Double winding inductor (flyback transformer)

[ [ images & links ] ]

Di antara topologi dasar konverter yang umum dipelajari, flyback converter memiliki keunikan tersendiri. Pertama, dalam bentuk dasarnya ini adalah konverter yang memiliki galvanic isolationOutput dan input dipisahkan dengan sebuah transformer (mutual inductance). Meskipun menurut beberapa sumber penggunaan istilah transformer untuk komponen mutual inducance di flyback ini sebenarnya ‘bermasalah‘. Namun untuk sementara ini demi penyederhanaan proses belajar, istilah transformer (trafo) masih dapat dipergunakan. Nanti kita akan kembali dengan singkat ke masalah ini di bagian lain.

Thomas Mann - Order and simplification are the first steps...Gambar 1. Penyederhanaan.

Keunikan kedua adalah bahwa flyback converter tidak hanya dapat diterapkan di sistem dc-dc converter yang bertegangan sangat rendah. Beberapa sistem flyback converter dirancang untuk dapat bekerja di level tegangan yang lebih tinggi, level tegangan jala-jala/utilitas. Hanya diperlukan diode penyearah dan filter/tapis, tidak diperlukan trafo tambahan sebagai penurun tegangan di sisi input suatu sistem flyback converter.

[ Semua gambar di bawah ini dapat dilihat versi tampilan yang lebih besar dengan cara melakukan klik-kanan di gambar lalu memilih “Open image in new tab” pada browser. ]

Sebelum mempelajari tentang cara kerja (theory of opearation/mode of operation) ada baiknya sejenak mengulang tentang dot convention di transformer. Bahan dan tautan yang lebih banyak terdapat di artikel ini.

Gambar 2. Tegangan sisi primer satu fase dengan sisi sekunder.

Gambar 3. Tegangan sisi sekunder berbalik fase dari sisi primer.

Gambar 4. Simulasi dot convention dengan gelombang sinus di LTspice.

Semua transfomer dari Gambar 2 sampai Gambar 4 masih secara electrical terhubung dengan adanya ground node bersama. Ini hanya dipakai sekadar untuk memudahkan penunjukkan polaritas saja, yaitu menggunakan gnd acuan bersama. Dalam praktik ada banyak aplikasi yang benar-benar memisahkan kelistrikan sisi primer dengan sisi sekunder trafo.

Cara kerja trafo flyback yang dipergunakan untuk menyimpan sementara dan memindahkan energi tidaklah sama persis dengan transformer (mutual inductance) yang biasa ditemui di sistem penyearah untuk bekerja di jala-jala utilitas (PLN). Di flyback converter, inti ‘transformer’ memang dirancang untuk memiliki kemampuan menyimpan energi (dengan adanya celah udara). Namum demikian prinsip dot convention tetap berlaku dan penting dipahami untuk mengerti cara kerja topologi flyback converter. Selain di artikel sebelumnya, kutipan dari textbook ini juga penting diketahui [1].

The dot convention is used to indicate relative polarity between the two windings. When the voltage at the dotted terminal on one winding is positive, the voltage at the dotted terminal on the other winding is also positive. When current enters the dotted terminal on one winding, current leaves the dotted terminal on the other winding.Daniel W. Hart

Topologi  flyback converter sebenarnya dikembangkan dari buck-boost converter topology. Topologi buck converter sangat bermanfaat karena memiliki efisiensi yang tinggi dibanding topologi yang lain, tetapi hanya bisa dipakai untuk menurunkan level tegangan. Topologi boost converter bermanfaat karena mampu menaikkan level tegangan keluaran dari level tegangan masukan. Tetapi konverter ini pun hanya bisa menaikkan, tidak bisa menurunkan tegangan. Karena itu, diperlukan suatu konverter yang mampu melakukan keduanya.

Suatu buck-boost converter dibuat untuk bisa melakukan keduanya, sekalipun efisiensinya lebih rendah dari buck converter. Istilah buck-boost converter bisa bermakna luas sebagai rumpun konverter atau bisa juga bermakna sempit yaitu merujuk hanya pada salah satu bagian kelompok saja. Dalam pengertian luas, buck-boost converter terdiri dari sistem yang non-inverting dan sistem inverting. Dalam makna yang sempit, jika disebut buck-boost converter maka sebenarnya yang dimaksud adalah inverting buck-boost atau yang kadang disebut sebagai classical buck-boost converter.

Sekalipun lebih versatile karena bisa menaikkan atau menurunkan tegangan, tetapi inverting buck-boost topology memiliki kekurangan. Sebagaimana namanya, polaritas tegangan keluaran akan selalu berkebalikan dari masukannya. Maka dari itu diperlukan perubahan tahap berikutnya, evolusi topologi masih dilanjutkan. Salah satu bentuk non-inverting buck-boost topology adalah rangkaian SEPIC. Evolusi buck-boost topology juga kemudian menjadi flyback topology yang tetap memiliki kemampuan untuk menaikkan dan menurunkan tegangan. Tipe ini berpotensi memiliki isolasi antara input dan output. Meskipun pada beberapa sistem, keberadaan umpan balik untuk pengendalian membuat isolasi ini tidak lagi sempurna.

Granary of Quotes: Progress and change - George Bernard Shaw

Gambar 5. Evolusi dari buck-boost ke flyback [sumber].

Gambar 5 menunjukkan perubahan yang digambarkan secara bertahap, dari satu topologi ke topologi lainnya. Untuk bisa memahami mengapa pergeseran posisi diode dari (c) ke (d) di Gambar 5, perlu kembali mengingat tentang dot convention. Keterangan lebih rinci bisa dibaca di sumber gambar[2].

Gambar 6. Model ‘flyback transformer’ dengan magnetizing inductance.

Model transformer di rangkaian di Gambar 5 (d) adalah bentuk rangkaian yang umum untuk menggambarkan sebuah topologi flyback converter. Namun demikian sebenarnya gambar itu tidak tepat karena model ‘transfrmormer’ itu belumlah cukup untuk sebuah ‘flyback transformer’. Di Gambar 6 terlihat ada sebuah induktor lain di sebelah kiri model trafo dengan tulisan LM. Notasi LM atau Lm dipergunakan untuk menandai suatu magnetizing inductance, yang dipakai untuk mewakili kondisi magnetisasi inti (magnetization of the core) [3]. Yaitu kondisi yang menggambarkan magnetic flux m) di inti, terutama saan sisi sekunder berada dalam kondisi open circuit.

Sebelum melanjutkan bahasan, ada baiknya kita membandingkan beberapa sumber kutipan berbeda mengenai fenomena yang sama (yaitu magnetizing inductance). Selain itu sekaligus juga membandingkan kutipan dari textbook komersial (#fairUse, #educational) dengan kutipan dari sumber yang bebas diakses di Internet. 

Barack Obama Quote: “Literacy is the most basic currency of the ...

This inductance is termed as the magnetizing inductance because it is associated with the magnetizing current. Equation (2.34) indicates that the magnetizing inductance corresponds to the inductance that is evaluated at the primary side of the transformer with the secondary winding removed or unaccounted for, … The flyback converter utilizes the magnetizing inductance of the isolation transformer as its functional inductance. Therefore, the isolation transformer should be fabricated in such a way that could offer a controllable magnetizing inductance. One easy method to achieve this goal is to create a gap in the magnetic path of the transformer. This is commonly implemented by introducing an air gap between the magnetic cores, which effectively determines the magnetizing inductance of the isolation transformer. [4] Byungcho Choi
In some applications in this chapter, the ideal transformer representation is sufficient for preliminary investigation of a circuit. The ideal model assumes that the series resistances and inductances are zero and that the shunt elements are infinite. Asomewhat better approximation for power supply applications includes the magnetizing inductance Lm, as shown in Fig. 7-1d. The value of Lm is an important design parameter for the flyback converter…
Energy is stored in Lm when the switch is closed and is then transferred to the load when the switch is open. [5]Daniel W. Hart

Mari bandingkan keterangan di textbook dengan akses yang sebenarnya terbatas di atas dengan beberapa sumber yang bisa bebas diakses sebagai berikut ini.

The behavior of most transformer-isolated converters can be adequately understood by modeling the physical transformer with a simple equivalent circuit consisting of an ideal transformer in parallel with the magnetizing inductance. The magnetizing inductance must then follow all of the usual rules for inductors; in particular, volt-second balance must hold when the circuit operates in steady-state. This implies that the average voltage applied across every winding of the transformer must be zero.The Flyback Converter, Lecture notes, ECEN4517

Kutipan dari ‘Lecture notes ECEN4517’ di atas dapat lebih mudah dipahami jika sambil sesekali melihat Gambar 6. Magnetizing inductance (LM atau Lm) di sistem flyback akan berfungsi sebagai penyimpan energi sementara dari sisi primer sebelum nanti ada saatnya dipindahkan ke sisi sekunder.

Khusus di bagian berikut ini, kutipan berasal dari mata kuliah Green Electronics yang diampu oleh Prof. William Dally dari Standford.

Gambar 7. Model transformer [sumber]

The flyback converter is interesting because it uses the magnetizing inductance of the transformer for energy storage. This is fundamentally different than the other isolated converters for which the magnetizing inductance is a parasitic element.EE155/255 Course Notes
Unlike the transformers in other isolated converters, the transformer in a flyback converter stores energy. During the First half of each cycle, the primary winding stores energy in the magnetizing inductance. This energy is released during the second half of the cycle. Because its primary function is to store energy, a flyback transformer is designed like an inductor, not a transformer.EE155/255 Course Notes

Gambar 8. Magnetizing inductance  dan air gap [sumber screenshot].

Gambar 9. Peran magnetizing inductance di topologi flyback [sumber].

Gambar 10. Fungsi dasar transformer [sumber]

 

The magnetizing inductance is solely a magnetic property of the core and is not at all effected by the load current drawn by the transformer secondaries..LECTURE 34 HIGH FREQUENCY TRANSFORMER

Khusus untuk bagian ini, semua kutipan berasal dari dokumen handbook karya Lloyd H. Dixon, Jr

Gambar 11. Screenshot definisi trafo dan induktor.

Gambar 12. Screenshotmagnetic core.

Gambar 13. Screenshotcore limitations.

Gambar 14. Screenshotenergy storage.

Gambar 15. Magnetics in SMPS [sumber].

Gambar 16. Transformer.

Gambar 17. ‘Transformer’ w/energy storage.

Gambar 18. Operasi dari trafo.

Gambar 19. Flyback transformer.

Dari sejumlah pemaparan yang dikutip di atas dapat dimaklumi jika Slobodan Cuk menyetujui pendapat berikut ini:

“Really the ‘flyback transformer’ does not exist, it is a simple inductor where all the energy to be transferred is stored in GAP.”

Juga berpendapat sebagai berikut:

Definition of the COUPLED INDUCTORS is that once the coupling is removed that converter still must operate.

Di awal saya telah menuliskan clue bahwa sesungguhnya transformer yang dipergunakan di topologi flyback tidaklah persis sama dengan yang lebih umum secara awam ditemui untuk bekerja di sistem AC utilitas. Yaitu trafo yang dipakai untuk menaikkan/menurunkan tegangan dan melakukan isolasi. Berikutnya saya sampaikan simulasi trafo dalam bentuk yang paling sederhana sebagai komponen mutual inductance untuk baseline. Lalu dari sana saya cuplik bagaimana penggunaan model flyback transformer yang lebih mendekati kenyataan, di Gambar 5 dan Gambar 6. Di sana bisa dilihat keberadaan LM atau Lm yang di flyback converter akan berperan penting.

Untuk memahami magnetizing inductance saya tampilkan kutipan dari beberapa textbook komersial, ini berfungsi sebagai pembanding dan tolok ukur. Saya tampilkan sejumlah kutipan dokumen yang mengandung informasi yang diperlukan. Informasi ini dikutip dan bisa diperbandingkan satu sama lain dan terhadap kutipan dari textbook

Ini adalah contoh bagaimana kita bisa mengkonstruksi suatu pemahaman terhadap suatu hal dari sebaran kepingan informasi dari berbagai sumber. Menentukan batas kedalaman bahasan yang kita perlukan, menimbang mana saja bahan yang dipakai dan mana yang setidaknya untuk sementara belum dipakai. Ini adalah bagian dari membangun dan memperkuat literasi.

Di artikel ini dan beberapa artikel lain, kedalaman bahasan mengenai induktor dan transformator (transformer) akan dibatasi. Bagi yang belum mengenal sama sekali, pokok bahasan teori medan, hal-ihwal mengenai elektromagnetik, EMI/RFI, induktor, dan transformer berikut semua variasi/turunannya adalah bahasan yang pelik.

Saya tidak bermaksud menulis di bagian ini untuk menakut-nakuti. Sebaliknya justru untuk memberi semangat jika ada generasi muda yang sedang belajar dan kebetulan ada beberapa hal/bahasan yang kemudian sulit/menyulitkan. Kalau memang diperlukan, kita masih selalu bisa belajar dari (pengalaman dan pemahaman) orang lain. Melalui Internet, kapan pun dan di mana pun orang-orang yang hidup di zaman sekarang lebih berpeluang untuk mendapatkan informasi dibanding mereka yang hidup seribu tahun lalu. Cara mencari informasi ini serupa dengan metode triangulasi yang dipakai untuk menentukan posisi. Bahkan kalaupun ternyata tetap sulit untuk dipahami, hikmah baiknya adalah kita tidak mudah untuk merasa sudah pintar dan menjadi enggan untuk terus belajar.

Sebagai contoh yang bagus, anda bisa membaca artikel berikut ini atau jika ingin membaca versi yang lebih panjang ada di sini. Jangan lupa juga membaca bagian komentarnya (di masing-masing halaman tautan), ini ‘sangat disarankan’. Penulis artikel itu ‘bukanlah orang sembarangan’, beliau adalah salah seorang perintis di bidang elektronika daya (power electronics) yang karyanya menjadi salah satu bahan kajian di banyak textbook hingga saat ini. Beliau adalah seorang pensiunan profesor di Caltech dan masih aktif di bidangnya melalui TESLAco. Mereka yang menanggapi di bagian komentar pun ‘bukan orang sembarangan’ juga. Mereka juga ada yang merupakan akademisi, profesor, practicing engineer, dan penulis buku di bidang ini. Mereka juga pakar di bidang yang sama, sebagian nama bahkan mungkin anda kenal. Mereka bersilang pendapat mengenai definisi dan penerapannya di salah satu cabang bahasan mengenai transformer dan coupled inductors.

Bandingkan juga dengan beberapa kutipan berikut ini:

A flyback transformer is a coupled inductor with a gapped core. During each cycle, when the input voltage is applied to the primary winding, energy is stored in the gap of the core. It is then transferred to the secondary winding to provide energy to the load. Flyback transformers are used to provide voltage transformation and circuit isolation in flyback converters.A Guide to Flyback Transformers
In its operation the arrangement of the two inductors is more correctly called a ‘magnetically-coupled inductor’. But because of the two separate windings, it is commonly referred to by designers as a ‘flyback transformer’. Strictly this is a misnomer, but for convenience this article will refer to it this way.Flyback transformer design: practical guidance on minimising losses
Transformers are a key component in many switching regulator designs, providing an isolation barrier in dangerous high power systems, allowing very high step-down or step-up ratios in high voltage designs and (with an extra winding) easily accommodating multiple or inverting outputs. Flyback, forward and SEPIC converters all make use of transformers. This article tells you what you need to know to add transformers to LTspice/SwitcherCAD III simulations.Using Transformers in LTspice/Switcher CAD III

Fenomena silang pendapat seperti ini bagi saya dapat membantu menjaga kewaspadaan (dan ‘kewarasan’), mengenai siapa saya dan batas kemampuan saya. Dari setiap yang kita ketahui, selalu masih sangat banyak yang tidak kita ketahui. Juga ada beberapa pendapat yang berbeda mengenai satu hal yang sama (beserta ketepatan berdasarkan kedalaman penggunaan). Dengan begitu saya terdorong untuk sedapat mungkin tidak berhenti belajar, selagi masih mampu. Hal yang sama juga disarankan kepada mahasiswa, orang-orang muda pewaris Bumi di masa depan. Teruslah belajar.

Sebagai penutup bagian/blok ini bagi mahasiswa, orang-orang muda yang masih bersemangat untuk belajar, seperti yang disampaikan di awal bahasan tentang transformer ini memang sering sangat rumit. Terutama kalau pembahasan sudah semakin dalam (seperti layaknya semua hal lain dalam kehidupan) dan semakin banyak unsur ketidakidealan yang disertakan. Anda mungkin bahkan akan menemukan kata-kata black art untuk menggambarkannya.

In the design engineering community, transformer design and prototyping is generally regarded as a black art. To the uninitiated, the wide range of parameters affecting transformer performance – from selection of core material and size to the arrangement of the windings around the core – can appear confusing. In fact, the process of transformer design can be worked through in an orderly way by applying a small number of important equations, combined with a certain degree of trial and error, perhaps better described as ‘experienced guesswork’.

Flyback transformer design: practical guidance on minimising losses

With rare exception, schools of engineering provide very little instruction in practical magnetics relevant to switching power supply applications. As a result, magnetic component design is usually delegated to a self-taught expert in this “black art“. Thereare many aspects in the design of practical, manufacturable, low cost magnetic devices that unquestionably benefit from years of experience in this field. However, the magnetics expert is unlikely to be sufficiently aware of the SMPS circuit problems caused by the various parasitic elements and the impact of the specific circuit locations of these elements. This often results in poor decisions in the magnetic component design.

Magnetics Design for Switching Power Supplies

If many electronics engineers regard magnetics design as a black art, then it is also true that many transformer engineers regard pulse transformer design in the same way.

Magnetic Components: Design and Applications

Despite the apparent simplicity of the block diagram shown, the reality is that there is nothing even remotely trivial about this technique. You can simplify the final design by not using active PFC, but there are still many serious challenges to overcome. The design of a switchmode transformer is almost a ‘black art‘, and achieving full isolation that complies with relevant safety standards is a feat unto itself. Ultimately, while it’s certainly likely to provide the highest efficiency of all the methods discussed, the circuit complexity (and the danger of working with live mains powered circuitry) means that it’s very hard to recommend as a DIY project.

Power Supply Pre-Regulator Techniques

Since the seventies, switchmode power supply design has developed from a somewhat neglected “black art” to a precise engineering science. The rapid advances in electronic component miniaturization and space exploration have led to an ever-increasing need for small, efficient, power processing equipment. In recent years this need has caught and focused the attention of some of the world’s most competent electronic engineers. As a result of intensive research and development, there have been many new innovations with a bewildering array of topologies.

Fundamentals of Switching Power Supplies

Kutipan di atas hanyalah sebagian kecil contoh saja, beberapa sumber mungkin menggunakan kata-kata yang berbeda tetapi sebenarnya menyampaikan maksud yang sama. Ini justru tidak dalam rangka mematahkan semangat tetapi ajakan untuk proporsional, ini memang bukan bidang yang teramat mudah untuk didalami. 

Bahasan tentang flyback converter topology  akan dilanjutkan ke artikel berikutnya. Untuk seri artikel mata kuliah Elektronika Daya II, bisa dilihat di halaman ini.

font cache: Ψ α β π θ μ Φ φ ω Ω ° ~ ± ≈ ≠ ≡ ≤ ≥ ∞ ∫ • ∆

*Pengaturan footnote tidak dapat sepenuhnya sesuai dengan format pengutipan IEEE.

Footnotes    (↵ returns to text)

  1. D. W. Hart, Power electronics, 1st ed. New York: McGraw-Hill Higher Education, 2010.
  2. The Flyback Converter, Lecture notes, ECEN4517.
  3. P. C. Sen, Principles of electric machines and power electronics, 3rd ed. United States: Wiley, John & Sons, 2013.
  4. B. Choi, Pulsewidth modulated DC-to-DC power conversion: Circuits, dynamics, and control designs. United States: John Wiley & Sons, 2013.
  5. D. W. Hart, Power electronics, 1st ed. New York: McGraw-Hill Higher Education, 2010.

Pencarian induktor dengan REDEXPERT

[ [ images & links ] ]

Benjamin Disraeli - Change is inevitable. Change is...

Telah sering dikatakan bahwa satu-satunya yang tetap di dunia ini adalah perubahan. Beberapa artefak teknologi di sekitar kita selalu mengingatkan tentang hal itu. Sebagian dari anda mungkin pernah melihat bentuk telepon yang seperti di Gambar 1. Ini adalah telepon bentuk lama yang masih mempergunakan sambungan kabel. Dalam rentang sejarah bentuk telepon, jenis ini bahkan belum terhitung golongan yang paling kuno, masih ada beberapa lagi yang lebih lama dari ini. Meskipun begitu bahkan di Indonesia, kemungkinan besar telepon ini sudah sangat sulit ditemui kecuali replika modernnya.

What Happens When You Get A New Home Phone | Enabling Healthy ...Gambar 1. Landline telephone

Hal yang sama juga berlaku di sistem elektronika lainnya, termasuk tata cara/metode dan sarana pengembangannya. Saya ingat sekali bahwa dahulu saya sudah sangat senang untuk bisa melakukan simulasi rangkaian di EWB (Electronics Workbench), yang kemudian menjadi MultiSIM, yang terakhir lalu berubah menjadi NI Multisim. Selain itu simulasi rangkaian dicoba di MicroSim PSpice, sebelum menjadi OrCAD lalu sekarang menjadi OrCAD Cadence. Perancangan jalur PCB dilakukan terpisah di PROTEL yang di belakang hari menjadi Altium Designer. Tentu saja tidak ada satu pun dari semua software itu yang saya bisa pergunakan secara online.

Tentu saja perubahan zaman juga membawa perubahan tentang bagaimana cara manusia menjalani kehidupan, termasuk dalam pekerjaan. Bisnis dalam pengertian aktivitas komersial ada untuk menyelesaikan permasalahan orang/entitas lain. Karena itu unit-unit bisnis selalu mencari cara mencari keuntungan dengan memberikan kemudahan bagi pengguna/pelanggan. Termasuk dalam hal perangkat lunak untuk perancangan rangkaian/sistem elektronika. Dengan semakin murahnya layanan cloud computing, beberapa perusahaan sudah mulai mengembangkan layanan online. Sebagian membangun yang baru, sebagian mengembangkan dari perangkat lunak offline menjadi online. Cara kita bekerja telah berubah.

Sebagaimana alamiahnya, perusahaan-perusahaan berupaya menambah keuntungan dengan cara meningkatkan volume penjualan, yang didapat antara lain dengan menambah jumlah pembeli. Untuk menarik semakin banyak pembeli, perusahaan-perusahaan itu meningkatkan dan menambah layanan untuk mempermudah calon pembeli dan pelanggan.

Salah satunya adalah perusahaan-perusahaan yang bergerak di bidang produksi dan penjualan komponen elektronika. Sudah cukup banyak dari mereka yang memberikan layanan online berupa selector, kalkulator, dan bahkan simulator. Fasilitas ini umumnya bisa dimanfaatkan oleh siapa saja, beberapa hanya perlu registrasi sederhana yang gratis.

Bagi pelajar (termasuk mahasiswa) ada beberpa hal yang membuat layanan seperti ini baik untuk dicoba dan dimanfaatkan. Pertama untuk memperluas wawasan. Ini penting untuk persiapan kemungkinan memasuki lapangan kerja yang memanfaatkan layanan online serupa. Kemudian untuk dapat mengapresiasi kemajuan zaman dan mengantisipasi pengaruh/dampaknya bagi kehidupan. Mereka yang memiliki wawasan dari pengalaman atau pengetahuan akan berbeda cara pikir dan cara pandangnya dengan mereka yang tidak memiliki wawasan di bidang ini. Kedua, yang lebih dalam, adalah untuk membantu proses belajar itu sendiri. Pelajar di era infomasi, terlebih lagi di era revolusi industri 4.0 dan seterusnya, belajar untuk tantangan yang berbeda dari mereka yang belajar puluhan tahun atau bahkan ribuan tahun yang lalu.

[ Semua gambar di bawah ini dapat dilihat versi tampilan yang lebih besar dengan cara melakukan klik-kanan di gambar lalu memilih “Open image in new tab” pada browser. ]

Salah satu layanan online yang bisa dicoba sebagai contoh adalah layanan dari Würth Elektronik. Layanan yang dimaksud adalah REDEXPERT. Layanan ini adalah contoh layanan yang memungkinkan pengguna untuk lebih mudah memilih produk-produk induktor yang diproduksi oleh Würth Elektronik yang sesuai. Caranya adalah dengan memberikan fasilitas bagi pengguna untuk melakukan desain sederhana secara online (daring).

Gambar 2. Tampilan awal REDEXPERT.

Gambar 2 adalah screenshot tampilan awal saat masuk ke situs REDEXPERT. Dari beberapa pilihan desain yang bisa dipilih, saya masuk ke Power Stage Design Tool, sesuai keperluan. Berikutnya saya memilih Inductor for Boost Converter. Sebagaimana untuk buck converter, semua topologi yang dipakai adalah topologi dasar yang paling sederhana. Karena itu selalu dipilih yang non-synchonous, termasuk pilihan seperti terlihat di Gambar 3.

Gambar 3. Pilihan desain konverter daya.

Gambar 4. Menu boost converter.

Setelah memilih salah satu konverter seperti di Gambar 3, biasanya kita akan langsung masuk ke tampilan seperti di Gambar 4. Pengguna bisa memilih topologi konverter lain dengan cara melakukan klik pada bagian yang diberi tanda panah di Gambar 4. Maka, pengguna akan diberikan menu pilihan di kolom kiri seperti di Gambar 5.

Gambar 5. Menu pilihan konverter.

Setelah melihat gambaran umum sistem, sekarang kita coba untuk melakukan desain dengan menggunakan contoh dari perhitungan yang telah dilakukan di artikel sebelumnya.

Gambar 6. Pilihan video tutorial

Untuk mulai belajar menggunakan RESEXPERT dengan lebih detail, ada sejumlah video tutorial di Youtube yang telah disediakan. Pilihah HOW TO seperti di Gambar 6, maka nanti akan ada tampilan seperti di Gambar 7. Video ini bisa dimainkan langsung atau di buka melalui situs Youtube.

Gambar 7. Embedded video player.

Gambar 8. Contoh rancangan boost converter.

Di Gambar 8, di kolom paling kiri yang telah diberi tambahan kotak berwarna merah terdapat tempat isian untuk parameter operasi boost converter. Setelah diisi lengkap pengguna bisa menekan Reapply di bagian atas kolom (jika tampil), lalu menekan Display details di bagian bawah kolom yang sama. Untuk sementara abaikan dahulu tampilan di sebelah kanan kolom di Gambar 8. 

Gambar 9. Hasil simulasi rangkaian oleh REDEXPERT.

Untuk dapat memberikan saran, REDEXPERT terlebih dahulu melakukan perhitungan unjuk kerja rangkaian. Hasilnya seperti terlihat di Gambar 9. Di bagian DETAILS terdapat data yang independen terhadap apa pun nanti pilihan induktornya. Contoh masukan parameter rangkaian diambil dari artikel sebelumnya. Sebagai hasilnya menurut versi REDEXPERT nilai induktor yang disarankan sebesar Lopt = 203 μH. Arus induktor yang sama dengan arus masukan boost converter juga dihitung seperti di Gambar 9.

Gambar 10. Pemilihan induktor untuk pembandingan.

Perhatikan dua tanda panah merah. Di REDEXPERT kita bisa memilih beberapa induktor untuk diperbandingkan satu sama lain. Di panah yang paling atas pengguna dapat memilih induktor yang diinginkan dengan memberi tanda centang (klik). Secara otomatis nama pengenal induktor itu akan muncul di tempat di panah merah yang di bagian bawah. Terlihat di Gambar 10 bahwa total telah ada empat induktor yang dipilih.

Di kolom Spec di Gambar 10, pengguna bisa memilih untuk melihat satu (atau lebih secara bergantian) datasheet untuk masing-masing komponen induktor. Hasilnya akan tampak seperti di Gambar 11.

Gambar 11. Tampilan datasheet.

Gambar 12. Filter dan simulasi pengguaan induktor.

Di Gambar 12, di penanda 1 terlihat bahwa pengguna bisa mengaktifkan filter atau menonaktifkan filter. Misalnya jika filter rentang batas nilai induktasi diaktifkan, maka hanya yang masuk dalam rentang itu yang akan ditampilkan. Itu pun biasanya dibatasi maksimal sekitar 100 komponen. Bahkan jika induktor telah disimpan seperti di penanda 2, komponen itu tidak akan bisa aktif untuk dibandingkan jika ada salah satu filter yang membuatnya tidak masuk dalam bagian komponen terpilih. Di tiap parameter di tiap filter  di sekitar penanda 1 terdapat tanda ‘x’ yang bisa digunakan untuk mematikan filter.

Sebagai contoh untuk penenda 2 di Gambar 12, sengaja saya pilih induktor yang nilainya sangat kecil jauh di bawah nilai yang direkomendasikan. Untuk dapat memilihnya dalam perbandingan, filter batas nilai induktasi yang secara otomatis diatur saat pertama melakukan perubahan parameter perlu dinonaktifkan. Masih di gambar yang sama, di penanda 3 bisa dilihat ada tiga kurva di dua jendela. Tegangan di jendela atas, arus rata-rata dan riak arus di jendela bawah. Penanda 4 menunjukkan Reapply yang bisa ditekan untuk mengaktifkan kembali filter-filter yang telah dihilangkan sebelumnya di posisi penanda 1, berdasarkan nilai-nilai parameter rangkaian yang dimasukkan.

Gambar 13. Kurva

Di Gambar 13, posisi penanda 1 di kolom sebelah kiri menunjukkan posisi tiga kurva disipasi daya dari induktor yang sedang dipilih. Penanda 2 menunjukkan bahwa pengguna bisa melihat detail daya dengan menunjuk ke titik tertentu sepanjang kurva. Penanda 3 menunjukkan bahwa untuk masing-masing grafik besar di sebelah kanan, pengguna bisa mengaktifkan satu kolom tambahan di tabel yang memberikan isi berupa nilai tepat pada posisi garis kursor bersinggungan dengan kurva. Sebagai contoh di Gambar 13, nilai induktansi di induktor pada suhu 40 saat arus yang melintas sebesar 350 mA.

 

font cache: Ψ α β π θ μ Φ φ ω Ω ° ~ ± ≈ ≠ ≡ ≤ ≥ ∞ ∫ • ∆

Belajar dari bahan di situs perusahaan pembuat induktor

[ [ kutipan singkat ] ]

Sebagiamana biasanya saya selalu mengemukakan bahwa ada banyak bahan belajar yang tersedia di zaman ini. Data-Informasi-Pengetahuan-Kebijaksanaan tersedia untuk dapat diakses dengan jauh lebih cepat dari zaman sebelumnya. Bahkan sering dikatakan bahwa kesulitan pada dekade terakhir ini seringkali bukanlah tentang bagaimana mencari informasi untuk banyak hal, tetapi justru bagaimana memilah data dan informasi yang jumlahnya besar sekali. Ini adalah lanjutan dari era ‘banjir informasi‘.

Ini juga berlaku untuk sumber pengetahuan di bidang elektro/elektronika. Banyak sekali informasi dari berbagai sumber yang bisa ditemukan dan disaring. Disesuaikan penggunaannya sebatas keperluan/kebutuhan. Sering kali persoalannya adalah apakah ada kemauan atau tidak untuk mencari dan mempelajarinya. Selain dari textbook, mahasiswa juga bisa mencari dari berbagai lecture notes/course notes di perguruan tinggi ternama di bidang ini di dunia. Misalnya dari MIT, Rose-Hulman, UoS, Calpoly, UTK, CU Boulder, CMU, Stanford. Alternatif lain adalah dengan mencari di MOOC seperti edX, Coursera, Udacity, MIT OCW.  Pilihan lainnya lagi adalah dengan mencari informasi di sejumlah website perusahaan yang bergerak di bidang elektronika. Belum lagi bahwa mahasiswa bisa mengakses sejumlah besar tutorial yang tersedia di sejumlah majalah (Design News, Planet Analog, EETimes, EDN, EEWeb), Instructables, Medium, WordPress, Blogspot, dan Youtube. Meskipun tidak semua sumber tersebut bisa langsung dikutip begitu saja ke dalam karya Tugas Akhir/Skripsi, tetapi tetap bagus dan berharga sebagai bahan belajar.

Di artikel ini akan dicoba dicontohkan bagaimana beberapa bahan dari beberapa sumber dapat dipergunakan untuk membantu lebih memahami tentang komponen dan sistem elektronika daya. Sebagai contoh, dipergunakan lingkup bahasan DC-DC Converter (terutama SEPIC) dan komponen induktor (terutama coupled inductor).

Perusahaan-perusahaan yang memproduksi komponen IC regulator/controller biasanya cukup banyak memberikan sejumlah informasi yang bisa dipakai sebagai bahan belajar. Dari datasheet (data-sheet), application note, user guide, user manual sampai yang whitepapers. Misalnya perusahaan seperti Littelfuse, STMicroelectronics, Texas Instruments, Microchip, Analog Devices, Maxim, Infineon, Renesas, Vishay, Bourns. Beberapa dari perusahaan itu bahkan tidak hanya memproduksi komponen aktif tetapi juga komponen pasif. Sehingga pengguna bisa mendapatkan informasi yang lebih banyak dari satu tempat.

Untuk DC-DC Converter sendiri, komponen pasif yang terpenting adalah induktor. Berbeda dari masa-masa sebelumnya, sekarang sudah semakin banyak variasi komponen induktor siap pakai yang bisa didapatkan. Ada perusahaan-perusahaan yang memiliki fokus untuk memproduksinya, di sampaing beberapa perusahaan produsen komponen elektronika yang umum. Dua yang menurut saya paling mengemuka adalah Coilcraft dan Würth Elektronik. Beberapa yang lain yang juga memproduksi induktor (yang di antaranya) untuk keperluan sistem elektronika daya; Murata, API Delevan, TDK Electronics, Vishay, Bourns, dan TT Electronics.

Perusahaan adalah entitas bisnis, yang kemunculan, keberadaan, serta kemampuannya untuk tetap bertahan adalah berasal dari upaya penyelesaian masalah yang dihadapi oleh pihak lain.  Sistem elektronika semakin banyak yang memerlukan komponen induktor, ini adalah kebutuhan yang perlu dipenuhi. Perusahaan-perusahaan yang mampu bertahan sebagai produsen induktor yang dipercaya adalah perusahaan yang bukan hanya mampu memberikan harga produk yang kompetitif. Tetapi lebih dari itu, ada banyak hal lain yang menyumbang kesuksesannya sebagai perusahaan. Antara lain adalah customer education. Setiap perusahaan berlomba untuk mempermudah para pelanggan. Misalnya dari segi distribusi, dari segi pemilihan komponen, bantuan desain sampai dengan ketersediaan informasi.

Di lain artikel akan saya coba untuk menunjukkan contoh bagaimana perusahaan-perusahaan itu menyediakan perangkat lunak seperti simulator, kalkulator, atau setidaknya semacam parametric based selector untuk mempermudah pembeli dan calon pembeli. Tetap kali ini yang akan dicontohkan adalah informasi yang disediakan perusahaan-perusahaan itu. Kalaupun ada kendala mengenai bahasa pengantar, sekarang ini sudah sangat mudah untuk mempergunakan Google Translate atau Bing Microsoft Translator. Keduanya sudah sangat mudah untuk dipergunakan, berbeda dengan saat kuliah S1 saya dahulu. Saat itu layanan online yang tersedia bebas pakai hanyalah layanan Babelfish dari Altavista

Würth Elektronik

Ada beberapa informasi dari Würth yang cukup bagus sebagai bahan bacaan, berkenaan dengan dc-dc converter atau induktor. Tulisan yang pertama adalah tentang perbandingan sejumlah topologi SMPS [1]. Tulisan singkat ini diawali dengan perbandingan antara catu daya linier dengan catu daya tersakelar. Lalu dilanjutkan dengan penjelasan singkat mengenai tipe-tipe/topologi catu daye tersakelar. Di halaman ini juga terdapat link ke file SMPSChart.

Tulisan yang kedua sama singkatnya dengan tulisan yang pertama tadi. Topologi SEPIC dibahas dengan lebih dalam. Dilengkapi dengan gambar tata letak (layout) komponen SEPIC di simulator LTspice[2]. Di tulisan ini dikemukakan argumentasi untuk memilih mempergunakan coupled inductors.

You might be asking yourself why you would use a coupled inductor instead of two inductors. Here are the main advantages:

  • Less space on PCB
  • Less cost
  • Input ripple current cancellation (resulting in smaller input capacitor and simpler EMI input filter)
  • Increased efficiency (due to smaller inductor value [half of uncoupled SEPIC] and therefore less DCR and less winding losses)
Würth Elektronik

Artikel ketiga menunjukkan dengan lebih spesifik mengenai coupled inductors [3]. Dilengkapi dengan video yang juga dapat dilihat via Youtube, dan topologi rangkaian penyakelar di Gambar 1 berikut.

Gambar 1. Topologi tahapan penyakelar daya.

Artikel yang terakhir ini menyampaikan alternatif cara untuk menentukan nilai induktor yang dipergunakan dalam sistem dc-dc converter[4]. Di sini disebutkan tentang fasilitas online yang disediakan, REDEXPERT. Perangkat ini akan coba saya tampilkan di lain artikel. Berikutnya, di tulisan singkat ini disampaikan juga argumentasi yang lebih panjang tentang keutamaan penggunakan coupled inductors bila dibandingkan dengan dua induktor terpisah.

Coupled Inductor vs. Single Inductors

After calculating the SEPIC converter topology, the program suggests the inductors that best fit electronically into the circuit. This list can then be further optimized by taking DCR or mechanical dimensions into consideration.

In this example, a coupled inductor pre-setting shows an example using two single inductors. The inductance value of the coupled inductor is exactly half of the single inductor. This clearly shows that by choosing a coupled inductor, the DCR can be reduced significantly (67 mOhm vs. two 72 mOhm).

Würth Elektronik

Coilcraft

Artikel pertama di situs Coilcraft yang saya kutip mengenalkan tentang komponen induktor[5]. Ini adalah artikel yang bagus untuk mengingat kembali tentang induktor. Misalnya yang saya kutip di Gambar 2 berikut ini adalah salah satu fungsi induktor di suatu rangkaian daya. Di bagian bawah setiap artikel di Coilcraft, terdapat beberapa tautan yang menarik. Baik yang menuju ke artikel lain maupun ke sejumlah tools yang bisa dipakai untuk membantu perhitungan/simulasi.

Gambar 2. Fungsi induktor untuk mengurangi riak arus.

Artikel kedua membahas secara lebih spesifik mengenai induktor terkopel[6]. Misalnya membahas tentang bagimana cara memilih induktor terkopel dengan fasilitas coupled inductor finder. Artikel ini juga membahas persamaan dan perbedaan antara penggunaan istilah komponen induktor, serta masalah coupling coefficient seperti:

Close coupling may not be optimal for all applications. In fact, Coilcraft’s MSC1278 Series of coupled inductors is designed with high leakage inductance for use in certain SEPIC applications. The loosely coupled windings (K ≈ 0.8) improve SEPIC efficiency by reducing circulating current and still provide twice the ripple current reduction of separate inductors.Coilcraft

Artikel ketiga dalam format file pdf yang saya kutip dari situs Coilcraft ini sangatlah ‘praktis’[7]. Di dalamnya terdapat contoh perancangan dan perhitungan untuk menentukan induktor mana yang dipilih untuk dipergunakan. Sebagaimana di Gambar 3, saya hanya mengutip langkah 1, langkah 6, dan langkah 7. Sangat disarankan untuk membaca secara utuh informasi di dalam artikel ini dari situs Coilcraft.

Gambar 3. Contoh perancangan.

Halaman berikutnya dari Coilcraft adalah tampilan depan untuk produk coupled inductors[8]. Sebagai contoh, sebagian saya tampilkan di Gambar 4.

Gambar 4. Coilcraft Coupled Inductors.

Halaman terakhir yang saya kutip dari Coilcraft adalah halaman yang menyajikan informasi lebih detail tentang salah satu komponen[9]. Lihat Gambar 4. Dari halaman itu bisa diakses beberapa informasi di halaman lain tentang komponen yang sama.

Gambar 5. MSC1278 Series

Gambar 6. Datasheet MSC1278 Series.

Sebagai contoh cepat simulasi coupled inductors, kita bisa mempergunakan PSIM. Berikut ini dipakai dua nilai sebagai pembanding, yang pertama masing-masing bernilai 100 μH dan yang kedua masing-masing bernilai 50 μH. Perlu diingat bahwa seringkali simulasi untuk coupled inductors memerlukan rentang waktu yang lebih panjang.

Gambar 7. Simulasi coupled inductors dengan PSIM untuk nilai 100 μH.

Gambar 8. Hasil simulasi, riak arus sebesar 74.32 mA (0.07432 A)

Gambar 9. Simulasi coupled inductors dengan PSIM untuk nilai 50 μH.

Gambar 10. Hasil simulasi, riak arus sebesar 140 mA (0.14 A)