Catu daya papan kendali: regulator linear dan disipasinya, catu daya switching, rel tegangan, mengukur di bawah beban, dan bahaya sisi primer

Unit osmosis balik kabinet berpompa di dapur sebuah hotel mulai mati dan hidup sendiri. Setiap kali pompa penguatnya mulai bekerja, lampu panel berkedip, katup solenoid melepas, dan papan kendali memulai urutan dari awal. Dari dalam panel terdengar detak halus dari modul catu daya 24 V. Teknisi melepas semua kabel keluaran, mengukur 24,1 V, dan menyimpulkan catu daya itu baik. Ia lalu mengganti sakelar tekanan, dan gejalanya tetap.

Modul itu berating 3 A dan sudah bekerja enam tahun di panel yang siang hari mencapai sekitar 60 °C. Beban tetapnya, yaitu pompa 2,0 A, dua katup 0,3 A, dan papan kendali 0,1 A, berjumlah 2,7 A, dan arus start pompa beberapa kali lebih besar. Pada suhu panel itu, kemampuan modul sudah turun di bawah bebannya, dan kapasitor keluarannya yang menua tidak lagi mampu menahan lonjakan arus start. Modul masuk ke perlindungan arus lebih, mati sesaat, lalu mencoba menyala lagi: itulah detaknya. Tanpa beban, semua gejala itu tidak terlihat. Bab ini menjelaskan catu daya papan kendali dari sisi teknisi perawatan, termasuk mengapa catu daya harus diukur di bawah beban.

Batas pembahasan

Bab ini membahas catu daya di dalam papan kendali dan modul catu daya kecil di panel peralatan: susunan dan rel tegangan, regulator linear, catu daya switching, perlindungan, pengukuran di bawah beban, kerusakan, dan pemilihan modul pengganti. Gambaran catu daya papan dan gejalanya ada di Bab 2 · Komputasional; kapasitor elektrolit, ESR, dan pengosongan kapasitor di Bab 83; penyearah, riak, dan regulator zener di Bab 84; transistor, MOSFET, optocoupler, dan suhu sambungan di Bab 85; trafo kendali dan trafo isolasi di Bab 12; pembumian dan proteksi sirkit kendali 24 V di panel di Bab 56; kenaikan suhu panel di Bab 71; harmonisa dari catu daya switching di Bab 10; proteksi kejut listrik dan kelas peralatan di Bab 21; keselamatan alat ukur, kerja aman, dan bahaya listrik pada tubuh di Bab 14, Bab 76, dan Bab 75; multimeter di Bab 15; dan kelistrikan unit osmosis balik di Bab 12 · Air & Pengolahan Air.

Bab ini tidak memberi prosedur memperbaiki sisi primer catu daya switching. Bagian itu bertegangan jala-jala yang disearahkan dan dikerjakan hanya oleh orang yang kompeten dengan perlengkapan yang sesuai. Teknisi perawatan mendiagnosis dari sisi keluaran dan mengganti modul atau papan.

Sumbernya adalah narasi Teknik Elektro dan Elektronika, terutama buku troubleshooting dan perbaikan elektronik tanpa skema, buku panduan elektronika, buku proyek elektronika, buku elektronika praktis, manual perbaikan elektronik, dan bahan ajar dasar elektronika berbahasa Indonesia, ditambah pengetahuan umum yang ditandai di peta sumber. Rating modul tertentu diambil dari lembar data pabrik; angka contoh adalah angka latihan.

Susunan catu daya dan rel tegangan

Bahan ajar dasar elektronika dalam narasi mencatat bahwa catu daya pada prinsipnya terdiri dari empat bagian: trafo, penyearah, kondensator sebagai penyaring lolos rendah, dan regulasi elektronik. Buku panduan elektronika menyebut bahwa catu daya menyediakan daya listrik untuk semua modul dengan mengubah AC menjadi DC. Dua bagian pertama dibahas di Bab 84; bab ini memusatkan pada regulasi.

Papan kendali biasanya punya beberapa rel tegangan (nilai literatur umum): 24 V atau 12 V untuk relai, katup, dan sensor; 5 V untuk logika; dan 3,3 V untuk mikrokontroler. Rel yang lebih rendah sering dibuat dari rel di atasnya. Buku troubleshooting dalam narasi memberi contoh tegangan 3,3 V dan 3,6 V yang dibuat oleh regulator IC dari jalur 5 V, dan manual perbaikan elektronik memberi contoh catu daya dengan keluaran +12, −12, +5, dan −5 V. Akibatnya, gangguan di satu rel ikut menjatuhkan rel di bawahnya. Banyak papan juga punya rel siaga yang tetap hidup saat mesin "mati"; manual perbaikan elektronik menyarankan memeriksa apakah jalur siaga memasok 5 V yang diperlukan.

Regulator linear

Regulator linear menurunkan tegangan dengan transistor seri, sering disebut transistor lewat, yang bekerja seperti resistor yang diatur terus-menerus. Buku proyek elektronika dalam narasi mencatat bahwa transistor lewat harus menanggung seluruh arus keluaran catu daya, dan buku panduan elektronika mencatat bahwa, berbeda dengan regulator switching, regulator linear bekerja terus-menerus. Selisih tegangan masuk dan keluar menjadi panas:

dengan $\eta$ efisiensi bila arus diam regulator diabaikan. Buku proyek elektronika mengingatkan agar pendinginan regulator IC diperhitungkan, dan suhu sambungannya dihitung seperti di Bab 85.

Tegangan jatuh minimum. Buku panduan elektronika menyebut tegangan masuk ketika keluaran mulai keluar dari pengaturan sebagai tegangan jatuh minimum (drop-out). Regulator standar memerlukan masukan sekitar 2 V di atas keluaran, sedangkan regulator jatuh rendah hanya beberapa ratus milivolt (nilai literatur umum). Yang menentukan adalah titik terendah riak, seperti di Bab 84. Buku proyek elektronika juga mengingatkan bahwa trafo 12,6 V tidak memberi tepat 12,6 V DC, karena tegangan puncak, tegangan jatuh dioda, riak, dan beban trafo ikut menentukan.

Perlindungan bawaan. Banyak regulator IC punya pembatas arus dan pembatas suhu di dalamnya; buku proyek elektronika menyebut contoh regulator dengan pembatasan arus dan pembatasan suhu. Regulator yang terlalu panas mematikan dirinya lalu menyala lagi setelah dingin, sehingga gejalanya berselang.

Regulator linear sederhana dan tenang, tetapi boros bila selisih tegangannya besar. Dari 24 V ke 5 V, efisiensinya hanya sekitar 21 persen, seperti di Contoh 1.

Catu daya switching

Catu daya switching menyakelar transistor atau MOSFET dengan frekuensi puluhan sampai ratusan kilohertz dan mengatur perbandingan waktu nyala dan matinya (nilai literatur umum). Karena transistornya hampir selalu jenuh atau putus, panasnya kecil, dan efisiensinya umumnya 75 sampai 90 persen. Dua jenis yang dijumpai di papan kendali:

1. Pengubah DC ke DC di papan. Buku panduan elektronika dalam narasi menyebut topologi regulator switching yang populer adalah penaik (boost) dan penurun (buck). Penurun mengubah 24 V menjadi 5 V atau 3,3 V dengan perbandingan nyala ideal $D = V_{\text{out}}/V_{\text{in}}$.
2. Catu daya jala-jala dengan trafo pensakelaran. Buku troubleshooting dalam narasi menjelaskan bahwa tegangan DC mentah dari penyearah jembatan dimasukkan ke belitan primer trafo pensakelaran, dan bahwa semua tegangan sekunder diambil dari tanah bersama di belitan sekunder. Buku elektronika praktis mencatat bahwa trafo juga memungkinkan rangkaian dipisahkan satu sama lain.

Tegangan keluaran diatur lewat umpan balik. Buku troubleshooting menjelaskan umpan balik dengan pemisah optik yang memisahkan rangkaian masukan dan keluaran, yaitu optocoupler seperti di Bab 85. Bila optocoupler itu rusak, keluaran dapat naik tak terkendali atau catu daya tidak mau menyala.

Catu daya switching menarik arus berupa pulsa dari jala-jala, yang menimbulkan harmonisa seperti di Bab 10, dan biasanya tidak punya sakelar sendiri di sisi masukannya; buku troubleshooting mencatat bahwa tidak ada sakelar hidup dan mati di rangkaian masukan catu daya switching. Selama steker terpasang, sisi primernya bertegangan.

Bahaya sisi primer

Buku troubleshooting dalam narasi mengingatkan bahwa semua komponen yang tersambung ke belitan primer trafo pensakelaran berada pada potensial tanah panas. Artinya:

1. Tanah sisi primer bukan tanah sisi sekunder. Titik negatif kapasitor primer tidak berada pada potensial bumi: pada penyearah jembatan dari jala-jala, potensialnya berayun terhadap bumi sampai sekitar tegangan puncak jala-jala setiap siklus (nilai literatur umum). Probe hitam multimeter yang ditempelkan ke tanah sekunder atau ke rangka memberi bacaan tanpa arti di sisi primer.
2. Kapasitor primer bermuatan sekitar 325 V DC dari jala-jala 230 V dan dapat bertahan lama setelah steker dicabut, seperti di Bab 83 dan Contoh 8.
3. Pendingin sisi primer sering bertegangan, karena kaki transistor terpasang ke sana.
4. Alat ukur yang dibumikan, misalnya osiloskop meja dengan probe yang klipnya terhubung ke bumi, menghubung-singkat sisi primer ke bumi bila klip dipasang di titik primer.

Karena itu, sisi primer tidak diukur dalam keadaan bertegangan kecuali oleh orang yang kompeten, dengan alat ukur berkategori sesuai, prosedur, dan bila perlu trafo isolasi seperti di Bab 12, mengikuti Bab 14 dan Bab 76. Bahaya arus pada tubuh dibahas di Bab 75. Teknisi perawatan bekerja dari terminal keluaran, yang terpisah dari jala-jala oleh trafo dan optocoupler. Manual perbaikan elektronik dalam narasi mencatat bahwa bila tanahnya terisolasi, tanah itu disebut tanah sasis; di papan kendali, tanah sasis sekunder itulah titik acuan pengukuran yang aman.

Perlindungan arus lebih dan tegangan lebih

Catu daya modern melindungi dirinya dengan beberapa cara (nilai literatur umum):

1. Pembatas arus tetap: tegangan turun ketika arus mencapai batas, sehingga beban tetap mendapat arus batas.
2. Mode cegukan: catu daya mati sesaat, mencoba menyala lagi, dan mengulanginya selama beban berlebih. Gejalanya detak halus dan lampu yang berkedip, seperti di kasus pembuka.
3. Pemutus suhu: catu daya mati bila terlalu panas dan menyala lagi setelah dingin.
4. Pelindung tegangan lebih: buku proyek elektronika dalam narasi menyebut rangkaian crowbar, yang menghubung-singkat keluaran bila tegangannya naik di atas batas, sehingga sekring putus dan beban terlindungi.

Buku troubleshooting dalam narasi mengingatkan bahwa rangkaian yang terbebani berlebih dapat merusak catu daya secara luas, sehingga beban yang hubung singkat dicari lebih dulu sebelum catu daya pengganti dipasang.

Mengukur di bawah beban

Catu daya diukur dengan bebannya bekerja, karena kerusakan yang paling umum hanya muncul saat arus mengalir (nilai literatur umum):

1. Tegangan rata-rata setiap rel dengan multimeter mode DC di terminal keluaran dan di titik pakai di papan. Selisih keduanya menunjukkan susut di kabel atau konektor. Rel biasanya diterima dalam sekitar ±5 persen dari nilai nominalnya, kecuali lembar data menyebut lain.
2. Riak dengan multimeter mode AC atau osiloskop, seperti di Bab 84.
3. Saat beban berubah, misalnya ketika pompa start atau relai menarik. Tegangan yang turun sesaat di bawah ambang pendeteksi tegangan turun mikrokontroler membuat papan mengatur ulang, seperti di Bab 2 · Komputasional.
4. Suhu modul, regulator, dan kapasitor dengan termometer inframerah setelah bekerja beberapa menit.
5. Beban uji: resistor daya yang menarik arus sama dengan beban nyata, untuk menguji modul di bangku tanpa mesin, seperti di Contoh 7.

Buku troubleshooting dalam narasi menyarankan memeriksa rangkaian tegangan siaga dengan multimeter digital, dan untuk catu daya televisi mencatat bahwa tegangan keluaran yang normal sedikit lebih tinggi ketika bebannya dilepas. Kebalikannya penting: tegangan yang hanya normal tanpa beban belum membuktikan catu daya sehat.

Kerusakan yang lazim

Kerusakan catu daya papan dan penunjuknya (nilai literatur umum, dengan catatan sumber):

1. Kapasitor elektrolit menua: riak naik, keluaran turun di bawah beban, catu daya berdetak atau lambat menyala. Penyebab paling umum, terutama di panel panas, seperti di Bab 83.
2. Regulator linear rusak: buku troubleshooting dalam narasi menyarankan mencurigai transistor regulator yang putus bila tidak ada keluaran atau keluarannya sangat rendah, memeriksa transistor regulator yang bocor bila tegangan keluaran lebih rendah dari normal, dan mencurigai kapasitor dekopling atau regulator yang bocor atau hubung singkat bila tegangan catu tidak ada atau tidak benar.
3. Transistor pensakelaran sisi primer hubung singkat: sekring masukan putus, sering bersama varistor atau jembatan, seperti di Bab 83 dan Bab 84.
4. Optocoupler umpan balik: buku troubleshooting menyarankan mengganti IC pemisah bila ditemukan resistansi rendah di sisi transistornya.
5. Dioda keluaran di sisi sekunder hubung singkat, sehingga catu daya masuk ke perlindungan.
6. Trafo pensakelaran: buku troubleshooting mencatat bahwa trafo pensakelaran kadang ditemukan rusak, tetapi sangat jarang.

Untuk modul catu daya tertutup di panel, teknisi perawatan cukup menetapkan bahwa modul itu rusak: keluaran tidak sesuai di bawah beban yang benar, setelah beban yang hubung singkat dan suhu panel disingkirkan sebagai penyebab. Modul lalu diganti utuh.

Memilih modul pengganti

Modul catu daya pengganti dipilih menurut (nilai literatur umum):

1. Tegangan keluaran sama, dengan pengaturan halus bila ada.
2. Arus sekurangnya 1,25 kali jumlah beban tetap, ditambah arus start motor, pompa, dan beban berkapasitor; catu daya dengan kemampuan arus puncak sesaat atau beban dengan start lunak membantu.
3. Penurunan rating suhu: kemampuan arus turun di atas suhu tertentu menurut lembar data, misalnya mulai 50 °C. Kenaikan suhu panel dihitung seperti di Bab 71.
4. Masukan: rentang tegangan jala-jala, arus awal saat dinyalakan, dan pengaman di depannya.
5. Pemisahan dan pembumian: keluaran terpisah dari jala-jala, dan 0 V dihubungkan ke PE atau tidak sesuai rancangan sirkit kendali, seperti di Bab 56; kelas peralatan dan proteksi kejut listrik di Bab 21.
6. Ruang dan aliran udara: celah pendinginan di atas dan bawah modul menurut lembar data.

Contoh kerja

Contoh 1: regulator linear dari 24 V ke 5 V. Pada 0,3 A: $P = (24 - 5) \times 0{,}3 = 5{,}7$ W dan $\eta = 5/24 = 21$ persen. Pengubah penurun dengan efisiensi 85 persen menarik $1{,}5/0{,}85 = 1{,}76$ W dari rel 24 V, sehingga panasnya hanya $1{,}76 - 1{,}5 = 0{,}26$ W.

Contoh 2: suhu regulator linear. Untuk 5,7 W tanpa pendingin, dengan $R_{\theta ja} = 50$ K/W di udara 45 °C, suhu sambungannya $45 + 5{,}7 \times 50 = 330$ °C, jauh di atas batas, sehingga regulator mematikan dirinya berulang kali. Dengan $R_{\theta jc} = 5$, $R_{\theta cs} = 0{,}5$, dan pendingin 5 K/W: $45 + 5{,}7 \times 10{,}5 = 105$ °C, di bawah batas 125 °C.

Contoh 3: tegangan jatuh minimum. Regulator 12 V dengan tegangan jatuh minimum 2 V memerlukan masukan sekurangnya 14 V pada titik terendah riak. Dari trafo 12 V AC dengan penyearah jembatan, puncaknya $12 \times 1{,}414 - 1{,}4 = 15{,}6$ V; dengan riak 1,7 V, titik terendahnya 13,9 V, sehingga regulator kehilangan pengaturan setiap lembah riak. Regulator jatuh rendah dengan tegangan jatuh minimum 0,5 V masih bekerja.

Contoh 4: perbandingan nyala pengubah penurun. Dari 24 V ke 5 V: $D = 5/24 = 0{,}21$. Pada 100 kHz, periodenya 10 µs, sehingga transistor menyala sekitar 2,1 µs setiap periode (ideal, tanpa rugi).

Contoh 5: arus masuk modul 24 V. Beban kasus pembuka $2{,}0 + 2 \times 0{,}3 + 0{,}1 = 2{,}7$ A, yaitu $2{,}7 \times 24 = 64{,}8$ W. Dengan efisiensi 88 persen, daya masuknya $64{,}8/0{,}88 = 73{,}6$ W dan panas di modul $73{,}6 - 64{,}8 = 8{,}8$ W. Dengan faktor daya 0,6 (angka latihan, tanpa perbaikan faktor daya), arus jala-jalanya $73{,}6/(230 \times 0{,}6) = 0{,}53$ A.

Contoh 6: cadangan dan penurunan rating suhu. Modul 3 A pada suhu sampai 50 °C, turun 2,5 persen per kelvin di atasnya (angka latihan). Di panel 60 °C, kemampuannya $3 \times (1 - 0{,}025 \times 10) = 2{,}25$ A, di bawah beban 2,7 A. Kebutuhan dengan cadangan $1{,}25 \times 2{,}7 = 3{,}4$ A. Modul 5 A dengan penurunan rating yang sama memberi $5 \times 0{,}75 = 3{,}75$ A pada 60 °C dan memenuhi; arus start pompa tetap diperiksa terhadap kemampuan arus puncak modul.

Contoh 7: beban uji. Untuk menguji modul 24 V pada 1,5 A di bangku: $R = 24/1{,}5 = 16$ Ω dengan daya $24 \times 1{,}5 = 36$ W. Dua resistor 33 Ω, 25 W paralel memberi 16,5 Ω, arus $24/16{,}5 = 1{,}45$ A, dan $24^2/33 = 17{,}5$ W per resistor, dipasang di pendingin.

Contoh 8: kapasitor primer. Kapasitor 100 µF bermuatan 325 V menyimpan $\tfrac{1}{2} \times 100 \times 10^{-6} \times 325^2 = 5{,}3$ J. Lewat resistor pengosong 220 kΩ, $RC = 22$ s, dan waktu sampai 30 V adalah $22 \times \ln(325/30) = 52$ s. Bila resistor pengosongnya putus, muatan dapat bertahan jauh lebih lama, sehingga tegangannya tetap diukur oleh orang yang berwenang sebelum disentuh.

Contoh 9: rel 5 V dan reset. Rel 5 V diterima antara 4,75 dan 5,25 V. Di bawah beban, multimeter membaca 4,62 V dan riaknya 0,4 V puncak ke puncak, sehingga titik terendahnya sekitar $4{,}62 - 0{,}2 = 4{,}42$ V. Bila pendeteksi tegangan turun mikrokontroler bekerja pada 4,4 V (angka latihan), papan berada di tepi ambang reset, dan gangguan kecil membuatnya mengatur ulang.

Kondisi berhenti

Hentikan pekerjaan dan serahkan kepada orang berwenang bila:

1. Pengukuran atau perbaikan harus dilakukan di sisi primer catu daya switching dalam keadaan bertegangan.
2. Kapasitor primer belum terbukti kosong, atau resistor pengosongnya dicurigai putus.
3. Modul catu daya tertutup harus dibuka untuk diperbaiki; modul diganti utuh.
4. Modul pengganti yang setara tidak tersedia dan pemilik meminta modul berarus lebih kecil atau tanpa pemisahan dipasang.
5. Catu daya memasok rangkaian fungsi keselamatan, misalnya sirkit henti darurat atau kunci pintu, dan perubahan pembumian 0 V belum dinilai seperti di Bab 56.
6. Modul berbau hangus, kapasitornya pernah meledak, atau rumahnya meleleh.

Salah tafsir yang sering terjadi

1. "Tegangan tanpa beban normal berarti catu daya baik." Kerusakan yang paling umum hanya muncul di bawah beban.
2. "Regulator linear lebih aman, jadi selalu lebih baik." Dengan selisih tegangan besar, panasnya berlebihan.
3. "Tanah papan sama di semua titik." Tanah sisi primer bertegangan berbahaya terhadap tanah sekunder dan bumi.
4. "Modul 3 A cukup untuk beban 2,7 A." Cadangan, arus start, dan penurunan rating suhu belum diperhitungkan.
5. "Detak dari catu daya berarti catu daya rusak." Detak itu sering tanda perlindungan bekerja karena beban berlebih atau hubung singkat di luar catu daya.
6. "Steker dicabut, sisi primer aman disentuh." Kapasitor primer dapat tetap bermuatan.

Hubungan dengan bab lain

Bab 2 · Komputasional menggambarkan catu daya dalam papan kendali, Bab 83 kapasitor, Bab 84 penyearah dan riak, Bab 85 transistor, optocoupler, dan suhu sambungan, Bab 12 trafo isolasi, Bab 56 sirkit kendali 24 V, Bab 71 suhu panel, Bab 10 harmonisa, Bab 21 proteksi kejut listrik, Bab 14, Bab 76, dan Bab 75 keselamatan, Bab 15 multimeter, dan Bab 12 · Air & Pengolahan Air kelistrikan unit osmosis balik.

Latihan dan pembahasan

1. Regulator linear menurunkan 12 V ke 5 V pada 0,5 A. Berapa panas dan efisiensinya?
2. Pengubah penurun mengubah 12 V menjadi 3,3 V. Berapa perbandingan nyala idealnya?
3. Modul 24 V, 5 A bekerja penuh dengan efisiensi 90 persen. Berapa daya masuk dan panasnya?
4. Rancang beban uji untuk modul 12 V pada 2 A.
5. Kapasitor primer 220 µF bermuatan 340 V dengan resistor pengosong 150 kΩ. Berapa energinya dan berapa lama sampai 30 V?
6. Catu daya 24 V terbaca 24,1 V tanpa beban, tetapi mesin mengatur ulang ketika pompa start. Apa yang diperiksa berikutnya?

Kunci jawaban beralasan

1. $P = (12 - 5) \times 0{,}5 = 3{,}5$ W dan $\eta = 5/12 = 42$ persen, sehingga regulator memerlukan pendingin yang dihitung seperti Contoh 2.
2. $D = 3{,}3/12 = 0{,}275$, yaitu transistor menyala sekitar 27,5 persen setiap periode.
3. Keluaran $24 \times 5 = 120$ W, daya masuk $120/0{,}9 = 133$ W, dan panas $133 - 120 = 13$ W, yang harus dibuang lewat aliran udara panel.
4. $R = 12/2 = 6$ Ω dan $P = 12 \times 2 = 24$ W, misalnya dua resistor 12 Ω, 25 W paralel di pendingin; masing-masing menanggung $12^2/12 = 12$ W.
5. $E = \tfrac{1}{2} \times 220 \times 10^{-6} \times 340^2 = 12{,}7$ J; $RC = 33$ s, sehingga waktunya $33 \times \ln(340/30) = 80$ s. Tegangannya tetap diukur, karena resistor pengosong bisa putus.
6. Tegangan rel diukur saat pompa start dan saat semua beban bekerja, riak dan suhu modul diperiksa, beban dijumlahkan dan dibandingkan dengan kemampuan modul pada suhu panel, dan arus start pompa dibandingkan dengan kemampuan arus puncak modul. Bila bebannya sesuai dan modul tetap jatuh, modul diganti utuh.

Referensi