Catu Daya Teregulasi Linier Vs SMPS, Mana Yang Lebih Baik?

Perangkat elektronik yang menggunakan sirkuit terpadu membutuhkan sumber tegangan DC yang bisa memasok daya setiap saat tanpa terputus atau naik turun. Dalam artikel ini kita akan mencoba membandingkan 2 topologi catu daya, yaitu catu daya teregulasi liner dan SMPS yang bisa kita pilih untuk proyek elektronik kita kedepan. Alasan kita memilih diantara keduanya akhirnya berdasarkan kebutuhan kita akan efisiensi, ruang, keluaran, waktu respon, dan biaya.

Catu Daya Regulator Linear

Catu daya linear teregulasi adalah pilihan utama hingga tahun 1970-an. Catu daya jenis ini bekerja dengan cara mengubah arus bolak-balik (AC) menjadi arus searah (DC) yang stabil untuk memasok kebutuhan daya perangkat elektronik. Meskipun jenis catu daya ini sudah mulai ditinggalkan untuk saat ini, namun masih merupakan pilihan terbaik untuk jenis perangkat elektronik yang membutuhkan nois rendah.
Komponen utama yang membuat catu daya linear bisa bekerja adalah transformator besi. Transformator besi ini memiliki 2 fungsi:

Sebagai penghalang untuk memisahkan arus AC tegangan tinggi dengan DC tegangan rendah, yang juga memfilter nois yang masuk ke tegangan output.
Trafo ini memiliki tegangan masukan/input AC 115 – 230V , yang kemudian akan diturunkan menjadi sekitar 30VAC, terakhir diubah menjadi tegangan DC ouptut yang stabil.

Cara Kerja Catu daya Linier

Tegangan AC dari jala-jala pertama diturunkan oleh transformator, kemudian disearahkan oleh beberapa dioda. Setelah arus keluar dari dioda kemudian dihaluskan dengan elco. Tegangan DC rendah yang sudah dihaluskan dengan elco ini kemudian diatur menjadi tegangan output yang stabil dengan penggunaan transistor atau sirkuit terpadu/IC.

Regulator dalam catu daya linear berfungsi sebagai resistor variabel. Artinya memungkinkan nilai resistansi keluaran bisa dirubah untuk menyesuaikan kebutuhan daya output. Karena regulator secara konstan menahan arus untuk mempertahankan tegangan yang stabil, maka ia juga berperan menurunkan power. Dengan demikian power akan secara terus-menerus hilang karena berubah bentuk menjadi panas untuk menjaga tingkat tegangan yang stabil.

Transformator besi pada catu daya liner merupakan jenis komponen yang besar. Dan karena regulator mengeluarkan disipasi panas, maka pada catudaya regulator linier akan membutuhkan pendingin yang cukup. Kedua komponen ini akan membuat ukuran perangkat catu daya yang sangat berat dan besar.

Penggunaan yang cocok

Regulator linear dikenal memiliki efisiensi yang buruk serta ukurannya yang besar, yang merupakan kelemahan utamanya. Tapi memiliki kelebihan utama juga yaitu mampu memberikan tegangan output yang bebas nois. Dengan demikian catudaya liner sangat ideal untuk perangkat elektronik apapun yang yang berhubungan dengan frekuensi tinggi dan membutuhkan nois yang rendah, seperti:

• Sirkuit kontrol
• Pemroses sinyal
• Peralatan uji lab
• Sensor

Kelebihan & Kelemahan

Catu daya linier sangat tidak efisien, tetapi karena tingkat nois yang rendah ia sangat ideal untuk rangkaian elektronik yang peka terhadap nois. Beberapa kelebihan dan kekurangan yang perlu dipertimbangkan untuk topologi catudaya ini meliputi:

Kelebihan

• Rangkaian sederhana: Catu daya  linear sudah bisa digunakan hanya dengan menambahkan 1 elco sebagai filter tambahan. Sehingga sangat mudah dibuat oleh siapa saja terutama pemula untuk berbagai project elektronik.
• Biaya rendah: Jika kita hanya membutuhkan output daya yang kurang dari 10W, maka biaya komponen jauh lebih rendah jika dibandingkan dengan jenis catu daya lain.
• Nois rendah:  Regulator linear memiliki riak tegangan output yang sangat rendah serta bandwidth yang tinggi. Hal ini membuatnya menjadi ideal untuk penggunaan pada perangkat yang peka terhadap nois termasuk pre-amp, alat komunikasi dan perangkat radio.

Kelemahan

• Kurang fleksibel: Regulator linear hanya dapat digunakan untuk menurunkan tegangan. Untuk catu daya AC  → DC, harus ada trafo lengkap dengan penyearah dan filter sebelum regulator yang akan menambah biaya dan upaya keseluruhan. Sementara ukuran trafo besi yang besar tidak bisa atau sulit dijadikan satu PCB dengan rangkaian regulator linier.
• Tegangan Output terbatas: Catu daya teregulasi linier hanya bisa menyediakan satu tegangan keluaran. Jika Anda membutuhkan lebih banyak tegangan yang berbeda, maka Anda harus menambahkan regulator secara terpisah sesuai dengan output yang dibutuhkan.
• Efisiensi buruk:  Regulator tegangan linear memiliki efisiensi rata-rata 30% -60% karena banyak power terbuang menjadi panas.

Saat ini efisiensi energi menjadi yang sangat penting. dan efisiensi yang buruk pada catu daya linier bisa cukup merugikan. Catu daya linear yang paling normal hanya mampu bekerja maksimal di efisiensi sekitar 60% untuk keluaran 24V. Misalnya Anda membutuhkan100W, maka 40W akan hilang.

Switch Mode Power Supply (SMPS)

SMPS pertamakali diperkenalkan pada 1970an kemudian dengan cepat menjadi pilihan paling populer sebagai catu daya DC untuk berbagai perangkat elektronik. Jika dibandingkan dengan regulator linier, efisiensi dan performa SMPS yang tinggi adalah yang paling menonjol.

Cara Kerja SMPS

SMPS bekerja dengan mengatur tegangan output dengan modulasi lebar pulsa atau Pulse With Modulation (PWM). Proses ini menciptakan nois frekuensi tinggi, namun memberikan efisiensi yang tinggi dalam bentuk yang kecil. Ketika listrik AC 115V – 230VAC di masukkan, pertama arus listrik disearahkan dan dihaluskan dengan 1 set dioda/diode bridge dan kondensator sehingga menjadi DC tegangan tinggi. Tegangan DC tinggi ini kemudian diturunkan menjadi DC tegangan renmdah menggunakan trafo inti ferit kecil dengan rangkaian transistor. Proses penurunan tegangan ini masih mempertahankan frekuensi switching yang tinggi yaitu antara 200kHz hingga 500kHz.

Tegangan DC yang telah diturunkan kemudian akan diubah menjadi keluaran tegangan DC stabil dengan dioda, elco, dan induktor. Setiap regulasi yang dibutuhkan untuk menjaga agar tegangan output stabil, ditangani dengan cara menyesuaikan lebar pulsa dari gelombang frekuensi tinggi. Proses regulasi ini menggunakan sirkuit umpan balik yang secara konstan memonitor tegangan output dan mengontrol rasio on-off dari sinyal PWM sesuai kebutuhan.

Penggunaan yang cocok

Penggunaan paling sering dari SMPS adalah ketika umur pakai baterai dan suhu menjadi penting, seperti:

• Alat-alat seperti alat pengolahan limbah
• Motor DC
• Peralatan pengujian
• Pengisian daya baterai

Kelebihan & Kelemahan

SMPS mungkin memiliki efisiensi yang lebih tinggi daripada catudaya teregulasi/regulator linier, tetapi karena nois yang tinggi membuatnya menjadi pilihan yang buruk untuk radio dan alat komunikasi. Beberapa kekurangan dan kelebihan SMPS yang perlu dipertimbangkan :

Kelebihan

• Bentuk yang kecil: Transformator yang digunakan untuk SMPS beroperasi pada frekuensi tinggi, sehingga mengurangi ukuran dan beratnya. Hal ini memungkinkan bagi SMPS untuk dibuat dalam bentuk yang jauh lebih kecil daripada catudaya linier.
• Efisiensi tinggi: Regulator tegangan dalam catu daya SMPS dibuat tanpa menghilangkan power dalam bentuk panas yang berlebihan. Efisiensi SMPS bisa berkisar 85% -90%.
• Penggunaan fleksibel: Pada trafo inti ferit SMPS, bisa ditambahkan gulungan yang menyediakan lebih dari satu tegangan output. Sebuah trafo SMPS juga bisa memberikan tegangan output yang berdiri sendiri dari tegangan input.

Kekurangan

• Desain rumit: Dibandingkan dengan catudaya teregulasi linier, desain SMPS dan perakitan biasanya haya bisa dibuat oleh profesional di bidang elektronika. Ini bukan jenis power supply yang bagus untuk dipilih jika Anda berencana mendesain sendiri tanpa ada penelitian dan pengalaman yang cukup.
• Nois frekuensi tinggi: Operasi pensaklaran elektronik dari MOSFET pada SMPS memberikan riak frekuensi tinggi pada tegangan output. Hal ini seringkali akan membutuhkan penggunaan tapis RF dan filter EMI pada perangkat yang peka terhadap nois.
• Biaya lebih tinggi: Untuk keluaran daya 10W atau yang lebih rendah, lebih murah untuk menggunakan catu daya linier.

SMPS merupakan catu daya pilihan untuk alat yang tidak sensitif terhadap suara, hal ini termasuk perangkat charger atau pengisi daya ponsel, motor DC, dan lainnya.

Regulator Linier vs SMPS

Sekarang saatnya untuk melihat kesimpulan akhir dari Catu daya Teregulasi Linier Vs Switch Mode Power Supply (SMPS) dari beberapa sisi. Beberapa hal yang paling penting yang perlu Anda pertimbangkan adalah termasuk ukuran, berat, rentang tegangan input, tingkat efisiensi, dan tingkat nois di antara faktor-faktor lainnya.

Perlu diingat bahwa desain SMPS memiliki tingkat kerumitan tinggi, dan tidak disarankan untuk pemula di bidang elektronik. Desain SMPS yang terlalu sederhana tidak bisa menjamin beberapa perangkat elektronika bisa bekerja sesuai dengan harapan – terutama kalau berbicara tentang perangkat yang sensitif terhadap nois.

Memutuskan untuk menggunakan catu daya linier atau SMPS

Saat ini ada 2 topologi catu daya yang perlu dipertimbangkan untuk memenuhi kebutuhan alat listrik DC yaitu regulator linier dan SMPS. Regulator Daya Linear sangat ideal untuk alat elektronika yang membutuhkan tingkat nois rendah, sedangkan SMPS lebih cocok untuk perangkat portable di mana efisiensi adalah penting. Ketika akan memutuskan topologi mana yang harus kita pilih, penting untuk mempertimbangkan efisiensi yang dibutuhkan, bentuk dan dimensi, regulasi keluaran, dan tingkat nois.  Berikut tabel perbandingan untuk membantu menentukan pilihan yang tepat :