Pengembangan AVR Efisien Menggunakan ASIC GreenPAK Terprogram
Automatic Voltage Regulators (AVR) modern semakin bergantung pada kontrol digital, namun solusi hemat biaya dan kompak yang ditawarkan oleh ASIC mixed-signal terprogram—seperti GreenPAK SLG46537V Dialog Semiconductor—membuktikan nilai khusus untuk unit AVR portabel.
AVR, sering disebut stabilisator tegangan, mempertahankan tegangan output yang stabil dengan mengkomensasi fluktuasi suplai. Mereka integral untuk generator di kapal, sistem darurat, dan rig minyak, serta melindungi perangkat konsumen seperti AC dan pendingin dari irregularitas tegangan.
Untuk utilitas, regulasi tegangan yang akurat di seluruh jaringan distribusi esensial untuk kualitas daya. Di wilayah seperti Asia Selatan, tantangan seperti pencurian listrik dan kekurangan generasi dapat memicu load shedding dan goyangan tegangan, membuat AVR portabel menjadi pengaman yang populer.
Desain AVR tradisional menggunakan autotransformer bertap dengan loop feedback yang dikendalikan relai. Rangkaian biasanya terdiri dari unit sensing yang memantau tegangan input dan output serta unit regulasi yang mendorong relai untuk memilih tap transformer yang tepat. Secara historis, feedback ini diimplementasikan dengan IC op-amp dan komparator analog; desain yang lebih baru menggunakan mikrokontroler 8-bit. Namun, platform GreenPAK menyediakan fungsionalitas setara dengan biaya dan footprint lebih rendah, menghilangkan kebutuhan akan firmware MCU terpisah.
Dalam bagian-bagian berikut, kami menjelaskan bagaimana SLG46537V dapat dikonfigurasi sebagai pengontrol AVR, menyajikan arsitektur sistem lengkap, dan berbagi hasil eksperimental dari prototipe.
Arsitektur Sistem
Gambar 1 menunjukkan diagram blok AVR. Output AC dikondisikan ke level DC yang sesuai untuk GreenPAK, yang kemudian mendorong relai elektromekanis untuk memilih tap autotransformer yang sesuai. Pengontrol juga menyuplai rangkaian pengendara relai dan menyediakan indikator status LED.
Gambar 1: Diagram blok fungsional (sumber: BarqEE)
Spesifikasi kunci AVR adalah:
- Tegangan input: 125 V – 240 V
- Output terregulasi: 200 V – 240 V
- Perlindungan under-voltage (<180 V) dan over-voltage (>255 V) memutus output.
- Empat relai elektromekanis mendorong tap autotransformer (135 V, 174 V, 196 V, 220 V) dan relai keamanan.
- Bentuk gelombang dan frekuensi output sama dengan input.
- Desain pengontrol hemat biaya.
- Indikator LED untuk status normal, over-voltage, dan under-voltage.
Parameter ini dapat disesuaikan dalam firmware GreenPAK untuk aplikasi lain.
Implementasi Fungsional
Gambar 2: Arsitektur AVR detail (sumber: BarqEE)
Kondisi Daya
AC live di-step down ke 12 V dan kemudian di-regulasi ke 5 VDC untuk menyuplai GreenPAK.
Pemantauan Tegangan
Output AC (Live_out) di-attenuate, di-rectify, dan di-filter untuk menghasilkan referensi DC stabil (Vsense). Faktor skala 0.01 mengonversi 200 VAC menjadi ~2 VDC, sesuai dengan rentang input IC.
Kontrol GreenPAK
Vsense memberi makan komparator dan state machine GreenPAK. Output digital mendorong pengendara relai berbasis transistor dan LED status LED. Skema konfigurasi IO GreenPAK ditunjukkan dalam Gambar 3.
Gambar 3: Skema desain GreenPAK (sumber: BarqEE)
Pengaktuasi Relai
Tiga relai (RL1–RL3) mengalihkan input transformer antara empat tap. Relai keempat (RL4) memutus output di bawah kondisi perlindungan.
Desain Logika GreenPAK
File GreenPAK Designer tersedia di sini (unduhan gratis).
Gambar 4: Finite state machine lima-state (sumber: BarqEE)
FSM mengontrol pemilihan relai: setiap state memetakan ke rasio tap autotransformer tertentu, seperti diringkas dalam Tabel 1.
Tabel 1: Rasio tap autotransformer per state (sumber: BarqEE)
| State | Rasio tap |
|---|
| 0 | 220/135 ≈ 1.63 |
| 1 | 196/135 ≈ 1.45 |
| 2 | 220/174 ≈ 1.26 |
| 3 | 196/174 ≈ 1.13 |
| 4 | 220/220 = 1 |
Transisi state terjadi ketika tegangan output yang dirasakan keluar dari rentang 200 V–240 V. Delays ≈ 0,5 s mencegah chattering relai selama excursion transient.
Over-voltage dan under-voltage terdeteksi oleh komparator ACMP2 dan ACMP3. Setelah debounce 50 ms, logika menonaktifkan RL4 dan mengaktifkan LED yang sesuai.
Validasi Eksperimental
Pengaturan Hardware
Gambar 6: Rangkaian uji prototipe (sumber: BarqEE)
Rangkaian uji menggunakan Variac untuk menyalin tegangan input, oscilloscope untuk menangkap gelombang, dan papan pengembangan GreenPAK untuk menggerakkan relai.
PCB dan Rangkaian Relai
Gambar 7: Tata letak PCB (sumber: BarqEE)
Papan ini menjadi rumah pengendara relai, BJT, dan komponen pendukung.
Metrik Performa
- Beban: 450 VA – 550 VA
- Tegangan input: 125 V – 240 V
- Tegangan output: 200 V – 240 V
- Frekuensi: 50 Hz – 60 Hz
- Resistansi isolasi: > 5 MΩ
- Waktu respons: 10 ms – 15 ms
- Kenaikan suhu transformer: 65 °C – 70 °C pada beban rated 1,2×
- Efisiensi: > 95 %
- Rentang suhu sekitar: –40 °C hingga 0 °C
Analisis Gelombang
Gambar 8: Hasil oscilloscope kuantitatif (sumber: BarqEE)
AVR melacak tegangan input dan mempertahankan output dalam rentang target dengan mengcyc melalui tap relai.
Gambar 9: Regulasi normal (sumber: BarqEE)
Ketika input naik menuju batas atas, AVR beralih ke rasio tap terendah (1,00) untuk mengembalikan output ke 200 V–240 V.
Gambar 10: Mendekati over-voltage (sumber: BarqEE)
Selama excursion over-voltage, RL4 terbuka dan output runtuh, melindungi beban.
Gambar 11: Perlindungan over-voltage (sumber: BarqEE)
Perlindungan analog terjadi di bawah kondisi under-voltage, seperti diilustrasikan dalam Gambar 12 dan 13.
Gambar 12: Mendekati under-voltage (sumber: BarqEE)
Gambar 13: Perlindungan under-voltage (sumber: BarqEE)
Selama regulasi, frekuensi dan fase output tetap identik dengan input.
Kesimpulan
ASIC terprogram seperti GreenPAK SLG46537V dapat mengganti pengontrol AVR diskrit dan mikrokontroler, menyediakan regulasi tegangan yang andal dengan biaya dan area PCB lebih rendah. Prototipe menunjukkan kelayakan pendekatan ini untuk aplikasi residential dan industri, dan arsitektur dapat diskalakan ke pengontrol yang lebih kompleks dengan memanfaatkan ASIC dengan tambahan state FSM.
Aamir Hussain Chughtai adalah calon Ph.D. di Teknik Elektro di LUMS, Lahore. Risetnya berfokus pada signal processing, machine learning, dan IoT. Ia mendirikan bersama BarqEE dan dapat dihubungi di chughtaiah@barqee.com.
Muhammad Saqib memiliki M.S. di Teknik Elektro dari NUCES, Lahore. Keahliannya mencakup power electronics, embedded systems, dan instrumentation. Ia mendirikan bersama BarqEE dan dapat dihubungi di saqib.awan@barqee.com.
Konten Terkait:
- Fully‑programmable SoCs – A new breed of devices
- High‑performance embedded computing – Hardware accelerators
- Designing a fast‑reacting feedback system for miniaturized motor‑driven designs
- Analog sampling: what do accuracy, sensitivity, precision, and noise mean?
- Saving power with relays and solenoids
Berlangganan newsletter email mingguan Embedded untuk lebih banyak konten embedded.
