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 tentang papan kendali dan mikrokontroler; kapasitor elektrolit, ESR, dan pengosongan kapasitor di Bab 83 tentang komponen pasif; penyearah, riak, dan regulator zener di Bab 84 tentang dioda dan penyearah; 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. Rating modul tertentu diambil dari lembar data pabrik; angka contoh di bab ini tidak menggantikan lembar data itu.

Susunan catu daya dan rel tegangan

Catu daya (power supply) adalah rangkaian yang menyediakan daya listrik untuk semua modul dengan mengubah AC menjadi DC. Pada prinsipnya catu daya terdiri dari empat bagian: trafo, penyearah, kondensator sebagai penyaring lolos rendah, dan regulasi elektronik. Dua bagian pertama dibahas di Bab 84 tentang dioda dan penyearah; bab ini memusatkan pada regulasi.

Rel tegangan (voltage rail) adalah jalur catu bertegangan tertentu yang memasok sekelompok rangkaian di papan. Papan kendali biasanya punya beberapa rel tegangan: 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: tegangan 3,3 V dan 3,6 V, misalnya, dibuat oleh regulator IC dari jalur 5 V, dan ada 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 (standby rail) yang tetap hidup saat mesin "mati"; dianjurkan memeriksa apakah jalur siaga memasok 5 V yang diperlukan.

Regulator linear

Regulator linear (linear regulator) adalah regulator yang menurunkan tegangan dengan transistor seri, sering disebut transistor lewat, yang bekerja seperti resistor yang diatur terus-menerus. Transistor lewat harus menanggung seluruh arus keluaran catu daya, dan berbeda dengan regulator switching, regulator linear bekerja terus-menerus. Selisih tegangan masuk dan keluar menjadi panas:

dengan $P$ daya yang menjadi panas di regulator (W), $V_{\text{in}}$ dan $V_{\text{out}}$ tegangan masuk dan keluar (V), $I$ arus keluaran (A), dan $\eta$ efisiensi bila arus diam regulator diabaikan. Pendinginan regulator IC harus diperhitungkan, dan suhu sambungannya dihitung seperti di Bab 85 tentang transistor, MOSFET, dan sakelar elektronik.

Tegangan jatuh minimum (drop-out voltage) adalah tegangan masuk ketika keluaran mulai keluar dari pengaturan. Regulator standar memerlukan masukan sekitar 2 V di atas keluaran, sedangkan regulator jatuh rendah hanya beberapa ratus milivolt. Yang menentukan adalah titik terendah riak, seperti di Bab 84. Trafo 12,6 V juga 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. 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 (switching power supply) adalah catu daya yang menyakelar transistor atau MOSFET dengan frekuensi puluhan sampai ratusan kilohertz dan mengatur perbandingan waktu nyala dan matinya. 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. 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. Tegangan DC mentah dari penyearah jembatan dimasukkan ke belitan primer trafo pensakelaran, dan semua tegangan sekunder diambil dari tanah bersama di belitan sekunder. Trafo juga memungkinkan rangkaian dipisahkan satu sama lain.

Tegangan keluaran diatur lewat umpan balik (feedback), yaitu sinyal dari sisi keluaran yang dikembalikan ke pengendali pensakelaran. Umpan balik memakai 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 tentang harmonisa, dan biasanya tidak punya sakelar sendiri di sisi masukannya: tidak ada sakelar hidup dan mati di rangkaian masukan catu daya switching. Selama steker terpasang, sisi primernya bertegangan.

Bahaya sisi primer

Semua komponen yang tersambung ke belitan primer trafo pensakelaran berada pada potensial tanah panas. Tanah panas (hot ground) adalah titik acuan sisi primer yang bertegangan berbahaya terhadap tanah sekunder dan bumi. 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. 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 5.
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 tentang transformator, mengikuti Bab 14 tentang keselamatan alat ukur dan Bab 76 tentang kerja aman. Bahaya arus pada tubuh dibahas di Bab 75. Teknisi perawatan bekerja dari terminal keluaran, yang terpisah dari jala-jala oleh trafo dan optocoupler. Bila tanahnya terisolasi, tanah itu disebut tanah sasis (chassis ground); 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:

1. Pembatas arus tetap: tegangan turun ketika arus mencapai batas, sehingga beban tetap mendapat arus batas.
2. Mode cegukan (hiccup mode): 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: rangkaian crowbar menghubung-singkat keluaran bila tegangannya naik di atas batas, sehingga sekring putus dan beban terlindungi.

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:

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 (test load): resistor daya yang menarik arus sama dengan beban nyata, untuk menguji modul di bangku tanpa mesin, seperti di Contoh 4.

Rangkaian tegangan siaga dianjurkan diperiksa dengan multimeter digital, dan pada catu daya televisi, 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:

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: dianjurkan 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: IC pemisah dianjurkan diganti bila ditemukan resistansi rendah di sisi transistornya.
5. Dioda keluaran di sisi sekunder hubung singkat, sehingga catu daya masuk ke perlindungan.
6. Trafo pensakelaran: trafo ini 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:

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 (derating): kemampuan arus turun di atas suhu tertentu menurut lembar data, misalnya mulai 50 °C. Kenaikan suhu panel dihitung seperti di Bab 71 tentang desain panel kendali.
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 tentang sirkit kendali; 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

Angka dalam contoh di bawah adalah angka latihan, kecuali disebut asalnya.

Contoh 1: regulator linear dari 24 V ke 5 V dan suhunya. Pada 0,3 A: $P = (24 - 5) \times 0{,}3 = 5{,}7$ W dan $\eta = 5/24 = 21$ persen. 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 2: 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 3: cadangan dan penurunan rating suhu. Modul 3 A pada suhu sampai 50 °C, turun 2,5 persen per kelvin di atasnya. 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 4: 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 5: 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 6: 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, 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 tentang sirkit kendali.
6. Modul berbau hangus, kapasitornya pernah meledak, atau rumahnya meleleh.

Salah tafsir yang sering terjadi

Hubungan dengan bab lain

Bab 2 · Komputasional tentang papan kendali dan mikrokontroler menggambarkan catu daya dalam papan kendali, Bab 83 tentang komponen pasif membahas kapasitor, Bab 84 tentang dioda dan penyearah membahas penyearah dan riak, dan Bab 85 tentang transistor, MOSFET, dan sakelar elektronik membahas optocoupler dan suhu sambungan. Bab 12 tentang transformator membahas trafo isolasi, Bab 56 tentang sirkit kendali membahas sirkit kendali 24 V, Bab 71 tentang desain panel kendali membahas suhu panel, Bab 10 tentang harmonisa membahas arus pulsa catu daya switching, dan Bab 21 tentang proteksi kejut listrik membahas kelas peralatan. Keselamatan dibahas di Bab 14 tentang keselamatan alat ukur, Bab 76 tentang kerja aman, dan Bab 75 tentang bahaya listrik pada tubuh; Bab 15 tentang multimeter digital menjelaskan alat ukurnya, dan Bab 12 · Air & Pengolahan Air tentang proteksi kelistrikan unit RO menerapkan catu 24 V pada unit osmosis balik.

Latihan dan pembahasan