang tepat ketika arus gelombang AC - arus diarahkan untuk membuat pemisahan DC. Ada banyak rangkaian untuk melakukan ini, dengan sinyal yang disadap dari bentuk gelombang AC yang digunakan sebagai sinyal kontrol yang mengatur fasa kuadran thyristor hidup atau mati. Ini adalah pergantian, dan dapat berupa keduanya alami (dalam kasus dioda sederhana) atau dipaksakan, seperti dalam kasus perangkat yang lebih canggih.
Catu daya efisiensi tinggi dapat menggunakan perangkat aktif seperti MOSFET sebagai sakelar di rangkaian tersebut. Alasan untuk menggunakan topologi yang lebih kompleks biasanya untuk peningkatan efisiensi, untuk mengurangi kebisingan atau bertindak sebagai kontrol daya. Dioda memiliki tegangan intrinsik jatuh di atasnya ketika mereka berjalan. Ini menyebabkan daya untuk dihilangkan di dalamnya, tetapi elemen aktif lainnya mungkin memiliki penurunan yang jauh lebih rendah dan karenanya kehilangan daya yang lebih rendah.
Rangkaian SCR dan TRIAC sangat banyak digunakan di rangkaian kontrol daya berbiaya rendah misalnya seperti peredupan cahaya di bawah ini - yang digunakan untuk mengarahkan langsung dan mengendalikan arus yang dikirim ke beban saat sumber input berganti. Perhatikan bahwa implementasi ini tidak galvanis ketika mereka tidak memiliki transformator di rangkaian - hanya berguna di rangkaian yang sesuai seperti kabel listrik langsung yang terhubung.
Keselamatan Pertama!
Ketika sumber AC adalah stopkontak listrik, perhatian harus diberikan untuk memastikan implementasi aman untuk digunakan. Tanpa kecuali, subsistem ini harus dirancang dan diimplementasikan oleh seorang ahli yang berkualifikasi. Jika memungkinkan, gunakan paket steker yang disetujui sebelumnya.Kepatuhan adalah Wajib!
Ketika Anda menyambungkan apa pun ke soket colokan listrik, itu harus memenuhi standar sertifikasi hukum di negara tempat ia akan digunakan. Lebih dari ini, ia harus diuji dan disertifikasi untuk melakukannya - proses yang mahal. Hal ini untuk memastikan keamanannya, tidak mengganggu orang lain atau berkontribusi kebisingan ke saluran listrik utama AC.Apa itu Konverter AC/DC?
Tenaga listrik disalurkan pada kabel baik sebagai arus searah (DC) yang mengalir dalam satu arah pada konstanta tidak berosilasi tegangan, atau sebagai arus bolak-balik (AC) mengalir mundur dan maju karena tegangan berosilasi. AC adalah metode yang dominan dalam mengangkut daya karena ia menawarkan beberapa keunggulan dibandingkan DC, termasuk biaya distribusi yang lebih rendah dan cara sederhana untuk mengkonversi antara level tegangan berkat penemuan Transformator.Daya AC yang dikirim pada tegangan tinggi pada jarak jauh dan kemudian dikonversi ke tegangan yang lebih rendah adalah sumber daya yang lebih efisien dan lebih aman di rumah. Tergantung pada lokasi, tegangan tinggi dapat berkisar dari 4kV (kilo-volt) hingga 765kV. Sebagai pengingat, sumber listrik AC di rumah berkisar dari 110V hingga 250V, tergantung pada bagian dunia mana Anda menjalaninya. Di Indonesia, jalur utama AC umumnya adalah 220V.
Konverter mengarahkan arus bolak-balik, karena tegangan juga berganti, menjadi elemen impedansi reaktif, seperti Induktor (L) dan Kapasitor (C), tempat ia disimpan dan diintegrasikan. Proses ini memisahkan daya (power) yang terkait dengan potensi positif dan negatif. Filter digunakan untuk menghaluskan energi yang tersimpan, menghasilkan penciptaan sumber DC untuk rangkaian lain.
Rangkaian ini dapat mengambil banyak bentuk tetapi selalu terdiri dari elemen-elemen penting yang sama, dan mungkin memiliki satu atau lebih tahap konversi. Konverter yang digambarkan pada gambar 1 disebut 'forward converter', yang merupakan efisiensi lebih tinggi daripada arsitektur yang sedikit lebih sederhana; sebuah 'converter flyback'. Meskipun tidak membahas secara rinci, konverter flyback berbeda dari konverter maju (forward) karena operasinya tergantung pada energi yang tersimpan dalam celah udara transformator di rangkaian.
 |
| Gambar 1: Diagram Blok Fungsional dari Konverter Catu Daya AC-DC Konverter |
Input Blok Filtering
Input Filter penting karena mencegah kebisingan yang dihasilkan dalam elemen switching catu daya agar tidak kembali ke catu daya listrik. Ini juga mencegah kebisingan yang mungkin ada pada catu daya listrik yang masuk ke rangkaian berikutnya. Filter melewati frekuensi listrik 50/60 Hz, dan mengurangi kebisingan frekuensi dan harmonik yang lebih tinggi yang mungkin ada.Seperti halnya bagian lain dari konverter AC ke DC, elemen reaktif seperti kapasitor dan induktor melakukan peran penting dari penekanan selektif frekuensi. Kapasitor not pass DC, dan dapat digunakan secara seri (sebagai elemen pemblokiran DC 'memblokir DC'), atau paralel (untuk men-shunt frekuensi tinggi ke pentanahan agar tidak terhubung ke konverter).
Blok pemfilteran input juga biasanya mencakup resistor yang bergantung pada tegangan, atau Varistor untuk mencegah lonjakan tegangan tinggi pada jaringan tenaga listrik dari merusak catu daya. Ini adalah kotak persegi panjang dengan garis diagonal melaluinya pada input pada Gambar 1. Jenis varistor yang paling umum adalah varistor logam-oksida (MOV). Tegangan apa pun di atas 'tegangan penjepit' perangkat menyebabkan MOV menjadi konduktif, mendorong lonjakan tegangan tinggi dan menekan lonjakan.
Rektifikasi (Penyearah)
Konverter AC/DC paling sederhana terdiri dari trafo yang mengikuti penyaringan input, yang kemudian dilewatkan ke penyearah untuk menghasilkan DC. Dalam hal ini, penyearah terjadi setelah transformator karena transformator not pass DC. Namun, banyak konverter AC/DC menggunakan topologi konversi multi-tahap yang lebih canggih, seperti yang digambarkan dalam Gambar 1 karena keunggulan persyaratan transformator yang lebih kecil dan kebisingan yang lebih rendah merujuk kembali ke catu daya listrik.Penyearah diimplementasikan menggunakan perangkat semikonduktor yang secara konduktif mengalirkan arus dalam satu arah saja, seperti Dioda. Penyearah semikonduktor yang lebih canggih termasuk Thyristor. Silicon controlled rectifiers (SCR) dan Triode untuk arus bolak-balik (TRIAC) adalah analog dengan Relai karena sejumlah kecil tegangan dapat mengontrol aliran tegangan dan arus yang lebih besar.
Cara kerja ini adalah mereka hanya berjalan ketika 'gerbang' pengendali dipicu oleh sinyal input. Dengan menghidupkan atau mematikan perangkat pada waktu yang tepat ketika arus gelombang AC - arus diarahkan untuk membuat pemisahan DC. Ada banyak rangkaian untuk melakukan ini, dengan sinyal yang disadap dari bentuk gelombang AC yang digunakan sebagai sinyal kontrol yang mengatur fasa kuadran thyristor hidup atau mati. Ini adalah pergantian, dan dapat berupa keduanya alami (dalam kasus dioda sederhana) atau dipaksakan, seperti dalam kasus perangkat yang lebih canggih.
Catu daya efisiensi tinggi dapat menggunakan perangkat aktif seperti MOSFET sebagai sakelar di rangkaian tersebut. Alasan untuk menggunakan topologi yang lebih kompleks biasanya untuk peningkatan efisiensi, untuk mengurangi kebisingan atau bertindak sebagai kontrol daya. Dioda memiliki tegangan intrinsik jatuh di atasnya ketika mereka berjalan. Ini menyebabkan daya untuk dihilangkan di dalamnya, tetapi elemen aktif lainnya mungkin memiliki penurunan yang jauh lebih rendah dan karenanya kehilangan daya yang lebih rendah.
Rangkaian SCR dan TRIAC sangat banyak digunakan di rangkaian kontrol daya berbiaya rendah misalnya seperti peredupan cahaya di bawah ini - yang digunakan untuk mengarahkan langsung dan mengendalikan arus yang dikirim ke beban saat sumber input berganti. Perhatikan bahwa implementasi ini tidak galvanis ketika mereka tidak memiliki transformator di rangkaian - hanya berguna di rangkaian yang sesuai seperti kabel listrik langsung yang terhubung.
 |
| Gambar 2: Konversi Berbasis SCR |
Koreksi Faktor Daya (PFC)
Ini adalah aspek yang paling rumit dari konverter untuk dipahami. Power Factor Correction (PFC) adalah elemen penting dalam meningkatkan efisiensi konverter dengan memperbaiki fasa relatif dari arus yang ditarik ke bentuk gelombang tegangan untuk mempertahankan faktor daya optimal. Ini mengurangi karakteristik 'beban reaktif' yang konverter dapat hadir ke catu daya listrik. Ini sangat penting untuk menjaga kualitas tinggi, jaringan listrik yang efisien dan perusahaan pemasok listrik bahkan dapat mengenakan tarif arus reaktif khusus pada pelanggan yang memiliki faktor daya yang buruk.
PFC pasif atau aktif mengacu pada apakah elemen aktif atau elemen pasif digunakan untuk memperbaiki hubungan fasa. PFC semikonduktor dapat merujuk ke IC tujuan khusus dengan pengontrol terintegrasi yang dirancang untuk secara aktif memonitor dan menyesuaikan rangkaian PFC, mengurangi jumlah komponen dan menyederhanakan desain keseluruhan sambil mendapatkan kinerja yang lebih tinggi. Mereka dapat menggabungkan fungsi-fungsi lain seperti proteksi tegangan over/under, proteksi arus berlebih, soft start, dan deteksi/respons kesalahan.
Konverter yang digambarkan pada gambar 1 adalah konverter PFC satu tahap. Kapasitor pada bagian ini digunakan untuk menyimpan energi yang tidak seimbang antara daya input yang ber-pulsa dan daya output yang relatif konstan di tahap. Lihat bagian “Penyimpanan Energi Reaktif” untuk detail lebih lanjut tentang ini.
Konverter PFC dua tahap biasanya digunakan karena tidak perlu menangani rentang tegangan selebar kapasitor penyimpanan yang Anda dapatkan dari catu daya universal, yang memiliki efek merugikan pada efisiensi konversi. Mereka juga dapat menawarkan trade-off yang lebih baik dalam ukuran kapasitor, dan ini dapat membantu mengurangi biaya.
Tahap Daya (Power)
Tahap daya mengontrol daya yang dialirkan dari sisi primer ke sisi sekunder melalui transformator. Ini terdiri dari perangkat switching aktif yang beralih pada frekuensi tinggi yang bisa mencapai ratusan kHz. Status ON/OFF sakelar dikendalikan oleh input modulasi lebar pulsa (PWM) yang berubah tergantung pada jumlah daya yang perlu dikirim secara dinamis ke beban.
Informasi ini diperoleh melalui jalur umpan balik dari sisi sekunder yang dapat dikomunikasikan dengan sejumlah teknik yang mengakomodasi persyaratan isolasi konverter. Pergantian frekuensi yang lebih tinggi menghasilkan kebutuhan transformator yang lebih kecil, mengurangi ukuran dan biaya.
Transformator (trafo)
Sebuah Transformator terdiri dari kabel yang dililitkan pada inti bersama yang saling berpasangan dengan induksi elektromagnetik. Ini penting ketika menghubungkan ke sumber tegangan tinggi (utama) - disebut sebagai konversi 'off-line' karena kopling induktif memutus sumber listrik dari rangkaian berikutnya, skenario yang jauh lebih aman daripada koneksi langsung. Kopling ini oleh medan elektromagnetik, daripada rangkaian tembaga langsung, yang disebut 'isolasi galvanik' membatasi energi maksimum yang dapat menyebabkan sengatan listrik atau pelepasan muatan berbahaya ke energi yang tersimpan dalam garis fluks medan magnet transformastor.
Gambar 1 memiliki blok yang disebut 'Mag Amp Reset' yang terkait dengan demagnetisasi transformator karena arus magnetisasi yang melekat dalam arsitektur. Tanpa ini, remanensi bahan inti akan menjenuhkannya dalam beberapa siklus PWM tahap daya. Meskipun terlalu rumit untuk dibahas dalam tutorial ini, rangkaian tambahan ini bisa sangat membingungkan ketika meninjau diagram rangkaian konverter, dan berguna untuk mengetahui mengapa diperlukan.
Ada sejumlah teknik untuk melakukan demagnetisasi, yang paling sederhana adalah ketika sakelar daya dimatikan arus demagnetisasi forward dioda melalui belitan bantu terpisah. Rangkaian ini membatasi siklus kerja PWM maksimum hingga 50%, tetapi metode yang lebih kompleks dapat digunakan untuk memungkinkan siklus kerja yang lebih tinggi.
Transformator atau metode isolasi galvanik lainnya (seperti Optocoupler) sering digunakan untuk mengkomunikasikan sinyal informasi antara sisi primer dan sekunder. Ini diperlukan untuk memfasilitasi kontrol yang lebih rumit dari proses konversi - memungkinkan rangkaian kontrol yang terletak di sisi primer untuk merespons keadaan beban samping sekunder dan secara dinamis mengubah cara mengarahkan arus untuk mendapatkan kebisingan yang lebih rendah dan efisiensi yang lebih tinggi.
Rangkaian Output (keluaran)
Seperti disebutkan dalam bagian penyaringan (filtering), medan listrik dalam elemen reaktif pasif (penyimpanan) seperti kapasitor dan induktor menyimpan energi. Ketika digunakan setelah penyearahan kemudi pengisian, mereka bertindak sebagai cadangan energi selama siklus daya input bolak-balik. Ini adalah elemen penting dalam konverter karena penyimpanan energi ini bertindak sebagai sumber - memungkinkan tegangan output konstan dalam berbagai kondisi beban.
Elemen aktif merasakan tegangan yang diberikan ke beban dan/atau arus yang mengalir ke beban, dan dalam loop kontrol umpan balik negatif, gunakan informasi ini untuk menyesuaikan energi yang dipompa ke dalam elemen penyimpanan ini untuk mempertahankan tingkat tegangan output yang konstan. Proses pemompaan ini menggunakan elemen aktif untuk menghidupkan dan mematikan arus yang mengalir ke elemen penyimpanan, sebagaimana dimaksud dalam konsep regulasi yang luas.
Regulasi
Kami membutuhkan tegangan konstan yang disajikan ke rangkaian beban, terlepas dari impedansi dinamis beban. Tanpa ini, dapat terjadi kondisi tegangan berlebih atau lebih, yang mengarah pada perilaku rangkaian palsu atau bahkan kerusakan rangkaian. Ini khususnya benar dengan elektronik digital tegangan rendah di mana tegangan supply harus dibatasi dengan ketat dalam jendela beberapa persen dari nilai nominal. Elemen reaktif tidak memiliki kontrol bawaan terhadap hal ini. Cara konverter AC/DC mencapai jendela tegangan output yang dikontrol ketat adalah dengan mengontrol kondisi energi yang tersimpan dalam sumber penyimpanan reaktif impedansi rendah.
Output tegangan akan berubah seiring waktu ketika daya mengalir dari elemen-elemen ini dan mungkin juga memiliki varian yang disebabkan oleh karakteristik perangkat yang tidak ideal - seperti resistansi seri atau kapasitansi parasit. Diperlukan semacam kontrol dinamis untuk mengisi ulang sumber ini. Ini disebut regulasi. Banyak seperti mikroprosesor mengubah daya yang mereka minta saat mereka melakukan operasi yang berbeda, dan ini memperburuk kebutuhan untuk memiliki regulasi dinamis yang aktif.
Kontrol regulasi adalah rangkaian umpan balik yang mengontrol elemen switching. Dalam hal ini elemen switching berada di sisi utama konverter. Agar sakelar menjadi efisien, sakelar harus ON hard (impedansi serendah mungkin) atau sakelar OFF (impedansi tertinggi dimungkinkan) - karena di antara kondisi-kondisi tersebut menyebabkan daya yang bepergian melalui sakelar dihilangkan dan terbuang sia-sia.
Sakelar semikonduktor seperti MOSFET tidak ideal dan menunjukkan beberapa impedansi, mereka membuang energi dan ini menurunkan efisiensi konversi. Hanya ada dua cara untuk mengontrol sakelar, dengan memvariasikan siklus kerja sakelar aktif atau nonaktif, yang disebut Pulse Width Modulation (PWM) atau mengendalikan frekuensi menjadi ON atau OFF. Konverter Mode Non-Resonant menggunakan teknik hard switching, tetapi Mode Resonant konverter menggunakan teknik soft-switching yang lebih cerdas.
Soft switching berarti menghidupkan atau mematikan bentuk gelombang arus bolak-balik pada titik nol tegangan atau nol, menghilangkan kerugian switching dan mengarah ke arsitektur efisiensi sangat tinggi. Teknik seperti penyearah sinkron menggantikan dioda penyearah dengan elemen switching aktif seperti MOSFET. Mengontrol switching yang disinkronkan ke bentuk gelombang input AC memungkinkan MOSFET berjalan dengan resistansi ON yang sangat rendah dan penurunan tegangan yang lebih sedikit pada waktu yang tepat - yang mengarah pada efisiensi yang lebih tinggi bila dibandingkan dengan dioda penyearah.
Bagaimana rangkaian pengaturan tahu kapan harus beralih? Ada dua metode prinsip mode kontrol: kontrol tegangan dan kontrol arus. Regulator menggunakan satu atau kombinasi dari kedua metode untuk mengatur tegangan yang disajikan ke rangkaian beban.
Mode Kontrol Tegangan
Rangkaian regulasi merasakan tegangan output, membandingkannya dengan tegangan referensi untuk membuat fungsi kesalahan. Sinyal kesalahan memodifikasi rasio switching untuk membawa output lebih dekat ke level yang diinginkan. Ini adalah metode kontrol yang paling sederhana.
Mode Kontrol Arus
Baik tegangan output dan arus induktor merasakan dan kombinasi yang digunakan untuk mengontrol siklus kerja. 'Loop penginderaan arus' dalam ini memungkinkan waktu respons yang lebih cepat untuk memuat perubahan, tetapi lebih kompleks daripada mode kontrol tegangan.
Lebih lanjut menyulitkan elemen regulasi, melebihi dan di atas metode kontrol, cara konverter bertindak sebagai siklus pergantian disebut mode operasi kontinu atau dis-kontinu. Mode operasi kontinu adalah mode di mana arus induktor tidak pernah turun ke nol (jika topologi konverter memilikinya).
Ini adalah riak output yang lebih rendah dan karenanya mode pengoperasian yang lebih rendah, tetapi karena induktor selalu berjalan, ia selalu menghamburkan energi dalam kehilangan konduksi seri yang tidak ideal. Dalam mode diskontinu, arus induktor dibiarkan menjadi nol, menyebabkan beban memperoleh energi dari kapasitor penyimpanan. Ini adalah mode operasi dengan efisiensi yang lebih tinggi tetapi berpotensi memiliki kontrol regulasi yang lebih buruk dan lebih buruk.
Jenis Konverter
Sebagaimana disinggung secara singkat, ada beberapa jenis konverter yang berkaitan dengan topologi mereka, termasuk arsitektur flyback dan buck-flyback. Ini adalah topologi umum karena menggabungkan transformator, memiliki jumlah komponen yang rendah dan dapat berbiaya rendah relatif terhadap opsi lain. Konverter flyback adalah konverter buck-boost (step-up/step down) dengan induktor diganti dengan transformator. Energi yang tersimpan di dalam transformator digunakan untuk mengubah peralihan melalui rangkaian rektifikasi aktif atau pasif.
Jenis flyback converter yang paling umum menggunakan mode diskontinyu (DCM) - dengan arus yang mengalir di transformator menjadi nol - karena ini biasanya memiliki loop kontrol paling sederhana dan biaya terendah. Konverter flyback mode kontinu arus (CCM) diperlukan untuk tingkat daya yang lebih tinggi tetapi menghasilkan kerugian belitan transformator yang lebih tinggi karena konduksi yang berkelanjutan.
Banyak catu daya beralih antar mode tergantung pada level beban. Quasi resonant (QR) dan lembah switching/variasi frekuensi variabel pada topologi flyback adalah rangkaian yang lebih kompleks yang mengoptimalkan kapan dan bagaimana switching terjadi untuk meningkatkan efisiensi. QR flyback mencapainya dengan mendaur ulang energi induktansi kebocoran yang tidak ideal, dan penggantian lembah mengurangi lonjakan yang disebabkan oleh overshoot. Mereka biasanya digunakan dalam aplikasi daya rendah.