Apa Itu Regulator Tegangan Switching?

Regulator switching adalah sirkuit penting untuk menghasilkan tegangan suplai yang stabil secara efisien dan untuk menerjemahkan tegangan ke atas atau ke bawah.

Menghasilkan tegangan stabil yang mampu menggerakkan arus dalam jumlah besar adalah salah satu tugas mendasar desain elektronik. Model dasar rangkaian elektronik tegangan rendah kira-kira seperti ini:

1. Tegangan dengan kapasitas penggerak arus yang cukup disediakan sebagai salah satu input utama ke sistem.
2. Tegangan masukan ini, yang mungkin terlalu tinggi atau terlalu bervariasi untuk penggunaan langsung dalam rangkaian, diubah menjadi satu atau lebih tegangan suplai teregulasi yang besarnya sesuai dengan spesifikasi komponen bertenaga.
3. Komponen-komponen ini (mikrokontroler, op amp, dll.) menggunakan tegangan suplai yang diatur untuk menjalankan fungsionalitas yang diperlukan rangkaian.

Ada berbagai cara untuk mencapai hal ini. Ketika saya pertama kali mulai merancang sirkuit, saya menggunakan regulator tegangan linier—seperti 7805—bila memungkinkan. Namun saat ini, tidak dapat disangkal bahwa peralihan regulator sering kali merupakan metode yang lebih unggul, dan menurut pengalaman saya, memang demikian biasanya metode yang unggul.

Pada artikel ini, kita akan membahas nomenklaturnya dan kemudian mengeksplorasi prinsip-prinsip dasar regulasi switching.

Terminologi Switching Regulator

“Pengatur switching (tegangan)” mungkin adalah istilah yang paling umum dan mudah dikenali untuk menunjukkan kelas rangkaian ini. Namun, Anda juga akan melihat berbagai kombinasi istilah berikut:

• Catu daya mode sakelar (SMPS)
• Pengalih atau saklar
• Konverter atau pengatur
• DC / DC

Saya sebenarnya lebih memilih "pengatur mode sakelar" atau "catu daya mode sakelar", karena "mode sakelar" lebih berhasil menyampaikan sifat rangkaian ini: peralihan adalah mode yang dengannya mereka menyelesaikan tugasnya mengatur atau mengubah tegangan.

Semua istilah ini mempunyai ambiguitas yang jarang menimbulkan masalah namun tetap perlu diperhatikan: “regulator switching” atau “catu daya mode sakelar”, secara teori, dapat merujuk pada rangkaian yang menghasilkan rel daya menggunakan sakelar yang digabungkan dengan salah satu rangkaian listrik. induktor atau a kapasitor.

Catu Daya Mode Sakelar Berbasis Induktor vs. Kapasitor

Namun dalam praktiknya, istilah yang disebutkan di atas diperuntukkan bagi pengalih berbasis induktor. Gambar 1 adalah contoh pengatur mode switching berbasis induktor. Sebagian besar catu daya mode sakelar berbasis induktor. Ini akan menjadi fokus utama artikel ini.

Gambar 1. Topologi dasar catu daya switching berbasis induktor. Gambar (dimodifikasi) digunakan atas izin Wikimedia Commons

Pengalih berbasis kapasitor, seperti contoh rangkaian pada Gambar 2, biasanya disebut catu daya “pompa muatan” atau catu daya “kapasitor-switch”. Gambar 1 dan 2 keduanya merupakan contoh rangkaian yang menghasilkan tegangan keluaran lebih tinggi dari tegangan masukan.

Gambar 2. Topologi dasar catu daya switching berbasis kapasitor. 

Regulasi Tegangan Linier

Sekarang mari kita pikirkan tentang regulator linier, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 3. Regulator linier hanya dapat menurunkan tegangan, sehingga kita mengetahui bahwa tegangan masukan lebih tinggi daripada tegangan keluaran.

Gambar 3. Diagram blok pengaturan tegangan linier. Gambar penulis

Regulator linier memerlukan sejumlah kecil arus untuk pengoperasiannya; ini disebut arus tanah. Arus tanah seringkali sangat kecil, jadi abaikan saja dan asumsikan bahwa arus yang mengalir ke regulator sama dengan arus yang mengalir keluar dari regulator dan masuk ke rangkaian beban bertenaga.

Sekarang mari kita berpikir tentang kekuasaan. Kami menghitung daya listrik sebagai tegangan dikali arus, dan karena keluarannya arus yang sama tapi tegangan lebih rendah relatif terhadap input, daya harus hilang di suatu tempat. Anda juga dapat membayangkan bahwa regulator linier adalah elemen resistif sederhana dengan penurunan tegangan:

$$V_{DROP} = V_{MASUK} – V_{ KELUAR}$$

Dalam hal ini, disipasi daya regulator linier, P_REG adalah:

$$P_{REG} = V_{DROP} cdot I_{LOAD}$$

Salah satu komponen dalam regulator linier sebenarnya adalah sakelar—bukan sakelar elektromekanis, melainkan transistor yang mampu berfungsi sebagai sakelar listrik murni. Namun, kami tidak menyebut regulator linier sebagai regulator switching karena saklar tidak hidup dan mati; sebaliknya, sakelar beroperasi dalam keadaan peralihan yang mempunyai resistansi yang signifikan, dan resistansi ini menghilangkan daya dan memungkinkan pengurangan tegangan.

Regulasi linier sederhana dan sangat efektif, namun tidak efisien. Sakelar beroperasi dalam keadaan resistif menengah dan berpotensi menghilangkan sejumlah besar daya sebagai panas. Kecuali Anda ingin regulator Anda berfungsi sebagai regulator dan pemanas listrik, daya ini terbuang sia-sia.

Pengaturan Tegangan mode sakelar

Hal ini membawa kita pada konsep pengatur mode saklar. Jika kita dapat menjaga saklar tetap hidup atau mati sepenuhnya—dengan kata lain, jika kita dapat menghindari wilayah perantara disipasi daya tinggi—kita dapat menciptakan regulator yang jauh lebih efisien. Tapi pembahasan kita tentang regulator linier menunjukkan bahwa daya yang terbuang diperlukan untuk mengurangi tegangan. Apa yang harus dilakukan?

Di sinilah peran induktor. Induktor menyimpan dan melepaskan energi sedemikian rupa sehingga arus yang melalui induktor tidak dapat berubah secara instan. Tindakan peralihan hidup/mati menyebabkan arus induktor yang secara bertahap meningkat dan menurun. Ketika induktor digabungkan dengan kapasitor, filter LC yang dihasilkan dapat memuluskan bentuk gelombang hidup/mati menjadi tegangan yang relatif stabil. Besarnya tegangan yang dihaluskan ditentukan oleh siklus kerja bentuk gelombang hidup/mati.

Sebagai contoh, mari kita lihat Gambar 4. Setelah penyaringan, siklus kerja yang berbeda (dalam contoh ini, 10%, 50%, dan 90%) berhubungan dengan level tegangan DC yang berbeda (ditunjukkan oleh kurva merah). Level tegangan DC ini tidak rata sempurna karena masih ada riak setelah penyaringan.

Gambar 4. Level tegangan DC sebagai fungsi dari siklus kerja PWM. Gambar penulis

Dengan demikian, kita dapat menghidupkan dan mematikan sakelar pada frekuensi tinggi dan kemudian menggunakan modulasi lebar pulsa dan pemfilteran untuk menghasilkan tegangan keluaran DC yang diinginkan. Kami juga dapat memantau sinyal umpan balik dan mengatur siklus kerja PWM sesuai dengan kondisi beban. Ini adalah mode operasi dasar dalam rangkaian regulator switching: penyaringan induktif untuk menghasilkan arus beban yang konsisten meskipun ada tindakan switching on/off; umpan balik dan PWM untuk mengatur tegangan.

Meskipun saklar beroperasi pada frekuensi tinggi, saklar ini masih menghabiskan sebagian besar waktunya dalam keadaan disipasi daya rendah (yaitu, keadaan hidup dan mati sepenuhnya). Inilah sebabnya mengapa regulator switching bisa jauh lebih efisien dibandingkan regulator linier.

Tentu masih banyak detail dan variasinya yang belum saya sebutkan, namun jika Anda memahami semua itu, Anda memiliki landasan yang kuat untuk mempelajarinya lebih lanjut.

Contoh Rangkaian Regulator Tegangan Switching : Buck Converter

Gambar 5 menunjukkan topologi dasar konverter buck, juga dikenal sebagai konverter step-down. Ia menggunakan operasi mode sakelar untuk mengurangi besarnya tegangan input DC. (Perhatikan bahwa, sebenarnya, ini bukan pengatur tegangan karena tidak mencakup subsistem umpan balik yang diperlukan untuk mempertahankan tegangan stabil meskipun kondisi beban bervariasi.)

Gambar 5. Contoh rangkaian pengatur tegangan switching: buck converter.