Penggunaan Rangkaian Snubber Pada Sakelar Elektronik

ANTENA RADIO FM

Teknologi Perekaman Digital

TABUNG ELEKTRONIK

Mesin Sekuensial dan Teori Pemrograman Pengenal Ucapan

Pendahuluan

Kerugian pensakelaran dapat ditekan dengan cara mengimplementasikan topologi rangkaian pengubah resonan (resonant converter) seperti yang telah dibahas pada Elektro edisi 29 - Januari 2000. Dalam metoda resonan ini, pensakelaran pada rangkaian pengubah memanfaatkan tegangan atau arus nol yang terjadi karena osilasi alami, sehingga kerugian daya akibat V*I idealnya menjadi nol pula.

Alternatif lain untuk mengurangi kerugian pensakelaran adalah dengan menambahkan rangkaian snubber pada sakelar elektronik. Pada dasarnya, rangkaian snubber dirancang untuk memodifikasi bentuk gelombang peralihan (switching waveforms) sehingga kerugian daya pun dapat dikurangi. Dengan kata lain, rangkaian snubber dapat menekan kondisi kilasan (transient state) yang tidak diinginkan. Tanpa penekanan tersebut, tegangan pada saat kondisi kilasan dapat melebihi tegangan sakelar elektronik yang ditarifkan sehingga kerusakan pada sakelar elektronik pun akan sulit dihindari. Manfaat lain dari rangkaian snubber adalah untuk melindungi sakelar elektronik yang harganya relatif lebih mahal dibandingkan dengan harga komponen-komponen yang ada pada rangkaian snubber tersebut. Caranya adalah dengan mematikan guncangan atau osilasi yang berasal dari induktansi dan kapasitansi yang bersifat parasit pada rangkaian sakelar. Hal ini sangat penting karena osilasi akan membawa dampak yang negatif seperti terjadinya interferensi elektromagnet. Pada Gambar 1 dapat dilihat perbedaan antara trayek peralihan dari sakelar elektronik pada pengubah half-bridge tanpa snubber, dengan snubber, dan dengan menerapkan metoda resonan [1].

Gambar 1. Trayek peralihan tanpa snubber, dengan snubber, dan metoda resonan

Kinerja snubber pada dasarnya adalah dengan cara memindahkan energi yang seharusnya diserap oleh sakelar elektronik ke rangkaian snubber. Pada umumnya ada dua jenis rangkaian snubber, yaitu rangkaian snubber disipasi dan rangkaian snubber non-dissipasi atau juga yang dikenal dengan istilah rangkaian snubber pemulih energi.

Rangkaian Snubber Disipasi

Gambar 2. Rangkaian transistor dengan beban berinduksi

Dari Gambar 2c dapat ditarik kesimpulan bahwa kerugian energi akibat kerugian daya adalah proporsional dengan trayek dari daya sesaat p(t) = vQ(t) * iQ(t). Disamping itu pula kerugian daya sangat bergantung pada frekwensi pensakelaran. Semakin tinggi frekwensi pensakelaran, semakin bertambah  kerugian daya yang terjadi. Dengan rangkaian snubber, bentuk gelombang dari vQ(t) dan iQ(t) dapat diubah sehingga trayek bentuk gelombang p(t) = vQ(t) * iQ(t) pun termodifikasi sesuai dengan yang diinginkan. Salah satu rangkaian snubber guling-off untuk transistor dapat dilihat pada Gambar 3 [2].

Disebut rangkaian snubber guling-off karena rangkaian tersebut menyediakan jalan lain untuk arus beban ketika guling-off. Pada saat transistor berguling ke posisi OFF, tegangannya menanjak dan diode snubber Ds mengalami panjaran maju (forward biased) dan kapasitor C mulai dimuati. Perlu diingat bahwa pada kondisi ini, tegangan kapasitor sama dengan tegangan pada transistor karena keduanya pada posisi paralel. Akibatnya, laju ubahan dari tegangan pada transistor pun menjadi berkurang karena pemuatan kapasitor tersebut. Kapasitor termuati sampai tegangan transistor mencapai kondisi OFF akhir dan terus termuati sampai transistor di ON-kan kembali. Pada saat penggulingan-ON inilah kapasitor membuang muatan melalui resistor snubber R dimana disipasi energi terjadi. Oleh karena itu snubber ini masuk dalam jenis snubber disipasi. Ukuran dari kapasitor menentukan laju ubahan tegangan transistor ketika penggulingan-OFF. Semakin besar ukuran kapasitor semakin lambat laju ubahan sehingga semakin berkurang kerugian daya yang terjadi. Namun ini bukan berarti ukuran kapasitor dapat terus diperbesar untuk semakin meminimalkan kerugian daya. Seperti terlihat pada Gambar 3b, 3c, 3d perlambatan laju ubahan tegangan oleh kapasitor ini sayangnya juga mengakibatkan adanya pembatasan penggunaan frekwensi pensakelaran, padahal pada umumnya penggunaan frekwensi tinggi sering diinginkan pada rangkaian elektronika daya.
 

Gambar 3. Rangkaian snubber guling-off pada transistor

Ukuran kapasitor snubber pada rangkaian snubber yang sama dipilih dengan cara menentukan level tegangan kapasitor yang diinginkan Vf pada saat arus melalui transistor sudah mencapai nol. Pada Gambar 3, terlihat bahwa arus transistor mencapai nol pada saat waktu t = tf. Maka, ukuran kapasitor snubber dapat dicari dengan menggunakan persamaan berikut:
C = I _L t _f  / 2V _f
Bagaimana halnya dengan ukuran resistor snubber R? Besarnya ukuran resistor snubber harus cukup untuk menyediakan waktu buangmuatan dari kapasitor selama transistor berada pada kondisi ON (tON) dan sebelum transistor di-OFF-kan kembali. Pada umumnya selang waktu sebanyak tiga sampai lima kali tetapan waktu t = RC sudah dapat mencukupi persyaratan waktu buangmuatan kapasitor. Misalnya, jika 5 kali tetapan waktu digunakan untuk menghitung besarnya resistor, maka:

t_on > 5RC    atau     R < t_on/5C

Jika ukuran resistor R telah dihitung, maka parameter lain yang penting diketahui adalah besarnya daya yang diserap oleh resistor snubber tersebut, yang dapat dihitung dengan persamaan berikut:
PR = (1/T)* ½ C Vs2 = ½ C Vs2 f

Dimana T adalah perioda pensakelaran, f adalah frekwensi pensakelaran, dan Vs adalah level tegangan akhir pada transistor dalam kondisi OFF.

Parameter PR inilah yang menunjukkan besarnya daya yang dipindahkan dari transistor ke rangkaian snubber. Beberapa hal penting yang dapat disimpulkan dari persamaan PR diatas adalah pertama, semakin besar ukuran kapasitor snubber semakin kecil kerugian daya pada transistor, namun akan semakin besar daya yang diserap oleh resistor R. Kedua, yang sangat menarik adalah bahwa daya pada resistor snubber tidak bergantung pada ukuran resistor snubber itu sendiri. Ketiga, daya yang diserap oleh resistor snubber berbanding lurus dengan besarnya frekwensi pensakelaran yang dipakai.

Gambar 4 menunjukkan bahwa penggunaan rangkaian snubber sebenarnya tidaklah berpengaruh besar pada kerugian daya secara keseluruhan (total loss) pada rangkaian transistor atau pada rangkaian sakelar elektronik lainnya [2]. Ini disebabkan karena memang fungsi utama rangkaian snubber yang hanya mengalihkan (bukan menghilangkan) penyerapan daya dari transistor atau sakelar elektronik lainnya ke rangkaian snubber.

Gambar 4. Kerugian daya sebagai fungsi dari ukuran kapasitor snubber

Rangkaian Snubber Pemulih Energi

Gambar 5. Dua contoh Snubber Pemulih Energi

Pada guling-ON, terbentuk jalur arus melalui Q, Cs, L, D1 dan C1. Muatan yang sebelumnya terkandung dalam kapasitor Cs kemudian dipindahkan ke C1. Pada guling-OFF berikutnya, kapasitor C1 membuangmuatan melalui dioda D2 sampai akhirnya ke beban. Pada saat yang sama, kapasitor Cs dimuati kembali. Pendeknya, energi yang disimpan di kapasitor Cs selama kondisi OFF kemudian disalurkan ke C1 untuk akhirnya dikirim ke beban sehingga tidak ada energi yang terdisipasi.

Kesimpulan

Daftar Pustaka

 Oleh Dr. Taufik
Penulis adalah Dosen Fakultas Teknik Elektro
California Polytechnic State University, San Luis Obispo, California, USA

• ANTENA RADIO FM
• Teknologi Perekaman Digital
• TABUNG ELEKTRONIK
• Mesin Sekuensial dan Teori Pemrograman Pengenal Ucapan