Mengukur arus menggunakan volt meter

Mau mengukur arus untuk test load SMPS tetapi tidak punya amperemeter yang memadai?
ada multimeter tapi batas ampere pada multimeter terbatas
clamp meter (tang amper) DC harganya dirasa cukup mahal?

Dengan perhitungan matematis sederhana dan dengan bantuan R shunt kita dapat mengukur arus menggunakan voltmeter

alat yang dibutuhkan
– multimeter minimal 1 buah, sebaiknya 2 buah, satu untuk mengukur tegangan di Rshunt satu lagi untuk mengukur drop tegangan
– shunt resistor, bisa menggunakan resistor yang umum dipasaran

skema pemasangannya seperti gambar dibawah ini
1 multimeter dipasang pada ujung beban dan ujung R shunt (R shunt merupakan bagian dari beban)
1 multimeter dipasang pada R shunt

sebagai contoh saya menggunakan multimeter constant (warna kuning) untuk mengukur tegangan keseluruhan
multimeter zotek untuk mengukur tegangan pada R shunt (mengukur arus)
R shunt menggunakan resistor 0.1 ohm 5 watt
Dengan sumber tegangan 10.27V
Beban menggunakan 2 buah resistor 20 ohm 10watt di paralel (terukur 10.4 ohm)
Didapat tegangan pada R shunt sebesar mV
maka arus yang mengalir = Vshunt/R shunt = 97.3mV/0.1ohm = 973 mA

Disakah untuk mengukur arus yang lebih besar?
Dengan resistor 5W 0.1 ohm maka maksimal arus yang dapat diukur = √(P/R) = √(5/0.1) = 7A
untuk mengukur arus yang lebih besar dapat dilakukan dengan memparalel R shunt sehingga memperkecil nilainya

apakah bisa untuk tegangan lebih tinggi?pada dasarnya tidak masalah untuk tegangan lebih tinggi selama rating daya R shunt tidak terlampaui

Rangkaian startup untuk SMPS (lagi)

Pada postingan ini saya mencoba membagikan (lagi) alternatif teknik startup untuk SMPS TL494 (bisa juga diterapkan untuk SG3525 maupun chip lain)

Pada postingan sebelumnya saya membahas 2 teknik startup yang sudah saya coba sendiri. https://restovarius.wordpress.com/2018/06/24/rangkaian-startup-untuk-smps-dengan-proteksi-pulse-startup/

Sebenarnya jika menggunakan chip generasi baru akan lebih mudah tidak memusingkan teknik startup, misalnya chip L6599 hanya cukup menggunakan resistor 220K 1W untuk startupnya, IC ini sangat ringan arus startupnya. Teknik ini tidak bisa diterapkan untuk SMPS yang menggunakan TL494+IR2110 (paling tidak ini yang saya coba) karena membutuhkan arus start yang relatif lebih besar.

Mungkin ada pembaca yang bertanya-tanya mengapa saya tidak pernah menggunakan power supply sendiri misalnya smps kecil untuk menyuplai chip SMPS?

Contoh smps kecil : https://restovarius.wordpress.com/2017/06/22/smps-kecil-dengan-ic-top224/

Dari sudut pandang saya (subjektif, bisa jadi saya salah) jika SMPS digunakan untuk keperluan Audio, maka sumber frekuensi lain saya anggap sebagai sumber noise.
Katakanlah saya mendesain SMPS menggunakan chip TL494, maka saya punya satu sumber noise dari osilator TL494 ini.
Jika saya tambahkan SMPS kecil untuk catuan TL494 maka saya akan mempunyai dua sumber noise. Jika saya tambahkan PFC controller maka saya akan punya 3 sumber noise.
Inilah salah satu alasan kenapa saya tidak pernah membuat SMPS dengan PFC, meskipun sebenarnya saya punya IC nya, simulasi dan desain PCB nya (yang tidak pernah saya cetak).
Alasan lain saya tidak/belum tertarik dengan PFC karena di Indonesia sejauh pengetahuan saya belum ada regulasi yang “memaksa” pelanggan listrik rumahan untuk menggunakan PFC jadi saya mengabaikan Power Factor selama tidak ada masalah dengan kapasitas listrik (dan tagihannya) dan pengunaan audio di rumah saya (untuk ukuran saya pribadi sudah cukup) ukur rata-rata hanya dibawah 50 watt.

Kembali ke masalah startup, saya lihat DIYers lokal kebanyakan masih memakai IC TL494 dan SG3525, jadi saya merasa mengembangkan fitur untuk chip ini masih cukup menarik.
mungkin DIYers lokal kebanyakan hanyalah follower, mengikuti desain dari salah satu desainer. Padahal menurut saya jika beralih ke chip yang lebih modern, misalnya L6599 (NCP1396/7 dll) akan lebih memudahkan, mungkin L6599 terlihat rumit, padahal L6599 bisa juga diterapkan untuk Halfbridge biasa (hard switching, non resonant).

Cara kerja teknik startup kali ini sebagai berikut :

  1. R1 dan D3 mencharge C1 sampai penuh sebesar tegangan zener D1 (24V)
  2. R4, R6, C2 diatur sedemikan rupa setelah C1 penuh baru meng”ON” kan TL431, ketika TL431 konduksi maka optocoupler akan “ON”
  3. Output optocoupler mendrive Q2 dan Q1 yg disusun secara darlington.
  4. Zener D2 (15V) meregulasi tegangan menjadi sekitar 13,6V (karena dikurang 2x Vbe).
  5. Dalam simulasi dengan beben R7 (220 ohm) dapat mengalirkan arus sampai 20mA sekitar 70ms,dengan arus R1 hanya 3,3mA.
  6. Saya simulasikan sudah cukup men-start TL494+IR2110 dengan mosfet IRFP460.
  7. Ketika SMPS sudah hidup sistem disuplai melalui lilitan extra (AUX) lewat R2 dan D4.
  8. Rangkaian ini baru sebatas konsep dan berjalan baik di simulasi, saya sendiri belum mengaplikasikannya langsung

rangkaian startup masih sebatas desain simulasi

jika start gagal maka proses akan berulang tiap 5 detik

alternatif lain tanpa menggunakan optocoupler

Catatan : tegangan dari auxiliary winding harus lebih besar dari tegangan zener D1 agar proses startup berhenti ketika SMPS sudah hidup.

Dengan pemilihan R1 yang tepat sehingga ketika kondisi IC controller smps (ic pwm) dalam keadaan standby (misalnya terjadi proteksi), maka nilai R1 sebaiknya : R1<310/arus_standby agar tidak terjadi start berulang

Kedua rangkaian diatas merupakan rangkaian startup yang sudah tergabung dengan regulator untuk auxiliary supply

Dummy load untuk pengetesan SMPS

Setelah mendesain dan merakit SMPS tentunya dilakukan pengujian dulu sebelum digunakan untuk menyuplai suatu rangkaian. untuk itulah diperlukan adanya dummy load.

Beberapa barang/alat di sekitar kita bisa digunakan sebagai dummy load

1. Kawat Nikelin
bisa dibeli di toko-toko elektronik

contoh kawat nikelin, bisa dibentuk spiral agar tidak memakan tempat, kawat nikelin akan membara ketika dalam pengetesan

2. Power Resistor
resistor wirewound yang digulung pada batang keramik

contoh power resistor yang dicelup ke dalam air, air bersifat konduktif, nilai resistansi akan turun, akan lebih baik jika menggunakan oli baru atau minyak goreng.

3. Elemen pemanas
Elemen seterika, elemen pemanas air dll
Saya lebih suka menggunakan elemen celup, selain praktis pembuangan panasnya pun mudah, cukup dengan seember air. jika dirasa terlalu panas bisa menambahkan air sewaktu-waktu

contoh pemanas celup 220V 1000W

4. Air garam
Dummy load menggunakan air dengan garam dapur lebih cocok untuk arus AC, misalnya untuk tes beban genset, atau pemancar sebagai pengganti antenna.
Untuk arus DC dikhawatirkan akan terjadi elektrolisa air garam dan menghasilkan gas klorin yang beracun (mematikan). Kalaupun untuk mengetes SMPS sebaiknya langsung dari sekunder trafo tanpa dioda dan kapasitor, karena keluaran dari sekunder trafo masih AC dan tetap waspada jika timbul gas.

untuk contohnya bisa buka pencarian youtube dengan kata kunci “saltwater dummy load”

5. RF power resistor
Resistor flange 50 ohm ini jika baru harganya cukup mahal, saya membeli kondisi bekas dengan harga yang sangat murah, kelebihan dari resistor ini adalah mudah di pasang pada heatsink, akan tetapi kebanyakan dari resistor ini body nya adalah salah satu kaki resistor.

contoh RF power resistor 50ohm 150W per pcs. A-C 50ohm 150W, B-C 50ohm 150W,  A-C 100ohm 300W, (A parallel B)-C 25ohm 300W

6. Elektronik dummy load
Menggunakan transistor atau mosfet bisa juga dengan tambahan power resistor. mosfet atau transistor berfungsi layaknya variable current sink.

https://restovarius.wordpress.com/2017/03/22/variable-dummy-load-konsep/

Perlu diingat, daya akan terbuang menjadi panas, dummy load mungkin perlu didinginkan.
Beberapa caranya menggunakan :
heatsink
angin : kipas
cairan : air (konduktif), oli (non konduktif)

Pengembangan lanjutan dari Halfbridge LLC resonant converter menggunakan IC L6599 (1000W)

Note : File skema dan PCB ada di bagian paling bawah

Chip mungil (SMD, SO16N) ini menurut saya “cukup menyenangkan” untuk di oprek dan dikembangkan. Dengan chip ini mampu membuat SMPS untuk output sampai 500W.

Namun chip ini juga mempunyai keterbatasan kemampuan arus keluaran hanya -300/800 mA untuk high side dan low side yang mungkin akan kurang optimal untuk mendrive mosfet dengan input kapasitansi yang besar.

Sebenarnya chip ini sudah dilengkapi rangkaian bootstrap secara internal menggunakan mosfet dan dioda. di datasheet disebutkan bahwa dioda bootstrap external (ultrafast recovery) dapat ditambahkan untuk mengoptimalkan, karena drop tegangan karena mosfet bootstrap mencapai 2.7V.

Untuk mengatasi keterbatasan arus keluaran dan meningkatkannya ditambahkan rangkaian transistor totem pole sebagai penguat arus. Penambahaan dioda bootstrap (UF4007) untuk mengatasi drop tegangan dari 2.7V ke 1.7V (tegangan forward dari dioda).

Di project sebelumnya saya menggunakan core ferrite EER4220 untuk trafonya,
Ada yg unik dari core ini karena meskipun secara fisik lebih kecil dari ETD49 tetapi luas core areanya lebih besar dibanding ETD49, jadi saya berpikir kenapa tidak dicoba untuk daya 1000W atau lebih?

Project sebelumnya : https://restovarius.wordpress.com/2019/02/19/500w-halfbridge-llc-resonant-smps/

Berikut ini perubahan/peningkatan yang dilakukan :

1. Bagian Totem Pole
Tersusun dari pasangan transistor NPN dan PNP sebagai penguat arus, menggunakan transistor SS8050/8550.
Beberapa contoh transistor yang bisa dipakai untuk totempole diantaranya :
SS8050,SS8550
BD139,BD140
2SA1020,2SC2655
BC635,BC636

2. Kapasitor primer
Kapasitor primer menggunakan patokan sekitar 1uF per watt. Dari sebelumnya 470uf/450V saya tambahkan (paralel) satu lagi 470uf/450V. Total 940uF

3. Bagian OCP/OLP
Terdapat penyesuaian nilai komponen, silahkan cek skema dibawah

4. MOSFET
Saya mengganti mosfet dari IRFP450 menjadi STW20NM50 yang memiliki Rdson yang lebih rendah

5.Komponen lain
Untuk komponen lain masih sama seperti project sebelumnya, silahkan cek pada skema di project sebelumnya.

Dibawah ini skema untuk penambahan Totem pole

Hasil Pengetesan :
Pin 770W, Pout 704W, efisiensi 91,5%
Pin 1149W, Pout 1027W, efisiensi 89,3%
Pin 1185W, Pout 1050, efisiensi 88,6%

foto penambahan transistor driver :

Foto Penambahan kapasitor :

*catatan :
– Kadang saya memilih tipe atau nilai komponen hanya karena saya punya stok, bukan berarti komponen tersebut yang paling bagus
– Saya hanya akan membagikan skema saja agar pembaca makin pintar bisa buat PCB layout sendiri. Saya mengamati fenomena banyak PCB layout beredar tetapi tidak ada skemanya
– Untuk beban kontinyu disarankan SMPS dilengkapi dengan kipas pendingin

– Hati-hati dengan chip L6599 palsu!

– Saya mengamati dari datasheet chip HR1000A memiliki pin yang sma dan fungsi yang mirip dengan L6599A dengan output current mencapai 1.5A/2A (source/sink) mungkin bisa dijadikan alternatif upgrade tanpa penambahan driver transistor http://www.monolithicpower.com/hr1000a.html

PCB V2, 1000Watt nya beneran bukan kaleng2

terukur lebih dari 1100W dengan efisiensi 86% pada daya tersebut

foto pcb V2 :

Skema dan pcb : L6599 V2 by res

 

 

L6599 500W halfbridge LLC resonant SMPS

Tulisan ini mungkin masih jauh dari sempurna, maksud saya mempublish tulisan ini agar saya sendiri tidak lupa apa yang mau saya tulis (saya menulis di waktu senggang antara pekerjaan dan keluarga), dan mungkin beberapa dari pembaca bisa memberi masukan untuk konten yang akan ditulis atau koreksi untuk membuatnya lebih baik (silahkan kirim komentar).

Postingan ini melanjutkan project yang sudah lama terbengkalai

Link project sebelumnya : https://restovarius.wordpress.com/2014/12/07/half-bridge-llc-resonant-smps-dengan-l6599-dalam-pengembangan/

Kenapa 500W, bukan 1000W, 2000W dll ?

  1. Project ini hanya sekedar pembelajaran buat saya pribadi untuk lebih memahami konsep resonant smps (bukan hanya membuat asal jadi)
  2. Chip menggunakan L6599 tanpa driver tambahan, mungkin bisa dicoba menambahkan totem pole untuk meningkatkan arus driver jika anda mau mengembangkan
  3. Untuk mempelajari pembuatan trafo secara praktis menggunakan bahan yang mudah didapat di pasaran.
  4. SMPS ini terinspirasi dari SMPS500R dari connex electronic dan IRAUDPS3 dari Infineon. Secara konsep saya juga belajar dari appplication note nya UCC25600 dari Texas Instrument. Sebenarnya dengan UCC25600 inilah SMPS resonant saya yang pertama kali berhasil.
  5. Untuk perhitungan detail dengan rumus-rumus silahkan anda pelajari dari datasheet dan application note L6599 atau download file excel dari postingan di project sebelumnya.
  6. Dalam bahasan ini lebih ditekankan dari pengalaman praktis menggunakan bahan-bahan atau komponen yang mudah didapat di pasaran lokal (Indonesia). Contohnya adalah teknik pembuatan trafo.

Cara kerja resonant SMPS

Mosfet M1 dan M2 bekerja pada 50% duty cycle, tegangan output diregulasi dengan merubah-rubah (menaik-turunkan) frekuensi switching dari konverter
Konverter memiliki dua frekuensi resonansi :
Frekuensi resonansi yang lebih rendah (ditentukan oleh Lm, Lr, Cr dan beban) dan
frekuensi resonansi seri tetap yang lebih tinggi, Fr1 (hanya ditentukan oleh Lr dan Cr saja).

“Trafo” dalam resonant konverter sebenarnya tersusun dari magnetizing inductance (Lm) dan leakage Inductance (Lr).

Induktansi Primer (Lp) trafo diukur dengan cara mengukur lilitan primer trafo dengan kondisi semua lilitan sekunder open, Lp terukur ini sebenarnya adalah Lm+Lr.

Cara mengukur Lr adalah dengan mengukur induktansi pada lilitan primer dalam keadaan lilitan sekunder di short semua (sebaiknya di short menggunakan kawat disolder).

Leakage inductance dapat diimplementasikan menggunakan induktor terpisah (external inductor) maupun terintegrasi dalam 1 trafo.

Menggunakan external inductor : dari sisi desain cara ini akan lebih mudah, induktor dapat dibuat menggunakan iron core toroid (seperti yang biasa digunakan untuk induktor output amplifier class D. kekurangan menggunakan external inductor akan membuat dimensi PCB makin besar.

Menggunakan Lr terintegrasi dalam 1 trafo : keuntungan cara ini adalah dapat lebih mengoptimalkan dimensi PCB menjadi lebih kecil, namun pembuatan trafo akan lebih rumit diaplikasikan untuk pembuatan dalam jumlah banyak jika dilakukan secara manual atau untuk sekedar hobi (dijelaskan secara lebih detail dibagian bawah

Konstruksi trafo dangan Lr terintegrasi

  • Konstruksi menggunakan split bobbin untuk memisahkan antara lilitan primer dan lilitan sekunder untuk menghasilkan Leakage Inductance (Lr).
  • Karena agak sulit menemukan split bobbin dengan harga miring di pasar lokal, sekat bobbin bisa dibuat menggunakan kertas karton tebal, kabel ties, pcb dll. setelah mencoba2 akhirnya cara yang paling mudah untuk saya adalah menggunakan pcb bekas yg sudah dibuang lapisan tembaganya
  • Lr dipengaruhi oleh jarak (lebar) spasi antara lilitan primer dan sekunder, semakin lebar Lr semakin besar.
  • Lr harus didapat terlebih dahulu (mungkin perlu beberapa kali gulung ulang), jika Lr sudah oke tinggal menyesuaikan Lp.
  • Lp dibuat dengan membuat Gap pada kaki tengah ferrite core, bisa dengan dikikir manual atau dengan mesin. Saya mencoba menggunakan mata batu asah yang di pasang pada mesin bor (sejauh ini cara termudah bagi saya).

Sekat bobbin menggunakan PCB bekas 2 lapis.

Alat untuk membuat gap.

Ferrite yang sudah digerinda untuk membuat gap, agar induktansi primer yang didapat sesuai perhitungan.

Konstruksi trafo dengan lilitan primer dan sekunder yang terpisah.

Induktansi primer (Lp) terukur sebelu di gap sebesar 1.3mH.

Induktansi primer (Lp) setelah di gap sebesar 153.7uH.

Leakage Inductance  (Lr) terukur sebesar 31.7uH.

TESTING

pada pengetesan awal ini pcb terlihat tidak lengkap karena extra output dan rangkaian softstart (relay) tidak dipasang.

bentuk tegangan di Cr terlihat sinusoidal

Test load kurang lebih sekitar 560W. Saya tidak bisa test load lama-lama karena kawat nikelin untuk test load hanya saya letakan dimeja. Kawat akan membara dan membakar meja.

Skema dasar L6599

Spesifikasi teknis perancangan :

  • minimum frekuensi : 40kHz
  • maksimum frekuensi : 80kHz
  • Fr1 : 69kHz
  • soft start frekuensi : 120kHz
  • burst mode : disabled
  • Vout : 56V simetris
  • trafo : EER4220

Daftar nilai komponen yang dipakai :

  • Lp : 150uH
  • Lr : 30uH
  • Cr : 200n (100n 630V * 2)
  • RFmin : 22K
  • RFmax : 22K
  • Rss : 12K
  • Css : 1u
  • Cboot : 0.1u

SKEMA (TESTED)

Saya upload skema ini diharapkan agar bisa untuk belajar bersama, masih sangat mungkin ada kesalahan dalam skema yg saya upload ini L6599 by res (14-04-2019)

Untuk nilai-nilai yang tidak tercantum dalam skema dijelaskan di blog ini.

Over Load dan Over current Protection

Sensor arus pada L6599 berfungsi sebagi proteksi overload dan over current.

Ketika tegangan pin Isen (pin 6) mencapa 0.8V overload protection terjadi, frekuensi konverter akan naik sehingga terjadi penurunan tegangan sehingga membatasi daya keluaran sampai daya maksimum yg sudah ditentukan.

Ketika tegangan pin Isen (pin 6) mencapa 1.5V terjadi over current protection, dan L6599 akan shutdown, misalnya ketika terjadi hubung singkat pada output.

Pada pengetesan fungsi overload ini digunakan nilai komponen sebagai berikut :

RA : 220 ohm

CA : 1n

CB : 470n

RB : 75 ohm –> ~320W

RB : 47 ohm –> ~390W

RB : 39 ohm –> ~440W

RB : 33 ohm –> belum dicoba

Over load test video :

Over current test video :

Trafo

  • Lilitan Primer 16 lilit. diameter kawat 0.3mm rangkap 12
  • Aux Supply : 2 lilit , diameter kawat 0.3mm rangkap 3
  • Lilitan sekunder: 6+6 lilit, diameter kawat 0.3mm rangkap 14

Desain revisi PCB :

Dokumentasi lain dibawah :

Ternyata sudah lama juga pcb ini dibuat tapi baru sempat eksekusi (April 2018

Awalnya menggunakan pcb versi 2014 yg dimodifikasi

Lr menggunakan induktor terpisah dan power supply external.

Sebelum berhasil “menjinakkan” L6599 saya sempat memasang modul UCC25600+IR2110 menggantikan posisi L6599 dan sebenarnya ini lah yang berhasil lebih dahulu.

Pcb controller L6599

rangkaian yang sudah di test dilengkapi relay softstart

referensi :

  • L6599, L6599 datasheet.
  • AN-1160 , Design of Resonant Half-Bridge converter using IRS2795(1,2) Control IC, Infineon.
  • AN2644, An introduction to LLC resonant half-bridge converter, ST.
  • ucc25600, UCC 25600 datasheet

Rangkaian startup untuk smps dengan proteksi (pulse startup)

dalam beberapa postingan sebelumnya biasanya saya menggunakan rangkaian startup seperti rangkaian dibawah ini

di katoda D2 akan ada tegangan sebesar Vz-(Vbe+Vfd2) = 10,8V (kurang lebih)

di Anoda D2 akan ada tegangan sebesar Vz-(Vbe) = 11,4V

ketika rangkaian SMPS sudah hidup dan rangkaian auxiliary supply sudah menyuplay tegangan maka (dibuat) tegangan di katoda D2 akan lebih tinggi dari anoda (misalnya dibuat 12 atau 15V

karena V katoda > V anoda maka arus tidak lagi mengalir dari anoda ke katoda, sehingga rangkaian startup berhenti bekerja

kelemahan dari rangkaian ini jika proses startup gagal (smps tidak hidup) atau smps mengalami proteksi maka R4 bisa terbakar

dari sini dikembangkan lagi bagaimana caranya agar ketika proses startup gagal maka dalam jeda waktu tertentu rangkaian startup akan berhenti dengan sendirinya

rangkaian dibawah ini pembaharuan dari rangkaian sebelumnya

Q2 dittambahkan untuk delay off rangkaian startup

pada waktu dihidupkan maka Vstartup akan keluar sebesar 10,8V

dalam waktu bersamaan terjadi pengisian C1 melalui R5, ketika Vc1 mencapai 0,6~0,7V maka Q2 akan on, Vce Q2 =~0V sehingga Q1 akan off dan rangkaian startup berhenti bekerja

sebagai contoh dengan R5 sebesar 2M dan C1 330u ada waktu startup sekitar 1,8 detik

 

SMPS (kecil) dengan IC TOP224

yang membuat saya tertarik dengan TOP224 (TOP221-TOP227) adalah bentuk fisiknya,
TO220 dengan 3 kaki mirip dengan regulator linier semacam 7812 atau mirip transistor biasa

saya mencoba mengaplikasikan TOP224 dalam 2 topologi
1. Non Isolated Buck converter

  • saya hanya bisa mengaplikasikan sampai arus keluaran sekitar 450mA, lebih dari itu IC terlalu panas (tanpa heatsink)
  • pada output perlu di tambahakan resistor (1K5) sgsr tidak terjadi lonjakan tegangan ketika pertama kali ON
  • menurut appnote, rating arus D1 dan D2 minimal 2x arus keluaran dan memiliki recovery time 50ns
  • inductor menggunakan ferrite core ber-gap atau iron core

2. Flyback

test tanpa beban

test dengan beban

  • di test dengan beban R 100 ohm parallel 6 (16,67 ohm)
  • vout kurang lebih Vz + 2~3 volt

silahkan baca referensi di bawah untuk penjelasan lebih lanjut

referensi