Perhitungan parameter operasi power stage dari flyback converter

[ [ Flyback Converter Topology ] ]

Di dua artikel sebelumnya telah dipaparakan bahan belajar mengenai induktor (flyback transformer) dan mengenai bagaimana dasar opearasi suatu flyback converter. Di artikel ini akan dipaparkan sumber-sumber belajar untuk melakukan perhitungan parameter operasi dari topologi flyback (power stage/open loop).

Sebagaimana artikel sebelumnya di sini pun akan dipakai sumber-sumber belajar yang bebas pakai dan secara legal gratis oleh mahasiswa (atau oleh siapa pun). Beberapa berupa dokumen dari perusahaan-perusahaan produsen komponen elektronika, tetapi ada juga yang merupakan ebook yang dibuka untuk publik oleh penulisnya.

[ 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. ]

Gambar 1. Perhitungan dasar untuk rasio trafo [sumber].

Bagian berikut ini saya kutip dari EE155/255 – Green Electronics Course Note.

Suatu isolated converter umumnya dipergunakan jika diperlukan suatu isolasi antara input dengan output. Juga dipergunakan jika rasio step-up atau step-down sangat besar. Flyback converter pada dasarnya adalah suatu isolated converter, dengan beberapa perkecualian saat umpan balik dari sisi sekunder diterima controller tanpa menggunakan optocoupler. Isolasi dan rasio tegangan umumnya diperoleh dengan mempergunakan transformer

Gambar 2. Model transformer dengan N adalah turns ratio  [sumber].

Notasi N yang merupakan turns ratio (perbandingan gulungan) antara kedua sisi transformer (trafo). Ada beberapa variasi penulisan rasio ini, seperti nn, n2, N2 dan seterusnya. Apakah ditulis sama sebagai N atau ditulis berbeda, pembaca perlu waspada dan mencari tahu apakah arti sesungguhnya yang dimaksud dengan notasi itu di setiap sumber informasi. Karena beberapa sumber menggunakan perbandingan yang berbeda. Jangan sampai yang kita pahami terbalik dari maksud yang sesungguhnya hendak disampaikan oleh sumber informasi itu.

Gambar 3. Persamaan untuk model transformer ideal [sumber].

Persamaan di Gambar 3 hanyalah rangkuman, keterangan penjelas yang lebih lengkap terdapat di dokumen sumber.

Gambar 4. Perhitungan flyback topology, power stage [sumber].

Di Gambar 4, penting untuk memperhatikan eq (10.1) dan (10.2) dan memperhatikan maksud notasi N. Bayangkan sejenak bagaimana cara kerja rangkaian flyback topology berdasarkan dua artikel tetang sistem flyback sebelumnya, baru kemudian bandingkan dengan screenshot kutipan berikut ini.

Gambar 5. Screenshot keterangan operasi dasar flyback topology, power stage [sumber].

Di artikel sebelumnya telah disampaikan bahwa magnetizing inductance (LM atau Lm) memiliki peran baik dan penting di topologi flyback. Ini berbeda dengan topologi lain yang juga mempergunakan transformer. Dengan air-gap (termasuk distributed air-gapflyback transformer adalah trafo yang unik karena memang direncanakan dari awal untuk mampu menyimpan sementara energi sebelum kemudian dipindahkan ke beban. Di screenshot di Gambar 5 bisa dibaca mengenai peran penting Ldalam operasi di topologi flyback. Jelas juga bahwa dengan keberadaan dan pemanfaatan LM, flyback transformer bukanlah suatu trafo ideal.

Dari Gambar 5 juga bisa dibaca bagaimana pada saat sakelar aktif ON / menutup, sebenarnya tidak ada aliran ke trafo ideal di sisi primer, ini karena sedang tidak ada rangkaian tertutup yang bisa membawa arus di sisi sekunder (kondisi no-load). Arus listrik di sisi primer dan magnetic flux justru membawa energi untuk disimpan sementara di inti (core), melalui magnetizing inductance LM. Saat sedang tidak ada arus yang mengalir di sisi sekunder seperti ini, maka sisi primer trafo akan tampak seperti reaktansi Xm di frekuensi sumber penyuplai tegangan sisi primer. Sehingga akan ada arus yang mengalir yang disebut sebagai magnetizing current sebagai akibat adanya Xm. Kesulitan untuk model transformer ini adalah bahwa model trafo seperti ini tidak mudah untuk disimulasikan secara default, contohnya bisa dilihat di dokumen Saturable transformer model dan Modeling Coils (p.95).

Beberapa link di paragraf di atas berasal dari eBook yang ditampilkan di Google Books. Bisa dibandingkan dengan kutipan di bawah ini yang berasal dari sumber yang bukan berupa buku.

When the switch is turned ON, the primary winding of the transformer is directly connected to the input and its dot becomes positive with respect to non-dot end. The voltage induced in the secondary winding is negative, the diode is reverse-biased (blocked) so the transformer behaves as an inductor. The primary current and magnetic flux in the transformer increases storing energy. During the Ton period, the output capacitor supplies energy to the load. So the output capacitor value should be large enough to supply the load current for the time period Ton, with the maximum specified droop in the output voltage.

SMPS: Asymmetrical Isolated Converters

Dari sumber yang dikutip di Gambar 4, Gambar 5, dan Gambar 6,  kita bisa mengetahui kerja dasar internal di suatu flyback transformer.

Gambar 6. Gelombang di flyback topology, power stage [sumber].

Bagian berikut ini diambil dari buku (eBook) yang oleh penulisnya sendiri telah dibuka untuk umum dan ditampilkan di Internet. Versi ini sudah cukup memadai untuk belajar dasar-dasar operasi suatu power stage dari flyback converter.

Gambar 7. Persamaan untuk perhitungan di flyback topology, power stage [sumber].

Screenshot di Gambar 7 dapat dibaca dengan lebih baik, caranya adalah dengan “Open image in new tab”. Di gambar rangkaian terdapat tanda + dan – di kedua sisi flyback transformer. Sekilas ini bertentangan dengan penandaan di sumber-sumber lain, misalnya dengan Gambar 3 dan Gambar 6 di halaman ini. Juga dengan penggunaan tanda polaritas di simulasi sebagaimana di Gambar 3 di halaman ini. Penggunaan penanda polaritas seperti di Gambar 7 itu hanyalah acuan atau referensi saja, polaritas tegangan sebenarnya tidak selalu harus sama. Misalnya saat saat sakelar ON, maka polaritas di anode adalah negatif terhadap node sisi sekunder trafo yang terdapat tanda titik (dot). Justru dengan passive sign convention penandaan nantinya akan menjadi mudah. Positif jika sesuai tanda referensi, negatif jika berkebalikan.

Ini merupakan kutipan dari rilis versi online dari buku tulisan Issa Batarseh, Power Electronic Circuit. Kutipan di Gambar 7 (#fairUse) telah mengalami pemotongan sehingga sudah tidak utuh lagi. Pembaca disarankan untuk membuka link dan membaca sendiri untuk keterangan yang lebih lengkap.

Dari keterangan yang ditangkap di Gambar 7, selain dari beberapa persamaan diketahui juga beberapa sisi lain dari flyback converter. Misalnya konfirmasi bahawa flyback transformer tidaklah sama dengan transformer biasa di sistem sinusiodal AC 50 Hz/60Hz yang hanya dipakai untuk segera memindahkan daya dari sisi primer ke sekunder. Trafo di konverter flyback ini harus mampu menyimpan energi untuk sementara waktu. Kemudian karena karakteristik itu, maka konverter jenis ini sering memerlukan snubber, berbeda dengan konverter keluarga ‘non-inverting step-up step-down‘ lainnya, yaitu SEPIC

Gambar 8. Kurva tegangan dan arus di flyback topology, power stage [sumber].

Gambar 8 dapat dipahami dengan melihat kembali Gambar 7, terutama gambar-gambar rangkaian dan persamaan-persamaan. Perlu lebih hati-hati saat mencoba memahami gelombang vSW di Gambar 8. Ini adalah gelombang di kaki-kaki sakelar, untuk mudahnya anggap saja sebagai sekelar ideal. Saat menutup (ON), tegangan di antara kaki-kakinya akan sama dengan 0 volt.

Berikut ini adalah salah satu contoh bagaimana suatu konverter (dalam pengertian luas) diwujudkan dengan menggunakan suatu pengatur otomatis, yang disebut regulator, converter atau controller. Beberapa perusahaan memisahkan penggunaan istilah-istilah itu, suatu kelompok produk regulator bisa terdiri dari jenis converter (integrated switch) dan jenis controller (external switch).

Jika suatu topologi telah dipergunakan bersama IC  regulator maka penetapan nilai-nilai untuk parameter operasinya sebagai sebuah sistem sudah harus memperhitungkan / memasukkan parameter dari IC pengendali itu. Untuk mempersingkat dan dapat lebih fokus pada dasar operasi, bagian dokumen yang dikutip terutama hanya yang dapat dipakai sebagai contoh perhitungan atau acuan persamaan. Silakan membaca dokumen aslinya untuk keterangan yang lebih lengkap. Persamaan dan perhitungan di bagian ini juga bisa dibandingkan dengan bagian-bagian sebelumnya di artikel ini (dan juga artikel sebelumnya).

Gambar 9. Contoh spesifikasi unjuk kerja dari referensi  rancangan [sumber].

Gambar 10. Turns Ratio and CCM Duty Cycle [sumber].

Apakah anda ingat ada nilai toleransi di komponen resistor (dan sebenarnya komponen pasif lainnya)? Sekarang, perhatikan bagaimana di screenshot di Gambar 10 terdapat beberapa kali kata estimated. Dunia kerekayasaan (engineering) utamanya bersumber pada hard science / exact science, begitu kata banyak orang. Perhitungan di engineering sering kali harus detail dan presisi dengan keakurasian yang tinggi. Tetapi jika ditelusuri lebih dalam, semua ini karena dipahami bahwa justru ada banyak faktor di alam semesta ini yang tidak benar-benar akan pas sesuai perhitungan. Selalu ada selisih, ada deviasi.

Maka justru dengan pemahaman itulah perhitungan dan perancangan dilakukan sebaik mungkin agar deviasi yang mungkin terjadi tidak sampai terlalu besar dan berakibat fatal. Perkiraan (estimasi/estimation) dalam perhitungan engineering seperti di Gambar 10 adalah hal yang lumrah. Yang penting tidak dilakukan serampangan, punya dasar yang kuat yang biasanya berasal dari spesifikasi teknis, penurunan persamaan / perhitungan, pengalaman empiris, atau tebakan-terdidik (educated guess). Perhitungan di Gambar 10 serupa halnya dengan model komponen di simulasi berbasis SPICE. Akan sangat sulit untuk mendapatkan model komponen yang benar-benar sama dengan karakteristik komponen fisiknya. Karena itulah elektronika juga disebut sebagai seni (art).

Circuits and Electronics Design is an art, and thus has many confusing approaches. It is best learned by looking at different explanations, and by actually building and testing circuits. Spice simulations are an alternative to building and testing, and can be useful for learning.

ECE320 Electronic Devices and Controls

 

Gambar 11. Primary Inductance [sumber].

Pengambilan keputusan dalam melakukan perencanaan seperti tergambar di screenshot di Gambar 11 merupakan salah satu contoh dari sekian banyak penerapan tradeoff di dunia engineering. Selalu ada aspek yang tidak diprioritaskan, karena tidak mungkin semua menjadi prioritas dengan sumber daya yang terbatas. Termasuk di dalamnya adalah batasan-batasan alamiah dari alam semesta.

Gambar 12. Ratings and Other Specifications [sumber].

Gambar 13. Rectifying Diode [sumber].

Gambar 14. Capacitor selection [sumber].

Dari rangkaian informasi sejauh ini, dokumen ini yang pertama kali ‘mengajarkan’ bagaimana cara memilih komponen yang sesuai. Di sini kita bisa belajar bahwa untuk mencapai tujuan rancangan, sebagaimana sebaiknya suatu flyback converter berfungsi, komponen-komponen yang menyusunnya tidak dapat dipilih sembarangan. Bahkan sekalipun beberapa parameter berdasarkan estimasi, nilai yang dicari harus dihitung dengan benar. Di sini kita belajar untuk mulai memasukkan unsur ketidakidealan komponen dalam perhitungan. Supaya sistem yang nanti dibangun masih memiliki nilai/ruang toleransi terhadap perubahan parameter komponen dan unjuk kerja sistem. Di sini kita bisa belajar dari pengalaman orang lain yang bekerja di perusahaan top dunia tentang pengalaman melakukan perancangan sistem. Bagaimana pengetahuan tentang sifat/karakter jenis-jenis komponen disebarkan dan diperhatikan dalam perancangan.

Gambar 15. Voltage conversion relationship [sumber].

Sama seperti persamaan di gambar-gambar sebelumnya, persamaan di screenshot di Gambar 15 dapat disusun ulang untuk mencari salah satu variabel yang perlu diketahui. Di gambar itu juga diperlihatkan bahwa sebagai awalan unsur-unsur parasitic tidak perlu (belum perlu) dimasukkan ke dalam perhitungan.

Gambar 16. Operasi CCM dan DCM serta perhitungan duty cycle [slup261].

Gambar 17. CCM vs. DCM.

Gambar 18. slyu036 Power Topologies Handbook [sumber]

Artikel ini adalah artikel ketiga dari rangkaian artikel khusus mengenai topologi flyback converter (power stage/open loop).  Dasar-dasar perhitungan yang umum dan agnostik terhadap jenis IC regulator telah dikutip di sini. Di artikel berikutnya akan diberikan contoh-contoh simulasi dan sistem flyback converter.

Sekalipun mungkin rangkaian tiga artikel tentang flyback converter seperti memperlihatkan bahwa flyback converter itu sangatlah rumit, tetapi sebenarnya yang dipaparkan masih dalam cakupan dasar operasi. Ini sebatas upaya belajar untuk pemahaman yang praktis tetapi masih di dasar. Jika anda sempat membaca-baca sebagian besar dokumen yang tautannya telah diberikan, maka anda akan dengan sangat mudah setuju bahwa ini masih lah di tingkat dasar.

Beberapa video berikut dan beberapa link tambahan di bagian Sumber belajar di bawah akan menunjukkan aspek yang lebih dalam dan luas mengenai flyback converter.

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

Dasar operasi power stage dari flyback converter tolopogy

[ [ Flyback Converter Topology ] ]

Di artikel sebelumnya telah diperkenalkan tentang istilah flyback converter topology. Juga secara bertahap dipaparkan tentang bagaimana suatu ‘flyback transformer’ sebenarnya berbeda dengan transformer pada umumnya. Di sana diperkenalkan (ulang) tentang megnetizing inductance yang penting untuk kerja suatu konverter flyback. Di artikel ini akan dilanjutkan tentang dasar operasi suatu flyback converter. Masih dengan pola yang sama yaitu menggunakan sumber-sumber alternatif yang bebas pakai yang telah dibandingkan dengan sejumlah textbook berikut ini.

Favor Quotes - 64 quotes on Favor Science Quotes - Dictionary of ...

Untuk acuan mengenai dasar topologi flyback (power stage) dapat ditemui di beberapa textbook antara lain:

  1. D. W. Hart, Power electronics, 1st ed. New York: McGraw-Hill Higher Education, 2010.
    Pembahasan tentang flyback converter ada di sub-bab 7.3 THE FLYBACK CONVERTER, halaman 267.
  2. I. Batarseh and A. Harb, Power Electronics: Circuit Analysis and Design, 2nd ed. 2018 edition. Springer, 2017.
    Pembahasan tentang flyback converter ada di sub-bab 5.4.1 Single-Ended Flyback Converter, halaman 303.
  3. W. P. Robbins, T. M. Undeland, and N. Mohan, Power electronics: Converters, applications, and design, 3rd ed. United States: John Wiley and Sons (WIE), 2002.
    Pembahasan tentang flyback converter ada di sub-bab 10-4-2 FLYBACK CONVERTERS, halaman 308.
  4. P. T. Krein, Elements of power electronics. New York, NY: Oxford University Press, 1997.
    Pembahasan tentang flyback converter ada di sub-bab 4.4.3 The Flyback Converter, halaman 136.
  5. M. H. Rashid, Ed., Power Electronics Handbook, Fourth Edition, 4 edition. Butterworth-Heinemann, 2017.
    Pembahasan tentang flyback converter ada di sub-bab 10.5.2 Flyback Converter, halaman 281.
  6. A. M. Trzynadlowski, Introduction to Modern Power Electronics, 3 edition. Wiley, 2015.
    Pembahasan tentang flyback converter ada di sub-bab 8.3.1 Single-Switch-Isolated DC-to-DC Converters, halaman 384.
  7. B. Choi, Pulsewidth modulated DC-to-DC power conversion: Circuits, dynamics, and control designs. United States: John Wiley & Sons, 2013.
    Pembahasan tentang flyback converter ada di sub-bab 4.4 FLYBACK CONVERTER, halaman 145.
  8. J. Pollefliet, Power Electronics: Switches and Converters, 1 edition. Academic Press, 2017.
    Pembahasan tentang flyback converter ada di sub-bab 13.4 FLYBACK CONVERTER, halaman 14.
  9. V. Jagannathan, Power Electronics : Devices and Circuits. PHI Learning Pvt. Ltd., 2011.
    Pembahasan tentang flyback converter ada di sub-bab 5.11.1 Fly Back Converter, halaman 226.

Seperti halnya di artikel-artikel sebelumnya untuk artikel ini pun saya akan mencoba menggunakan sumber alternatif  yang lain, untuk belajar. Informasi yang sepadan dengan textbook komersial untuk dipergunakan sebagai bahan belajar, tetapi bersifat gratis dan bisa bebas dimiliki oleh mahasiswa. Di sepanjang artikel ini akan ada beberapa link (tautan) ke sejumlah dokumen yang bisa dipakai untuk belajar mengenal topologi flyback converter. Judul-judul yang saya ambil screenshot-nya ini hanya sebagai teaser, ada banyak lagi yang juga menarik yang bisa dipakai untuk belajar.

Gambar 1. Contoh materi/sumber informasi. 

[ 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. ]

Gambar 2. Rangkaian dasar topologi flyback [sumber].

Topologi flyback adalah topologi turunan dari topologi buck-boost. Peran magnetizing inductance LM di Gambar 2(a) berfungsi sama seperti induktor L di konverter buck-boost. Saat sakelar transistor Q1 menutup/menghantar, energi dari sumber DC (yaitu Vg) disimpan di LM, saat ini diode di sisi sekunder tidak dapat menghantar. Kemudian saat berikutnya, saat diode D1 menghantar, energi yang tadi tersimpan ditransfer ke beban. Pemindahan ini mengikuti skala tegangan dan arus yang diatur melalui rasio gulungan sisi primer dan sekunder dari ‘flyback transformer’ [1].

Sebagaimana beberapa konverter lain, kondisi flyback converter dapat dengan lebih mudah dijelaskan dengan membaginya ke dalam dua kondisi operasi. Yang pertama saat sakelar (MOSFET) menutup, seperti Gambar 2(b). Yang kedua saat sakelar (MOSFET) membuka seperti Gambar 2(c). Saat sakelar menutup sisi primer merupakan rangkaian tertutup sedangkan diode dalam keadaan ‘membuka’. Saat sakelar membuka, rangkaian primer terputus dan diode dimodelkan seperti terhubung singkat (ON). 

Gambar 3. Dua kondisi operasi flyback converter [2].

A very important aspect is that flyback transformers have an air gap, which allows energy storing without the risk of core saturation occurrence.AN2085A Designing Applications with MCP166X High Output Voltage Boost Converter Family

Kondisi di Gambar 3(a) adalah kondisi ON TIME, yaitu saat bagian primer dari ‘flyback transformer‘ terhubung dalam sebuah loop tertutup ke sumber tegangan VIN. Ini terjadi karena sakelar SW tertutup. Arus primer dan magnetic flux di ‘flyback transformer‘ meningkat. Saat ini adalah saat di mana energi di simpan di inti dari ‘flyback transformer‘. Karena dot convention, tegangan induksi di sisi sekunder saat ini memiliki polaritas terbalik dibanding sisi primer (negatif). Maka diode tidak bisa menghantar karena teagangan di anode lebih negatif daripada tegangan di katode, diode seperti sakelar yang dalam keadaan terbuka. Di fase ini jika COUT telah menyimpan energi dari siklus sebelumnya, maka beban akan disuplai energi oleh kapasitor tersebut.

Kondisi di Gambar 3(c) adalah kondisi OFF TIME, yaitu saat bagian primer dari ‘flyback transformer‘ terputus dari loop tertutup ke sumber tegangan VIN, menjadi sirkuit terbuka. Ini terjadi karena sakelar SW terbuka. Arus primer dan magnetic flux di ‘flyback transformer‘ menurun. Polaritas sisi sekunder menjadi ‘positif’, tegangan di sisi anode menjadi lebih positif terhadap ground dan katode. Karena itu di fase ini diode menghantar, menjadi seperti sakelar tertutup. Sisi sekunder menalirkan arus ke COUT dan RL. Jika flyback converter beroperasi di mode DCM maka seluruh energi yang tersimpan di magnetizing inductance sisi primer akan seluruhnya ditransfer ke beban.

Gambar 4. Flyback Converter Waveforms [AN2085].

Notasi yang dipakai di Gambar 4, VSW adalah tegangan di sakelar, IP adalah arus di sisi primer flyback transformer, IS adalah arus di sisi sekunder. 

Gambar 5. slup254 Under the Hood of Flyback SMPS Designs.

Keterangan berikut ini saya ambil dari sumber di Gambar 5. Sengaja tidak saya terjemahkan ke dalam Bahasa Indonesia, silakan dibandingkan dengan keterangan yang saya ketik di bagian sebelum ini. Semoga bagian ini dan seterusnya dapat menjadi contoh bagaimana suatu ‘bangunan pengetahuan’ dikonstruksi dari berbagai sumber. Terutama untuk pengetahuan yang sudah bersifat umum bagi umat manusia, dan bukan sesuatu yang sangat baru, misalnya baru dalam hitungan jam atau hari dan hanya di kalangan berjumlah kecil yang terbatas saja.

Gambar 6. Transfer of Energy slup254.

Gambar 7. slup261 Under the Hood of Flyback SMPS Designs.

Sebagaimana di Gambar 7, ada lebih dari dua mode operasi untuk flyback converter, yaitu selain CCM dan DCM. Bahkan masih ada yang tidak dicantumkan di kutipan tabel di Gambar 7, yaitu Boundary Mode.

Gambar 8. Operasi CCM dan DCM serta perhitungan duty cycle [slup261].

Gambar 8 menunjukkan gelombang (waveform) untuk masing-masing mode operasi, CCM dan DCM beserta perhitungan duty cycle untuk masing-masing mode operasi.

Gambar 9.  Aliran arus di flyback converter power stage [slup261].

Bisa diperhatikan di Gambar 9, skema paling kanan menunjukkan bahwa untuk mode DCM energi dipindahkan ke beban sampai tuntas di waktu sakelar terbuka.

Gambar 10. CCM vs. DCM.

Berikut ini adalah salah satu contoh bagaimana suatu keterangan mengenai rangkaian / topologi / komponen / sistem tertentu dapat ditemukan di dalam dokumen yang memiliki judul yang justru menunjukkan topik bahasan yang berbeda. Justru kadang-kadang dengan cara ini kita bisa mengerti hubungan antara suatu konsep dengan konsep lainnya, antara satu hal dengan hal lainnya. Bagaimana sesuatu bisa berevolusi menjadi sesuatu yang lain.

Penjelasan mengenai flyback converter power stage ini ditemukan di dokumen yang membahas mengenai buck-boost converter. Dokumen seperti ini dapat ditemukan dengan bantuan mesin pencari di Internet seperti Google atau Bing.

Gambar 11. Flyback Power Stage [3].

 

Unknown Quotes - 182 quotes on Unknown Science Quotes - Dictionary ...

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

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.

Model LED untuk simulasi rangkaian elektronik

[ [ LED models, datahseet, links ] ]

Elektronika Daya (Power Electronics) adalah bidang ilmu interdisiplin yang luas dan kompleks. Salah satu pokok bahasan di dalamnya adalah tentang catu daya (power supply) yang berkembang dari sistem rectifier dan dc-dc converter. Suatu catu daya (power supply unit, PSU) dapat dirancang untuk tujuan penggunaan umum, bisa dipergunakan oleh banyak sistem perangkat selama parameter tegangan, arus, riak, dan dayanya sesuai. Tetapi ada pula jenis-jenis catu daya yang memang ditujukan untuk penggunaan/keperluan khusus seperti salah satunya adalah sebagai sumber energi bagi LED (light emitting diodes)

Salah satu kaidah dasar yang sederhana tetapi merupakan hal yang penting di sistem kendali adalah bahwa jika hendak mengendalikan sesuatu, maka seharusnya mengenali sistem yang hendak dikendalikan itu dengan baik terlebih dahulu. Ini adalah pernyataan yang mudah untuk dibaca/diucapkan tetapi sering sulit untuk dipraktikkan. Untungnya, sejauh berkenaan dengan komponen/sistem/peralatan elektronika, jumlah informasi yang tersedia sekarang jauh lebih banyak dari masa-masa sebelumnya. Dengan Internet, kita bisa menemukan langsung di sumber aslinya maupun di tempat lain. Ada banyak bahan yang bisa diperbandingkan satu sama lain.

Bagi praktisi elektronika di level rangkaian, tantangannya adalah bahwa seringkali komponen LED yang ada tidak disertai dengan penanda/dokumentasi yang baik. Berbeda dengan, misalnya, BJT atau MOSFET (terutama yang tipe through hole / thru hole) yang memiliki penanda tipe komponen yang jelas. Meskipun terdapat komponen palsu, banyak BJT dan MOSFET yang bahkan memiliki pananda lambang produsen yang bisa dibaca jelas di body komponen. Bergantung pada kedalaman perancangan, kadang-kadang sebagai solusi pengguna dapat melakukan pengukuran sendiri terhadap komponen LED. Misalnya jika hanya diperlukan data tentang respon tegangan-arus dalam rentang batas pendek, maka LED dapat diperlakukan sebagai sebuah black box.

Berikutnya dengan menggunakan masing pencari informasi di Internet seperti Google atau Bing, diupayakan untuk menemukan komponen LED yang sebanding. Ini tentu bukan cara yang baik apalagi ideal, tetapi pendekatan ini masih lebih baik dilakukan daripada menggunakan komponen dengan model yang parameter/unjuk kerjanya sama sekali berbeda. Dengan Google atau Bing pula bisa ditelusuri data dan informasi dari website beberapa perusahaan tenama produsen LED. Ini tentu jumlah yang sangat kecil daripada total perusahaan sebenaranya. Tetapi karena cukup berpengaruh di bidang ini, maka cukup mewakili untuk keperluan belajar. Beberapa yang cukup dikenal misalnya, Cree, Lumileds, Osram, Luminus, Nichia.

Beberapa komponen juga dapat ditemukan di website perusahaan distributor komponen/peralatan/sistem. Salah satu keuntungan cara ini adalah kita bisa menemukan produk dari beberapa pabrikan sekaligus. Misalnya dari Mouser, Newark, Arrow, Farnell, Future Electronics, Jameco, dan Allied. Cara lainnya lagi adalah dengan mencari dengan menggunakan mesin pencari khusus untuk komponen/barang elektronika. Misalnya FindChips, Octopart, atau oemsecrets. Beberapa datasheet komponen yang sudah obsolete bahkan juga bisa ditemukan di Alldatasheet, DataSheet, Datasheetarchive, Datasheet4U, dan DatasheetsPDF.

Untuk keperluan belajar, kita dapat membalik prosesnya. Kita dapat melihat model komponen apa saja yang tersedia di simulator. Umumnya simulator memberikan keterangan mengenai parameter operasi dasar, termasuk untuk LED. Jika ada yang dianggap bisa diharapkan cukup sesuai dengan tujuan rancangan yang dikehendaki, kita bisa mencari keterangan lebih lanjut tentang model itu.

LTspice

[ 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. ]

Gambar 1. Jendela pemilihan komponen diode, termasuk LED di LTspice.

Salah satu alasan mengapa saya memilih LTspice sebagai salah satu simuator untuk kuliah elektronika daya adalah karena simulator ini versatile. Pengguna dapat memanfaatkan simulator ini di level sistem dengan model komponen yang (mendekati) ideal. Tetapi juga sedari dulu, dengan relatif mudah melakukan simulasi level rangkaian yang mempergunakan model komponen SPICE. Untuk beberapa komponen, bahkan terdapat beberapa model yang bisa dipilih.

Beberapa model adalah dari komponen yang sudah dinyatakan obsolete oleh produsen asalnya. Tetapi ini tidak berati model komponen itu menjadi sama sekali tidak berguna. Pertama, ada banyak tipe komponen yang kemudian dilisensikan ke perusahaan lain menjadi OEM. Banyak komponen dari pabrikan China yang merupakan produksi seperti ini. Misalnya dari produsen Tatalux, atau sejumlah besar lainnya yang bisa ditemui di situs Alibaba atau Aliexpress

Untuk keperluan belajar atau perancangan awal, setidaknya kita masih bisa menemukan datashet atau spesifikasi teknisnya sebagai pembanding. Sebagai contoh, komponen LED NSCW100 yang dulu diproduksi oleh Nichia, telah dimasukkan ke dalam komponen yang discontinued sejak tahun 2017. LED itu masih dapat dilihat keterangan dan lembar datanya di situs RS Components. Begitu juga dengan komponen dari perusahaan lain LXHL-BW02 dan W5AP-LZMZ-5K8L.

Sebagai contoh bagaimana pengggunaan model SPICE yang disediakan beberapa produsen LED di simulator LTspice, saya ambilkan salah satu produk LED. Saya sampaikan salah satu alur kerja yang bisa dipakai sebagai jalan belajar. Supaya menarik dan kontekstual dengan penerapan teknologi, saya coba ajak untuk melihat salah satu penerapan LED, yaitu sebagai senter (flashlight/torch). Saya tidak mempromosikan atau melakukan endorsement apapun, ini hanya agar alur belajar lebih dekat dengan skenario riil. Kali ini, di bagian ini, simulasi dilakukan untuk LED XHP70 yang diproduksi oleh Cree.

Gambar 2. Tampilan etalase penjualan senter di situs Shopee.

Gambar 3. Contoh etalase penjualan senter dengan LED HXP70 di situs Lazada.

Gambar 4. Tampilan Tokopedia, LED dan driver

Gambar 5. Halaman produk XHP70 di website perusahaan Cree.

Gambar 5 memberikan keterangan umum mengenai suatu tipe/jenis produk. Apa saja hal yang dianggap unggul dan ingin disampaikan oleh produsen. Gambar 6 adalah screenshot contoh kutipan dokumen keterangan yang lebih lengkap dari produsen mengenai pemetaan produk yang mereka miliki. Dari dokumen seperti ini kita bisa belajar membandingkan antara satu tipe produk dengan tipe produk lainnya. Mengenai posisi tipe LED tertentu dalam peta produk yang ditawarkan. Misalnya di Gambar 6 kita bisa mengetahui bahwa untuk keluarga XLAMP, XHP70 adalah LED yang memiliki daya paling besar. Jika kita memerlukan tipe lain dengan tegangan dan penggunaan energi yang lebih kecil, kita bisa melihat di tabel nama-nama sebagai informasi awal. Dari nama (kata-kata) itu kita bisa menelusuri lebih lanjut untuk mencari informasi apakah tipe itu yang cocok untuk keperluan kita. 

Gambar 6. Product and Application Guide, Cree.

Gambar 7. Kutipan datasheet, karakteristik kelistrikan. 

Gambar 8. Kutipan datasheet, hubungan kelistrikan.

Berikut ini adalah kutipan lengkap model SPICE untuk LED XHP70. Di simulasi boleh saja hanya mengambil bagian yang memang akan disimulasikan, disalin langsung ke halaman schematic.

Gambar 9. Contoh App Note untuk lebih memahami operasi LED.

Jika tidak ingin berhenti hanya di ranah teoritis dasar, dokumen seperti yang sampulnya ditampilkan di Gambar 9 menjadi bahan belajar yang penting. Catatan serupa ini merangkum cukup banyak hal-hal penting tetapi praktis dalam penggunaan/pemanfaatan komponen/alat. Dokumen semacam ini berstatus wajib baca. Dari dokumen ini bisa diperoleh sejumlah kata-kata kunci yang bisa dipakai untuk mencari informasi tambahan atau informasi sebagai pembanding.

Gambar 10. Karakteristik tegangan-arus general untuk model LED XHP70 produksi Cree.

Gambar 10 memperlihatkan hubungan tegangan V1 di sumbu horizontal dan masing-masing besaran lainnya di sumbu vertikal. Simulasi dilakukan dalam mode DC Sweep.

Gambar 11. Karakteristik tegangan diode vs. arus diode untuk model LED XHP70 produksi Cree.

Gambar 11 adalah simulasi yang dilakukan dalam mode transient dan mempergunakan nilai tegangan diode (node di anode) sebagai sumbu horizontal. Ini adalah sekadar demonstrasi bagaimana suatu model SPICE dari LED (contohnya XHP70) dapat disimulasikan di simulator berbasis SPICE. Tentu saja rangkaian seperti ini bukanlah rangkaian pembatas arus yang baik untuk LED berdaya besar seperti XHP70. Karena itu rangkaian ini memang dalam penerapannya perlu diganti dengan rangkaian driver yang lebih baik. Biasanya berbasis dc-dc converter. Ini hanyalah contoh saja, cara yang sama bisa diterapkan untuk model komponen LED yang lain (misalnya seperti di halaman ini).

Bahan pengantar kuliah tentang buck converter

Sebelum melihat lebih jauh dan melatih simulasi rangkaian untuk buck converter, sebaiknya terlebih dahulu melihat kembali post tentang simulasi untuk linear step-down. Dari post tersebut dapat diperoleh gambaran kemungkinan mengapa para pendahulu memikiran alternatif lain dari regulator linier yaitu regulator non-linier seperti buck converter.

Kemudian dilanjutkan dengan melihat kembali artikel mengenai penyakelaran pada sistem DC. Hal ini berguna untuk melihat rekonstruksi rangkaian evolusi dari sakelar ideal, BJT dan MOSFET. Dalam artikel itu bisa dilihat contoh dasar low-side swithing dengan NPN maupun N-MOSFET, dan high-side switching dengan PNP maupun P-MOSFET.

Setelah itu, dapat dilanjutkan dengan meninjau kembali sejenak tentang prinsip dasar bagaimana mempergunakan MOSFET sebagai sakelar elektronik. Di sana dapat dilihat kembali bagaimana cara MOSFET dioperasikan antara dua keadaan yaitu cut-off dan triode (ohmic).

 

MENURUNKAN TEGANGAN DENGAN BJT

Sebelum masuk ke penurun tegangan yang mempergunakan rangkaian tidak linier (on-off) kita akan melihat kembali rangkaian penurun tegangan linier, kali ini dengan mempergunakan BJT NPN.

Gambar 1.

Gambar 2.

Dapat dilihat bahwa dengan mempergunakan BJT pada rentang operasi linier, kita dapat menurunkan tegangan dari level catu daya ke level yang kita perlukan pada beban. Efisiensi untuk sistem ini berada pada kisaran 55,9 %. Transistor NPN mengeluarkan daya kira-kira sebesar 1,9 Watt berupa panas.

 

SIMULASI BUCK CONVERTER DENGAN LTSPICE

Gambar 3.

wp-1459193542287.jpegGambar 4.

Perhitungan untuk mencari nilai average dan RMS dapat mengacu dan mengikuti contoh pada halaman di situs pada link ini.

Gambar 5. Topologi dasar buck converter (sumber: SLVA477B)

 

Gambar 6. Topologi dengan komponen dan pengendali MOSFET yang lebih realistis
(sumber: SLVA057)

Gambar 7. Simulasi rangkaian tanpa induktor dan diode

Gambar 8.

Gambar 9.

Gambar 10.

Gambar 11.

Gambar 12.

Gambar 13.

Gambar 14.

Gambar 15.

 

CONTOH KONFIGURASI RANGKAIAN BUCK CONVERTER

 

Gambar 16. (Sumber: microcontrollerslab.com)

Gambar 17. (Sumber: AVR Tiny Buck Converter)

 

Gambar 18. (Sumber: KD1JV on boost and buck converters implemented with an ATtiny13V)

 

Gambar 19.

 

Gambar 20. (Sumber: Arduino-based Switching Voltage Regulators)


SUMBER BELAJAR UTAMA:

  1. Buck Converter Design Example
  2. Basic Calculation of a Buck Converter’s Power Stage, SLVA477B
  3. Buck Converter Basics

SUMBER PEMBANDING:

  1. Buck Converter Design
  2. Understanding Buck Power Stages in Switchmode Power Supplies, SLVA057

KOMPONEN:

  1. Buck DC/DC Converters