Regulator tegangan linier lazimnya jauh lebih efisien dan lebih gampang dipakai ketimbang rangkaian regulator tegangan setara yang yang dibikin dari komponen diskrit seumpama Dioda Zener dan Resistor, atau Transistor dan bahkan Op-amp.
Jenis pengatur tegangan output linier dan tetap yang paling terkenal sejauh ini yakni seri tegangan output faktual 78, dan seri tegangan output negatif 79... Kedua jenis regulator tegangan komplementer ini menciptakan output tegangan yang presisi dan stabil mulai dari sekitar 5 volt hingga sekitar 24 volt untuk dipakai di banyak rangkaian elektronik.
Terdapat banyak sekali macam regulator tegangan tetap tiga terminal yang tersedia masing-masing dengan regulasi tegangan bawaan dan rangkaian pembatas arus. Ini memungkinkan kami untuk bikin seluruh rangkaian rel dan output Power Supply yang berbeda, baik Power Supply tunggal atau ganda, sesuai untuk sebagian besar rangkaian dan aplikasi elektronik.
Bahkan ada regulator tegangan linear variabel yang tersedia juga menawarkan tegangan output yang secara terus-menerus beraneka ragam dari sempurna di atas nol hingga beberapa volt di bawah output tegangan maksimumnya.
Sebagian besar Power Supply DC berisikan trafo utama step-down yang besar dan berat, Dioda Penyearah, baik gelombang penuh atau setengah gelombang, rangkaian filter untuk menetralisir konten riak dari DC yang diperbaiki yang menciptakan tegangan DC yang sesuai, dan beberapa bentuk dari regulator tegangan atau rangkaian stabilizer, baik linier atau switching untuk menentukan pengaturan yang benar dari tegangan output Power Supply dalam banyak sekali kondisi beban. Maka Power Supply DC khas akan terlihat seumpama ini:
Power Supply DC Ideal
Desain Power Supply ideal ini mengandung transformator listrik besar (yang juga menawarkan isolasi antara input dan output) dan rangkaian regulator seri disipatif. Rangkaian regulator sanggup berisikan dioda zener tunggal atau regulator seri linear tiga terminal untuk menciptakan tegangan output yang diperlukan. Keuntungan dari regulator linier yakni bahwa rangkaian Power Supply cuma memerlukan kapasitor input, kapasitor output dan beberapa resistor umpan balik untuk menertibkan tegangan output.
Regulator tegangan linier menciptakan output DC teregulasi dengan menempatkan transistor penghantar terus-menerus secara seri antara input dan output yang beroperasi di wilayah liniernya dari karakteristik tegangan-arus (i-v).
Dengan demikian, transistor bertindak lebih seumpama resistansi variabel yang secara terus-menerus mengikuti kondisi dengan nilai apa pun yang diharapkan untuk menjaga tegangan output yang benar. Pertimbangkan rangkaian regulator transistor seri pass sederhana ini di bawah ini:
Rangkaian Regulator Transistor Seri
Karena transistor berbincang gain arus, arus beban output akan jauh lebih tinggi dari arus basis dan masih lebih tinggi bila pengaturan transistor Darlington digunakan.
Juga, asalkan tegangan input cukup tinggi untuk mendapat tegangan output yang diinginkan, tegangan output dikendalikan oleh tegangan basis transistor dan dalam pola ini diberikan selaku 5.7 volt untuk menciptakan output 5 volt ke beban sekitar 0.7 volt dijatuhkan melintasi transistor antara terminal base dan terminal emitter. Kemudian tergantung pada nilai tegangan base, nilai tegangan output emitter sanggup diperoleh.
Sementara rangkaian regulator seri sederhana ini akan bekerja, segi negatifnya yakni bahwa transistor seri terus bias dalam daya liniernya yang menetralisir daya dalam bentuk panas selaku hasil dari produk V*I, alasannya semua arus beban mesti melalui transistor seri, menciptakan efisiensi yang buruk, daya yang terbuang dan pembangkitan panas terus menerus.
Juga, salah satu kehabisan yang dimiliki regulator tegangan seri adalah, peringkat arus output kontinu maksimumnya terbatas cuma sekitar beberapa ampere, sehingga lazimnya dipakai dalam aplikasi yang memerlukan daya rendah.
Ketika tegangan output yang lebih tinggi atau arus Power Supply diperlukan, praktik wajar yakni dengan menggunakan regulator switching yang dipahami selaku Power Supply SMPS untuk merubah tegangan listrik menjadi apa pun output daya yang lebih tinggi diperlukan.
Power Supply SMPS, menjadi kawasan yang biasa dan sudah mengambil alih dalam pada lazimnya problem Power Supply ac-to-dc tradisional linier selaku cara untuk memotong konsumsi daya, meminimalisir pembuangan panas, serta ukuran dan berat. Power Supply SMPS kini sanggup didapatkan di sebagian besar PC, Power amplifier, TV, drive motor DC, dll., Dan nyaris semua hal yang memerlukan supply yang sungguh efisien alasannya Power Supply SMPS kian menjadi teknologi yang jauh lebih matang.
Menurut definisi, Power Supply SMPS yakni jenis Power Supply yang menggunakan teknik sakelar semikonduktor, alih-alih sistem linier kriteria untuk berbincang tegangan output yang diperlukan. Converter switching dasar berisikan tahap switching daya dan rangkaian kontrol. Tahap switching daya melakukan konversi daya dari tegangan input rangkaian, VIN ke tegangan outputnya, VOUT yang meliputi penyaringan output.
Keuntungan utama dari Power Supply SMPS yakni efisiensinya yang lebih tinggi, dibandingkan dengan regulator linier standar, dan ini diraih dengan secara internal merubah transistor (atau power MOSFET) antara status "ON" (jenuh) dan status "OFF" -nya ( cut-off), keduanya menciptakan disipasi daya yang lebih rendah.
Ini memiliki arti bahwa di saat transistor switching sepenuhnya "ON" dan mengalirkan arus, tegangan jatuh melintasinya pada nilai minimalnya, dan di saat transistor sepenuhnya "OFF" tidak ada anutan arus melewatinya. Kaprikornus transistor bertindak seumpama sakelar yang ideal.
Akibatnya, tidak seumpama regulator linier yang cuma memamerkan pengaturan tegangan step-down, Power Supply SMPS, sanggup memamerkan step-down, step-up, dan negasi tegangan input menggunakan satu atau lebih dari tiga topologi rangkaian sakelar mode dasar: Buck, Boost dan Buck-Boost. Ini mengacu pada bagaimana sakelar Transistor, Induktor, dan Kapasitor smoothing terhubung dalam rangkaian dasar.
Buck Converter Power Supply SMPS
Buck regulator switch yakni jenis sakelar mode rangkaian listrik yang dirancang untuk secara efisien meminimalisir tegangan DC dari tegangan tinggi ke rendah satu, yang itu meminimalisir atau “Bucks” tegangan supply, sehingga meminimalisir tegangan yang tersedia pada output terminal tanpa merubah polaritas. Dengan kata lain, regulator switching buck yakni rangkaian regulator step-down, jadi misalnya buck converter sanggup mengonversi katakan, +12 volt ke +5 volt. Regulator switching buck yakni converter DC-ke-DC dan salah satu jenis regulator switching yang paling sederhana dan paling populer. Ketika dipakai dalam konfigurasi Power Supply SMPS, regulator switching buck menggunakan seri transistor atau power MOSFET (idealnya transistor bipolar gerbang terisolasi, atau IGBT) selaku perangkat switching utama seumpama yang ditunjukkan di bawah ini.
Rangkaian Switching Regulator Buck Converter
Kita bisa menyaksikan bahwa konfigurasi rangkaian dasar untuk buck converter yakni sakelar seri transistor, TR1 dengan rangkaian drive yang terkait yang bikin tegangan output selaku akrab dengan tingkat yang diharapkan mungkin, Dioda, D1, Induktor, L1 dan Kapasitor smoothing, C1. Buck converter memiliki dua mode operasi, tergantung pada apakah transistor switching TR1 dinyalakan "ON" atau "OFF".
Ketika transistor bias “ON” (switch ditutup), dioda D1 menjadi reverse bias dan tegangan input, VIN menyebabkan arus mengalir lewat induktor untuk beban yang terhubung pada output, pengisian kapasitor, C1.
Sebagai arus yang berubah mengalir lewat coil induktor, itu menciptakan ggl-balik yang menentang anutan arus, menurut aturan Faraday, hingga meraih kondisi stabil bikin medan magnet di sekeliling induktor, L1. Situasi ini berlanjut tanpa batas selama TR1 ditutup.
Ketika transistor TR1 dinyalakan "OFF" (sakelar terbuka) oleh rangkaian pengontrol, tegangan input eksklusif terputus dari rangkaian emitter yang memunculkan medan magnet di sekeliling induktor runtuh yang memunculkan tegangan balik melintasi induktor.
Tegangan balik ini memunculkan dioda menjadi forward bias, sehingga energi yang tersimpan dalam medan magnet induktor memaksa arus untuk terus mengalir lewat beban dalam arah yang sama, dan kembali kembali lewat dioda.
Kemudian induktor, L1 mengembalikan energi yang tersimpan kembali ke beban bertindak seumpama sumber dan me-supply arus hingga semua energi induktor dikembalikan ke rangkaian atau hingga transistor sakelar menutup lagi, mana yang lebih dulu.
Pada dikala yang serupa kapasitor juga mengalirkan arus supply ke beban. Kombinasi dari induktor dan kapasitor membentuk filter L-C yang menghaluskan segala riak yang diciptakan oleh agresi switching dari transistor.
Oleh alasannya itu, di saat switch solid state transistor ditutup, arus di-supply dari supply, dan di saat sakelar transistor terbuka, arus di-supply oleh induktor. Perhatikan bahwa arus yang mengalir lewat induktor senantiasa dalam arah yang sama, baik eksklusif dari supply atau lewat dioda namun terperinci pada waktu yang berlawanan dalam siklus switching.
Karena sakelar transistor terus ditutup dan dibuka, nilai tegangan output rata-rata akan terkait dengan siklus kerja, D yang didefinisikan selaku waktu konduksi sakelar transistor selama satu siklus switching penuh. Jika VIN adalah tegangan suplai, dan waktu "ON" dan "OFF" untuk sakelar transistor didefinisikan sebagai: tON dan tOFF, maka tegangan output VOUT diberikan sebagai:
Siklus Kerja Buck Converter
Siklus kerja buck converter juga sanggup didefinisikan sebagai:
Kaprikornus kian besar siklus kerjanya, kian tinggi tegangan output DC rata-rata dari Power Supply SMPS. Dari sini kita juga sanggup menyaksikan bahwa tegangan output akan senantiasa lebih rendah ketimbang tegangan input sejak siklus kerja, D tidak pernah sanggup meraih satu (kesatuan) yang menciptakan regulator tegangan step-down.
Pengaturan tegangan diperoleh dengan memvariasikan siklus kerja dan dengan kecepatan switching yang tinggi, hingga 200kHz, komponen yang lebih kecil sanggup dipakai sehingga sungguh meminimalisir ukuran dan berat Power Supply SMPS.
Keuntungan lain dari buck converter yakni pengaturan induktor-kapasitor (L-C) menawarkan penyaringan yang sungguh bagus dari arus induktor. Idealnya buck converter mesti dioperasikan dalam mode switching kontinu sehingga arus induktor tidak pernah turun ke nol. Dengan komponen yang ideal, yakni penurunan tegangan nol dan kehilangan sakelar dalam kondisi "ON", buck converter ideal sanggup memiliki efisiensi setinggi 100%.
Seperti halnya regulator switching step-down buck untuk rancangan dasar Power Supply SMPS, ada operasi lain dari regulator switching dasar yang bertindak selaku regulator tegangan step-up yang disebut Boost Converter.
Boost Converter Power Supply SMPS
Boost switching regulator yakni jenis lain dari mode switch/sakelar rangkaian listrik. Ini memiliki jenis komponen yang serupa dengan buck converter sebelumnya, namun kali ini di posisi yang berbeda.
Boost Converter dirancang untuk mengembangkan tegangan DC dari tegangan yang lebih rendah ke tegangan yang lebih tinggi, yang memperbesar atau mengembangkan tegangan supply, sehingga mengembangkan tegangan yang tersedia di terminal output tanpa merubah polaritas. Dengan kata lain, boost switching regulator yakni rangkaian regulator step-up, jadi misalnya boost converter sanggup mengonversi, +5 volt ke +12 volt.
Kita sudah menyaksikan sebelumnya bahwa regulator buck switching menggunakan transistor switching seri dalam rancangan dasarnya. Perbedaannya dengan rancangan regulator boost switching yakni ia menggunakan transistor switching terhubung paralel untuk mengontrol tegangan output dari Power Supply SMPS. Karena sakelar transistor secara efektif terhubung secara paralel dengan output, energi listrik cuma melalui induktor ke beban di saat transistor bias "OFF" (sakelar terbuka) seumpama yang ditunjukkan.
Rangkaian Boost Converter Switching Regulator
Dalam rangkaian Boost Converter, di saat sakelar transistor menyala penuh, energi listrik dari supply, VIN melewati induktor dan sakelar transistor dan kembali ke supply. Akibatnya, tidak ada yang beralih ke output alasannya sakelar transistor bosan secara efektif bikin kekerabatan arus pendek ke output.
Ini mengembangkan arus yang mengalir lewat induktor alasannya memiliki jalur dalam yang lebih pendek untuk melakukan perjalanan kembali ke supply. Sementara itu, dioda D1 menjadi reverse bias selaku anoda yang terhubung ke ground lewat sakelar transistor dengan tingkat tegangan pada output yang tersisa cukup konstan selaku kapasitor mulai melepaskan lewat beban.
Ketika transistor dimatikan sepenuhnya, supply input kini terhubung ke output lewat seri induktor dan dioda yang terhubung. Ketika bidang induktor meminimalisir energi terinduksi yang disimpan dalam induktor didorong ke output oleh VIN, lewat kini forward bias dioda. Hasil dari semua ini yakni bahwa tegangan induksi di seluruh induktor L1 membalikkan dan memperbesar tegangan dari supply input mengembangkan tegangan output total selaku kini menjadi, VIN + VL.
Arus dari kapasitor smoothing, C1 yang dipakai untuk me-supply beban di saat sakelar transistor ditutup, kini kembali ke kapasitor dengan supply input lewat dioda. Kemudian arus yang disupply ke kapasitor yakni arus dioda, yang hendak senantiasa ON atau OFF alasannya dioda terus-menerus beralih antara status maju dan mundur dengan langkah-langkah switching dari transistor. Kemudian kapasitor smoothing mesti cukup besar untuk menciptakan output stabil yang halus.
Sebagai tegangan induksi di induktor L1 adalah negatif, hal itu memperbesar sumber tegangan, VIN memaksa arus induktor menjadi beban. Booster converter tegangan output kondisi stabil diberikan oleh:
Kita sudah menyaksikan di atas bahwa operasi dasar dari rangkaian Power Supply SMPS non-terisolasi sanggup menggunakan buck converter atau mengembangkan konfigurasi converter tergantung pada apakah kita memerlukan tegangan output step-down (buck) atau step-up (boost).
Sementara buck converter mungkin ialah konfigurasi switching SMPS yang lebih umum, boost converter biasanya dipakai dalam aplikasi rangkaian kapasitif seumpama pengisi daya baterai, flash foto, flash strobo, dll, alasannya kapasitor me-supply semua arus beban dikala sakelar ditutup.
Tetapi kita juga sanggup memadukan kedua topologi switching dasar ini menjadi satu rangkaian regulator switching non-isolasi yang disebut tidak mengejutkan, Buck-Boost Converter.
Buck-Boost Converter Switching Regulator
Buck-Boost switching regulator yakni kombinasi dari buck converter dan boost converter yang menciptakan tegangan output terbalik (negatif) yang sanggup lebih besar atau lebih kecil dari tegangan input menurut siklus.
Buck-boost converter yakni kombinasi dari rangkaian boost converter di mana converter pembalik cuma berbincang energi yang disimpan oleh induktor, L1, ke dalam beban. Rangkaian Power Supply mode buck-boost dasar diberikan di bawah ini.
Buck-boost converter yakni kombinasi dari rangkaian boost converter di mana converter pembalik cuma berbincang energi yang disimpan oleh induktor, L1, ke dalam beban. Rangkaian Power Supply mode buck-boost dasar diberikan di bawah ini.
Rangkaian Buck-Boost Converter Switching Regulator
Ketika sakelar transistor, TR1, dihidupkan sepenuhnya (tertutup), tegangan melintasi induktor sama dengan tegangan supply sehingga induktor menyimpan energi dari supply input. Tidak ada arus dikirim ke beban terhubung pada output alasannya dioda, D1, yakni reverse bias. Ketika sakelar transistor sepenuhnya mati (terbuka), dioda menjadi forward bias dan energi yang sebelumnya disimpan dalam induktor ditransfer ke beban.
Dengan kata lain, di saat sakelar "ON", energi dikirim ke induktor oleh supply DC (melalui sakelar), dan tidak ada ke output, dan di saat sakelar "OFF", tegangan melintasi induktor berbalik selaku induktor kini menjadi sumber energi sehingga energi yang tersimpan sebelumnya dalam induktor dialihkan ke output (melalui dioda), dan tidak ada yang tiba eksklusif dari sumber input DC. Kaprikornus tegangan turun melintasi beban di saat transistor switching "OFF" sama dengan tegangan induktor.
Hasilnya yakni bahwa besarnya tegangan output terbalik sanggup lebih besar atau lebih kecil (atau sama dengan) besarnya tegangan input menurut pada siklus kerja. Misalnya, buck-boost converter faktual ke negatif sanggup merubah 5 volt menjadi 12 volt (step-up) atau 12 volt ke 5 volt (step-down).
Regulator switching buck-boost tegangan output kondisi stabil, VOUT diberikan sebagai:
Ringkasan Power Supply SMPS dan Switching Regulator
Power Supply SMPS, menggunakan sakelar solid-state untuk merubah tegangan input DC yang tidak diregulasi menjadi tegangan output DC yang terorganisir dan tanpa kendala pada level tegangan yang berbeda. Supply input sanggup berupa tegangan DC yang sesungguhnya dari baterai atau panel surya, atau tegangan DC yang diperbaiki dari supply AC menggunakan jembatan dioda bareng dengan beberapa penyaringan kapasitif tambahan.
Dalam banyak aplikasi kendali daya, transistor daya, MOSFET atau IGFET, dioperasikan dalam mode switching-nya bila beberapa kali dinyalakan "ON" dan "OFF" dengan kecepatan tinggi. Keuntungan utama dari hal ini yakni bahwa efisiensi daya dari regulator sanggup menjadi cukup tinggi alasannya transistor sanggup fully-on dan berlangsung (jenuh/saturasi) atau fully-off (terputus).
Ada berbagai jenis converter DC-ke-DC (yang berlawanan dengan converter DC-ke-AC yang ialah inverter) tersedia, dengan tiga topologi Power Supply switching dasar yang terlihat di sini yakni Buck, Boost, dan Buck-Boost regulator switching. Ketiga topologi ini tidak terisolasi, yakni tegangan input dan outputnya membuatkan garis ground yang sama.
Setiap rancangan regulator switching memiliki sifat uniknya sendiri sehubungan dengan siklus kerja kondisi-stabil, kekerabatan antara arus input dan output, dan riak tegangan output yang dihasilkan oleh agresi switch solid-state. Properti lain yang penting dari topologi Power Supply SMPS ini yakni respon frekuensi dari agresi switching ke tegangan output.
Pengaturan tegangan output diraih dengan kendali persentase waktu di saat transistor switching dalam kondisi "ON" dibandingkan dengan total waktu ON/OFF. Rasio ini disebut siklus kerja dan dengan memvariasikan siklus kerja, D besarnya tegangan output, VOUT dapat dikontrol.
Penggunaan induktor dan dioda tunggal serta switch solid-state switching cepat yang dapat beroperasi pada frekuensi switching dalam kisaran kilohertz, dalam rancangan Power Supply SMPS, memungkinkan ukuran dan berat Power Supply menjadi sungguh berkurang.
Ini alasannya tidak akan ada transformator tegangan utama step-down (atau step-up) yang besar dan berat dalam desainnya. Namun, bila diharapkan isolasi antara terminal input dan output, suatu transformator mesti ditambahkan sebelum converter.
Dua konfigurasi switching non-terisolasi yang paling terkenal yakni buck converter (subtraktif) dan boost converter (aditif).
Buck Converter yakni jenis Power Supply SMPS yang dirancang untuk merubah energi listrik dari satu tegangan ke tegangan lebih rendah. Buck converter beroperasi dengan serangkaian transistor switching yang terhubung. Sebagai siklus kerja, D <1, tegangan output buck senantiasa lebih kecil dari tegangan input, VIN.
Booster Converter yakni jenis Power Supply SMPS yang dirancang untuk merubah energi listrik dari satu tegangan ke tegangan lebih tinggi. Boost converter beroperasi dengan paralel terhubung switching transistor yang menciptakan jalur arus eksklusif antara VIN dan VOUT melalui induktor, L1 dan dioda, D1. Ini memiliki arti tidak ada derma kepada kekerabatan arus pendek pada output.
Dengan memvariasikan siklus kerja, ( D ) dari boost converter, tegangan output sanggup diatur dan dengan D <1, output DC dari boost converter lebih besar ketimbang tegangan input VIN sebagai konsekuensi dari induktor yang diinduksi sendiri tegangan.
Selain itu, kapasitor smoothing output dalam Power Supply SMPS diasumsikan sungguh besar, yang menciptakan tegangan output konstan dari switch mode supply selama agresi switching transistor.
