Menggunakan Konverter DC/DC untuk Otomasi Industri

Elektronika daya adalah bidang teknik elektro yang berhubungan dengan sirkuit elektronik untuk mengubah dan mengontrol daya listrik. Ini adalah bidang yang sangat penting dengan aplikasi yang luas karena hampir setiap perangkat modern dilengkapi dengan beberapa bentuk sirkuit elektronika daya. Beberapa komponen elektronik yang paling umum digunakan untuk konversi daya adalah dioda, penyearah, transistor, thyristor, SCR (penyearah yang dikontrol silikon), dan MOSFET (transistor efek medan oksida logam).

Gambar 1 . Elektronika daya adalah elemen penting yang ada di hampir setiap peralatan listrik modern. Gambar digunakan atas izin Lab Skyfi

Konverter daya listrik dirancang untuk mengubah karakteristik utama daya listrik, seperti arus, frekuensi, dan tegangan. Secara alami, bentuk dasar, apakah arus bolak-balik (AC) atau arus searah (DC), adalah parameter kunci lainnya, yang juga dapat dimodifikasi dari input ke output.

Kemampuan ini memungkinkan sistem elektronika daya untuk mengatur berbagai variabel non-listrik, seperti suhu, kecepatan motor, dan frekuensi radio. Artikel ini berfokus pada konverter DC/DC, yang memiliki semua fitur yang dijelaskan sebelumnya, dengan perbedaan utama adalah bentuk daya listrik selalu DC.

Apa itu Konverter DC/DC?

Konverter DC/DC mengambil daya dalam bentuk DC dan mengeluarkan tingkat tegangan yang dimodifikasi sambil tetap dalam bentuk DC. Tegangan output bisa lebih tinggi atau lebih rendah dari input. Mereka juga biasa dikenal sebagai regulator tegangan. Perangkat ini mengatur keluaran dari sumber daya yang mungkin tidak stabil atau konstan, seperti yang terdapat pada sistem yang dioperasikan dengan baterai.

Konverter DC/DC biasanya dinilai berdasarkan tegangan dan arus input dan output. Meskipun banyak konverter memiliki peringkat keluaran tetap, beberapa memungkinkan penyesuaian keluaran dalam suatu rentang. Sebagian besar konverter menghitung dengan satu keluaran, tetapi ada juga opsi dengan keluaran ganda dan ganda. Berdasarkan fungsi utamanya, dapat terdiri dari induktor, dioda, penyearah, dan filter.

Gambar 2. Konverter DC/DC berdaya tinggi banyak digunakan dalam sistem angkutan massal. Gambar digunakan atas izin Mutlak

Untuk proses yang efisien, rangkaian pengatur tegangan menggunakan elektronika daya untuk mengurangi kebisingan dan mempertahankan keluaran yang konstan. Regulator yang dirancang dengan baik memiliki peringkat efisiensi 90% atau lebih, yang merupakan pertimbangan penting untuk mengurangi kehilangan daya dan pembuangan panas.

Topologi Konverter DC/DC

Konverter DC/DC dapat diklasifikasikan menjadi dua kelompok utama:linier dan switching.

Perangkat regulator linier berfungsi mirip dengan pembagi tegangan, mempertahankan tegangan konstan yang dimodifikasi pada output. Kerugian utama dari regulator ini adalah inefisiensi, karena hampir semua perbedaan antara input dan output yang diatur hilang sebagai panas terbuang. Di sisi lain, regulator switching bekerja lebih efisien dengan menyalakan dan mematikan output sesuai kebutuhan daripada secara permanen pada output.

Ada dua jenis utama konverter switching DC/DC:terisolasi dan tidak terisolasi.

Yang terakhir ini digunakan terutama ketika perubahan tegangan antara input dan output relatif kecil. Input dan output tidak terisolasi satu sama lain karena mereka memiliki kesamaan. Sebaliknya, konverter terisolasi dirancang untuk memisahkan input dari output secara fisik, memberikan perlindungan yang lebih tinggi terhadap interferensi dan memasok output yang lebih andal. Berikut adalah beberapa jenis konverter yang paling umum di setiap kategori.

Tidak Terisolasi

• Konverter step-up :Juga dikenal sebagai konverter boost, output tegangan perangkat ini sama atau lebih tinggi dari input sambil menjaga polaritas yang sama. Perangkat ini bekerja dengan menyimpan energi dalam induktor (L), yang dibiarkan mengalir ke output berdasarkan biasing dioda (D) yang dikendalikan oleh sakelar (S).

Gambar 3. Animasi boost converter. Gambar digunakan atas izin Marino108LFS [ CC BY-SA ]

• Konverter step-down: Juga dikenal sebagai buck converter, tegangan output sama dengan atau lebih rendah dari input. Perbedaan utama antara ini dan konverter boost adalah penempatan dioda dan induktor. Dalam hal ini, ketika sakelar (S) mati, rangkaian ekivalen yang dibentuk oleh dioda (D) dan induktor (L) memungkinkan energi yang tersimpan mengalir ke output.
• Konverter peningkatan pendapatan :Perangkat ini menghasilkan tegangan keluaran yang dapat lebih rendah, sama dengan, atau lebih besar dari tegangan masukan. Mereka menawarkan kemampuan untuk membalikkan polaritas, aplikasi umum. Sirkuit ini merupakan kombinasi dari konverter buck dan boost.

Gambar 4. Perbandingan konverter buck, boost, dan buck-boost. Gambar digunakan atas izin Cyril Buttay

Terisolasi

• Konverter flyback :Beroperasi mirip dengan konverter buck-boost, tetapi transformator menyimpan energi sebagai gantinya. Trafo menyediakan isolasi antara input dan output.
• Konverter maju :Serupa dengan konverter flyback, tetapi langkah transformasi ditempatkan terlebih dahulu, diikuti dengan konversi buck-boost tradisional.

Aplikasi Otomasi Industri

Seperti disebutkan, konverter DC/DC memiliki berbagai aplikasi, termasuk otomasi industri. Sejumlah besar perangkat lapangan membutuhkan daya suplai 24V. Misalnya, panel listrik dilengkapi dengan konverter step-down DC/DC yang menurunkan tegangan dari catu daya utama. Beberapa perangkat medan tidak hanya memerlukan level tegangan ini tetapi juga cukup sensitif untuk membutuhkan pasokan energi yang bersih dan stabil, yang merupakan alasan lain untuk mengintegrasikan konverter.

Gambar 5. Konverter DC/DC terisolasi dari Phoenix Contact. Gambar digunakan atas izin Kontak Phoenix

Ada banyak aplikasi otomatisasi bertenaga baterai di mana sangat penting untuk mengintegrasikan konverter DC/DC untuk mempertahankan catu daya konstan ke perangkat kecil. Saat baterai habis, level tegangan secara bertahap turun. Tegangan baterai juga dapat turun secara tiba-tiba karena permintaan energi yang tinggi secara tak terduga ke peralatan yang dikendalikan. Mesin otomatis bergerak, seperti robot bergerak otonom (AMR) dan kendaraan berpemandu laser (LGV), adalah contoh robot bertenaga baterai yang memerlukan konverter DC/DC untuk menjamin suplai daya yang stabil ke pengontrol logika yang dapat diprogram (PLC) dan lainnya perangkat kontrol.