Perbandingan Power Supply Jenis Linear Dan Switching

Perbandingan Power Supply Jenis Linear dan Switching dari Segi Efisiensi dan Aplikasinya

Oleh: Nama: Angga Reza Fardana NIM:

03061004056

Mata Kuliah: Metode Penulisan Ilmiah Dosen: Ir. Hendra Martha Yudha, MSEE Tanggal: 15 Desember 2008

Perbandingan Power Supply Jenis Linear dan Switching dari Segi Efisiensi dan Aplikasinya

Pernyataan Thesis Power supply jenis switching lebih efisien dibandingkan jenis linear, serta memiliki aplikasi yang lebih banyak karena sifat outputnya yang lebih fleksibel.

Garis Besar I.

Penjelasan mengenai power supply dan jenis-jenis power supply A. Pengertian power supply B. Jenis-jenis power supply 1. Linear 2. Switching

II.

Pembahasan efisiensi power supply linear dan switching A. Efisiensi power supply linear B. Efisiensi power supply switching

III. Kelebihan & Kekurangan power supply linear dan switching dari segi aplikasinya A. Kelebihan & kekurangan power supply jenis linear B. Kelebihan & kekurangan power supply jenis switching

Perbandingan Power Supply Jenis Linear dan Switching dari Segi Efisiensi dan Aplikasinya

Berdasarkan definisi yang didapat dari Wikipedia (diambil 14 Desember 2008), power supply (catu daya) adalah alat elektronik/sistem yang memberikan pasokan tenaga listrik ke sebuah atau banyak beban elektronik. Dengan demikian, fungsi sebuah power supply adalah memberikan tegangan dan arus yang stabil, sesuai dengan yang dibutuhkan beban tersebut. Sebuah power supply juga harus mampu menangani permintaan daya oleh beban yang besarnya mungkin berubah-ubah terhadap waktu. Dalam paper ini, penulis mencoba menjelaskan hal-hal dan sifat apa saja yang dimiliki oleh power supply, kemudian

menganalisanya

untuk

membandingkan

tingkat

efisiensi

dan

aplikasinya. Ada 2 jenis power supply secara umum, yaitu power supply linear dan power supply switching. Menurut Brown (2001, hal 4), pada power supply jenis linear, tegangan keluaran yang dihasilkan lebih kecil daripada tegangan masukan. Brown kemudian menjelaskan bahwa power supply jenis ini bekerja dengan memanfaatkan sebuah pass transistor yang berfungsi menurunkan tegangan dan melepaskan kelebihan dayanya dalam bentuk panas. Dalam esensinya, pass transistor tersebut bekerja dengan menghantarkan arus listrik secara sebagian

demi sebagian (tidak menghantar penuh atau 100%). Selain jenis linear, ada pula power supply berjenis switching. Power supply jenis switching bekerja dengan memanfaatkan prinsip PWM (Brown,

2001, p21-22)

sehingga pada hakikatnya, power supply ini memutus dan

menyambungkan tegangan masukan DC menjadi pulsa-pulsa yang amplitudonya merupakan besar tegangan input dengan siklus kerja (duty cycle) yang diatur oleh pengendali regulator switching. Siklus kerja adalah lamanya sebuah sinyal berada pada kondisi tinggi (high) relatif terhadap periode sinyal PWM. Sekali diubah ke bentuk gelombang kotak AC, besarnya tegangan input dapat dinaikturunkan menggunakan sebuah transformator. Tegangan keluaran tambahan bisa dibuat dengan menambah lilitan sekunder pada transformator. Akhirnya gelombang-gelombang AC ini kemudian disaring untuk mendapatkan keluaran DC. Dengan demikian, transistor yang digunakan sebagai switching di sini bekerja dengan efisiensi teoritis 100%, karena hanya ada 2 kemungkinan keadaan, yaitu on 100% atau off. Hal ini berpengaruh pada efisiensi PSU switching yang akan dijelaskan di bagian selanjutnya dalam tesis ini. Ilustrasi umum diagram blok sebuah power supply switching dapat dilihat pada gambar di bawah ini (diambil dari ensiklopedia Wikipedia dengan entri Switched-mode power supply).

Berdasarkan gambar di atas, dapat kita lihat bahwa pertama kali, tegangan input (yang biasanya berupa arus bolak-balik atau AC) disearahkan

terlebih dahulu dan diratakan menggunakan low-pass filter. Kemudian, tegangan DC yang dihasilkan dipotong-potong dengan siklus kerja tertentu menggunakan PWM dan diumpankan ke transformator keluaran. Tegangan yang dikeluarkan oleh transformator ini kemudian disearahkan dan diratakan kembali menjadi tegangan keluaran dalam bentuk DC. Untuk menjaga kestabilan, tegangan keluaran ini diumpan-balik ke sebuah pengendali PWM (chopper controller) agar tegangan keluaran yang berasal dari transformator keluaran tetap terjaga besarnya. Kedua jenis power supply ini pada dasarnya memiliki fungsi yang sama seperti yang telah disebutkan sebelumnya, yaitu menyediakan pasokan daya bagi peralatan elektronik. Namun, apabila dilihat dari segi efisiensi kerjanya, akan terlihat bahwa power supply switching memiliki efisiensi kerja yang lebih tinggi (sehingga lebih hemat energi) dibandingkan power supply jenis linear. Daya merupakan perkalian antara beda potensial dengan arus yang melewati sebuah rangkaian elektronik. (Bird, 2003, hal. 15). Maniktala (2006, hal.5-6) menyebutkan bahwa pada setiap perhitungan yang melibatkan efisiensi, diketahui rumus umum efisiensi sebuah alat merupakan perbandingan daya keluaran terhadap daya masukan, yang secara matematis yaitu: η=

PO PIN

dengan PO sebagai daya keluaran dan PIN sebagai daya masukan pada alat. Ia juga menjelaskan bahwa daya yang dikeluarkan pada sebuah komponen secara definisi adalah perkalian V × I, dimana V adalah tegangan jatuh komponen tersebut serta I merupakan arus yang melewatinya. Selanjutnya, pada transistor

yang digunakan di PSU Linear, kedua nilai V dan I sebenarnya konstan (tetap) terhadap waktu, sehingga V = V IN − VO, dengan arus IO (karena transistor ini selalu seri dengan beban). Sehingga dapat kita lihat bahwa perkalian V × I merupakan daya yang dikeluarkan sebagai panas dan inilah yang menyebabkan rendahnya efisiensi PSU Linear. Di halaman 9, Maniktala mengilustrasikan sebuah contoh perhitungan efisiensi PSU linear. Diumpamakan tegangan masukan yang diberikan adalah sebesar 12 V. Jika tegangan keluaran yang dikehendaki adalah sebesar 5 V, maka pada arus beban 100 mA, pelepasan daya dalam bentuk panas pada PSU adalah ∆V × IO = (12 − 5) V × 100 mA = 700 mW. Akan tetapi, daya keluaran yang dapat

digunakan hanyalah sebesar V O × IO = 5V × 100 mA = 500 mW. Hal ini mengisyaratkan bahwa besar efisiensi PSU linear tersebut adalah P O/PIN = 500/(700 + 500) = 41.6%. Apabila kita meninjau cara kerja sebuah PSU switching, dapat kita lihat bahwa tidak seperti PSU linear yang memanfaatkan pass-transistor untuk menurunkan tegangan dengan pelepasan daya yang proporsional dengan beda tegangan input dan output, PSU switching menurunkan tegangan dengan memberikan keluaran yang merupakan rata-rata siklus kerja pengendali PWMnya, sehingga transistor yang digunakan sebagai pemotong tegangan input hanya bekerja di dua kondisi, yaitu hidup 100% dan mati (0%). Sangat kontras apabila dibandingkan dengan pass-transistor PSU linear yang memiliki kondisi hantaran (conductivity) berubah-ubah (diantara 0 sampai 100%). Hal ini mengindikasikan efisiensi yang secara teoritis adalah sebesar 100%.

Frekuensi PWM yang digunakan pada sistem PSU switching diusahakan setinggi mungkin, karena menurut Maniktala (2006, hal 3) hal ini bertujuan untuk mengurangi ukuran paket-paket energi, dan pada akhirnya juga ukuran komponen yang diperlukan untuk menyimpan dan mengirimkan paket-paket energi tersebut. Hal ini dapat turut meningkatkan efisiensi kerja sistem secara keseluruhan. Brown (1990, hal. 2) menyebutkan ada beberapa kelebihan dan kekurangan

power

supply

jenis

linear.

Menurutnya,

tiga

keuntungan

menggunakan PSU Linear, yaitu: 1. Kemudahan. PSU Linear biasanya tersedia dalam satu paket sehingga tidak diperlukan proses perancangan yang rumit. 2. Tidak atau sedikit menghasilkan derau (noise) pada outputnya. Selain itu, sistem PS linear memiliki waktu respon yang sangat singkat terhadap perubahan ukuran beban. 3.

Untuk keluaran lebih kecil atau sama dengan 10W, biaya komponen dan biaya pembuatannya lebih murah ketimbang regulator switching.

Selain itu, ada tiga kerugian menggunakan PSU Linear, yaitu: 1. Hanya dapat digunakan untuk menurunkan tegangan, sehingga tegangan masukan untuk power supply harus berada 2-3V di atas tegangan keluaran yang dikehendaki. 2.

Setiap PSU Linear hanya memiliki satu keluaran saja, diperlukan satu PSU untuk setiap tegangan keluaran.

3. Efisiensinya rendah. Umumnya PSU Linear memiliki efisiensi 30 sampai 60 persen. Hal ini membuat diperlukannya pendingin berbasis aluminium yang menambah biaya keseluruhan sistem. Selanjutnya, di halaman 3 terdapat beberapa kekurangan dan kelebihan PSU switching. Keuntungan menggunakan PSU Switching: 1. Efisiensi tinggi. Berkisar antara 60 sampai 90 persen, sehingga mengurangi kebutuhan akan pendingin yang besar serta mengurangi biaya pembuatan secara menyeluruh. 2. Dapat mempunyai lebih dari satu keluaran, karena sistem PSU menggunakan transformator yang dapat ditambah lilitan sekundernya. 3. Dapat digunakan untuk menurunkan ataupun menaikkan tegangan keluaran terhadap masukan. 4. Ukuran yang lebih kecil serta biaya yang lebih ekonomis pada daya yang lebih tinggi. Namun, disamping kelebihan-kelebihan seperti yang telah disebutkan di atas, ada pula kerugian menggunakan PSU Switching sebagai berikut. 1. PSU Switching lebih kompleks dibandingkan PSU Linear, sehingga perlu perencanaan. 2. Sejumlah derau (noise) dihasilkan dan dipancarkan ke lingkungan saat PSU beroperasi. 3. Waktu respon yang lebih lambat. Hal ini karena terdapat durasi tertentu ketika PSU memotong tegangan masukan sehingga waktu responnya lebih lambat dibandingkan PSU Linear.

PSU Linear dan Switching memiliki aplikasi yang berbeda satu sama lain. Perbedaan ini terletak pada daya keluaran yang diinginkan. Menurut Brown (2001, hal. 4-5), PSU Linear digunakan untuk sistem level-pcb berdaya rendah dimana sistem distribusi daya pada produk berubah-ubah dan keperluan catu pada beban bersifat terbatas. Juga digunakan pada rangkaian elektronik yang membutuhkan keluaran tegangan yang bersih dan tanpa gangguan derau seperti rangkaian

analog,

audio

(penguat

suara)

maupun

rangkaian-rangkaian

antarmuka. PSU ini juga digunakan untuk aplikasi yang menginginkan biaya keseluruhan yang minimal dan panas yang dihasilkan bukan merupakan masalah. PSU Switching digunakan untuk sistem yang memerlukan efisiensi tinggi dalam operasinya dan pengeluaran panas tidak diinginkan, misalnya pada alatalat portabel atau yang menggunakan baterai dimana masa pakai serta suhu dalam/luar adalah penting. Dari Wikipedia (28 Oktober 2008), beberapa aplikasi PSU Switching adalah: 1. Power Supply Komputer 2. Pesawat Terbang 3. Televisi 4. Charger Peralatan Elektronik Kesimpulan yang dapat ditarik dari tesis ini adalah bahwa PSU switching ternyata memiliki efisiensi yang lebih tinggi daripada PSU jenis linear, karena pada PSU switching, daya sampingan yang dikeluarkan dalam bentuk panas jauh lebih kecil dibandingkan pada PSU jenis linear. Dengan tingginya efisiensi PSU switching, aplikasi pada alat-alat elektronik mengarah lebih banyak kepada

penggunaan PSU jenis ini. Dapat dilihat pula bahwa PSU berjenis switching lebih menguntungkan dan lebih diminati untuk diaplikasikan sebagai sumber daya bagi alat-alat elektronik, karena efisiensinya yang lebih tinggi serta ketahanan yang lebih baik serta biaya yang lebih kecil untuk beban yang cukup besar.

Bibliografi Bird, J. (2003). Electrical and electronic principles and technology, 2nd ed. Oxford: Newnes. Brown, M. (1990). Practical switching power supply design . California: Academic Press. Brown, M. (2001). Power supply cookbook, 2nd ed. Oxford: Newnes. Coughlin, R. F. (2000). Penguat dan rangkaian tepadu linear, edisi kedua. Jakarta: Erlangga. Hellebuyck, C. (2008, September). Pulse width modulation. Nuts and Volts, 9, 1621. Maniktala, S. (2006). Switching power supplies A to Z. Oxford: Newnes. Rozenblat, L. (2007). Power supply. Available: http://www.smps.us/powersupply.html Rusmadi, D. (2001). Aneka catu daya (power supply). Bandung: Pionir Jaya. Wikipedia. (2008, Desember 14). Power supply. Available: http://en.wikipedia.org/wiki/Power_supply Wikipedia. (2008, Oktober 14). Linear regulator. Available: http://en.wikipedia.org/wiki/Linear_regulator Wikipedia. (2008, Oktober 28). Switched-mode power supply. Available: http://en.wikipedia.org/wiki/Switched-mode_power_supply Yuri, Rm. F. D. (1993). Teknik elektronika catu daya. Pekalongan: Bahagia.