KARAKTERISTIK PULSE WIDTH MODULATION (PWM) IC TL494. SEBAGAI KONTROL SWITCHING POWER SUPPLY

POLITEKNOSAINS VOL. XII NO. 2

September 2013

KARAKTERISTIK PULSE WIDTH MODULATION (PWM) IC TL494. SEBAGAI KONTROL SWITCHING POWER SUPPLY Salechan Teknik Elektro Politeknik Pratama Mulia Surakarta, Indonesia

ABSTRACT PWM signal generally has the amplitude and frequency of regular basis , but has a pulse width that varies PWM pulse width is proportional to the amplitude of the original signal is not modulated . That is, the PWM signal has a fixed frequency , but the duty cycle varies between 0 % to 100 % . PWM is a technique to get the analog signal from a digital device . Actual PWM signal can be generated in many ways , the use of analog IC op - amps or digitally . In analog PWM his every change is very subtle , while digitally influenced by any change of PWM PWM resolution itself. Resolution is the number of variations of the change in the value of the PWM . Suppose one has a resolution of 8 bit PWM , PWM means it has a variety of changes in the value of as much as 256 variations ranging from 0-225 that represents the change in value of duty cycle 0 % - 100 % of the PWM output. Key words, analog PWM Latar Belakang Dengan berkembangnya Teknologi elektronika yang demikian cepatnya, maka makin berkembang pula aplikasi elektronika yang ada. Peralatan elektronika yang menggunakan banyak transistor pun semakin ditinggalkan. Perkembangan teknologi Elektronika pabrik-pabrik semikonduktor membuat suatu komponen dengan kemasan yang kompak dan kecil disertai dengan fungsi-fungsi tertentu. Kemasan demikian disebut Integrated Circuit (IC). Maka perlunya memahami karakteristik sebuah IC sebelum menerapkan dalam aplikasi sehingga Basic dvice Karakteristik Pulse…

memudahkan dalam perancangan maupun mendapatkan hasil yang maksimal. Pendahuluan Monolithic integrated circuits untuk kontrol switching switching power supply sudah tersebar luas mulai dikenalkan sejak Tahun Tahun 1970. TL494 banyak fitur atau kombinasi yang sebelumnya diperlukan beberapa rangkaian kendali yang berbeda. Tujuan tulisan aplikasi ini akan adalah memberi pembaca suatu pemahaman yang saksama dari TL494, fiturnyanya,, capaiannya, karakteristik, dan pembatasannya.

39


Gambar 1 Diagram blok TL 494 Disain dari TL494 yang tidak hanya menyertakan blok diagram untuk keperluan pengendalikan atau menswitch Power Supply, tetapi juga menunjukan banyak permasalahan dan mengurangi jumlah rangkaian dasar tambahan yang diperlukan di dalam disain lengkap. Gambar 1 adalah suatu diagram blok TL494. Prinsip Operasi TL494 adalah suatu Rangkaian kontrol fixed-frequency pulse-width-modulation ( PWM). Keluaran pulsa Modulasi akan Sinyal kontrol diperoleh dari dua sumber: Dead-time ( off-time) rangkaian kontrol dan Penguat error. Dead-Time input kontrol dibandingkan secara langsung oleh dead-time kontrol pembanding. Pembanding ini telah ditetapkan oleh suatu offset 100-mV. Dengan dibiaskannya masukan kendali ke ground, Keluaran sawtooth waveform selamanya tidak akan di bawah 110 mV. Sediakan lebih dulu waktu mati ditetapkan kira-kira 3%, Karakteristik Pulse…

September 2013

terpenuhi dengan membandingkan sawtooth dari bentuk gelombang yang di bangkitkan oleh internal osilator berdasarkan besaran kapasitor Timing ( CT) dengan dua sinyal kendali. Langkah keluaran adalah yang dimungkinkan selama ketika sawtooth voltase adalah lebih besar dibanding tegangan isyarat kendali. Ketika peningkatan sinyal kendali, yang mana Selama sawtooth masukan adalah lebih besar dari pengurangan; maka , keluaran pulsa durasasi waktu berkurang. Pulse-steering flip-flop yang secara berurutan mengarahkan pulsa yang yang diatur oleh masingmasing keluaran kedua transistor. Gambar 2 adalah hubungan antara pulsa dan sinyal.

Gambar 2.. Teknik Modulasi TL 494. itu adalah waktu mati yang minimum yang dapat diprogramkan. PWM, pembanding akan membandingkan sinyal kendali yang dibangkitkan oleh penguat kesalahan. Satu fungsi dari penguat kesalahan adalah akan memonitor voltase keluaran dan menyediakan gain yang cukup dalam millivolt untuk kesalahan pada masukannya yang mengakibatkan suatu amplitudo sinyal kendali cukup untuk menyediakan kontrol modulasi 100%, Penguat error juga 40


September 2013

dapat digunakan untuk memonitor arus keluaran dan membatasi arus beban. Reference Regulator TL494 internal 5-V reference regulator ditunjukkan pada Gambar3. Sebagai tambahan adalah menyediakan suatu acuan stabil, yang berfungsi sebagai suatu preregulator dan menetapkan suatu persediaan stabil dari output-control logika, pulse-steering flip-flop, oscillator, dead-time kontrol pembanding, dan PWM comparator sebagai power. Regulator akan membuat suatu rangkaian band-gap bekerja sebagai acuan yang utamanya adalah untuk memelihara yang berkenaan dengan panas yang beroperasi di udara bebas variasi temperatur cakup 0C sampai 70C stabilitas dibawah 100-mV . Short-circuit protection digunakan untuk melindungi acuan internal dan preregulator, Untuk Arus beban 10 mA perlu rangkaian bias tambahan. Acuan internal yang diprogramkan ke ketelitian awal ± 5% dan memelihara stabilitas kurang dari 25-mV variasi di atas untuk cakupan voltase masukan 7 V sampai 40 V.

Gambar 4. Tegangan Referinsi VS Tegangan Input Oscillator Untuk schematic TL494 osilator internal ditunjukkan pada Gambar 5. Osilator menghasilkan sawtooth gelombang positif menuju dead-time dan PWM Komparator untuk perbandingan berbagai sinynal kontrol.

Gambar 5. Schematic InternalOscillator

Gambar 3. 5-V Referinsi Regulator Karakteristik Pulse…

Frekwensi Operasi Frekwensi osilator diprogramkan dengan menentukan nilai komponen timing yaitu R T 41


dan C T. Beban osilator adalah kapasitor timing eksternal , C T, dengan arus tetap nilainya adalah ditentukan oleh pemilihan resistor timing eksternal, R T. Hasilnya adalah suatu voltase bentuk gelombang linear-ramp Ketika voltase across C T sampai 3 V, rangkaian osilator discharges dan charging siklus diaktipkan kembali. Aliran Arus ditentukan oleh rumusan: ICHARGE = 3 V/RT Periode dari bentuk gelombang sawtooth adalah: T = (3 V CT)/ICHARGE Frekwensi dari osilator menjadi: fOSC = 1/(RT CT) Bagaimanapun, hanya untuk aplikasi single-ended frekwensi osilator sama dengan frekwensi keluaran . Karena aplikas i push-pull frekwensi keluaran adalah one-half frekwensi osilator. Aplikasi Single-ended: f = 1/(R T × C T ) Push-Pull aplikasi: f = 1/(2R T × C T ) Programmable Osilator adalah pada ring 1 kHz sampai 300 kHz.Nilai praktek dari RT dan CT adalah pada ring 1K sampai 500K dan 470 pF sampai 10 uF. Alur dari frekwensi osilator terhadap R T dan CT ditunjukkan pada Gambar 6. Stabilitas dari osilator pada udara bebas temperature dari 0C sampai 70 C untuk berbagai cakupan R T dan C T juga ditunjukkan pada Gambar 6.

September 2013

Gambar 6. Frekwensi osilator VS RT/CT Operasi Di atas 150 kHz Pada operasi frekwensi150 kHz, periode dari osilator adalah 6.67 µ s. waktu mati yang dibentuk oleh offset internal dari dead-time pembanding (~3% periode) menghasilkan pulsa kosong 200 ns. ni menjadi pulsa kosong yang minimum yang bisa diterima untuk memastikan yang sesuai menswitch dengan pulsa steering flip-flop. Karena frekwensi di atas 150 kHz, waktu mati tambahan ( di atas 3%) adalah yang disajikan secara internal di gunakan untuk memastikan sesuai dengan triger dan pulsa kosong steering internal flip-flop.

Gambar 7. Variasi of Dead Time vs R T /C T

Karakteristik Pulse…

42


Dead-Time Control/PWM Comparator Fungsi dari dead-time kontror pembanding dan PWM pembanding dijadikan satu dengan rangkaian single comparator ( lihat Gambar 8). Dua fungsi secara total independent oleh karena itu, masingmasing fungsi dibahas secara terpisah.

Gambar 8. Dead-Time Control/PWM Comparator Dead-Time Control Dead-Time masukan kontrol menyediakan kendali dari dead time minimum ( off time). Keluaran pembanding menghalangi transistor switching Q1 dan Q2 saat voltase masukan lebih besar dibanding voltase dari osilator. Offset internal 110 mV memastikan dead time minimum ~ 3% dengan dead-time kendali input mengground. Penerapan suatu voltase kepada dead-time kontrol masukan dapat memaksakan waktu mati tambahan. Ini menyediakan kendali yang linier waktu mati sat minimum 3% sampai 100% ketika voltase masukan bervariasi dari 0 V sampai 3.3 V, berturut-turut. Dengan penuh ring kendali, keluaran dapat dikendalikan Karakteristik Pulse…

September 2013

dari sumber eksternal tanpa mengganggu error amplifier. DeadTime kontrol masukan adalah suatu masukan secara relatif highimpedance ( II< 10 µ A) dan harus digunakan jika kendali duty cycle tambahan keluaran diperlukan. Bagaimanapun, karena kendali sesuai, masukan harus diakhiri. Rangkaian terbuka adalah tak dapat tergambarkan kondisinya. Comparator Comparator dibias dari 5-V referensi Regulator. disini mengesolir dari masukan supply untuk peningkatan stabilitas. Masukan dari pembanding tidak memperlihatkan histeresis, maka proteksi berlawanan terhadap triger threshold perlu disediakan. Pembanding telah merespon time 400 ns dari manapun control-signal masuk sampai keluaran transistor , dengan hanya 100 mV alat penambah kecepatan. untuk memastikan hal keluaran sinyal kontrol di dalam one-half untuk operasi di dalam 300-kHz yang direkomendasikan. Pulse-Width Modulation (PWM) Pembanding juga menyediakan kendali modulasi keluaran pulsa lebar. Untuk ini, ramp voltase pemilihan timing kapasitor CT dibandingkan dengan isyarat kendali keluaran dari amplifier kesalahan. pemilihan timing kapasitor Masukan menyertakan rangkaian dioda yang dihilangkan dari sinyal kontrol masukan. Ini memerlukan sinyal kontrol ( keluaran amplifier kesalahan)menjadi ~ 0.7 V lebih besar dibanding voltase CT untuk menghalangi logika keluaran, dan memastikan duty cycle 43


maksimum operasi tanpa menuntut voltase kendali untuk turun sampai potensi ground. Keluaran lebar pulsa bervariasi dari 97% periode 0 ketika voltase keluaran error amplifier bervariasi dari 0.5 V sampai 3.5 V, berturut-turut. Error Amplifiers Scema rangkaian error amplifier ditunjukkan pada Gambar 9. Both high-gain error amplifier menerima bias dari VI supply rel. common-mode voltase input terbentang dari – 0.3 V sampai 2 V kurang dari VI. Mengijinkan masingmasing amplifier untuk menarik keatas dengan bebas untuk keluaran yang menurun permintaan pulsewidth . Dengan kedua-duanya keluaran bersama-sama di masukan membalik pada pembanding PWM, amplifier menaikkan pulsa yang minimum mendominasi keluar. amplifier Keluaran yang menurun oleh current sink untuk menyediakan pulsa lebar maksimum ke luar ketika kedua-duanya amplifier dibiaskan off.

September 2013

pergeseran gain-control dan rangkaian interface external-control. Sebab keluaran amplifier bergeser turun melalui current sink ( I sink= 0.3 mA), arus penyimpangan yang diperlukan oleh rangkaian eksternal ke terminal umpan balik harus tidak melebihi kemampuan dari current sink . Cara lainnya,membatasi maksimum keluaran lebar pulsa . Gambar 11 adalah teknik penyimpangan yang sesuai untuk umpan balik gain control.

Gambar 10. Multiplex Structure of Error Amplifiers

Gambar 9. Error Amplifiers

Gambar 11. -Configurasi Bias Error-Amplifier untuk Aplikasi Gain Controlled

Gambar 10 menunjukan struktur keluaran dari amplifier yang beroperasi pada 300-µA current sink. Perhatian node bias untuk

Output-Control Logic Output-Control logik adalah digunakan untuk keperluan unjuk kerja beraneka macam tambahkan


44


September 2013

kendali eksternal. yang dirancang baik Untuk push-pull maupun aplikasi single-ended, capaian sirkit dapat dioptimalkan dengan pemilihan kondisi-kondisi yang sesuai untuk berbagai masukan kendali. Keluaran Kendali Output-Control masukan menentukan apakah transistor keluaran beroperasi paralel atau push-pull. Masukan ini menjadi sumber power flip-flop pulsesteering ( lihat Gambar 14). OutputControl masukan adalah asynchronous dan mempunyai kendali langsung pada keluaran, tidak terpengaruh pada osilator atau flipflop pulse-steering. Kondisi masukan dimaksudkan untuk ditetapkan perbaiki kondisi yang dilukiskan oleh aplikasi. Karena operasi paralel, output-control masukan harus di grounkan.mendesibelkan flip-flop pulse-steering dan menghalangi keluaran nya. pada model ini, pulsa melihat keluaran dari dead-time control/PWM comparator dikirim oleh kedua-duanya transistor keluaran paralel. Karena operasi push-pull , output-control masukan harus dihubungkan dengan internal 5-V acuan Regulator. Di bawah kondisi ini, masing-masing transistor keluaran dimungkinkan, secara berurutan, dengan flip-flop pulsesteering. Tabel fungsi


Gambar 14. Arsitektur OutputSteering Pulse-Steering Flip-Flop Pulse-steering flip-flop adalah suatu D-Type flip-flop positive-edge-triggered yang berubah status secara synchronous dengan peningkatan tepi keluaran pembanding ( lihat Gambar 14). waktu mati kosong selama periode ini untuk memastikan melawan terhadap kemungkinan dalam keduaduanya keluaran terpasang, secara serempak, sepanjang transisi dari keluaran pulse-steering flip-flop. Menurut bagan untuk pulse-steering flip-flop ditunjukkan dalam Gambar 15. Karena flip-flop menerima picu dari keluaran pembanding, bukan osilator, keluaran selalu beroperasi push-pull. flip-flop tidak berubah status kecuali jika suatu pulsa keluaran terjadi dalam periode sebelumnya osilator. Arsitektur ini mencegah yang manapun keluaran dari pulsa ganda, hanyalah membatasi aplikasi 45


September 2013

control-signal sumber ke dc sinyal umpan balik tambahan.

Gambar 16. Transistor

Struktur

Output-

Contoh Desain

Gambar 15. Pulse-Steering FlipFlop Output Transistors Dua transistor keluaran pada TL494. keluaran Struktur ditunjukkan dalam Gambar 16. Both transistor adalah configurasi open collector/open emitter, dan masingmasing adalah untuk mampu saturasi atau sourcing sampai kepada 200 mA. Transistor mempunyai u voltase kejenuhan kurang dari 1.3 V pada emiter bersama configurasi dan kurang dari 2.5 V pada configurasi pengikut emiter. Keluaran melindungi power berlebihan untuk mencegah kerusakan, tetapi tidak mempekerjakan pembatasan, hanya cukup untuk mengijinkan untuk dioperasikan untuk keluaran currentsource.


Contoh Desain menggunakan TL494 untuk membuat suatu Power supply 5-V/10-A . Disain ini adalah didasarkan pada parameter berikut :

Input Power Source 32-V dc sumber Power untuk supply ini menggunakan masukan 220-V , keluaran trafo lilitan sekunder 24-V 75 VA. 24-V memberi makan suatu penuh dengan penyearah full-wave bridge currentlimiting resistor ( 0.3.) dan dua kapasitor filter ( lihat Gambar)

46


September 2013

keluaran voltase dan Arus ditentukan dengan persamaan berikut:

Gambar 17 Input Power Source

Gambar 18. Contoh Rangkaian switching Control Circuits

Oscillator

Menghubungkan resistor dan kapasitor eksternal ke pin 5 dan 6 kontrol osilator frekwensi TL494. Osilator mulai beroperasi pada 20 kHz, menggunakan nilai-nilai komponen yang dihitung dengan persamaan berikut :


47


Error Amplifier Error Amplifier bandingkan suatu contoh dari keluaran 5-V dengan

September 2013

acuan dan melakukan penyesuaian PWM untuk memelihara arus keluaran tetap ( lihat Gambar ).

Gambar 19. Error-Amplifier Section TL494 5-V internal referensi dibagi untuk 2.5 V oleh R3 dan R4. tegangan Kesalahan sinyal juga dibagi untuk 2.5 V oleh R8 dan R9. Jika keluaran harus diatur untuk persisnya 5.0 V, 10-k. potensiometer dapat digunakan sebagai pengganti R8 untuk mengatur penyesuaian.

balikkan masukan inverting melalui R7, reducing gain sampai 100. Current-Limiting Amplifier power supply dirancang untuk load Arus 10-A dan suatu IL swing 1.5 A; oleh karena itu,short-circuit arus seharusnya:

Untuk meningkatkan stabilitas dari rangkaian error-amplifier, keluaran dari error amplifier diumpan-

Gambar 20. Rangkaian Current-Limiting \ Resistor R1 dan R2 menetapkan inverting current-limiting amplifier. acuan sekitar 1 V pada masukan Resistor R11, secara seri dengan Karakteristik Pulse…

48


beban, berlaku 1 V untuk terminal yang noninverting dari currentlimiting amplifier ketika arus beban menjangkau 10 A. -Pulse Output lebar dikurangi

September 2013

rangkaian soft-start yang secara relatif sederhana dapat ( lihat Gambar 21).

maka. Nilai R11 adalah:

Soft Start and Dead Time Untuk mengurangi tekanan pada transistor switching pada sat memulai, start-up surge yang terjadi ketika output filter beban kapasitor harus dikurangi. Ketersediaan dari dead-time kendali dari implementasi Rangkaian Soft-Start mengijinkan lebar pulsa di keluaran meningkat secara pelan-pelan ( lihat Gambar ) dengan penerapan serong negatif bentuk gelombang dead-time input kontrol pada (pin 4). Pada awalnya, kapasitor C2 memaksa dead-time kendali masukan untuk mengikuti 5-V Regulator mendesibelkan keluaran ( 100% waktu off). Ketika beban biaya kapasitor melalui R6, keluaran lebar pulsa pelan-pelan meningkat sampai loop kendali mengambil perintah. Dengan suatu perbandingan resistor 1:10 untuk R6 dan R7, voltase pada pin 4 setelah memulai adalah 0.1× 5 V, atau 0.5 V.

Gambar 21 Soft-Start Circuit

Kemudian Nilai dari ditentukan oleh:

kapasitor

Kalkulasi Induktor

Gambar 22. Dasar switching Ukuran dari induktor ( L) yang diperlukan adalah:

Soft-Start time biasanya adalah di sekitar ring 25 sampai 100 jam. Jika 50 jam beredar pada 20-kHz switching rate adalah terpilih, softstart waktu adalah: Kalkulasi Kapasitansi Keluaran


49


Sekali ketika filter induktor telah dihitung, nilai dari filter kapasitor keluaran dihitung untuk sesuai kebutuhan tegangan riak keluaran kapasitor elektrolitik dapat digunakan sebagai rangkaian koneksi dari induktans,resistansi , dan kapasitansi. Untuk menyediakan filter yang baik, frekwensi ripel harus jauh di bawah frekwensi di mana rangkaian induktans menjadi penting. Maka, dua komponen menjadi kapasitansi dan rangkaian yang efektif Resistor ( RSE). RSE Yang maksimum dihitung menurut hubungan antara peak-to-peak yang yang ditetapkan voltase ripel dan peak-to-peak ripel sekarang.

September 2013

voltase riak kurang dari 100-mV sasaran disain dihitung menurut penyamaan berikut :

Suatu 220-mF, 60-V kapasitor terpilih sebab mempunyai suatu RSE yang maksimum 0.074. dan arus riak maksimum 2.8 A. Kalkulasi Transistor Power-Switch Transistor Power switch dibangun dengan Transistor pnp Nte153 sebagai transistor pengemudi dan suatu Transistor npn Nte331 sebagai transistor keluaran . Dua alat power ini dihubungkan di dalam suatu Rangkaian pnp hybrid Darlington bentuk configurasi ( lihat Gambar ).

kapasitansi Yang minimum C3 yang diperlukan untuk memelihara VO

Gambar 23. Bagian Power-Switch Karakteristik Pulse…

50


Gambar Bagian Power-Switch Rangkaian Hybrid Darlington harus memenuhi arus keluaran IO maksimum+ . IL/2 atau 10.8 A. Darlington hFE pada 10.8 A adalah Suatu kebutuhan cukup tinggi tidak untuk melebihi 250-mA maksimum arus kolektor keluaran TL494. NTE153 Diterbitkan yang didasarkan pada NTE331 spesifikasi, powerswitch yang diperlukan minimum dihitung oleh berikut menjadi 144 mA :

September 2013

[2] Tobing, Bonggas L, 2003., Dasar Teknik Pengujian Tegangan Tinggi, Penerbit PT Gramedia Pustaka Utama, Jakarta, [3]

Denicolai, Marco, 2001 Tesla Transformer

for

Experimentation and Research, HELSINKI UNIVERSITY OF TECHNOLOGY. [4] M. Rashid, 1993, Elektronika Daya, Rangkaian, Devais Dan Aplikasinya.

Jilid

1,

PT.

Prenhallindo, Jakarta,. [5] Malvino, 1984, Prinsip-Prinsip Elektronik, Penerbit Erlangga, Jakarta [6] Sidik, Fajar, 2006., Soft Starting yang didasarkan pada kalkulasi Ini, nilai resistor standard yang paling dekat adalah 220. terpilih untuk R10.

dan Dinamic Braking Motor Induksi Tiga Fasa, Universitas Diponegoro

Kesimpulan

[7] Parsumo R., 1997, Elektronika

1. Dengan memahami karakteristik sebuah IC maka akan memudahkan dalam perancangan aplikasi 2. Untuk mendapatkan hasil yang maksimal dalam aplikasi maka diperlukan .memahami karakteristik sebuah IC.

Daya,

Politeknik

Negeri

Semarang, [8] Rashid .M, 2000,

Power

Electronics Circuit, Device, and Aplication 2nd, PrenticeHall International.

Referensi [1] Abduh, Syamsir, 2001, Teknik Tegangan

Tinggi,

Penerbit

Salemba Teknik, Jakarta,. Karakteristik Pulse…

51

KARAKTERISTIK PULSE WIDTH MODULATION (PWM) IC TL494. SEBAGAI KONTROL SWITCHING POWER SUPPLY

Recommend Documents